Đồ án: Điều khiển và giám sát hệ thống đèn giao thông ứng dụng nền tảng IoT

Tìm hiểu đồ án điều khiển, giám sát hệ thống đèn giao thông ứng dụng nền tảng IoT. Tài liệu trình bày giải pháp, sơ đồ và kết quả mô hình thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Trung Thành
• Người hướng dẫn: Ts. Ngô Quang Vĩ
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Điều Khiển, Giám Sát Hệ Thống Đèn Giao Thông Ứng Dụng Nền Tảng IoT
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Khiển Đèn Giao Thông IoT

Điều khiển và giám sát đèn giao thông ứng dụng IoT là một giải pháp hiện đại trong quản lý giao thông thông minh. Hệ thống này kết hợp công nghệ Internet of Things (IoT) với các thiết bị điều khiển tự động để tối ưu hóa lưu lượng giao thông. Đèn giao thông thông minh có khả năng tự động điều chỉnh thời gian dựa trên mật độ xe cộ, giảm tắc nghẽn và tiết kiệm năng lượng. Ứng dụng nền tảng IoT cho phép giám sát real-time các ngã tư giao thông từ xa, cải thiện hiệu quả giao thông đô thị. Công nghệ này đã được các nhà nghiên cứu như Suraya Mubeen (2020) và K. Shashidhar (2022) chứng minh tính khả thi và hiệu quả trong thực tiễn. Việc triển khai hệ thống điều khiển đèn giao thông IoT không chỉ nâng cao an toàn giao thông mà còn hỗ trợ phát triển thành phố thông minh.

1.1. Khái Niệm Về Điều Khiển Đèn Giao Thông Thông Minh

Điều khiển đèn giao thông thông minh sử dụng các cảm biến và thiết bị IoT để thu thập dữ liệu lưu lượng giao thông. Dữ liệu này được xử lý bằng thuật toán machine learning để tối ưu hóa thời gian đèn. Hệ thống có khả năng giám sát real-time toàn bộ lưu lượng giao thông, điều chỉnh chu kỳ đèn tự động theo nhu cầu, và phát cảnh báo khi phát hiện tình trạng bất thường.

1.2. Ứng Dụng Nền Tảng IoT Trong Giao Thông

Nền tảng IoT cho phép kết nối và truyền dữ liệu giữa nhiều thiết bị giao thông. Ứng dụng App Blynk và các giao diện web cung cấp công cụ giám sát và điều khiển từ xa. Nhờ đó, các nhân viên quản lý giao thông có thể theo dõi tình hình từ trung tâm điều hành, phát hiện sự cố nhanh chóng và đưa ra giải pháp kịp thời.

II. Thiết Bị Và Công Nghệ Chính Trong Hệ Thống

Hệ thống điều khiển giám sát đèn giao thông IoT sử dụng nhiều thiết bị điện tử hiện đại. Bo mạch PLC Mitsubishi FX3U-48MR là trung tâm xử lý logic điều khiển, có khả năng lập trình và quản lý nhiều đầu vào/ra. Vi điều khiển ESP32 đóng vai trò cầu nối giữa hệ thống PLC và nền tảng IoT, xử lý truyền thông mạng. Đèn LED 7 đoạn hiển thị thời gian đếm ngược, giúp người dùng biết được bao lâu nữa đèn sẽ chuyển. Mạch giải mã 74LS47 chuyển đổi tín hiệu điều khiển từ PLC sang hiển thị trên đèn LED. Bộ cấp nguồn LM2596 cung cấp điện ổn định cho toàn hệ thống. Giao tiếp RS485/RS232 cho phép truyền dữ liệu giữa các thiết bị với khoảng cách xa.

2.1. Bo Mạch Điều Khiển PLC Mitsubishi FX3U 48MR

PLC FX3U-48MR là bộ điều khiển lập trình logic có 48 đầu vào/ra số. Thiết bị này hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ Ladder Diagram, cho phép tạo các logic điều khiển phức tạp. Nó có khả năng xử lý nhanh, hỗ trợ giao tiếp Modbus RTU, tương thích với nhiều thiết bị khác nhau, và hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

2.2. Vi Điều Khiển ESP32 Và Nền Tảng IoT

ESP32 là vi điều khiển mạnh mẽ hỗ trợ Wi-Fi và Bluetooth, cho phép kết nối nhanh chóng với nền tảng IoT. Sử dụng Arduino IDE để lập trình, developers có thể phát triển ứng dụng nhanh chóng. ESP32 nhận dữ liệu từ PLC qua RS485, xử lý và gửi lên ứng dụng Blynk để giám sát từ xa hoặc điều khiển thông qua smartphone.

III. Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống điều khiển đèn giao thông IoT hoạt động theo hai chế độ chính: chế độ tự động và chế độ bằng tay. Trong chế độ tự động, các cảm biếnđặt trên đường phát hiện mật độ xe cộ, gửi tín hiệu về PLC FX3U-48MR. Bộ điều khiển PLC xử lý logic dựa trên mật độ giao thông và chu kỳ đèn được lập trình sẵn, sau đó điều khiển đèn giao thông (đỏ, vàng, xanh) tương ứng. Đèn hiển thị LED 7 đoạn cho biết thời gian còn lại. Đồng thời, ESP32 truyền dữ liệu real-time lên ứng dụng Blynk hoặc web interface để giám sát từ xa. Trong chế độ bằng tay, nhân viên quản lý có thể điều khiển đèn trực tiếp qua ứng dụng hoặc bảng điều khiển tại chỗ khi cần xử lý tình huống đặc biệt.

3.1. Chế Độ Tự Động Với Thuật Toán Điều Khiển

Chế độ tự động sử dụng các cảm biếm dò lộn để theo dõi lưu lượng giao thông. PLC thực hiện các logic điều khiển được lập trình, so sánh mật độ xe giữa các hướng và điều chỉnh thời gian đèn thích hợp. Công nghệ này giảm thời gian chờ đèn cho người dùng đường bộ, tối ưu hóa thông lượng giao thông và giảm khí thải.

3.2. Giám Sát Real time Qua Nền Tảng IoT

Giám sát real-time cho phép các nhân viên quản lý xem tình trạng từng ngã tư giao thông trên bảng điều khiển trung tâm. Ứng dụng Blynk hiển thị trạng thái đèn, thời gian sổ, và mật độ giao thông từng khoảnh khắc. Khi phát hiện tình trạng bất thường, hệ thống gửi cảnh báo tức thời, giúp đội quản lý ứng phó nhanh chóng.

IV. Ứng Dụng Và Lợi Ích Của Hệ Thống Trong Thực Tế

Hệ thống điều khiển đèn giao thông IoT mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho quản lý giao thông đô thị hiện đại. Giảm tắc nghẽn giao thông bằng cách tối ưu hóa thời gian chu kỳ đèn theo nhu cầu thực tế, tiết kiệm năng lượng nhờ điều khiển thông minh, và nâng cao an toàn giao thông thông qua giám sát liên tục. Ứng dụng công nghệ IoT giúp phát triển thành phố thông minh, nơi các hệ thống giao thông được tích hợp và quản lý hiệu quả. Chi phí vận hành giảm nhờ tự động hóa và giảm can thiệp thủ công. Dữ liệu thu thập được sử dụng để phân tích xu hướng giao thông và lập kế hoạch phát triển cơ sở hạ tầng. Các dự án thí điểm tại nhiều nước đã chứng minh hiệu quả vượt trội của công nghệ này.

4.1. Giảm Tắc Nghẽn Và Tối Ưu Hóa Lưu Lượng

Tối ưu hóa lưu lượng giao thông là mục tiêu chính của hệ thống điều khiển thông minh. Bằng cách điều chỉnh thời gian đèn động dựa trên mật độ xe, hệ thống giảm thời gian chờ trung bình lên đến 20-30%. Thuật toán thông minh giúp phân tán xe đều trên các hướng, tránh tình trạng một chiều quá tải. Kết quả là giảm tắc nghẽn, giảm khí thải và cải thiện chất lượng không khí.

