Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Tình trạng ùn tắc giao thông tại các tuyến đường huyết mạch ở các đô thị lớn tại Việt Nam là vấn đề diễn ra thường xuyên. Phần lớn các hệ thống đèn tín hiệu giao thông hiện nay hoạt động trên nguyên tắc định thời với chu kỳ bật/tắt đèn xanh, đèn đỏ cố định cho tất cả các nhánh đường, dẫn đến việc kém hiệu quả khi lưu lượng phương tiện giữa các tuyến có sự chênh lệch lớn. Các giải pháp kiểm soát lưu lượng bằng công nghệ xử lý hình ảnh và tủ điều khiển của Siemens tuy giải quyết được vấn đề nhưng chi phí lắp đặt rất cao. Đồng thời, việc điều khiển đèn tại chỗ khi xảy ra ùn tắc đòi hỏi lực lượng chức năng phải tiếp cận trực tiếp tủ điều khiển tại nút giao. Bên cạnh đó, lượng điện năng tiêu thụ cho hệ thống đèn tín hiệu trên toàn mạng lưới đô thị là rất lớn. Xuất phát từ thực tế này, đề tài "Hệ thống đèn giao thông điều khiển bằng điện thoại thông minh" được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình đèn giao thông tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ điều khiển, giám sát từ xa qua mạng không dây.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của đồ án gồm các nội dung được xác định như sau:

  1. Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống đèn giao thông cho nút giao ngã tư sử dụng pin năng lượng mặt trời làm nguồn cấp chính.
  2. Tích hợp cơ chế tự động chuyển đổi sang nguồn điện lưới 220VAC khi năng lượng từ pin mặt trời và ắc quy không đủ hoặc gặp sự cố.
  3. Xây dựng khối xử lý trung tâm điều khiển chu kỳ đèn hoạt động ở hai chế độ: tự động (AUTO) theo thời gian thực và thủ công (MANUAL).
  4. Thiết lập hệ thống truyền thông không dây qua Wi-Fi kết nối cơ sở dữ liệu thời gian thực (Google Firebase) và ứng dụng Android trên điện thoại thông minh để giám sát trạng thái nguồn, tình trạng hoạt động và điều khiển trực tiếp các pha đèn từ xa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông ngã tư (đèn đi thẳng, rẽ trái, đèn cho người đi bộ, bộ đếm lùi thời gian bằng LED 7 đoạn) kết hợp khối chuyển nguồn tự động và ứng dụng giám sát trên nền tảng di động Android.
  • Phạm vi không gian và giới hạn phần cứng: Đề tài thiết kế mô hình vật lý cho nút giao ngã tư với 4 trụ đèn, tuy nhiên để tiết kiệm chi phí và thời gian thi công, nhóm tác giả chỉ tiến hành thi công và vận hành thực tế 2 trụ đèn đại diện (cắt giảm 2 trụ đối xứng do nguyên lý điều khiển tương tự nhau).
  • Phạm vi công nghệ: Sử dụng vi điều khiển PIC16F887 làm bộ xử lý trung tâm, module NodeMCU ESP8266 làm cầu nối truyền nhận dữ liệu qua Wi-Fi, giao tiếp cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database và giao diện điều khiển viết trên Android Studio.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tham khảo

Đồ án khảo sát và tổng hợp các mô hình điều khiển thông minh ứng dụng trong thực tế nhằm xây dựng giải pháp kỹ thuật phù hợp:

  • Mô hình điều khiển thiết bị phòng học: Sử dụng kết hợp Android, giao tiếp web, Firebase và board Arduino Mega2560 kết nối NodeMCU ESP8266, hiển thị trạng thái qua LCD và điều khiển bằng thẻ từ RFID.
  • Mô hình chăm sóc vườn lan sử dụng năng lượng mặt trời: Sử dụng Arduino kết hợp module Wi-Fi ESP8266 V1, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, pin mặt trời tuổi thọ 30–50 năm để điều khiển bơm tưới tự động hoặc thủ công từ xa qua nền tảng web.
  • Mô hình giám sát và điều khiển thiết bị điện trong nhà: Hệ thống của tác giả Nguyễn Ngọc Lực (Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) sử dụng Arduino, NodeMCU ESP8266, module SIM900A, tích hợp acquy dự phòng khi mất điện và ứng dụng Android/Web để quản lý cảm biến, chuông báo động.
  • Hiện trạng hệ thống đèn giao thông: Phân tích cấu trúc hệ thống đèn dùng bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) có giá thành khoảng 10 triệu đồng, độ ổn định cao trong công nghiệp nhưng giá phần cứng và chi phí bản quyền phần mềm cao, đòi hỏi người vận hành có chuyên môn sâu.

Chuẩn giao tiếp và nền tảng phát triển

  • Chuẩn I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ 2 dây gồm đường dữ liệu hai chiều SDA (Serial Data) và đường xung đồng hồ SCL (Serial Clock). Hoạt động ở các chế độ: Tiêu chuẩn (Standard mode), Nhanh (Fast mode) và Cao tốc (High-Speed mode). Được áp dụng để kết nối vi điều khiển với IC thời gian thực DS1307 và module chuyển đổi giao tiếp LCD PCF8574.
  • Chuẩn UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Giao thức truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ qua hai chân truyền (Tx) và nhận (Rx), dùng để trao đổi dữ liệu hai chiều giữa PIC16F887 và module Wi-Fi NodeMCU ESP8266.
  • Google Firebase: Nền tảng điện toán đám mây cung cấp các dịch vụ Backend-as-a-Service, trọng tâm sử dụng dịch vụ Realtime Database để đồng bộ dữ liệu hai chiều tức thời giữa điện thoại Android và phần cứng thông qua giao thức API.
  • Môi trường phát triển: Phần mềm lập trình Android Studio (phát triển trên nền tảng Linux/Java) xây dựng ứng dụng di động; PIC C Compiler lập trình cho vi điều khiển PIC16F887; Arduino IDE lập trình cho vi điều khiển ESP8266.

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật:

  • Tính toán điện trở, dòng điện và điện áp định mức của từng khối phần cứng.
  • Ghép nối phần cứng, lập trình phần mềm nhúng điều khiển và xây dựng ứng dụng di động.
  • Kiểm thử chức năng từng khối riêng lẻ (khối nguồn, khối thời gian thực, khối hiển thị LED, khối truyền nhận Wi-Fi) trước khi tích hợp toàn hệ thống.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được tổ chức thành các khối chức năng tương tác chặt chẽ với nhau, bao gồm khối xử lý trung tâm, khối nguồn tự động, khối giao tiếp Wi-Fi, khối thời gian thực, khối nút nhấn và khối hiển thị.

Khối nguồn và chuyển đổi năng lượng tự động

Khối nguồn được thiết kế nhằm đáp ứng điện áp 5VDC và 3,3VDC cho toàn bộ linh kiện với yêu cầu duy trì liên tục thông qua cơ chế chuyển mạch tự động:

  • Tấm pin năng lượng mặt trời (10W): Chuyển đổi quang năng thành điện năng, kết nối qua bộ điều khiển sạc PWM 12V/24V-10A (công suất tối đa 240W, kích thước 69x133mm, quản lý 4 trạng thái sạc cho ắc quy chì 12V OPEN/AGM/GEL).
  • Bộ chuyển nguồn tự động XH-M350: Hoạt động ở điện áp 12V, dòng cực đại 12A, công suất định mức 150W, tự động chuyển mạch sang lưới điện khi điện áp ắc quy/pin mặt trời sụt giảm dưới ngưỡng cho phép.
  • Mạch hạ áp LM2596: Chuyển đổi từ điện áp 12VDC xuống 5VDC với dòng chịu tải lên đến 3A để nuôi toàn bộ mạch điều khiển và LED. Một module LM2596 thứ hai lấy nguồn trực tiếp từ pin mặt trời cấp cho các chân giám sát của ESP8266.
  • Giám sát trạng thái nguồn: Chân D0 và D1 của NodeMCU ESP8266 được kết nối lần lượt vào ngõ ra nguồn pin mặt trời (OUT1) và ngõ ra nguồn lưới 220VAC qua adapter (OUT2) để cập nhật trạng thái nguồn cấp lên Firebase.
STT Thiết bị / Linh kiện Dòng tiêu thụ định mức
1 Vi điều khiển PIC16F887 220 µA
2 Module Relay 80 mA
3 Vi điều khiển ESP8266 70 mA
4 8 LED 7 đoạn (đếm giây) 560 mA
5 16 cụm LED đơn (đèn tín hiệu) 640 mA
6 Module I2C và màn hình LCD 20x4 350 µA – 600 µA

Khối xử lý trung tâm và ngoại vi

  • Vi điều khiển PIC16F887: Vi điều khiển 8-bit, xung nhịp thạch anh 20MHz, bộ nhớ chương trình Flash 14KB, RAM 368 byte, EEPROM 256 byte, 35 chân I/O. Thực hiện nhiệm vụ đọc dữ liệu thời gian từ DS1307, nhận lệnh điều khiển từ ESP8266 qua UART (chân RC6/TX, RC7/RX), quét nút nhấn và xuất tín hiệu điều khiển đèn.
  • Khối nút nhấn điều khiển tại chỗ: Gồm các nút nhấn đơn tích cực mức thấp nối vào các chân RB4 đến RB6 của PIC16F887. Điện trở kéo lên được chọn là $R = 10\text{ k}\Omega$ (được tính toán dựa trên dòng vào cực đại $I_{Max} = 25\text{ mA}$ nhằm thỏa mãn điều kiện $R \ge 10 \times R_{min}$).
  • Khối thời gian thực DS1307: Kết nối qua giao tiếp I2C tại chân RC3 (SCL) và RC4 (SDA) của PIC16F887, sử dụng thạch anh dao động ngoài 32,768 kHz và pin nuôi dự phòng 3V gắn tại chân Vbat.

Khối hiển thị và mở rộng ngõ ra

  • Màn hình LCD 20x4: Hiển thị thời gian và các thông số cài đặt cho người vận hành tại tủ, giao tiếp qua module chuyển đổi PCF8574 sử dụng chuẩn I2C để tiết kiệm chân vi điều khiển.
  • Khối đếm lùi thời gian (8 cặp LED 7 đoạn): Do PIC16F887 không đủ số chân xuất trực tiếp, hệ thống sử dụng 8 IC ghi dịch chốt dữ liệu 74HC595 mắc nối tiếp. Dữ liệu được truyền nối tiếp qua 3 chân điều khiển từ PIC16F887 gồm: xung dịch dữ liệu (SCK - chân RC0), ngõ vào dữ liệu nối tiếp (SER - chân RC1) và xung chốt dữ liệu song song (RCK - chân RC2). Mỗi IC 74HC595 điều khiển song song 2 LED 7 đoạn anode chung qua các điện trở hạn dòng $R \ge 133\ \Omega$ (chọn thực tế $220\ \Omega$ ứng với $I_{led} = 15\text{ mA}, V_{led} = 3\text{ V}$).
  • Khối cụm LED tín hiệu giao thông: Gồm 16 cụm LED đơn, mỗi cụm gồm 7 LED đơn ghép thành hình tròn (1 LED trung tâm, 6 LED xung quanh) chia thành 4 nhánh song song (3 nhánh gồm 2 LED mắc nối tiếp và 1 nhánh có 1 LED). Tín hiệu từ các chân port D (RD0-RD7), RC5, RE0, RA0-RA5 được kích qua transistor đệm dòng NPN C1815 ($\beta = 100, I_B = 1\text{ mA}, I_C = 15\text{ mA}$) với các điện trở phân cực $220\ \Omega$ và $22\ \Omega$.
Chân LCD Ký hiệu Chức năng chi tiết
1 VSS Nối mass (GND) của hệ thống
2 VDD Cấp nguồn dương (+5VDC)
3 VEE Chỉnh độ tương phản màn hình
4 RS Chọn thanh ghi: RS=0 chọn thanh ghi lệnh, RS=1 chọn thanh ghi dữ liệu
5 R/W Chọn chiều giao tiếp: R/W=0 ghi dữ liệu, R/W=1 đọc dữ liệu
6 E Chân cho phép chốt dữ liệu (Enable) theo sườn xung
7 – 14 D0 – D7 8 đường bus truyền dữ liệu/lệnh song song
15 A Cực Anode cấp nguồn đèn nền LCD (mức 1 để bật)
16 K Cực Cathode nối mass đèn nền LCD

