Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mô hình thanh toán cước phí xe buýt

Đồ án tốt nghiệp mô hình thanh toán cước phí xe buýt thông minh, ứng dụng công nghệ RFID và IoT. Tài liệu chi tiết từ thiết kế đến thi công.

• Tác giả: Phạm Thị Tiền
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Truyền thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình thanh toán cước phí xe buýt
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mô hình Thanh toán Cước phí Xe buýt Thông minh

Mô hình thanh toán cước phí xe buýt thông minh là một giải pháp hiện đại nhằm thay thế phương thức thanh toán truyền thống bằng tiền mặt. Hệ thống này tích hợp công nghệ RFID (Radio-Frequency Identification) và Internet of Things (IoT) để tạo nên một quy trình thanh toán nhanh chóng, an toàn và tiện lợi. Đây là một bước tiến lớn trong lĩnh vực giao thông công cộng, đặc biệt trong bối cảnh thế giới hạn chế các tiếp xúc trực tiếp như hiện nay. Mô hình này không chỉ cải thiện hiệu quả quản lý mà còn nâng cao chất lượng dịch vụ cho người dùng, giảm thiểu rủi ro lây lan bệnh tật và tạo ra một hệ thống giao thông bền vững.

1.1. Khái niệm và Ứng dụng

Thanh toán cước phí xe buýt thông minh hoạt động dựa trên công nghệ RFID và ứng dụng di động Android. Hành khách sử dụng thẻ thông minh hoặc điện thoại để thanh toán cước phí tự động khi lên xe. Hệ thống này giúp giảm thời gian xếp hàng, tăng tính an toàn và cung cấp dữ liệu chi tiết cho các nhà quản lý giao thông công cộng.

1.2. Lợi ích và Tầm quan trọng

Mô hình thanh toán thông minh mang lại nhiều lợi ích thiết thực: không tiếp xúc trực tiếp, giảm chi phí vận hành, tăng độ tin cậy và bảo mật. Nó cũng hỗ trợ các nhóm ưu tiên như học sinh, sinh viên thông qua hệ thống giảm giá tự động, góp phần phát triển hệ thống giao thông công cộng bền vững ở các thành phố lớn.

II. Các Công nghệ Cốt lõi của Hệ thống

Công nghệ RFID là nền tảng chính cho mô hình thanh toán xe buýt thông minh. Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng công nghệ IoT, giao tiếp I2C, giao thức SPI và các chuẩn truyền nhận dữ liệu hiện đại. Các công nghệ này được tích hợp với board Arduino Wemos D1, module RC522 RFID, màn hình LCD 20x4 và kết nối WiFi để tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh. Phần mềm backend sử dụng PHP và database để quản lý thông tin người dùng, lịch sử giao dịch và ứng dụng Android trên mobile cung cấp giao diện thân thiện cho người dùng.

2.1. Công nghệ RFID và IoT

RFID (Radio-Frequency Identification) cho phép đọc dữ liệu từ thẻ thông minh từ xa mà không cần tiếp xúc. Internet of Things (IoT) kết nối các thiết bị để truyền tải dữ liệu liên tục. Sự kết hợp này giúp xây dựng hệ thống thanh toán tự động, quản lý dữ liệu hành khách và tối ưu hóa quy trình vận hành xe buýt một cách hiệu quả.

2.2. Các Giao thức Truyền thông

Hệ thống sử dụng giao thức I2C để kết nối giữa board Arduino và LCD, giao thức SPI cho module RFID RC522. Giao tiếp WiFi cho phép truyền dữ liệu đến server PHP quản lý. Việc sử dụng các chuẩn giao tiếp tiêu chuẩn đảm bảo độ tin cậy cao, tốc độ truyền nhanh và khả năng tương thích với các thiết bị khác nhau.

III. Kiến trúc Hệ thống và Thiết kế Chi tiết

Hệ thống gồm bốn khối chính: khối đọc thẻ (RFID RC522), khối xử lý trung tâm (Arduino Wemos D1), khối hiển thị (LCD 20x4) và khối quản lý thông tin (Server PHP) . Mô hình này tạo thành một chu kỳ hoàn chỉnh: khi hành khách tiếp cận thẻ RFID với đầu đọc, dữ liệu được truyền đến board Arduino, sau đó xử lý và kiểm tra số dư trong tài khoản người dùng. Kết quả được hiển thị trên LCD, đồng thời dữ liệu giao dịch được gửi đến server thông qua kết nối WiFi. Ứng dụng Android cho phép người dùng quản lý tài khoản, nạp tiền và xem lịch sử thanh toán một cách tiện lợi.

