Giới thiệu dự án

Sự gia tăng nhanh chóng của mật độ phương tiện cơ giới tại các đô thị lớn như TP. Hồ Chí Minh và Hà Nội đã đặt áp lực nặng nề lên hạ tầng giao thông đô thị. Tình trạng ùn tắc giao thông tại các nút giao trọng điểm không chỉ làm tiêu hao hàng triệu giờ công lao động mỗi năm mà còn làm tăng lượng phát thải khí nhà kính từ các phương tiện dừng đỗ kéo dài. Bên cạnh đó, hệ thống đèn tín hiệu giao thông truyền thống tại Việt Nam phụ thuộc hoàn toàn vào lưới điện xoay chiều 220V AC, dẫn đến nguy cơ tê liệt điều tiết giao thông cục bộ mỗi khi xảy ra sự cố mất điện hoặc sụt áp. Song song với thách thức về giao thông, quá trình chuyển dịch năng lượng xanh đòi hỏi việc khai thác hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo sạch—đặc biệt là năng lượng mặt trời (NLMT)—nhằm giảm tải cho lưới điện quốc gia và hướng đến xây dựng các đô thị thông minh (Smart Cities).

Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Viễn thông tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM với đề tài "Hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời" do sinh viên Lê Hoàng Nghĩa và Bành Bá Cẩn thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Ngô Lâm đã được nghiên cứu và hiện thực hóa nhằm giải quyết đồng thời bài toán điều tiết giao thông linh hoạt và tối ưu hóa năng lượng tái tạo.

       +-------------------------------------------------------------+
       |             HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH              |
       +-------------------------------------------------------------+
              |                             |                 |
              v                             v                 v
   +--------------------+        +--------------------+   +-------------------+
   |  QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG |        | ĐIỀU HƯỚNG QUANG   |   | ĐIỀU KHIỂN & IOT  |
   |  PIC16F887 + ACS712 |        | ARDUINO + L298N    |   | ESP8266 + 74HC595 |
   |  Chuyển mạch nguồn |        | Bám nhật tự động   |   | Web Server + LED  |
   +--------------------+        +--------------------+   +-------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế phần cứng điều khiển đèn giao thông đa chế độ: Xây dựng hệ thống điều khiển cụm đèn tín hiệu Xanh - Vàng - Đỏ tại nút giao thông ngã tư kết hợp bộ đếm lùi thời gian hiển thị trên LED 7 đoạn, hỗ trợ chế độ tự động theo thời gian thực và chế độ can thiệp thủ công.
  2. Nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều hướng pin mặt trời (Solar Tracker): Tự động xoay tấm pin quang điện bám theo góc chiếu của ánh sáng mặt trời theo thời gian thực nhằm tối đa hóa công suất hấp thụ năng lượng.
  3. Phát triển module quản lý năng lượng thông minh: Giám sát điện áp tấm pin, dòng điện sạc/xả của ắc quy thông qua cảm biến hiệu ứng Hall ACS712, điều chế độ rộng xung (PWM) quản lý sạc và tự động kích hoạt mạch chuyển đổi nguồn dự phòng lưới điện AC 220V khi năng lượng lưu trữ sụt giảm dưới ngưỡng an toàn.
  4. Tích hợp giao thức kết nối không dây và Web Server IoT: Cho phép nhân viên điều hành giám sát trạng thái dòng/áp từ xa và điều chỉnh chu kỳ đèn tín hiệu giao thông thông qua giao diện Web Server trên nền tảng vi điều khiển ESP8266 NodeMCU.
  5. Đánh giá hiệu suất và tính khả thi: Triển khai mô hình thực nghiệm, đo đạc thông số suy hao năng lượng và tính toán khả năng tự chủ nguồn điện 24/7 của hệ thống.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế hệ thống nhúng phân tán (Distributed Embedded System) kết hợp năng lượng mặt trời, truyền thông vô tuyến cục bộ và thuật toán bám điểm sáng.
  • Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống được hiện thực hóa ở quy mô mô hình thực nghiệm (Hardware Prototype) với tải đèn LED mô phỏng công suất thấp; phạm vi điều khiển không dây cục bộ qua giao thức Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n (Access Point Mode) của SoC ESP8266.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Các hệ thống đèn giao thông hiện nay trên thị trường phân hóa rõ rệt thành hai nhóm chính: hệ thống dùng PLC công nghiệp kết nối lưới điện và hệ thống đèn mặt trời tấm pin cố định (Fixed Solar Panel).

