Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đại dịch COVID-19 do virus SARS-CoV-2 gây ra đã tạo nên những thách thức nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng, các hệ thống an sinh và hoạt động kinh tế - xã hội toàn cầu. Con đường lây truyền chủ yếu của dịch bệnh là thông qua các giọt bắn đường hô hấp trong phạm vi gần (dưới 0,8 m) khi người nhiễm bệnh ho hoặc hắt hơi, đặc biệt nguy hiểm tại những địa điểm tập trung đông người. Để thích ứng và ngăn chặn chuỗi lây nhiễm, các biện pháp kiểm soát y tế đã được áp dụng rộng rãi tại cổng ra vào của các cơ quan, nhà máy và công sở.

Tuy nhiên, việc sử dụng các chai dung dịch sát khuẩn tay dạng cơ học truyền thống buộc nhiều người phải tiếp xúc trực tiếp lên bề mặt thân chai, vô tình tạo ra nguồn lây nhiễm chéo tiềm ẩn. Đồng thời, công tác đo thân nhiệt thủ công và kiểm tra chấm công riêng lẻ gây mất thời gian, đòi hỏi nhân lực giám sát và tiềm ẩn nguy cơ tiếp xúc gần. Mặt khác, trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và sự phát triển mạnh mẽ của Internet vạn vật (IoT), nhu cầu chuyển đổi sang các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời, ngày càng trở nên thiết yếu nhằm tiết kiệm năng lượng và duy trì sự vận hành liên tục, bền vững cho các thiết bị giám sát thông minh.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài khóa luận tốt nghiệp "Design of automatic attendance register system and hand sanitizer with temperature sensing" (Thiết kế hệ thống điểm danh tự động kết hợp máy khử khuẩn và cảm biến nhiệt độ) được thực hiện bởi sinh viên La Gia Kiệt và Quang Chí Phương, dưới sự hướng dẫn của PGS. Trương Ngọc Sơn tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 3 nhiệm vụ trọng tâm:

  1. Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ cơ thể không tiếp xúc bằng cảm biến hồng ngoại kết hợp hệ thống nhận dạng và điểm danh qua thẻ RFID.
  2. Thiết kế và thi công hệ thống cấp nguồn sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp bộ lưu trữ pin nhằm đảm bảo thiết bị hoạt động độc lập và liên tục.
  3. Thiết kế giao diện website quản lý sử dụng các ngôn ngữ lập trình PHP, JavaScript, CSS kết nối cơ sở dữ liệu MySQL để hiển thị và quản lý thông tin điểm danh của nhân viên.

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống nhúng tích hợp vi điều khiển ESP8266, cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc GY-906 (MLX90614), đầu đọc thẻ RFID-RC522, cơ cấu bơm phun dung dịch khử khuẩn tự động, khối nguồn pin mặt trời và hệ thống quản trị dữ liệu web.
  • Phạm vi không gian: Mô hình được thiết kế hướng tới lắp đặt và vận hành thực tế tại cổng ra vào của các văn phòng, cơ quan, nhà máy, nhằm hỗ trợ nhân viên tuân thủ quy tắc 5K an toàn.
  • Quy mô văn bản: Khóa luận gồm 6 chương với dung lượng 69 trang, bảo vệ vào tháng 8 năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Hệ thống được xây dựng dựa trên sự giao thoa của ba lĩnh vực kỹ thuật chính:

  • Công nghệ Internet vạn vật (IoT) và RFID: Ứng dụng công nghệ nhận dạng qua sóng vô tuyến (Radio Frequency Identification - RFID) hoạt động ở tần số 13.56 MHz để đọc dữ liệu từ thẻ không tiếp xúc. Hệ thống sử dụng đầu đọc RFID-RC522 kết hợp giao tiếp SPI để truyền mã nhận diện (UID) về vi điều khiển, kết nối qua giao thức Wi-Fi 2.4 GHz về máy chủ dữ liệu.
  • Nguyên lý đo bức xạ hồng ngoại: Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc hoạt động dựa trên các định luật vật lý cơ bản về bức xạ nhiệt:
    • Định luật Planck: Mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0 Kelvin đều phát ra bức xạ điện từ.
    • Định luật Stefan-Boltzmann: Tổng năng lượng bức xạ phát ra từ một vật đen tuyệt đối tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối ($E \propto T^4$).
    • Định luật dịch chuyển Wien: Bước sóng ứng với cực đại của mật độ bức xạ tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật thể ($\lambda_{max} \cdot T = b$).
  • Công nghệ chuyển đổi và tích trữ năng lượng mặt trời: Sử dụng tấm pin quang điện (photovoltaic cell) bán dẫn Silicon chuyển hóa quang năng từ các hạt photon thành dòng điện một chiều qua hiệu ứng quang điện; kết hợp mạch nạp tuyến tính TP4056 và mạch bảo vệ chuyên dụng DW01A điều khiển cặp MOSFET 8205A để quản lý chu kỳ sạc/xả cho cell pin Lithium-ion/LiFePO4.

Phương pháp nghiên cứu

Khóa luận sử dụng kết hợp ba phương pháp nghiên cứu chính:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích tài liệu học thuật về chuẩn giao tiếp công nghiệp (I2C, SPI, UART), kiến trúc vi điều khiển ESP8266, nguyên lý hoạt động của cảm biến bức xạ nhiệt MLX90614, mạch chuyển đổi công suất DC-DC (Boost Converter), và cấu trúc cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL.
  2. Phương pháp khảo sát thực tế và thiết kế thực nghiệm: Khảo sát các thông số kỹ thuật phần cứng, tính toán dòng điện tiêu thụ toàn tải, thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in (PCB), hàn lắp linh kiện và chế tạo mô hình phần cứng hoạt động độc lập.
  3. Phương pháp tham vấn chuyên gia: Tiếp nhận ý kiến đóng góp kỹ thuật từ giảng viên hướng dẫn, các thầy cô chuyên môn trong khoa và sinh viên các khóa trước nhằm tối ưu hóa giải pháp mạch và cấu trúc phần mềm.

Nguồn tài liệu tham khảo khởi đầu

Tác giả kế thừa và tham khảo các công trình nghiên cứu tiêu biểu:

  • Nghiên cứu của Hoàng Trí (09/2019) về mô hình hệ thống tích hợp năng lượng gió và mặt trời để phát điện dự phòng.
  • Nghiên cứu của Po-Wei Huang (2016) về hệ thống nhúng đo nhiệt độ cơ thể không tiếp xúc kết hợp nhận diện khuôn mặt tự động và hồi quy mạng nơ-ron (sai số $0.12^\circ\text{C}$, khoảng cách 50–100 cm).
  • Nghiên cứu của T. Andrasto về máy bay không người lái (drone khung X6 tarot, tải trọng 6 kg, bình chứa 6 lít) ứng dụng phun khử khuẩn phòng dịch.
  • Nghiên cứu của Asgharian về tích trữ năng lượng mặt trời sử dụng vật liệu chuyển pha (PCM).
  • Nghiên cứu của Annette Hammer về đánh giá bức xạ mặt trời bề mặt qua công nghệ viễn thám vệ tinh.
  • Đề tài của Vũ Tiến Đạt và Nguyễn Minh Vương về bộ điều khiển sạc tối ưu cho đèn chiếu sáng công cộng dùng năng lượng mặt trời dựa trên vi điều khiển ATmega128 kết nối module SIM900.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống được thiết kế thành 4 khối chức năng chính tương tác chặt chẽ với nhau:

Khối chức năng Thành phần phần cứng / Phần mềm Chức năng kỹ thuật
Khối xử lý trung tâm (Central Processing Block) Vi điều khiển ESP8266 NodeMCU (ESP8266EX) Đọc dữ liệu từ cảm biến và RFID, xử lý logic kiểm tra ngưỡng nhiệt độ, điều khiển ngoại vi (LCD, Relay, Buzzer), đồng bộ dữ liệu qua Wi-Fi lên web server.
Khối thu thập dữ liệu (Data Collective Block) Module RFID-RC522 (13.56 MHz), Cảm biến GY-906 MLX90614 Thu nhận mã định danh từ thẻ nhân viên và thu nhận tín hiệu bức xạ hồng ngoại để tính toán nhiệt độ cơ thể người tiếp cận.
Khối hiển thị & Cơ cấu chấp hành (Display & Actuator Block) Màn hình LCD 20x4 qua module chuyển đổi I2C, Mạch Relay + Optocoupler, Còi báo Buzzer 5VDC, Máy bơm 12VDC Hiển thị giá trị nhiệt độ và mã ID thẻ; phát âm thanh cảnh báo (>80 dB); kích hoạt máy bơm phun dung dịch sát khuẩn tự động khi người dùng đưa tay vào.
Khối quản lý dữ liệu (Data Management Block) Máy chủ Web (PHP, JavaScript, CSS), Hệ quản trị CSDL MySQL Ghi nhận thời gian điểm danh (Time-In/Time-Out), cung cấp giao diện quản trị nhân viên, lọc nhật ký điểm danh và xuất báo cáo Excel.
Khối cấp nguồn (Power Supply Block) Pin mặt trời 15W/6V, Pin Lithium 18650 (3.7V), Module TP4056 + DW01A, Mạch ổn áp hạ áp 5V, Mạch Boost Converter 5V lên 12V Chuyển đổi quang năng thành điện năng, quản lý sạc/xả pin an toàn, ổn áp nguồn 5V cho vi điều khiển/cảm biến và nâng áp 12V cho động cơ bơm.

Chi tiết thiết kế mạch phần cứng và chuẩn giao tiếp

  1. Khối vi điều khiển ESP8266 NodeMCU:

    • Sử dụng chip ESP8266EX, lõi vi xử lý Tensilica 32-bit, tốc độ xung nhịp 80 MHz hoặc 160 MHz, bộ nhớ RAM tích hợp 50 kB, hỗ trợ Wi-Fi chuẩn 2.4 GHz.
    • Trạng thái hoạt động (Active mode): Chân GPIO2 ở mức High, GPIO15 ở mức Low, GPIO0 ở mức High (qua trở kéo 10 kΩ).
    • Nạp chương trình qua chuẩn UART với chân TX/RX bắt chéo và đưa GPIO0 về mức Low.
    • Kết nối ngoại vi: Giao tiếp I2C qua chân GPIO4 (SCL) và GPIO5 (SDA); giao tiếp SPI với module RFID qua GPIO12 (MISO), GPIO13 (MOSI), GPIO14 (SCK), GPIO2 (SDA/SS), GPIO3 (RST).

  2. Cảm biến nhiệt độ GY-906 MLX90614:

    • Dải đo nhiệt độ cảm biến: $-40^\circ\text{C}$ đến $125^\circ\text{C}$; dải đo nhiệt độ vật thể: $-70^\circ\text{C}$ đến $380^\circ\text{C}$.
    • Kết nối qua bus I2C với 2 điện trở kéo lên nguồn $R_1 = R_2 = 4.7\text{ k}\Omega$ trên các đường SDA, SCL và tụ lọc nhiễu $0.1\ \mu\text{F}$.

  3. Mạch đóng cắt Relay và Bơm sát khuẩn:

    • Tích hợp Optocoupler cách ly quang để chống nhiễu và bảo vệ khối điều khiển điện áp thấp khỏi xung ngược từ tải cảm ứng.
    • Điện trở hạn dòng $R_2 = R_3 = 1\text{ k}\Omega$ khống chế dòng điều khiển $\le 5\text{ mA}$; sử dụng diode dập xung ngược bảo vệ tiếp điểm relay khi đóng cắt máy bơm 12VDC.

