Giải pháp điểm danh tự động sử dụng vân tay theo thời khóa biểu cho trường học

Nguyễn Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 53 - 57 53 GIẢI PHÁP ĐIỂM DANH TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG VÂN TAY THEO THỜI KHÓA BIỂU CHO TRƯỜNG HỌC Nguyễn Văn Huy1,*, Nông Minh Ngọc2 1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên, 2Đại học Thái Nguyên TÓM TẮT Việc điểm danh vân tay trong các trường học là một công việc thường xuyên và tốn thời gian của giáo viên và học sinh trước mỗi giờ học. Các hệ thống điểm danh vân tay tự động hiện nay thường chỉ có một cơ sở dữ liệu mẫu hạn chế nên không đáp ứng đủ cho trường hợp số lượng sinh viên hoặc học sinh lớn. Đồng thời việc điểm danh tự động trong trường học hiện nay thường là sử dụng các hệ thống chấm công vân tay, các hệ thống này chỉ xác nhận đơn lẻ thông tin sinh viên tham gia hay không tham gia tại một địa điểm cố định nào đó. Bài báo này đề xuất một giải pháp điểm danh vân tay tự động với cơ sở dữ liệu linh hoạt theo thời khóa biểu và địa điểm học tùy biến. Từ khoá: Điểm danh vân tay tự động, Điểm danh theo thời khóa biểu, Hệ thống nhúng, Cảm biến vân tay R305. GIỚI THIỆU* Điểm danh là một công việc thường xuyên tại các đơn vị trường học, tuy nhiên hầu hết các trường học hiện nay thì công việc này đang được thực hiện bằng tay. Nghĩa là mỗi giáo viên hoặc người quản lý sẽ phải gọi tên và kiểm tra sự có mặt của học sinh hoặc sinh viên (HS-SV) trước giờ học, hoặc trước giờ thi. Việc này gây mất thời gian đồng thời có thể có hiện tượng mạo danh. Có nhiều giải pháp công nghệ để tự động hóa quá trình điểm danh và hạn chế việc giả mạo như nhận dạng giọng nói, thẻ từ RFID, nhập mã số, nhận dạng ảnh, nhận dạng vân tay,... Mỗi công nghệ đều có các ưu và khuyết điểm riêng. Theo phân tích của tác giả thì phương pháp nhận dạng vân tay là tối ưu hơn cả vì những lý do sau [1,2,3]: Phương pháp nhận dạng tiếng nói chưa đạt độ chính xác tin cậy, tại lúc điểm danh có nhiều sinh viên hỗn loạn gây nhiễu sẽ càng làm giảm chất lượng nhận dạng; Phương pháp thẻ từ đạt độ chính xác tin cậy nhưng dễ bị làm giả và tốn nhiều chi phí cho việc cấp phát thẻ; Phương pháp nhập mã số đơn giản, chính xác 100% nhưng dễ bị giả mạo do HS-SV có thể cung cấp mã cho người khác; Phương pháp nhận dạng ảnh độ chính xác chưa đạt độ tin cậy do phải lấy mẫu nhiều * Email: huynguyen@tnut.edu.vn lần ở nhiều mức sáng khác nhau, đồng thời HS-SV vẫn có thể giả mạo bằng ảnh chân dung đặt gần camera nhận dạng. Phương pháp nhận dạng vân tay hạn chế được các nhược điểm trên do chỉ tốn chi phí xây dựng hệ thống quản lý và nhận dạng, không mất phí cấp thẻ, rất khó có thể giả mạo và với lượng cơ sở dữ liệu nhỏ thì có độ chính xác cao. Tuy nhiên các hệ thống điểm danh tự động được sử dụng tại các trường học hiện nay chỉ là các hệ thống chấm công tự động bằng vân tay. Hệ thống này cho phép điểm danh được sinh viên tự động bằng vân tay nhưng cơ sở dữ liệu chỉ nạp một lần theo kế hoạch, cần đến công cụ và người vận hành. Việc này dẫn đến nếu thời khóa biểu của một phòng học thay đổi liên tục theo ngày thì cơ sở dữ liệu hoặc phải