Tiêu chí kỹ thuật Hệ thống truyền thống dùng PLC Đèn mặt trời tấm pin cố định Giải pháp đề tài (Smart Solar Traffic Light)
Nguồn cấp điện 100% Lưới điện xoay chiều 220V AC Pin năng lượng mặt trời cố định (12V) Pin mặt trời có Solar Tracking + Lưới điện tự động chuyển mạch
Khả năng tự chủ khi mất điện Không (Tê liệt nếu không có UPS lớn) Phụ thuộc hoàn toàn vào ắc quy (3-5 ngày) Hoạt động liên tục 24/7 với cơ chế Hybrid Solar/Grid Switching
Hiệu suất thu nhận năng lượng N/A Cố định, thất thoát 25% - 35% góc chiếu Tối ưu hóa nhờ cơ cấu xoay tự động bám sáng (+28.4%)
Giám sát & Điều khiển từ xa Có (yêu cầu mạng cáp quang/SCADA đắt tiền) Hầu như không có, cấu hình thủ công Tích hợp Web Server qua ESP8266 Wi-Fi trực quan
Chi phí đầu tư & bảo trì Rất cao (chi phí thiết bị PLC và bảo dưỡng) Trung bình (nhanh chai pin nếu sạc không kiểm soát) Tối ưu hóa chi phí với kiến trúc MCU thương mại kết hợp mạch bảo vệ

Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Chuyển đổi trạng thái đèn giao thông đúng chu kỳ; bộ đếm lùi LED 7 đoạn chính xác; sạc ắc quy ngắt khi đầy/xả ngắt khi cạn; tự động chuyển mạch sang nguồn điện AC khi ắc quy < 10.5V.
  • Should have (Nên có): Điều hướng tấm pin xoay theo nguồn sáng mạnh nhất thông qua cặp cảm biến quang trở (LDR); hiển thị trạng thái điện áp/dòng điện trên màn hình LCD 20x4; điều khiển chế độ cưỡng bức qua Web Server.
  • Could have (Có thể có): Tự động bật/tắt đèn chiếu sáng đường phố (Street Lighting) theo đồng hồ thời gian thực RTC DS1307.
  • Won't have (Chưa thực hiện đợt này): Thuật toán tối ưu luồng giao thông bằng trí tuệ nhân tạo (AI Camera) đếm mật độ xe; truyền thông diện rộng qua mạng 4G/5G LTE công nghiệp.

Thiết kế kiến trúc hệ thống

+---------------------------------------------------------------------------------------+
|                                    KIẾN TRÚC HỆ THỐNG                                 |
+---------------------------------------------------------------------------------------+
 [ Tấm Pin NLMT 20W ] ---> [ Cảm biến LDR1/LDR2 ] ---> [ Arduino Uno R3 (ATmega328P) ]
         |                                                       |
         | (Năng lượng)                                          v (Điều khiển góc quay)
         v                                               [ Module Cầu H L298N + Động cơ DC ]
 [ Mạch Sạc PWM + TIP2955 ]
         |
         +----------------------------+
         |                            v
         v                  [ Cảm biến Dòng ACS712 ] 
 [ Ắc quy 12V DC ]                    |
         |                            v
 [ Mạch Relay Chuyển Mạch ] <--- [ PIC16F887: Khối Quản lý Năng Lượng ] <---> [ LCD 20x4 ]
         |                       - Đọc ADC áp/dòng                             [ RTC DS1307 ]
         |                       - Tự động chuyển AC 220V
         v
 [ Bộ Hạ Áp LM7805 / 5V DC ]
         |
         +-------------------------------------------------------+
         |                                                       |
         v                                                       v
 [ PIC16F887: Khối Đèn Giao Thông ] <--- UART ---> [ ESP8266 NodeMCU Web Server ]
  |       |
  |       +---> [ 74HC595 Ghi dịch ] ---> [ LED 7 Đoạn Đếm Lùi ]
  v
 [ Cụm Đèn Tín Hiệu Giao Thông (R-Y-G) ]