3.1. Sơ đồ Khối và Cấu trúc Phần cứng

Sơ đồ khối minh họa mối quan hệ giữa các thành phần: module RFID RC522 được kết nối với Arduino Wemos D1 qua giao tiếp SPI. Màn hình LCD 20x4 kết nối qua I2C để hiển thị thông tin. Board Wemos D1 đóng vai trò bộ xử lý trung tâm, quản lý toàn bộ luồng dữ liệu và kết nối WiFi để gửi thông tin đến server PHP.

3.2. Ứng dụng Android và Server Quản lý

Ứng dụng Android cung cấp giao diện đăng nhập, hiển thị số dư tài khoản, lịch sử giao dịch và chức năng nạp tiền. Server PHP lưu trữ thông tin người dùng, quản lý tài khoản và xử lý các yêu cầu từ ứng dụng mobile. Hệ thống này cho phép quản trị viên giám sát, thêm khách hàng mới, điều chỉnh cước phí và tạo các chương trình khuyến mãi cho học sinh, sinh viên.

IV. Kết quả Đạt được và Hướng Phát triển

Mô hình thanh toán cước phí xe buýt thông minh đã được thực hiện hoàn chỉnh với đầy đủ các chức năng cốt lõi. Hệ thống hoạt động ổn định, xử lý giao dịch nhanh chóng và cung cấp tính bảo mật cao cho người dùng. Các kết quả đạt được bao gồm: ứng dụng Android hoàn thiện, trang quản lý trên web server thân thiện, và mô hình phần cứng được lắp ráp và kiểm thử thành công. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm tích hợp thanh toán bằng mã QR, kết nối với hệ thống định vị GPS để tính cước phí dựa trên khoảng cách, và mở rộng sang các phương tiện giao thông công cộng khác.

4.1. Các Tính năng Chính Của Hệ Thống

Hệ thống cung cấp xác thực người dùng an toàn, quản lý số dư tài khoản tự động, ghi nhận giao dịch chi tiết và tính năng nạp tiền trực tuyến. Các thẻ ưu tiên cho học sinh, sinh viên được áp dụng mức cước phí giảm tự động. Hệ thống báo cáng lỗi rõ ràng như thẻ không được đăng ký hoặc số dư không đủ, giúp người dùng hiểu rõ tình trạng giao dịch.

4.2. Tiềm năng Ứng dụng và Mở rộng

Mô hình này có thể mở rộng sang các phương tiện khác như taxi, tàu điện ngầm, xe bồn. Tích hợp công nghệ AI để dự đoán nhu cầu hành khách và tối ưu lộ trình. Phát triển ứng dụng web đầy đủ cho máy tính và hệ thống báo cáo thống kê chi tiết giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định kinh doanh tốt hơn. Thanh toán bằng NFC/RFID trên điện thoại sẽ tăng tính tiện dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Đưa ra kết quả trong suốt cả quá trình nghiên cứu, những vấn đề cần cải thiện và hướng phát triển để đề tài hoàn thiện hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THANH TOÁN CƯỚC PHÍ XE BUÝT 2.1 Tìm hiểu về hệ thống thanh toán cước phí xe buýt Để giảm thiểu tắc nghẽn và ùn tắc giao thông do quá trình đô thị hóa, chính phủ và một số cơ quan đã đưa ra một số giải pháp để cải thiện cơ sở hạ tầng, bên cạnh đó còn khuyến khích người dân tham gia các phương tiện công cộng như xe buýt để giảm bớt số lượng đi lại của các phương tiện cá nhân, giúp hạn chế sự quá tải của hạ tầng giao thông đô thị.

Ở nước ta, người dân có thể sử dụng loại hình vận tải này một cách dễ dàng bằng cách thanh toán trực tiếp bằng tiền mặt hay vé tháng cho mỗi chuyến đi. Dưới sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, các hình thức thanh toán mới như thanh toán trực tiếp thông qua thẻ có tích hợp visa, tài khoản ngân hàng cũng như ứng dụng quét mã QR trên di động phát triển và cũng được áp dụng thử nghiệm trên một số thành phố lớn ở nước ta. Song, hiệu quả lại không như mong đợi. Nguyên nhân chủ yếu vẫn là do thói quen của đại đa số người dùng cũng như tính ứng dụng khi mà việc thanh toán qua thẻ còn quá phức tạp với một bộ phận khách hàng.