Lưu đồ giải thuật và triển khai phần mềm

  1. Giải thuật nút nhấn điều khiển:
    • Quét nút chuyển chế độ (CD): Mỗi lần nhấn sẽ đảo trạng thái giữa Tự động (AUTO) và Thủ công (MANUAL).
    • Ở chế độ MANUAL: Nút MODE cho phép kích hoạt 1 trong 4 chế độ ưu tiên cho các pha đèn xanh; Nút DENVANG kích hoạt chế độ cảnh báo chớp nháy toàn bộ đèn vàng.
  2. Kết nối dịch vụ Firebase và ứng dụng Android:
    • Cấu hình thư viện Firebase trên Arduino IDE, nhập địa chỉ URL của dự án, Secret Token và thông tin mạng Wi-Fi (SSID/Password) cho NodeMCU ESP8266.
    • Ứng dụng Android được xây dựng bằng Android Studio, tích hợp tệp cấu hình google-services.json, thư viện Google Play Services, Google Repository và plugin Realtime Database để đồng bộ trạng thái phím bấm ảo và hiển thị dữ liệu nguồn theo thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu và tình trạng ùn tắc giao thông tại các tuyến đường chính ở Việt Nam do hệ thống đèn định thời cố định. Phân tích giải pháp tủ điều khiển và xử lý ảnh của Siemens với ưu điểm phân luồng linh hoạt nhưng nhược điểm là chi phí lắp đặt quá đắt. Xác định mục tiêu đề tài: chế tạo mô hình đèn giao thông ngã tư điều khiển qua ứng dụng Android, dùng vi điều khiển PIC16F887, module NodeMCU ESP8266 và pin năng lượng mặt trời có chuyển nguồn 220VAC tự động. Nêu rõ giới hạn đề tài về mặt thẩm mỹ mô hình, độ ổn định nút bấm và việc chỉ thi công 2 trụ đèn đại diện thay vì 4 trụ để giảm thiểu chi phí.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Tổng thuật ba mô hình điều khiển thông minh ứng dụng trong thực tế: hệ thống phòng học, hệ thống tưới lan dùng pin mặt trời và hệ thống giám sát nhà thông minh qua Android/Web (đồ án của Nguyễn Ngọc Lực). Khảo sát ưu nhược điểm của hệ thống đèn giao thông dùng PLC tại Việt Nam. Trình bày chi tiết lịch sử và cấu trúc của nền tảng Google Firebase (tiền thân là Evolve, hỗ trợ Realtime Database, Firestore, ML Kit, Authentication, Cloud Functions, Hosting). Giới thiệu hệ điều hành Android và môi trường phát triển Android Studio. Phân tích nguyên lý hoạt động của hai chuẩn giao tiếp nối tiếp: I2C (2 dây SDA/SCL với các chế độ Standard, Fast, High-Speed) và UART (truyền nhận dữ liệu bất đồng bộ qua Tx/Rx theo tốc độ baud).