Danh mục công nghệ và linh kiện phần cứng

Khối chức năng Tên thiết bị / IC Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Xử lý trung tâm 1 PIC16F887 (Microchip) 8-bit MCU, 20MHz, 14 kênh ADC 10-bit, Flash 8KB Quản lý đo lường năng lượng, hiển thị LCD, điều khiển đèn giao thông
Xử lý trung tâm 2 ATmega328P (Arduino Uno R3) 8-bit AVR, 16MHz, 6 kênh ADC 10-bit, 32KB Flash Thu nhận tín hiệu cảm biến quang và điều khiển bám hướng mặt trời
Kết nối không dây ESP8266 NodeMCU v1.0 SoC 32-bit Tensilica L106, 80MHz, Wi-Fi 2.4GHz Khởi tạo Web Server nội bộ cho phép điều khiển và giám sát qua Wi-Fi
Đo dòng điện Allegro ACS712-20A Cảm biến Hall cách ly, độ nhạy 100mV/A, dải đo ±20A Giám sát dòng sạc pin mặt trời và dòng tiêu thụ của tải
Đồng hồ thời gian thực Maxim DS1307 Giao tiếp I2C, xung thạch anh 32.768kHz, tích hợp pin backup Cung cấp mốc thời gian thực để lập lịch chu kỳ đèn và đèn đường
Mở rộng ngõ ra LED 74HC595 IC ghi dịch 8-bit nối tiếp sang song song, 3-state output Quét hiển thị 2 LED 7 đoạn chỉ với 3 chân vi điều khiển
Điều khiển động cơ STMicroelectronics L298N Mạch cầu H kép, dòng tải tối đa 2A/kênh, dải áp 5V-35V Đảo chiều và điều chỉnh vận tốc động cơ DC xoay giá đỡ pin
Hiển thị thông số LCD 20x4 (HD44780) Màn hình ký tự 20 cột x 4 dòng, chuẩn giao tiếp song song Hiển thị điện áp pin, dòng sạc, chế độ hoạt động tại trạm

Implementation và kết quả thực nghiệm

Quy trình phát triển và thuật toán điều khiển cốt lõi

Hệ thống được phát triển theo mô hình đồng thiết kế phần cứng - phần mềm (Hardware/Software Co-design), chia thành 3 giai đoạn: Thiết kế mạch nguyên lý & mạch in (PCB Design trên Proteus/Altium), Lập trình thuật toán nhúng (Embedded C trên CCS C Compiler và Arduino IDE), Tích hợp hệ thống và kiểm thử tải thực tế.

1. Thuật toán quét và xuất dữ liệu LED 7 đoạn qua IC 74HC595

Nhằm tối ưu hóa tài nguyên phần cứng của PIC16F887, việc hiển thị số đếm lùi 2 chữ số trên LED 7 đoạn Anode chung được thực hiện thông qua việc nối tiếp hai IC 74HC595, chuyển đổi dữ liệu từ dạng nối tiếp sang song song.

// Thuat toan xuat du lieu 8-bit noi tiep sang IC 74HC595 tren PIC16F887
#define SH_CP PIN_C0   // Chan cap xung clock dich du lieu (Shift Clock)
#define DS    PIN_C1   // Chan du lieu noi tiep (Serial Data)
#define ST_CP PIN_C2   // Chan chot du lieu ngõ ra (Latch Clock)

const unsigned char Ma7Doan[10] = {0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90};

void Xuat_1Byte_74HC595(unsigned char DataByte) {
   unsigned char i;
   for(i = 0; i < 8; i++) {
      if((DataByte & 0x80) == 0x80)
         output_high(DS);
      else
         output_low(DS);
      DataByte = DataByte << 1;
      output_low(SH_CP);
      output_high(SH_CP); // Xung canh len dich 1 bit vao thanh ghi
   }
}

void HienThi_LED_DemLui(unsigned char GiaTriDem) {
   unsigned char Chuc = GiaTriDem / 10;
   unsigned char DonVi = GiaTriDem % 10;
   
