Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mô hình bãi giữ xe thông minh - ĐH SPKT

Tham khảo đồ án tốt nghiệp thiết kế bãi giữ xe thông minh. Báo cáo chi tiết mô hình, ứng dụng công nghệ PLC, RFID, WinCC và lập trình C#.

• Tác giả: Lê Xuân Bảo
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tử Đức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình bãi giữ xe thông minh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Mô hình Bãi giữ xe Thông minh

Đồ án tốt nghiệp Mô hình Bãi giữ xe Thông minh là một dự án nghiên cứu và phát triển hệ thống tự động hóa quản lý bãi đỗ xe hiện đại. Được thực hiện bởi hai sinh viên Lê Xuân Bảo và Vũ Minh Luân từ Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đồ án này kết hợp các công nghệ tiên tiến như PLC (Programmable Logic Controller), RFID (Radio Frequency Identification) và hệ thống giám sát trực tuyến. Mục tiêu chính của dự án là giải quyết bài toán thiếu hụt cơ sở hạ tầng giao thông đô thị, đặc biệt là các bãi đỗ xe không đủ đáp ứng nhu cầu của người dân trong các thành phố lớn. Hệ thống được thiết kế để tối ưu hóa không gian, rút ngắn thời gian gửi xe và nâng cao hiệu quả quản lý bãi giữ xe.

1.1. Bối cảnh phát triển Đồ án Bãi giữ xe Thông minh

Việt Nam đang đối mặt với bài toán khó về cơ sở hạ tầng giao thông đô thị khi số lượng phương tiện cá nhân tăng vọt. Các bãi gửi xe truyền thống không đủ sức chứa, dẫn đến tình trạng xe ô tô đỗ lạc trên vỉa hè, gây mất mỹ quan và rối loạn trật tự giao thông. Nhóm sinh viên nhận thấy cần phải áp dụng công nghệ tự động hóa để giải quyết vấn đề này bằng cách thiết kế một hệ thống bãi giữ xe thông minh có khả năng tối ưu hóa không gian lưu trữ và cải thiện trải nghiệm khách hàng.

1.2. Mục tiêu và ý nghĩa của Đồ án

Đồ án nhằm xây dựng một mô hình bãi giữ xe tự động hoạt động chính xác, ổn định và hiệu quả. Hệ thống sử dụng công nghệ RFID để bảo mật, thuật toán tối ưu vị trí để rút ngắn thời gian gửi xe, kết hợp với hệ thống giám sát trực tuyến để quản lý toàn bộ quá trình. Đồ án cũng cung cấp giải pháp điều khiển thủ công khi xảy ra sự cố, giúp hệ thống vận hành liên tục và đáng tin cậy trong các tình huống khẩn cấp.

II. Công nghệ và Giải pháp Kỹ thuật của Bãi giữ xe Thông minh

Hệ thống Mô hình Bãi giữ xe Thông minh được xây dựng dựa trên sự kết hợp của nhiều công nghệ tiên tiến. PLC (Bộ điều khiển lập trình) đóng vai trò là trung tâm điều khiển, quản lý toàn bộ hoạt động của hệ thống. RFID (Công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến) được sử dụng để quét thẻ xe, tăng tính bảo mật và chính xác. Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp camera nhận dạng biển số xe để lưu trữ dữ liệu và hỗ trợ tìm xe khi khách hàng bị mất thẻ. Giao diện giám sát WINCC và Web Server cho phép theo dõi thời gian thực, trong khi thuật toán tối ưu vị trí gửi xe giúp giảm thời gian xử lý và nâng cao hiệu suất hoạt động của bãi.

2.1. Công nghệ RFID trong Hệ thống Bãi giữ xe

RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ cốt lõi giúp nhận dạng xe ô tô thông qua thẻ từ. Khi khách hàng quẹt thẻ RFID tại cổng vào, hệ thống tự động xác định danh tính xe và lưu trữ thông tin vào cơ sở dữ liệu SQL Server. Công nghệ này không chỉ tăng tính bảo mật mà còn giúp theo dõi vị trí xe, quản lý thời gian gửi xe và tính phí một cách chính xác. Module RFID được kết nối với Arduino để xử lý dữ liệu đầu vào.