Kế thừa những mô hình thử nghiệm trước đó, cũng như những hạn chế khi áp dụng mô hình vào trong đời sống thực tiễn ở nước ta. Có thể thay đổi và ứng dụng công nghệ RFID trong việc thanh toán. Việc này như một bước đệm giúp thay đổi từng chút một thói quen của người dùng trước khi phát triển mô hình hệ thống lên mức cao hơn như ở hiện tại. Bên cạnh đó, hình thức này có thể áp dụng rộng rãi đối với nhiều loại cơ sở hạ tầng trên mọi tỉnh thành khắp cả nước.2 Mô hình tổng quan Sau khi nghiên cứu mô hình thanh toán cước phí xe buýt trước đó, sinh viên xin đưa ra mô hình cơ bản sau: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 Mô hình hoạt động tổng quát Mô tả hoạt động: • Để sử dụng dịch vụ, đầu tiên hành khách phải lấy và đăng ký thẻ user bao gồm một số thông tin như: Họ tên, số điện thoại, địa chỉ,… • Sau đó, khách hàng nạp tiền vào tài khoản để tiến hành sử dụng. • Khi sử dụng, người dùng tiến hành quét thẻ ở các đầu đọc thẻ có trên mỗi xe buýt. Khi đó, hệ thống sẽ thông qua wifi gửi thông tin lên cơ sở dữ liệu và tiến hành truy xuất dữ liệu. Nếu thông tin trùng khớp và số dư trong tài khoản hợp lệ sẽ tiến hành thanh toán.

• Khi thanh toán thành công, hệ thống sẽ lưu trữ thông tin chuyến đi trên web server và ứng dụng trên điện thoại để người quản lý và người dùng có thể theo dõi được lịch sử thanh toán của mình. Mục đích để giải quyết các sự cố sau này như rơi rớt đồ dùng cá nhân trên xe,… 2.2 TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS 2.1 Internet of Things (IoT) IoT (The Internet of Things) hay Internet Vạn Vật là thuật ngữ mô tả mạng lưới các sự vật được kết nối Internet, được cung cấp định danh riêng (UIDs) và có khả năng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng mà không cần tương tác giữa con người với con người hoặc con người với máy tính. Nói một cách ngắn gọn, IoT đơn giản là đem kết nối tất cả mọi vật trên thế giới với Internet.

Về cơ bản, IoT được đại diện bởi 4 phần: Thiết bị (Things), Trạm kết nối (Gateways), Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud), Bộ phân tích và xử lý dữ liệu (Services-creation and Solution Layers).2 Cấu trúc một IoT Các thiết bị sẽ được gắn chip cảm biến để phát hiện và chuyển đổi các đối tượng trong tự nhiên thành dữ liệu trong môi trường internet, từ đó xử lý tiến hành điều hướng và thực hiện các lệnh theo cách mà người dùng mong muốn.2 Yêu cầu của một hệ thống IoT Một hệ thống IoT phải thỏa mãn các yêu cầu sau: • Kết nối dựa trên sự nhận diện, nghĩa là các “Things” phải có ID riêng biệt, hệ thống cần hỗ trợ việc kết nối giữa các Things, và việc kết nối dựa trên định danh của Things. • Khả năng cộng tác: Một hệ thống IoT cơ bản phải có sự tương tác qua lại giữa các network và things. • Khả năng tự quản lý của Network: Bao gồm tự cấu hình, tự quản lý, tự chữa bệnh, tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ khỏi các tác nhân gây hại. Điều này cần thiết để network có thể thích ứng với các domains ứng dụng khác nhau, môi trường truyền thông khác nhau, và nhiều loại thiết bị khác nhau.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được liên kết và làm việc với nhau. Điều này cũng làm gia tăng các mối nguy hại trong việc bảo mật thông tin. Chẳng hạn như xác thực sai, làm lộ thông tin, dữ liệu bị thay đổi hay làm giả.

• Bảo vệ tính riêng tư: Tất cả các Things đều có chủ sở hữu và người sử dụng riêng do đó nó chứa một lượng thông tin nhất định. Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng tư trong quá trình truyền, lưu trữ và xử lý dữ liệu. • Dịch vụ thoả thuận: dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu thập, giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các người dùng. • Khả năng quản lý: Hệ thống cần hỗ trợ tính năng quản lý của Things để đảm bảo network hoạt động bình thường.