lớn để chứa được hết danh sách các lớp có lịch học tại địa điểm đó, hoặc là hệ thống sẽ mất tính chính xác do không gian tìm kiếm nhận dạng quá lớn. Một cơ sở dữ liệu lớn sẽ làm giảm chất lượng nhận dạng, đồng thời hệ thống như vậy trong thực tế sẽ không linh hoạt do kế hoạch đào tạo có thể sẽ bị thay đổi. Cụ thể như các đơn vị đào tạo theo hệ thống tín chỉ linh hoạt có thể có nhiều lớp có lịch học tại cùng một phòng, kế hoạch thi, kiểm tra với danh sách dự thi thường là không xác định được trước do nó chỉ được thực hiện khi HS-SV đã đủ các điều kiện dự thi vào cuối kỳ học, Nguyễn Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 53 - 57 54 Trong bài báo này chúng tôi đề xuất một giải pháp xây dựng hệ thống nhận dạng vân tay tự động phục vụ cho mục đích điểm danh dựa trên nền tảng cảm biến vân tay R305. Điểm mới và khác biệt chính của hệ thống là cơ sở dữ liệu nhận dạng được cập nhật linh hoạt và tự động dựa theo thời khóa biểu. Hệ thống cho phép thống kê điểm danh theo môn học, tiết học, kỳ học tự động theo thời khóa biểu. Bài báo sau đây được trình bày tiếp với 4 Mục. Tổng quan về Module nhận dạng vân tay R305 được trình bày ở Mục 2. Mục 3 trình bày chi tiết về giải pháp được đề xuất để xây dựng hệ thống điểm danh tự động bằng vân tay. Tổng quan về hệ thống thử nghiệm và kết quả thử nghiệm được trình bày ở Mục 4. Cuối cùng Mục 5 là phần kết luận của bài báo. MODULE NHẬN DẠNG VÂN TAY R305 Module cảm biến vân tay R305 là một module tích hợp với các chức năng chính sau [4]: • Cho phép thu thập và tính toán đặc trưng vân tay tự động. • Bộ nhớ cơ sở dữ liệu tối đa là 1024 mẫu phân biệt. • Giao tiếp với ngoại vi qua UART. • Đi kèm với module là bộ thư viện API hỗ trợ nhiều nền tảng. Quy trình làm việc của R305 có thể được mô tả như sau [4]: Bước 1: Thu thập cơ sở dữ liệu (enrolling). Đây là bước lấy mẫu vân tay và gán nhãn ID cho từng đối tượng. Dữ liệu vân tay và định danh này có thể được lưu vào bộ nhớ dài hạn của Module hoặc gửi lên thiết bị ngoại vi qua giao tiếp UART. Bộ nhớ dữ liệu của R305 tối đa có thể lưu được là 1024 mẫu. Như vậy module chỉ có khả năng nhận dạng được 1 trong 1024 mẫu đã lưu. Bước 2: Nhận dạng (matching). Ở bước này module sẽ tự phát hiện vân tay được đặt lên camera, tự động lấy ảnh, tự động tính toán đặc trưng và chạy thuật toán nhận dạng trên bộ dữ liệu đã được lưu trữ. Nếu phát hiện có 1 mẫu tương đồng trong cở dữ liệu thì module sẽ trả về ID của định danh của mẫu đó. Như vậy có thể thấy Module R305 chỉ thực hiện nhận dạng với số lượng mẫu trong cơ sở dữ liệu giới hạn là 1024 và các mẫu này phải được nạp vào bộ nhớ của Module. Dữ liệu trả về của R305 chỉ là ID định danh của mẫu, nếu áp dụng cho việc điểm danh sẽ cần thêm thông tin thời gian, địa điểm, đồng thời phải có cơ chế nạp mẫu linh hoạt cho bộ nhớ cơ sở dữ liệu của Module. GIẢI PHÁP ĐỂ XUẤT Giải pháp cho hệ thống đảm bảo các mục tiêu sau: • Không hạn chế số lượng mẫu có thể nhận dạng • Cho phép điểm danh tự động theo thời khóa biểu cho từng sinh viên. Từ kết quả điểm danh có thể rút trích, tìm kiếm và thống kê điểm danh theo môn học, phòng học hoặc sinh viên. Định