2.2. Thuật toán Tối ưu vị trí Gửi xe

Một đặc điểm nổi bật của bãi giữ xe thông minh là sử dụng thuật toán tối ưu vị trí để tự động phân bổ không gian gửi xe. Thay vì khách hàng phải tự tìm chỗ đỗ, hệ thống sẽ tính toán vị trí trống gần nhất và hướng dẫn hoặc điều khiển xe đến đó. Điều này giảm đáng kể thời gian gửi xe, nâng cao trải nghiệm khách hàng và tận dụng tối đa không gian bãi giữ xe.

III. Thiết kế Phần cứng và Phần mềm Hệ thống

Thiết kế phần cứng của mô hình bãi giữ xe thông minh bao gồm các thành phần chính như PLC điều khiển hoạt động, cơ cấu truyền động để di chuyển xe, cảm biến để phát hiện vị trí, camera chụp biển số, và module RFID để quét thẻ. Phần điện điều khiển được thiết kế với sơ đồ mạch điện an toàn, có khả năng chịu tải và hoạt động ổn định. Về phần mềm, hệ thống sử dụng lập trình Arduino để xử lý RFID, C# để phát triển giao diện giám sát, WINCC cho bảng điều khiển HMI, Web Server để truy cập từ xa, và SQL Server quản lý cơ sở dữ liệu. Thư viện Emgu CV được sử dụng để xử lý ảnh từ camera nhận dạng biển số.

3.1. Thiết kế Phần cứng Bãi giữ xe Thông minh

Phần cứng gồm cơ cấu truyền động chính chịu trách nhiệm di chuyển xe, PLC Siemens hoặc tương đương để điều khiển tất cả động tác, cảm biến vị trí (limit switch, cảm biến khoảng cách) để xác định vị trí chính xác, camera IP gắn tại cổng để chụp và nhận dạng biển số xe, và module RFID reader kết nối với Arduino để đọc thẻ khách hàng. Các thiết bị được lựa chọn dựa trên tiêu chí độ tin cậy cao, chi phí hợp lý và khả năng tương thích.

3.2. Phần mềm và Giao diện Giám sát

Phần mềm hệ thống được phát triển trên nhiều nền tảng. Arduino xử lý dữ liệu RFID, C# tạo ứng dụng desktop với giao diện trực quan, WINCC cung cấp bảng điều khiển công nghiệp, còn Web Server cho phép truy cập quản lý bãi xe từ xa qua internet. SQL Server lưu trữ toàn bộ dữ liệu khách hàng, lịch sử gửi xe và thông tin biển số xe, hỗ trợ tìm xe hiệu quả khi cần thiết.

IV. Kết quả Ứng dụng và Triển vọng của Đồ án

Đồ án Mô hình Bãi giữ xe Thông minh đã đạt được các kết quả đáng kể trong việc chứng minh khả năng áp dụng công nghệ tự động hóa vào giải quyết vấn đề giao thông đô thị. Hệ thống hoạt động ổn định, chính xác và có hiệu suất cao trong các điều kiện thử nghiệm. Tính an toàn của hệ thống được đảm bảo thông qua chế độ điều khiển thủ công, giúp giải quyết tình huống khẩn cấp. Đồ án cũng chứng tỏ rằng công nghệ RFID và thuật toán tối ưu có thể giảm thời gian gửi xe đáng kể so với phương pháp truyền thống. Trong tương lai, mô hình này có tiềm năng được triển khai thương mại tại các tòa nhà, shopping mall, bệnh viện và các khu đô thị lớn để giải quyết bài toán thiếu hụt bãi đỗ xe.

4.1. Kết quả và Hiệu suất Hệ thống Bãi giữ xe

Hệ thống đã được kiểm thử và cho thấy khả năng hoạt động ổn định với tỷ lệ nhận dạng RFID cao, thời gian xử lý nhanh, và độ chính xác trong nhận dạng biển số qua camera. Thuật toán tối ưu vị trí hoạt động hiệu quả, giảm thời gian tìm chỗ đỗ đến 70-80% so với cách thủ công. Giao diện giám sát WINCC và Web Server cung cấp thông tin theo thời gian thực, giúp quản lý bãi xe dễ dàng hơn.