   // Xuat lan luot 2 byte du lieu cho 2 LED 7 doan
   Xuat_1Byte_74HC595(Ma7Doan[DonVi]);
   Xuat_1Byte_74HC595(Ma7Doan[Chuc]);
   
   // Chot du lieu ra ngo ra song song
   output_low(ST_CP);
   output_high(ST_CP);
}

2. Thuật toán điều hướng tấm pin quang điện (Solar Tracking Algorithm)

Arduino Uno R3 liên tục đọc giá trị điện áp tương tự từ hai cảm biến quang trở $LDR_1$ (hướng Đông) và $LDR_2$ (hướng Tây) thông qua bộ biến đổi ADC 10-bit (0-1023 tương ứng 0-5V). Nếu độ chênh lệch cường độ ánh sáng $|\Delta V| > V_{threshold}$ (ngưỡng nhạy được chọn là 50 đơn vị ADC), động cơ DC sẽ được kích hoạt thông qua module L298N để quay tấm pin về phía có quang năng cao hơn.

// Thuat toan dieu huong Solar Tracker tren Arduino Uno R3 (ATmega328P)
const int LDR_EAST = A0;
const int LDR_WEST = A1;
const int IN1 = 8;
const int IN2 = 9;
const int ENA = 10;
const int THRESHOLD = 50; // Nguong sai lech tranh rung giat dong co

void setup() {
  pinMode(IN1, OUTPUT);
  pinMode(IN2, OUTPUT);
  pinMode(ENA, OUTPUT);
  analogWrite(ENA, 180); // Dieu khien van toc xoay bang PWM
}

void loop() {
  int valEast = analogRead(LDR_EAST);
  int valWest = analogRead(LDR_WEST);
  int diff = valEast - valWest;

  if (abs(diff) > THRESHOLD) {
    if (diff > 0) {
      // Huong Dong sang hon -> Quay ve huong Dong
      digitalWrite(IN1, HIGH);
      digitalWrite(IN2, LOW);
    } else {
      // Huong Tay sang hon -> Quay ve huong Tay
      digitalWrite(IN1, LOW);
      digitalWrite(IN2, HIGH);
    }
  } else {
    // Cuong do anh sang can bang -> Dung dong co de tiet kiem dien
    digitalWrite(IN1, LOW);
    digitalWrite(IN2, LOW);
  }
  delay(100);
}

3. Thuật toán đo lường công suất và quản lý nguồn Hybrid

Cảm biến dòng ACS712-20A cho điện áp tĩnh $V_{out} = 2.5V$ khi $I = 0A$, độ nhạy $S = 100mV/A$. Điện áp ắc quy được đọc qua mạch phân áp điện trở ($R_1 = 10k\Omega, R_2 = 2k\Omega$, hệ số chia 6:1). PIC16F887 tính toán dung lượng còn lại của ắc quy:

$$I_{load} = \frac{V_{ADC_ACS712} - 2.5V}{0.1V/A}$$

$$V_{Battery} = V_{ADC_Div} \times \left(\frac{R_1 + R_2}{R_2}\right)$$

$$P_{System} = V_{Battery} \times I_{load}$$

Khi $V_{Battery} \le 10.5V$, vi điều khiển PIC kích hoạt Relay ngắt tải khỏi ắc quy và chuyển sang cấp nguồn từ bộ hạ áp lưới 220V AC $\rightarrow$ 12V DC, đảm bảo hệ thống đèn giao thông không bao giờ bị gián đoạn hoạt động.

       +------------------------------------+
       |          ĐỌC CẢM BIẾN DÒNG         |
       |             VÀ ĐIỆN ÁP             |
       +------------------------------------+
                          |
                          v
                /-------------------\
               /   V_Battery < 10.5V \   --- YES ---> [ Kích hoạt Relay: Sang lưới AC ]
               \           ?         /
                \-------------------/
                          | NO
                          v
             [ Duy trì cấp nguồn từ Ắc quy ]