nghĩa các thành phần Cơ sở dữ liệu Giả thiết một trường có tập phòng học là P={pi}, i=1,..,N. N là số lượng phòng học, pi là phòng thứ i. Tập sinh viên là SV={svj,vtj }, j=1,..,M. M là số lượng sinh viên, svj là sinh viên thứ j, vtj là vân tay tương ứng của sinh viên thứ j. Danh sách môn học là MH={mhk},k=1,..,K. K là số lượng môn học, mhk là môn học thứ k. Thời khóa biểu được định nghĩa như sau: TKB={svj,vtj,pi,mhk,Date,Time}. Module phần cứng của hệ thống Module điểm danh vân tay được xây dựng dựa trên hai thành phần cơ bản là hệ vi xử lý Raspberry-Pi và module R305. Cấu trúc của module được thể hiện ở Hình 1. Trong đó R305 có chức năng chụp ảnh vân tay, nhận dạng và gửi vti cho Raspberry-Pi. Room-ID Configuaration là thành phần cho phép cài đặt mã phòng để định danh cho module tương ứng được lắp đặt tại phòng pi. Raspberry-Pi là vi xử lý trung tâm sẽ nhận {pi,vtj} và gửi lên Webserver tổ hợp thông tin {pi,vtj,Date,Time}. Trong đó Date và Time là ngày và thời gian tại lúc Raspberry-Pi nhận được {pi,vtj}. Nguyễn Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 53 - 57 55 Hình 1. Cấu trúc của module phần cứng trong hệ thống điểm danh Webserver Webserver làm việc như một giao diện người dùng giúp sinh viên, giảng viên và người quản lý có thể truy xuất thông tin, cấu hình thay đổi và cập nhật dữ liệu. Ngoài ra nhiệm vụ chính của Webserver là thực hiện hai phương thức điểm danh và cập nhập dữ liệu. Thuật toán điểm danh được phát biểu như trong Bảng 1. Bảng 1. Thuật toán điểm danh Thuật toán: Điểm danh (Checkin) 1: 2: 3: 4: 5: 6: Input: {pi,vtj,Date,Time} Output: {svj,vtj,pi,mhk,Date,Time}=True/False If (tìm thấy {pi,vti,Date,Time} trong TKB) Then: {svj,vtj,pi,mhk,Date,Time}=True Else {svj,vtj,pi,mhk,Date,Time}=False Thông tin: {svj,vtj,pi,mhk,Date,Time}=True/False sau đó được lưu dưới dạng bản ghi vào bảng dữ liệu điểm danh tích lũy. Webserver sẽ sử dụng dữ liệu này để giúp sinh viên, giảng viên và nhà quản lý truy vấn thông tin. Do mỗi module R305 chỉ lưu được 1024 mẫu {vtj} nên không thể lưu toàn bộ dữ liệu SV. Để đảm bảo module phần cứng có thể nhận dạng được mọi sinh viên trong trường thì cơ sở dữ liệu này cần được cập nhật một cách linh hoạt. Thực tế cho thấy kế hoạch giảng dạy hay thời khóa biểu thường được xây dựng trước khi lớp học bắt đầu. Như vậy ta luôn biết trước danh sách sinh viên {svj,vtj} sẽ học tại phòng {pi} vào ngày Date. Để dữ liệu được cập nhật linh hoạt, Webserver sẽ lọc ra danh sách sinh viên {svj,vtj} sẽ học tại phòng pi mỗi ngày, nếu phát hiện có sự thay đổi so với danh sách {svj,vtj} đã được lưu trên Module phần cứng tại pi thì Webserver sẽ copy danh sách mới xuống Module phần cứng. Thông thường thì số lượng sinh viên học tại một phòng và trong một ngày thường nhỏ hơn 1024, bằng cách làm như trên thì về mặt tổng thể giải pháp Module phần cứng có thể nhận dạng và định danh được mọi sinh viên của trường theo thời khóa biểu. Thuật toán cập nhập được phát biểu như Bảng 2. Bảng 2. Thuật toán cập nhật dữ liệu TKB Thuật toán: Cập nhập dữ liệu động (Update) 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10: 11: While(1){ Date ← Ngày hiện tại; Time ← Giờ hiện tại; If (Ngày-mới(Date,Time)=true) Then { For i from 1 to N do { DS[i]←Select * from TKB where (TKB(Date)=Date and TKB(pi)=pi); If DS[i]!