4.2. Tiết Kiệm Năng Lượng Và Phát Triển Thành Phố Thông Minh

Điều khiển thông minh sử dụng đèn LED tiết kiệm điện và tắt đèn khi không cần thiết, tiết kiệm năng lượng 40-50% so với hệ thống truyền thống. Nền tảng IoT cho phép tích hợp với các hệ thống khác như quản lý giao thông công cộng, điều khiển tín hiệu hành động viên. Đây là bước đi quan trọng hướng tới thành phố thông minh, nơi mọi hạ tầng được kết nối và tối ưu hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Cuộc sống ngày càng phát triển nhanh chóng và hiện đại hơn, những công nghệ mới ngày càng được phát minh và phát triển để đưa vào phục vụ cuộc sống hằng ngày của con người. Những ứng dụng của IoTs được sử dụng ngày càng rộng rãi và trong rất nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, y tế, giáo dục,. nhằm mang lại sự tiện nghi, an toàn hơn cho người sử dụng. Trong đó không thể không kể đến những dự án, nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển và giám sát thông minh với sự tiên tiến vượt trội.

Điều khiển và giám sát thông minh, là tích hợp các hệ thống như hệ thống điều khiển và giám sát đèn giao thông, nhà máy, đèn đường, … thành một hệ thống nhất. Mỗi chức năng của điều khiển và giám sát thông minh đều có khả năng tự vận hành hoặc dưới sự điều khiển của người dùng, thông qua tin nhắn cung cấp nhiều chế độ sử dụng. Người dùng có thể truy cập từ xa để kiểm tra báo và tắt hệ thống khi cần thiết, tự động gửi theo thời gian cài đặt sẵn. Vì thế hiện nay điều khiển và giám sát thông minh là một trong những đề tài công nghệ ứng dụng được áp dụng trong rất nhiều dự án.

Không chỉ hạn chế với những tính năng nêu trên, ngày càng có nhiều nghiên cứu đề xuất phát triển hệ thống điều khiển và giám sát để bám kịp theo sự phát triển của công nghệ, tối ưu hóa hiệu năng sử dụng cũng như giá cả hợp lý. Việc cung cấp các thông số qua Internet cho phép người dùng dễ dàng kiểm soát được cũng như nhận biết được những cảnh báo một cách kịp thời nhất. Do đó, em quyết định thực hiện đề tài: “Điều khiển, giám sát hệ thống đèn giao thông ứng dụng nền tảng IoT”. Đề tài ứng dụng công nghệ INTERNET phổ biến trên nhiều thiết bị để điều khiển và giám sát.

Với đề tài sử dụng thiết bị như vậy sẽ hạ thấp được giá thành sản phẩm và tăng tính hiệu quả của đèn giao trong việc điều phối giao thông nhờ việc có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng. Nội dung nghiên cứu Các cách thức giám sát điều khiển qua những giao diện phổ biến hiện nay thường khó thiết kế, chưa thuận tiện vì chưa thể giám sát và điều khiển qua các thiết bị nhỏ gọn như điện thoại thông minh. Các giao diện thiết kế được trên điện thoại thông minh thường phải thiết thông qua lập trình mã code. Vì vậy đề tài này đang hướng đến thiết giao diện giám sát điều khiển trên nền tảng ứng dụng Blynk.

Nội dung nghiên cứu của em hướng đến thực hiện như sau: • Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống đèn giao thông, đèn đường • Nghiên cứu bộ điều khiển ESP32, Bo mạch PLC Mitsu FX3U • Nghiên cứu truyền thông giữa bo mạch ESP32 và PLC Mitsu FX3U • Nghiên cứu nền tảng Blynk sao cho có thể hiển thị được các dữ liệu về cảm biến, trạng thái các thiết bị. • Cụ thể hóa đối tượng nghiên cứu để có thể giám sát trên giao diện Blynk. • Nghiên cứu và thiết kế phần cứng nhỏ gọn, tính toán công suất nguồn phù hợp. Mục tiêu đề tài Đề tài này sẽ đề xuất phương án và công nghệ thông minh trong việc điều khiển giám sát hệ thống đèn giao thông thông minh, bao gồm các chức năng sau: • Chế độ điều khiển bằng tay và chế độ điều khiển tự động.

Trong đó, chế tự động có chế độ ban ngày và chế độ ban đêm. • Có thể thay đổi thời gian hoạt động của đèn trên điện thoại, thay đổi thời gian chế độ ban đêm. • Điều khiển chế độ bằng tay trên điện thoại • Theo dõi hoạt động của các đèn và thời gian trên điện thoại • Cài đặt chế độ hoạt động đèn đường trên điện thoại. THIẾT BỊ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2.