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Xây dựng sơ đồ khối tổng thể của hệ thống gồm 6 khối: khối nguồn, khối thời gian thực, khối nút nhấn, khối xử lý, khối giao tiếp Wi-Fi và khối hiển thị. Tính toán chi tiết các thông số kỹ thuật cho từng thành phần:

  • Khối nguồn kết hợp tấm pin mặt trời 10W, bộ sạc PWM 10A, mạch chuyển nguồn XH-M350, ắc quy 12V và IC hạ áp LM2596.
  • Bảng tổng hợp dòng tiêu thụ định mức của các linh kiện trong hệ thống.
  • Tính toán điện trở kéo lên $10\text{ k}\Omega$ cho các phím bấm nối với Port B của vi điều khiển PIC16F887.
  • Thiết kế mạch đo thời gian thực dùng IC DS1307 kết nối thạch anh 32,768 kHz và pin dự phòng 3V qua giao tiếp I2C.
  • Thiết kế khối hiển thị thông tin gồm màn hình LCD 20x4 kết nối module I2C PCF8574.
  • Thiết kế khối đếm giây sử dụng 8 IC ghi dịch 74HC595 điều khiển 8 cặp LED 7 đoạn anode chung với điện trở hạn dòng $R \ge 133\ \Omega$.
  • Thiết kế cụm 16 đèn hiển thị tín hiệu sử dụng các cụm 7 LED đơn mắc hỗn hợp qua mạch đệm transistor NPN C1815.
  • Trình bày sơ đồ nguyên lý toàn mạch tích hợp đầy đủ các khối chức năng.

Chương 4: Thi công hệ thống

Hướng dẫn quy trình 5 bước cài đặt và tích hợp Firebase Realtime Database: đăng nhập, tạo project, chọn chế độ Realtime Database dạng Test mode, lấy mã xác thực bí mật (Secret codes) và cấu hình vào mã nguồn Arduino cho ESP8266, tích hợp tệp google-services.json cùng các SDK Tools/Plugins vào Android Studio. Trình bày các lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống: lưu đồ khối nút nhấn (chuyển đổi Auto/Manual, chọn pha đèn xanh, bật đèn vàng nhấp nháy), lưu đồ giải thuật điều khiển chu kỳ một đèn và hai đèn giao thông. Mô tả kết quả thi công phần cứng bao gồm các bản vẽ mạch in (PCB) của cặp LED 7 đoạn, mạch cụm LED đơn, mạch mở rộng port IC 74HC595, mạch xử lý trung tâm PIC16F887, giao diện điều khiển LCD 20x4, cấu trúc dữ liệu trên Firebase và giao diện ứng dụng Android.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá tổng kết các kết quả đạt được về phần cứng và phần mềm, đồng thời chỉ ra các điểm tồn tại và định hướng các nội dung cần tiếp tục nghiên cứu nâng cấp hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  • Thi công phần cứng: Hoàn thiện mô hình vật lý ngã tư gồm 2 trụ đèn giao thông hoạt động đồng bộ, tích hợp đầy đủ đèn đi thẳng, đèn rẽ trái, đèn cho người đi bộ và 8 cụm LED 7 đoạn đếm ngược thời gian.
  • Hệ thống cấp nguồn lai: Mạch nguồn kết hợp tấm pin mặt trời 10W và ắc quy chì 12V hoạt động ổn định, mạch chuyển nguồn XH-M350 cùng relay tự động chuyển đổi sang nguồn lưới 220VAC khi điện áp sụt giảm mà không làm gián đoạn hoạt động của vi điều khiển.
  • Truyền thông và điều khiển đa phương thức: Hệ thống vận hành chính xác ở chế độ tự động theo thời gian thực (DS1307) và chế độ thủ công. NodeMCU ESP8266 kết nối thành công với Firebase Realtime Database, cho phép ứng dụng Android cập nhật tức thời trạng thái nguồn điện (OUT1/OUT2) và can thiệp điều khiển các pha đèn từ xa qua mạng Wi-Fi/Internet.
  • Mạch mở rộng hiển thị: Ứng dụng thành công 8 IC 74HC595 truyền nối tiếp 8 byte dữ liệu qua 3 chân vi điều khiển để điều khiển chính xác 8 cặp LED 7 đoạn, giải quyết triệt để vấn đề hạn chế chân I/O trên vi điều khiển PIC16F887.