=(DS trong Module phần cứng) then Copy(DS[i]) vào Module phần cứng; } } } Hình 2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống nhận dạng Raspberry-Pi R305 Room-ID Configuration UART Nguyễn Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 53 - 57 56 Mô hình hệ thống Mô hình hệ thống điểm danh tự động bằng vân tay được tạo lập bởi ba thành phần chính là module nhận dạng vân tay, Webserver và cơ sở dữ liệu được mô tả ở Hình 2. Cách làm việc của hệ thống gồm ba khâu như sau: * Khâu 1: Xây dựng cơ sở dữ liệu VT, SV, MH và TKB Dữ liệu về mã vân tay VT được xây dựng bằng cách sử dụng module R305. Toàn bộ sinh viên của trường sẽ được lấy dữ liệu vân tay và lưu vào cơ sở dữ liệu VT={vtj,svj}. Dữ liệu thời khóa biểu TKB được thu thập từ kế hoạch đào tạo của Trường. Hình 3. Module phần cứng Hình 4. Giao diện thông tin sinh viên trên Webserver Khâu 2: Cập nhận dữ liệu vân tay tự động cho Module phần cứng (update) Webserver sẽ giao tiếp với Module phần cứng và định kỳ kiểm tra sự trùng khớp giữa dữ liệu DS’[]={svj,vtj,pi} được lưu trên bộ nhớ của R305 với dữ liệu DS[]={svj,vtj,pi} được trích xuất từ TKB. Nếu phát hiện sai khác thì Webserver sẽ copy DS[] xuống Module phần cứng của phòng pi tương ứng. Khâu 3: Điểm danh (checkin) Sự kiện điểm danh được kích hoạt mỗi khi Module phần cứng ở một phòng bất kỳ nhận được ảnh vân tay. Khi đó moudle R305 sẽ tiến hành nhận dạng để định dang ảnh vân tay nhận được so với cơ sở dữ liệu DS đã được lưu trong bộ nhớ. Nếu tìm thấy R305 sẽ gửi mã vân tay vtj cho module vi xử l‎ý Raspberry- Pi, sau đó nó xử l‎ý dữ liệu và gửi tổ hợp {svi,vtj,pi,Date,Time} lên Webserver để thực hiện quá trình điểm danh. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM Hệ thống thực nghiệm được xây dựng sử dụng dữ liệu thời khóa biểu của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Module phần cứng sử dụng vi xử lý Raspberry-Pi1 kết nối với Module nhận dạng vân tay R305 qua giao tiếp UART. Module cấu hình mã phòng được xây dựng từ một bộ chuyển mạch 8 bit để mã hóa các phòng học. Mỗi phòng được mã bởi một dãy số nhị phân 8 bit tương ứng với việc bật tắt các chuyển mạch trên module này. Module phần cứng được kết nối tới Webserver qua mạng LAN nội bộ. Cơ sở dữ liệu và Webserver được đặt chung trên một máy tính. Phần Webserver được xây dựng bằng .NET và SQL. Hình 3 và Hình 4 là ảnh chụp Module phần cứng và một giao diện trên Webserver về thông tin sinh viên. Hệ thống đã được thử nghiệm với 500 lần điểm danh của 100 sinh viên cho 4 môn học tại 6 phòng học khác nhau. Kết quả điểm danh chính xác 100%. Thời gian trung bình một lần update dữ liệu khi có sự thay đổi là khoảng 3 giây với điều kiện đường truyền mạng LAN nội bộ 100MB/s. Thời gian nhận dạng vân tay, xác minh và thực hiện điểm danh checkin trung bình 1,5 giây. Bằng cách áp dụng giải pháp mà chúng tôi đề xuất, hệ thống điểm danh có thể khắc phục được vấn đề đồng bộ cơ sở dữ liệu mà các máy chấm công hiện