4.2. Triển vọng Ứng dụng và Phát triển Tương lai

Bãi giữ xe thông minh có tiềm năng lớn để triển khai thực tế tại các khu đô thị, shopping mall, bệnh viện, tòa nhà cao tầng và bãi đỗ xe công cộng. Công nghệ này có thể được mở rộng quy mô, tích hợp thêm tính năng như thanh toán điện tử, thông báo vị trí xe qua ứng dụng di động, và kết nối hệ thống thông minh đô thị (Smart City) để quản lý giao thông hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Trình bày vấn đề và lý do chọn đề tài, mục tiêu và bố cục của đề tài.  Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Phân tích ưu nhược điểm của các bãi giữ xe hiện có trên thị trường.

Trình bày một số lý thuyết liên quan để có thể thực hiện đề tài.  Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống. Trình bày các sơ đồ khối, bản thiết kế mô hình và nguyên lý hoạt động của hệ thống. Phân tích lý do tại sao lại chọn phương án thiết kế bãi giữ xe dạng hình tháp trụ và các lựa chọn linh kiện phù hợp với đề tài.

 Chương 4: Thi công hệ thống. Trình bày quá trình thực hiện mô hình phần cứng và các bước để có thể hoàn thành hệ thống bãi giữ xe ô tô tự động.  Chương 5: Kết quả so sánh, thực nghiệm, phân tích, tổng hợp. Trình bày những kết quả đạt được từ thực nghiệm.

Phân tích, đánh giá và so sánh với mục tiêu ban đầu đặt ra.  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Trình bày những điểm mạnh và những điều chưa đạt được của hệ thống và đưa ra các giải pháp phát triển cho đề tài trong tương lai. 2 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Phân tích các giải pháp bãi giữ xe ô tô tự động phổ biến trên thị trường. Bãi đỗ xe truyền thống. Tất cả những gì bãi đỗ xe này cần chỉ là một bãi đất trống và một số nhân viên quản lý, bán vé và ghi lại biển số xe của khách hàng.  Ưu điểm: - Chi phí đầu tư thấp.

- Chi phí vận hành thấp. - Hệ thống vận hành đơn giản.  Nhược điểm: - Không có tính tự động cao. - Số lượng chỗ giữ xe ít hơn so với các bãi giữ xe nhiều tầng cùng diện tích.

- Cần phải có một diện tích đất khá lớn.1: Bãi đỗ xe truyền thống 2. Bãi đỗ xe dạng khách hàng sẽ tự lái quanh tòa nhà. Giải pháp giữ xe này cơ bản cũng giống như bãi đỗ xe truyền thống nhưng có một điểm khác là được xây dựng thành một tòa nhà có nhiều tầng hơn. Khách hàng sẽ tự lái xe vào chỗ gửi xe qua những đường vòng được thiết kế cho xe di chuyển.

Bãi đỗ xe dạng này có hình ảnh như hình 2. 3  Ưu điểm: - Có nhiều chỗ giữ xe hơn so với bãi giữ xe truyền thống. Tuy nhiên vẫn chưa tối ưu lắm về mặt sử dụng không gian gửi xe.  Nhược điểm: Do khách hàng tự lái xe vào chỗ gửi xe nên tính an toàn chưa cao cũng như là lượng khí thải từ xe ô tô chưa được cắt giảm nhiều.2: Bãi đỗ xe dạng truyền thống có nhiều tầng 2.

Bãi đỗ xe ô tô dạng xoay vòng. Hệ thống bãi đỗ xe thông minh này được thiết kế giúp các xe được gửi xoay vòng. Khi lấy xe luân phiên, hệ thống có thể quay hai chiều giúp lấy xe nhanh hơn. Bãi đỗ xe dạng này có hình ảnh như hình 2.

 Ưu điểm: - Chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp. - Thời gian cất và lấy xe nhanh chóng. - Hệ thống gọn nhẹ, lắp đặt nhanh.  Nhược điểm: - Chỉ phù hợp với những không gian nhỏ.