Đề xuất và đóng góp của đề tài

  • Đề xuất một giải pháp kỹ thuật có chi phí chế tạo thấp nhằm thay thế các tủ điều khiển PLC đắt tiền trong việc nghiên cứu và ứng dụng điều khiển tín hiệu giao thông phân tán.
  • Tích hợp công nghệ IoT (Internet of Things) và điện toán đám mây (Firebase) vào hạ tầng giao thông, cho phép lực lượng điều phối giao thông có thể giám sát và can thiệp đổi pha đèn từ xa qua điện thoại di động mà không cần tiếp cận trực tiếp tủ điều khiển tại hiện trường.
  • Tận dụng nguồn năng lượng tái tạo (pin mặt trời) nhằm giảm tải điện năng tiêu thụ cho lưới điện đô thị, đồng thời đảm bảo tính liên tục của hệ thống đèn tín hiệu nhờ cơ chế dự phòng nguồn kép tự động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Mô hình cơ khí và khung vỏ thiết kế chưa đạt tính thẩm mỹ cao.
  • Khối nút nhấn điều khiển vật lý tại tủ hoạt động đôi lúc chưa thực sự ổn định.
  • Mô hình vật lý mới chỉ thi công thực tế 2 trụ đèn (thay vì đầy đủ 4 trụ đèn tại ngã tư) do giới hạn về kinh phí, thời gian thi công và số lượng chân điều khiển khả dụng trên chip PIC16F887.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp vi điều khiển trung tâm lên các dòng vi xử lý có số chân I/O nhiều hơn và hiệu năng cao hơn để điều khiển độc lập toàn bộ 4 trụ đèn ngã tư.
  • Hoàn thiện thiết kế kiểu dáng công nghiệp và nâng cao độ ổn định chống rung phím cho khối nút bấm cơ học.
  • Tích hợp thêm cảm biến mật độ phương tiện hoặc camera xử lý ảnh nhằm tự động điều chỉnh linh hoạt chu kỳ đèn xanh/đỏ dựa theo lưu lượng xe thực tế trên từng làn đường.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính: Dùng làm tài liệu tham khảo khi thực hiện đồ án môn học vi xử lý, thiết kế hệ thống nhúng hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến IoT và điều khiển tín hiệu.
  • Các nội dung kỹ thuật đáng tham khảo trong tài liệu:
    • Thiết kế mạch nguồn lai tự động chuyển mạch (Pin mặt trời - Ắc quy - Lưới điện 220VAC) sử dụng IC hạ áp LM2596 và module XH-M350.
    • Kỹ thuật mở rộng port ngõ ra điều khiển nhiều LED 7 đoạn bằng phương pháp truyền dữ liệu nối tiếp qua chuỗi IC ghi dịch 74HC595.
    • Phương pháp kết nối và đồng bộ dữ liệu thời gian thực giữa module Wi-Fi NodeMCU ESP8266 với cơ sở dữ liệu Google Firebase Realtime Database và ứng dụng lập trình trên Android Studio.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống xử lý việc chuyển đổi giữa nguồn pin mặt trời và điện lưới 220VAC theo nguyên lý nào?