Kết quả đo kiểm và đánh giá thực nghiệm

  • Độ chính xác bám quang của hệ thống Solar Tracking: Thử nghiệm tại các góc chiếu sáng từ 0° đến 180° cho thấy hệ thống đáp ứng quay với góc lệch bám sáng $< 4.5^\circ$, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng rung lắc (hunting) nhờ vùng trễ $\pm 50$ đơn vị ADC.
  • Thời gian chuyển mạch dự phòng: Khi ngắt nguồn pin/ắc quy, mạch rơ-le kích hoạt đóng tiếp điểm chuyển nguồn sang lưới điện trong thời gian $\approx 22ms$, nhỏ hơn chu kỳ dao động gây reset MCU, giúp vi điều khiển PIC16F887 và hệ thống LED hoạt động liên tục không bị gián đoạn.
  • Độ trễ truyền nhận tín hiệu Web Server: Qua kết nối Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n, lệnh cưỡng bức chuyển đèn từ giao diện Web Server trên ESP8266 được truyền qua giao tiếp UART (baudrate 9600 bps) đến PIC16F887 với độ trễ trung bình đạt $115ms$.
[Web Server UI (ESP8266)] --(Wi-Fi 802.11b/g/n)--> [ESP8266 SoC] --(UART 9600bps, ~115ms)--> [PIC16F887 MCU]

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Kiến trúc điều khiển phân tán (Distributed Embedded Architecture): Tách biệt các tác vụ đo lường năng lượng, điều hướng cơ khí bám sáng và xử lý logic đèn giao thông sang các MCU chuyên trách (PIC16F887 + ATmega328P + ESP8266). Điều này ngăn ngừa hiện tượng nghẽn lệnh (blocking) trong vòng lặp thời gian thực.
  2. Nâng cao hiệu suất quang năng với cơ cấu bám nhật đơn trục: So với các trụ đèn mặt trời lắp đặt tấm pin cố định, cơ chế Solar Tracking của đề tài giúp tăng sản lượng điện năng hấp thụ trung bình cả ngày lên 28.4%, đặc biệt hiệu quả trong các khung giờ sáng sớm (7h-9h) và chiều muộn (15h-17h).
  3. Giải pháp nguồn kép lai (Hybrid Fault-Tolerant Power): Khắc phục nhược điểm "chết nguồn" cố hữu của các hệ thống năng lượng tái tạo độc lập thông qua mạch giám sát ADC thời gian thực và đóng cắt rơ-le tự động với thời gian trễ chỉ $22ms$.
  4. Tối ưu hóa số lượng chân vi điều khiển (Pin Count Optimization): Ứng dụng IC ghi dịch 74HC595 mắc nối tiếp (Cascaded Shift Registers) cho phép điều khiển cùng lúc 4 cụm đèn LED 7 đoạn đếm ngược (hàng chục và hàng đơn vị cho 2 trục giao lộ) chỉ bằng đúng 3 đường tín hiệu logic (DS, SH_CP, ST_CP).

Ứng dụng thực tế và triển khai

                      CÁC KỊCH BẢN TRIỂN KHAI THỰC TẾ
  ========================================================================
  [ ĐÔ THỊ THÔNG MINH ]      --> Nút giao trọng điểm, điều khiển Web Server
  [ HẢI ĐẢO / VÙNG CAO ]     --> Vùng không có lưới điện, tự chủ năng lượng 100%
  [ KHU CÔNG NGHIỆP / NỘI BỘ]--> Điều tiết giao thông nội khu, tiết kiệm điện năng

Kịch bản ứng dụng

  • Nút giao thông đô thị thông minh: Cảnh sát giao thông hoặc trung tâm điều hành có thể truy cập IP Web Server cục bộ thông qua smartphone để lập tức chuyển chế độ đèn ưu tiên cho xe cứu hỏa, cứu thương hoặc giải tỏa ùn tắc đột xuất mà không cần can thiệp hộp kỹ thuật cơ học.
  • Các giao lộ vùng sâu, vùng xa, hải đảo: Những nơi chưa có hạ tầng lưới điện ổn định có thể triển khai hệ thống độc lập (Off-grid) nhờ cơ cấu tự nạp và lưu trữ điện mặt trời hiệu suất cao.
  • Giao thông nội bộ trong khu công nghiệp, khuôn viên đại học lớn: Giảm thiểu chi phí điện năng vận hành hàng tháng cho ban quản lý hạ tầng.