- Số lượng chỗ đỗ xe nhỏ 2. Bãi đỗ xe ô tô tự động dạng tòa nhà hình trụ tròn. Trong hệ thống bãi giữ xe ô tô tự động này, xe sẽ được cất giữ ở xung quanh hình trụ tròn. Do đó tăng được số lượng chỗ gửi xe cho hệ thống.

Bãi đỗ xe dạng này có hình ảnh như hình 2. 4  Ưu điểm: - Có sức chứa số lượng xe lớn hơn so với những bãi đỗ xe ô tô tự động khác. - Thời gian lấy xe nhanh, tính tự động cao. - Tính thẩm mỹ của hệ thống cao, làm tăng mỹ quan đô thị của thành phố hiện đại.

- Cắt giảm được một lượng khí thải của xe vì hệ thống hoạt động khi xe đã tắt máy góp phần bảo vệ môi trường.  Nhược điểm: Vấn đề về chi phí đầu tư và yêu cầu về kỹ thuật công nghệ cao.3: Bãi đỗ xe ô tô tự động hình trụ tròn Hình 2.4: Bãi đỗ xe dạng xoay vòng 5 2. Bãi đỗ xe ô tô tự động dạng tòa nhà hình vuông. Trong hệ thống bãi giữ xe ô tô tự động này, xe sẽ được cất giữ ở các vị trí 2 bên của bãi.

 Ưu điểm: - Thời gian cất và lấy xe nhanh chóng. - Tính thẩm mỹ khá cao, có thể lắp đặt ngầm dưới lòng đất. - Sử dụng tốt ở những nơi có diện tích đất hẹp.  Nhược điểm: Giá đầu tư cao.5: Bãi đỗ xe ô tô tự động dạng hình vuông 2.

Các cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài. Giới thiệu công nghệ RFID. Là một công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến, dùng kết nối sóng vô tuyến để tự động xác định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật thể. Trong đề tài thì đối tượng cần theo dõi là các thẻ từ chứa thông tin được lưu trữ bằng chip điện tử.

Các thẻ từ này sẽ nhận năng lượng phát ra từ thiết bị đọc RFID (reader) và dùng 6 năng lượng này để gửi ra lại mã thông tin của thẻ qua sóng mang. Từ đó thiết bị RFID reader sẽ nhận biết được mã thông tin của thẻ từ đó. Mỗi loại thiết bị RFID reader sẽ chỉ phát ra một sóng điện từ với tần số nhất định để kiểm tra được thẻ nào phù hợp với dải tần số hoạt động. Quá trình phát ra năng lượng và thu lại tín hiệu sóng điện từ được diễn ra nhờ các antenna.

Mỗi thẻ từ chứa một mã thẻ nhất định và không trùng lặp nhau, hay còn được nhắc đến với tên gọi là UID (Unique Identifier). Với module RFID RC522 được sử dụng trong hệ thống thì tầm hoạt động cỡ vài centimet. Ngoài ra ở ngoài thị trường có những loại thẻ từ mà module đọc thẻ từ với tần số khác nhau có thể truyền nhận lên đến vài trăm mét. Ưu điểm của công nghệ này là không sử dụng tia sáng như công nghệ mã vạch và có thể đọc và nhận dạng thông tin được truyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần tiếp xúc vật lý.

Hơn nữa, các bộ phận đọc thẻ từ RFID có thể đọc được thông tin từ các thẻ thậm chí xuyên qua các môi trường, vật liệu như: bê tông, tuyết, sương mù, sơn và các môi trường thách thức khác mà công nghệ mã vạch và các công nghệ khác không thể phát huy hiệu quả.6: Công nghệ RFID 2. Ngôn ngữ lập trình C# và .NET Framework C# là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng được phát triển bởi Microsoft, dựa trên C++ và Java. Được giới chuyên môn nhận định là một ngôn ngữ lập trình đơn giản, hiện đại, hướng đến nhiều mục đích sử dụng. Ngoài ra, tính mạnh mẽ, sự bền bỉ và năng suất của việc lập trình cũng là một điểm mạnh của ngôn ngữ này.NET Framework là một nền tảng có thể sử dụng với ngôn ngữ .NET như C# để phát triển các trang web động (ASP.NET), các ứng dụng cho Windows, Windows Phone.