Ứng dụng IoT thường làm việc tự động mà không cần sự tham gia của con người, nhưng toàn bộ quá trình hoạt động của nó nên được quản lý bởi các bên liên quan.3 Ứng dụng của IoT Hiện nay, hầu hết các thiết bị thông minh IoT thường được trang bị tại các nhà máy, doanh nghiệp và các trung tâm y tế. Ngoài ra, IoT còn có ứng dụng rộng vô cùng, một số ứng dụng IoT đang được phổ biến rộng rãi để nâng cao chất lượng cuộc sống cũng như cải thiện chất lượng quản lý như: • Quản lý chất thải. • Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị. • Camera giao thông: giám sát phương tiện và kiểm soát giao thông.

• Hệ thống năng lượng thông minh: giám sát và quản lý tình hình tiêu thụ năng lượng. • Nông nghiệp thông minh: tự động tưới tiêu, cho ăn, quản lý giám sát nhiệt độ, độ ẩm,…từ xa. • Báo động thông minh: Theo dõi lượng bức xạ, rò rỉ khí ga, các loại khí cháy nổ gây nguy hiểm và thông báo tình huống kịp thời. • Mua sắm thông minh.

• Quản lý các thiết bị cá nhân. • Tự động hóa ngôi nhà. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2.3 CÔNG NGHỆ SÓNG VÔ TUYẾN RFID 2.1 Công nghệ RFID Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) được định nghĩa là “Công nghệ nhận dạng sóng vô tuyến”. Kỹ thuật RFID có liên quan đến hệ thống không dây cho phép một thiết bị đọc thông tin được chứa trong một chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa mà không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào.

Công nghệ này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý từng đối tượng. Trong thời đại IoT đang phát triển như hiện nay thì RFID ngày càng chứng tỏ vai trò quan trọng và tiện ích của mình. Một hệ thống RFID thường bao gồm 2 phần chính là thẻ tag (chip RFID chứa thông tin) và bộ đọc (reader) đọc các thông tin trên chip [2]. Thiết bị đọc sẽ được gắn antenna phát sóng điện từ, thiết bị phát mã RFID tag sẽ được gắn với vật cần nhận dạng, mỗi thiết bị RFID tag chứa một mã số nhất định và không trùng nhau.

Có 2 loại thẻ RFID đó là RFID passive tag và RFID active tag: • Passive tags: Không cần nguồn ngoài và nhận năng lượng từ thiết bị đọc, khoảng cách đọc ngắn. • Active tags: Được nuôi bằng PIN, được sử dụng khi khoảng cách đọc lớn. Một hệ thống RFID bao gồm nhiều thành phần phối hợp với nhau tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh và thống nhất [3]: Hình 2.3 Hệ thống RFID BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Tag (thẻ gắn vào đối tượng cần nhận dạng): Là thành phần bắt buộc mà bất kì hệ thống RFID nào cũng cần phải có.

Có thể lưu trữ và truyền dữ liệu về Reader bằng sóng vô tuyến. Trong đó các thẻ thường lưu trữ thông tin về các sản phẩm nào đó. • Reader (đầu đọc): Là thành phần bắt buộc phải có, làm nhiệm vụ xử lý tín hiệu nhận được từ anten và giao tiếp với mạch điều khiển. • Reader Anten: Là thành phần bắt buộc đi cùng với Reader để giao tiếp với Tag.

• Mạch điều khiển (Controller): Là thành phần bắt buộc có nhiệm vụ xử lý tín hiệu nhận được từ Reader và giao tiếp với máy chủ dữ liệu. • Cảm biến, cơ cấu chấp hành. • Máy chủ dữ liệu và phần mềm hệ thống: Có chức năng lưu trữ các dữ liệu và giao tiếp với người sử dụng. • Hạ tầng truyền thông (các chuẩn truyền dữ liệu): có nhiệm vụ là cầu nối truyền dữ liệu giữa mạch điều khiển và máy chủ dữ liệu.

Đặc điểm của hệ thống RFID: • Sử dụng hệ thống không dây radio, không sử dụng tia sáng như mã vạch. • Các tần số được sử dụng trong khoảng từ 125Khz hoặc 900Mhz. • Thông tin được truyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần bất cứ tiếp xúc vật lý nào. • Có thể đọc được thông tin xuyên qua các môi trường, vật liệu như bê tông, sương mù, băng đá khắc nghiệt mà mã vạch hay các công nghệ khác không thể phát huy hiệu quả.