Phân tích hiệu quả kinh tế và thời gian hoàn vốn (ROI)

  • Chi phí đầu tư ban đầu (CAPEX): Ước tính chi phí vật tư linh kiện cho một cột đèn giao thông độc lập sử dụng năng lượng mặt trời thông minh rẻ hơn 42% so với chi phí đào đường, kéo cáp ngầm trung thế và lắp đặt trạm biến áp chuyên dụng cho nút giao ở xa nguồn điện.
  • Chi phí vận hành (OPEX): Hệ thống tiết kiệm trung bình $3.8 \text{ kWh/ngày}$ điện năng tiêu thụ cho mỗi cụm nút giao ngã tư. Với tuổi thọ tấm pin quang điện trên 20 năm và ắc quy chu kỳ sâu (Deep Cycle) từ 3-5 năm, thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback Period) ước tính đạt từ 2.5 đến 3.2 năm.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Cơ cấu cơ khí điều hướng: Sử dụng động cơ DC thông thường kết hợp quang trở LDR có thể bị ảnh hưởng bởi ánh sáng tán xạ trong những ngày trời nhiều mây mù hoặc bóng râm của các tòa nhà cao tầng.
  • Thuật toán sạc: Hiện tại sử dụng phương pháp sạc điều chế độ rộng xung (PWM) với linh kiện công suất TIP2955; hiệu suất chuyển đổi công suất của mạch sạc đạt khoảng $82-86%$, chưa tối ưu hoàn toàn như phương pháp bám điểm công suất cực đại (MPPT).
  • Băng thông kết nối: ESP8266 hiện đang cấu hình ở chế độ Access Point (AP) cục bộ, bán kính kết nối hiệu quả giới hạn trong phạm vi $50m - 80m$.

Hướng phát triển nâng cao

  1. Nâng cấp bộ sạc MPPT (Maximum Power Point Tracking): Ứng dụng thuật toán Perturb and Observe (P&O) hoặc Incremental Conductance trên vi điều khiển chuyên dụng để đẩy hiệu suất sạc tấm pin quang điện lên trên 95%.
  2. Tích hợp Camera AI xử lý ảnh: Kết hợp vi máy tính nhúng (như Raspberry Pi / Jetson Nano) chạy mô hình YOLOv8-tiny đếm mật độ phương tiện thực tế theo từng làn đường, từ đó tự động phân bổ số giây đèn Xanh linh hoạt (Dynamic Traffic Light Timing).
  3. Mở rộng kết nối mạng diện rộng (IoT LoRaWAN / 4G NB-IoT): Kết nối toàn bộ các nút giao thông trong thành phố về một hệ thống điều phối trung tâm SCADA thông qua giao thức MQTT/CoAP có bảo mật SSL/TLS.

Đối tượng hưởng lợi

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                             ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                               |
+-------------------------------------------------------------------------------+
  [ Sinh viên & Giảng viên ]  --> Tài liệu tham khảo hệ thống nhúng & IoT
  [ Kỹ sư Lập trình Nhúng ]  --> Mẫu thiết kế phần cứng PIC/ESP8266 & Code Driver
  [ Doanh nghiệp & Đô thị ]   --> Giải pháp hạ tầng xanh, cắt giảm chi phí vận hành
  [ Nhà nghiên cứu Năng lượng]--> Dữ liệu thực nghiệm về hiệu suất Solar Tracking
  • Sinh viên & Giảng viên ngành Điện tử - Viễn thông, Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về sơ đồ nguyên lý phần cứng, kỹ thuật giao tiếp đa vi điều khiển (PIC - Arduino - ESP8266) và lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống thực tế.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng (Embedded Developers): Tham khảo mẫu thiết kế mạch đo lường ADC cách ly, thuật toán ghi dịch dữ liệu 74HC595 tối ưu chân I/O và cấu trúc nhúng Web Server điều khiển thiết bị qua Wi-Fi.
  • Đơn vị quản lý hạ tầng giao thông & Doanh nghiệp năng lượng: Có được mô hình giải pháp khả thi để triển khai thí điểm tại các giao lộ mới, giúp cắt giảm 100% chi phí điện năng chiếu sáng ban ngày và nâng cao độ an toàn giao thông đô thị.
  • Các nhà nghiên cứu về Năng lượng tái tạo: Có thêm số liệu đối sánh thực nghiệm về sự chênh lệch hiệu suất giữa hệ thống pin mặt trời cố định và hệ thống bám nhật đơn trục trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa tại miền Nam Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng tối thiểu để triển khai mở rộng hệ thống ngoài thực tế là gì?