Nó dược tổ chức thành tập hợp các namespace, nhóm các class có cùng chức năng lại với nhau, ví dụ như System.Drawing cho đồ họa, System.Collections cho cấu trúc dữ liệu và System.Forms cho hệ thống Windows Forms.NET Là một thư viện mà trong đề tài này nhóm em dùng để kết nối phần mềm lập trình Visual Studio với PLC thông qua cổng Ethernet. Thư viện này tương thích với đa số các dòng PLC Siemen và được viết hoàn toàn bằng C#. Trước khi thao tác thì ta phải mở kết nối và sau đó là ngắt kết nối nó đi, ta có thể sử dụng hàm Open() và hàm Close() cho hai thao tác này. Nhóm em thường thao tác với việc Set hoặc Reset 1 biến trong PLC và đọc trạng thái tín hiệu biến nào đó trong PLC về lại Visual Studio.

Thư viện xử lý ảnh Emgu CV. Emgu CV là một thư viện xử lý hình ảnh, thị giác máy tính dành riêng cho ngôn ngữ C#. Cho phép gọi các hàm chức năng của thư viện xử lý ảnh OpenCV. Nó tương thích với các ngôn ngữ như C#, VB, VC++ và Python.

Có thể được Visual Studio, Xamarin Studio và Unity biên dịch, nó có thể chạy trên Windows, Linux, Mac OS X, iOS, Điện thoại Android và Windows. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server. SQL Server hay Microsoft SQL Server là hệ quản trị cơ sở dữ liệu tự do được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. SQL Server có ưu điểm là tốc độ xử lý và tính bảo mật cao, ổn định và dễ sử dụng.

Do đó nó rất thích hợp cho các ứng dụng có truy cập cơ sở dữ liệu trên internet. Đối tượng làm việc của SQL Server là các bảng gồm các hàng và cột. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu hiện nay gồm có Oracle, MySQL, SQL Server nhưng trong đó Oracle không phổ biến bằng 2 hệ còn lại. Ta sẽ phân tích về MySQL và SQL Server.

Về cơ bản, MySQL và SQL Server đều tương tự nhau, có cùng chức năng mặc dù cách thức sử dụng có thể khác nhau. Tuy nhiên để sử dụng trên Windows và hoạt động với .NET Framework thì SQL là sự lựa chọn tốt hơn và được khuyên dùng hơn. Trong khi đó MySQL thì hoạt động tốt hơn trên Linux hoặc để lưu trữ dữ liệu trên các ứng dụng web. Vì ứng dụng lưu trữ thông tin khách hàng 8 của đồ án ở quy mô nhỏ nên nhóm em quyết định chọn SQL Server.

Để C# có thể thao tác được với SQL server thì cần phải có một công cụ trực quan để làm việc. Ở đây nhóm em sử dụng SQL Server 2014 Management Studio. Khái niệm về HTLM và AWP. HTML là gì? HTML (Hyper Text Makeup Language) là ngôn ngữ lập trình web đơn giản.

Ta có thể lập trình HTML thông qua các thẻ và nội dung dạng text. Mỗi thẻ bao quanh một đối tượng và thuộc tính của các đối tượng này có thể được quyết định bởi các thẻ. Ta có thể sử dụng các chương trình soạn thảo văn bản bất kỳ như Word hoặc Notepad++ để tạo file html một cách rất đơn giản. Trong đồ án này, nhóm em sử dụng Notepad++ để lập trình HTML vì phần mềm này có thể phân chia bố cục rõ ràng cho các thành phần trong code do đó có thể giúp ta quản lý chương trình đang viết tốt hơn.

File HTML sau khi lập trình xong được gọi là một trang web. AWP là gì? AWP (Automation Web Programming) là ngôn ngữ web do Siemens phát triển cho các dòng PLC được tích hợp tính năng Webserver.