Tổng quan sơ đồ hệ thống Hệ hệ thống gồm các phần chính như sau: Khối nguồn, khối điều khiển trung tâm, khối truyền dữ liệu, khối chấp hành, khối điều khiển (App blynk). Sơ đồ khối hệ thống: Sơ đồ điều khiển cho hệ thống đèn giao thông IOT. Các đèn tín hiệu và đèn thời gian được điều khiển từ xa qua điện thoại, cụ thể là App Blynk. Sau đó truyền qua internet tới khối truyền nhận dữ liệu là bo mạch Esp32 để truyền thông tín hiệu điều khiển đến bo mạch Mitsu Fx3u.

Từ đó điều khiển hệ thống đèn giao thông theo mong muốn. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển giám sát. - Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống. - Khối điều khiển trung tâm: Nhận tín hiệu qua khối truyền dữ liệu và điều khiển khối chấp hành.

- Khối truyền dữ liệu: Nhận và truyền dữ liệu điều khiển - Khối chấp hành: Là đèn tín hiệu và đèn hiển thị thời gian - Khối điều khiển(app blynk): Giám sát và điều khiển hệ thống. Bo mạch Mitsu Fx3u 48MR Để điều khiển hệ thống đèn giao thông, em đã sử dụng bo mạch Mitsu FX3u. Đây là một bo mạch với đầy đủ chức năng như PLC Mitsu thông thường. Với tốc độ xử lý khá cao, và đáp ứng tốt các yêu cầu đặt ra của đề tài.

Ứng dụng của bo mạch Mitsu Fx3u 48MR trong đề tài: là bo mạch điều khiển chính, nhận tín hiệu truyền thông từ bo mạch Esp32 để điều khiển các cơ cấu chấp hành là các đèn tín hiệu và đèn hiển thị thời gian. Bo mạch Mitsu 48MR Bảng 2-1. Thông số kỹ thuật bo mạch Mitsu. Kiểu PLC FX3U-48MR Ngõ vào/ra 24 vào / 24 ra Ngõ ra Relay 220VDC/24VDC – 5A (Khuyến cáo sử dụng 1A) 6 ngõ vào analog, độ chính xác 12bit, A0-AD2: 0-10V, A3-AD5: Ngõ vào analog 0-20mA; Đọc cấu trúc lệnh RD3A.

2 ngõ ra analog, độ chính xác 12bit, ngõ ra vôn: 0-10V, ngõ ra Ngõ ra analog analog với cấu trúc lệnh WR3A Phát xung Không hỗ trợ Kích thước 191mmx120mmx43mm nặng 522g (Dài*Rộng*Cao) Nguồn cấp 24VDC – 1A Ngõ vào 0VDC-NPN 8 Bộ đếm tốc độ cao Bộ đếm 6 kênh mặc định 8k (Đếm 1 chiều hoặc 2 chiều). Có thế kết nối hầu hết các loại HMI RS232 (1 Cổng)/ RS485 (1 Giao tiếp HMI Cổng) Phần mềm lập trình GX Developer – GX-Work 2 Cổng lập trình DP9/RS232 tốc độ 38.4kbs Số lượng bước lập trình 8000 bước Khả năng bảo vệ Chống ăn mòn – chống ẩm – chống tĩnh điện Hình 2. Bo mạch PLC Mitsu Fx3U 48MR Board PLC Mitsubishi FX3U-48MT-6AD-2DA - Download speed 38,400kbs - 24 ngõ vào NPN, 24 ngõ ra Transistor NPN, 6 đầu vào analog( 3 ngõ vào 0-10V và 3 ngõ vào 0-20mA), 2 đầu ra analog (0-10V) - X0-X5 là ngõ vào xung tốc độ cao, nhận được 3 encoder AB, mặc định là 12K, có thể yêu cầu 100K - Y0-Y7 là ngõ ra xung tốc độ cao có thể lên đến 100K - Có vùng nhớ duy trì khi mất điện. - Nguồn cấp 24VDC.

- Hỗ trợ mã hóa 16-bit - Hỗ trợ 3 loại ngắt. 9 - RS485 hỗ trợ 4 giao thức truyền thông. - Hỗ trợ lệnh 1N, 2N, 3U - 8000 step - Tính toán số thực - Kết nối HMI - Tốc độ quét 3000 steps/ 1ms Bảng 2-2 Bảng thông số kỹ thuật PLC Input Power DC24 Number of steps 8000 steps; 2 communication ports: 1 RS232 (DB9 serial port is communication port for the FX3u protocol 38400,7，E，1； 1 RS485 (485 selection) communication protocol can be set D8120). X input element X0-X27 DC24 input，Low level,X0-5 is a high- speed count input port (the Default is 12K, 100KHZ optional) Y output element Y0-Y11 for optimal relay output,relay output current 5A.