Cần trang bị tấm pin năng lượng mặt trời công suất $\ge 100W$, bình ắc quy viễn thông hoặc pin Lithium LiFePO4 dung lượng $12V - 50Ah$ trở lên, khung đỡ cơ khí chuẩn IP66 kháng nước/bụi, động cơ giảm tốc Servo/Stepper bước có moment xoắn cao và mạch điều khiển trung tâm được thiết kế trên bo mạch công nghiệp phủ lớp chống ẩm (Conformal Coating).

2. Giới hạn khả năng mở rộng của hệ thống là gì và giải pháp khắc phục?

Giới hạn lớn nhất của mô hình là phạm vi truyền thông Wi-Fi cục bộ của ESP8266. Để mở rộng trên toàn đô thị, cần thay thế module ESP8266 bằng module truyền thông không dây diện rộng công suất thấp như LoRa SX1278 (phạm vi 3-5km trong đô thị) hoặc modem 4G LTE/NB-IoT truyền dữ liệu lên máy chủ Cloud thông qua giao thức MQTT.

3. Hệ thống xử lý thế nào khi gặp hiện tượng thời tiết mưa bão kéo dài nhiều ngày?

Khi không có đủ bức xạ mặt trời, mạch giám sát năng lượng sẽ theo dõi điện áp ắc quy liên tục. Ngay khi điện áp sụt xuống ngưỡng an toàn ($10.5V$), hệ thống tự động đóng rơ-le để lấy nguồn từ điện lưới 220V AC thông qua bộ chuyển đổi nguồn switching (SMPS 12V-10A), đảm bảo hệ thống đèn không bao giờ tắt.

4. Chi phí và quy trình bảo trì hệ thống định kỳ như thế nào?

Hệ thống yêu cầu chi phí bảo trì rất thấp: vệ sinh bề mặt kính tấm pin quang điện định kỳ 3-6 tháng/lần để tránh bụi bẩn làm giảm quang thông; kiểm tra bôi trơn các khớp trục động cơ xoay 1 năm/lần; và kiểm tra điện dung của ắc quy lưu trữ sau mỗi 3 năm sử dụng.

5. Cơ chế chuyển đổi chế độ thủ công và tự động được thực hiện ra sao?

Người vận hành có thể chuyển đổi giữa 3 chế độ hoạt động:

  • Chế độ Tự động (Auto) theo chu kỳ thời gian cài đặt sẵn trong vi điều khiển;
  • Chế độ Nút nhấn cơ học (Manual Switch) trực tiếp tại tủ điều khiển;
  • Chế độ Điều khiển vô tuyến (Wireless Override) thông qua giao diện Web Server trên điện thoại thông minh/máy tính với quyền xác thực quản trị viên.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời" của nhóm tác giả Lê Hoàng Nghĩa và Bành Bá Cẩn (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp giữa kỹ thuật điều khiển nhúng, công nghệ năng lượng tái tạo và kết nối mạng không dây IoT. Với việc ứng dụng đồng thời vi điều khiển PIC16F887, vi điều khiển ATmega328P và SoC ESP8266, hệ thống đã hiện thực hóa thành công cơ chế bám sáng tự động giúp tăng 28.4% hiệu suất quang điện, vận hành ổn định chu kỳ đèn tín hiệu kết hợp đếm lùi LED 7 đoạn qua IC ghi dịch 74HC595, và đảm bảo cấp nguồn không gián đoạn nhờ mạch chuyển nguồn tự động thông minh.

Dự án không chỉ là một tài liệu kỹ thuật có giá trị học thuật cao cho sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế lớn trong việc hiện đại hóa cơ sở hạ tầng giao thông xanh tại Việt Nam. Quý độc giả, kỹ sư và các đơn vị nghiên cứu có thể kế thừa kiến trúc phần cứng và giải thuật mã nguồn của đề tài để phát triển các hệ thống giám sát đô thị thông minh quy mô lớn hơn trong tương lai.