nay gặp phải. Tất cả các máy điểm danh tại các vị trí khác nhau sẽ tự Nguyễn Văn Huy và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 53 - 57 57 động được cập nhật và sử dụng chung một cơ sở dữ liệu điểm danh duy nhất. Việc này sẽ nâng cao tính chính xác và giảm thời gian quá trình thống kê báo cáo. Chính vì vậy phương pháp này cũng có thể được áp dụng để xây dựng các máy điểm danh cho các trường trung học cơ sở, hoặc xây dựng các máy chấm công tại các nhà máy. KẾT LUẬN Trong bài báo này chúng tôi đã trình bày một cách tiếp cận để xây dựng hệ thống điểm danh tự động dùng vân tay có thể được áp dụng cho các trường học. Hệ thống được xây dựng dựa trên hai thiết bị phần cứng chính là vi xử lý Raspberry-Pi1 và module nhận dạng vân tay R305. Bài báo cung cấp một giải pháp hoàn chỉnh để xây dựng các hệ thống điểm danh cho các trường học mà không bị giới hạn bởi số lượng mã vân tay. Đồng thời việc điểm danh được thực hiện đồng bộ với thời khóa biểu theo môn học, phòng học và từng sinh viên một cách tự động. Để tối ưu về mặt chi phí khi xây dựng Module phần cứng điểm danh ta có thể thiết kế hoặc lựa chọn các hệ vi xử lý, vi điều khiển tinh giản hơn so với Raspberry-Pi1. Vì thực tế nhiệm vụ của hệ vi xử lý chỉ đảm nhiệm việc truyền thông giữa Module phần cứng với Webserver. Dữ liệu truyền thông {svi,vtj,pi,Date,Time} thực tế có kích thước nhỏ. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Awad, Ali. Machine Learning Techniques for Fingerprint Identification: A Short Review. 2012, 10.1007/978-3-642-35326-0_52, pp. 524-531. 2. Bhattacharya, Dr Samayita & Barua, Kuntal & Kalyani, Dr & Mali, Fingerprint Identification. ©2011 Global Journals Inc. (US). 3. Nath, Dev & Ray, Saurav & Kumar Ghosh, Sumit. Fingerprint Recognition System : Design & Analysis. International Conference on Scientific Paradigm Shift In Information Technology & Management, SPSITM'11, 2011 4. SynoChip. R30X Series Fingerprint Identification Module User Manual, 2017. ABSTRACT AUTOMATED FINGERPRINT IDENTIFICATION SYSTEM BASED ON SCHEDULE FOR STUDENT ATTENDANCE CHECKING Nguyen Van Huy 1* , Nong Minh Ngoc 2 1University of Technology – TNU, 2Thai Nguyen University Teachers have to check attendance of students for every single class, and it is manual usually in Vietnam. Therefore it takes time and could be mistake or fake. Available fingerprint identification systems for attendance checking perform with a limited and permanent database. The disadvantage is that they are limited to schools. They are usually only used for timekeeping at factories or companies. In this paper a new approach is proposed to design a fingerprint identification system that can be used for schools suitably. This system is not limited on the amount of students and location where it is installed, and it can check the attendance based on student's schedule. Keywords: Fingerprint identification for attendancechecking, Fingerprint identification, Fingerprint sensor, Embedded system. Ngày nhận bài: 20/9/2018; Ngày hoàn thiện: 15/11/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018 * Email: huynguyen@tnut.edu.vn