Hệ thống ưu tiên sử dụng nguồn 12V từ tấm pin mặt trời (10W) được nạp qua ắc quy thông qua bộ điều khiển sạc PWM 10A. Nguồn này cấp trực tiếp cho cuộn dây của module relay và module chuyển nguồn tự động XH-M350. Khi năng lượng pin mặt trời/ắc quy không đủ, relay sẽ nhả tiếp điểm để chuyển sang sử dụng nguồn 220VAC (được hạ áp qua adapter 12V-2A). Ngõ ra của relay được đưa qua IC hạ áp LM2596 để ổn định mức 5VDC cấp cho toàn hệ thống.

2. Làm thế nào để vi điều khiển PIC16F887 điều khiển được 8 cặp LED 7 đoạn khi số lượng chân I/O bị giới hạn?

Hệ thống sử dụng mạch mở rộng port gồm 8 IC ghi dịch chốt dữ liệu 8-bit 74HC595 mắc nối tiếp nhau. Vi điều khiển PIC16F887 chỉ cần sử dụng đúng 3 chân điều khiển gồm chân xuất xung nhịp SCK (RC0), chân truyền dữ liệu nối tiếp SER (RC1) và chân xung chốt song song RCK (RC2) để dịch và chốt 8 byte dữ liệu điều khiển đồng thời cho 8 cặp LED 7 đoạn anode chung.

3. Thông tin trạng thái nguồn điện được gửi lên ứng dụng Android qua những chân nào của module ESP8266?

Module NodeMCU ESP8266 sử dụng chân D0 để kết nối với đường OUT1 (nguồn dương lấy từ pin mặt trời) và chân D1 để kết nối với đường OUT2 (nguồn dương lấy từ nguồn xoay chiều 220VAC qua adapter). Dữ liệu logic từ hai chân này được ESP8266 đẩy lên cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database, từ đó ứng dụng Android đọc về để hiển thị cho người vận hành biết hệ thống đang chạy bằng nguồn nào.

4. Hệ thống đèn giao thông trong đồ án hỗ trợ những chế độ hoạt động nào?

Hệ thống hỗ trợ 2 chế độ chính: Chế độ Tự động (AUTO) hoạt động theo thông số chu kỳ lập trình sẵn kết hợp định thời gian thực từ IC DS1307; Chế độ Thủ công (MANUAL) cho phép người vận hành điều khiển các pha đèn thông qua bộ nút nhấn tại tủ (chọn 1 trong 4 pha đèn xanh hoặc bật đèn vàng nhấp nháy) hoặc điều khiển trực tiếp từ xa thông qua các nút bấm ảo trên ứng dụng điện thoại Android.

5. Vì sao nhóm tác giả chỉ thi công 2 trụ đèn thay vì 4 trụ đèn ngã tư trong mô hình thực tế?

Mặc dù hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh trên sơ đồ cho một ngã tư gồm 4 trụ đèn, nhưng để giảm chi phí linh kiện, tiết kiệm thời gian thi công và do vi điều khiển PIC16F887 bị giới hạn số lượng chân I/O khả dụng, nhóm tác giả đã cắt giảm 2 trụ đèn đối xứng và chỉ chế tạo thực tế 2 trụ đèn hoạt động đại diện.

Kết luận

Đồ án "Hệ thống đèn giao thông điều khiển bằng điện thoại thông minh" đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình phần cứng điều khiển đèn tín hiệu giao thông ngã tư kết hợp giám sát và điều khiển từ xa qua mạng Wi-Fi và ứng dụng Android. Hệ thống giải quyết hiệu quả bài toán tiết kiệm năng lượng nhờ tích hợp nguồn pin mặt trời với cơ chế tự động chuyển đổi sang điện lưới 220VAC, đồng thời khắc phục hạn chế số chân của vi điều khiển PIC16F887 thông qua IC ghi dịch 74HC595 và chuẩn I2C. Đây là mô hình ứng dụng IoT hoàn chỉnh, có giá thành gia công thấp, cung cấp giải pháp kỹ thuật mang tính thực tiễn cao cho việc hiện đại hóa hệ thống điều phối giao thông đô thị.