4 continuation electric apparatus 1 common end, altogether 3 common ends Analog input 6 analog input, 12 bit precision, 3 channel analog input 0-10V, 3 channel analog input 0-20MA; read analog RD3A instruction Analog output 2 analog output, 12 bit precision, output voltage: 0-10V. output analog voltage with WR3A instruction Intermediate relay M0-M3071, power-down save range can be set M0-M1023, the default M500-M1023 Step point S0-1023, power-down save range can be set S0- S1023, the default S500-S9999 100Ms timer T0-T199 Accumulated power-down saving T184- T199 10Ms timer T200-T249 Accumulated power-down saving 10 T246-T249 1Ms timer T250-T383, where T250-255 is the cumulative type 16-bit counter C0-C199, power-down save C100-C199 32-bit counter C200-C219, save the power-down C220-C234 32-bit high-speed counter C235-255; C235-C240 for the single-phase counter, not multiplier; C241-240 for the single- phase calculator, 2 octave; C2470249 for the dual- phase counter, not multiplier; C250-252 for dual- phase counter, ; C253-C255 for the dual-phase counter, 4 octave Register D D0-D7999, power-down save the range can be set D0-7999 Indirect addressing V0-7, Z0-7 pointer V, Z P The subroutine jump P0-63 number I interrupt X0-5 external interrupt, timer interrupt (1MS unit) counter interrupt Special M components M8000 run-time normally closed, M8002 power pulse, M8011 is 10Ms pulse, M8012 is 100Ms pulse, M8013 is 1s pulse, M8014 is minute pulse 11 Bảng 2-3. Bảng phát xung The Number Acceler Minimum DVIT OPR of Output Pulse ation / Origin pulse output interrupt creep output tag disabled deceleration return speed frequency inputs the X speed pulses time address Y0 D8132 M8147 M8141 D8144 D8145 D8080 D8220 D8090 Y1 D8134 M8148 M8142 D8146 D8147 D8081 D8221 D8091 Y2 D8136 M8149 M8143 D8148 D8149 D8082 D8222 D8092 Y3 D8138 M8150 M8144 D8150 D8151 D8083 D8223 D8093 Y4 D8140 M8151 M8145 D8152 D8153 D8084 D8224 D8094 Y5 D8142 M8152 M8146 D8154 D8155 D8085 D8225 D8095 Y6 D8166 M8153 M8155 D8156 D8157 D8086 D8226 D8096 Y7 D8168 M8154 M8156 D8158 D8159 D8087 D8227 D8097 2. Vi điều khiển Esp32 ESP32-WROOM-32 là mô đun MCU đa dụng, mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trong thiết kế mạch PCB Wifi- Bluetooth, BLE được ứng dụng rất phổ biến cho nhiều ứng dụng về IoT hiện nay.

Phạm vi ứng dụng từ mạng sensor tiết kiệm năng lượng đến những ứng dụng với tác vụ phức tạp nhất, như mã hóa âm thanh, âm nhạc trực tuyến đến giải mã MP3. Ứng dụng của bo mạch Esp32 trong đề tài: Bo mạch Esp32 được sử dụng để truyền thông tín hiệu. Bo mạch sẽ nhận tín hiệu từ internet giao tiếp với App Blynk, sau đó truyền tín hiệu xuống bo mạch Fx3u qua mạch giao tiếp truyền thông TTL. Lõi của module là họ chip ESP32-D0WDQ6, chip nhúng được thiết kế cho khả năng mở rộng và tùy biếncao.

Có đến 2 lõi CPU độc lập có thể điều khiển, tần số clock của CPU có thể được điều chỉnh tử 80MHZ đến 240 Mhz. Người lập trình có thể tắt CPU để sử dụng bộ đồng xử lý công suất thấp để theo dõi sự thay đổi hoặc vượt ngưỡng của các ngoại vi. ESP32 tích hợp bộ ngoại vi khá phong phú từ cảm biến điện dung, cảm biến Hall, SD card, Ethernet, SPI tốc độ cao, UART, I2S hay I2C.