  4. Mạch cảnh báo âm thanh (Buzzer):

    • Còi báo 5VDC (cường độ âm thanh $> 80\text{ dB}$) được điều khiển đóng/ngắt qua transistor BJT NPN BC547 hoạt động ở chế độ khóa điện tử, kích hoạt bởi mức logic LOW từ chân GPIO16 với điện trở phân cực cực gốc $R = 1\text{ k}\Omega$.

  5. Khối nguồn và tính toán năng lượng:

    • Tấm pin năng lượng mặt trời công suất 15W, điện áp danh định 6V (chịu được dải nhiệt độ $-40^\circ\text{C}$ đến $85^\circ\text{C}$, hệ số nhiệt áp hở mạch $V_{oc} = -(80 \pm 10)\text{ mV}/^\circ\text{C}$).
    • Pin lưu trữ Lithium 18650: Điện áp danh định 3.7V, điện áp sạc tối đa 4.2V, nội trở $\le 10\text{ m}\Omega$ tại 1000 Hz, dòng phóng danh định 1C (5A).
    • Module sạc TP4056 tích hợp IC bảo vệ DW01A: Tự động ngắt sạc khi pin đầy (ngưỡng bảo vệ quá sạc 4.05V), chống xả cạn (ngưỡng phát hiện 2.1V, ngưỡng phục hồi 3.1V), bảo vệ quá dòng ($150 \pm 30\text{ mA}$) thông qua việc điều khiển MOSFET kép 8205A.
    • Tính toán điện trở công suất bảo vệ $R_3$ của mạch ổn áp nguồn 5V:
      • Dòng tiêu thụ trung bình ESP8266: $I_{ESP} \approx 71\text{ mA}$
      • Dòng tiêu thụ màn hình LCD: $I_{LCD} = 160\text{ mA}$
      • Dòng tiêu thụ cảm biến GY-906: $I_{GY906} = 25\text{ mA}$
      • Dòng tiêu thụ module RFID-RC522: $I_{RFID} = 26\text{ mA}$
      • Dòng tiêu thụ LED chỉ thị: $I_{LED} = 20\text{ mA}$
      • Tổng dòng điện toàn hệ thống: $I_{total} = 71 + 160 + 25 + 26 + 20 \approx 302\text{ mA}$ ($0.302\text{ A}$).
      • Áp dụng định luật Ohm: $R_{3(max)} = \frac{U}{I} = \frac{5\text{ V}}{0.302\text{ A}} \approx 16.55\ \Omega$. Để hạn chế sụt áp và cho phép dòng cực đại đi qua bình thường, nhóm tác giả lựa chọn điện trở công suất $R_3 = 1\ \Omega$ (công suất chịu đựng 1W, đóng vai trò như cầu chì bảo vệ quá áp/quá tải tự ngắt khi có sự cố).
    • Mạch Boost Converter chuyển đổi điện áp 5VDC từ mạch nguồn lên 12VDC để cung cấp năng lượng vận hành động cơ bơm dung dịch sát khuẩn.

Thiết kế phần mềm và hệ thống cơ sở dữ liệu

  • Logic vận hành: Khi nhân viên tiếp cận, cảm biến GY-906 đo nhiệt độ cơ thể và hiển thị trực tiếp lên màn hình LCD 20x4.
    • Nếu nhiệt độ ở mức bình thường: Hệ thống mở quyền đọc thẻ RFID, còi buzzer phát tín hiệu xác nhận, relay đóng mạch để máy bơm phun dung dịch sát khuẩn tay, vi điều khiển gửi mã thẻ và mốc thời gian qua Wi-Fi về Web Server để ghi nhận điểm danh (Time-In hoặc Time-Out).
    • Nếu nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép (sốt/nhiệt độ cao): Còi buzzer báo động, hệ thống từ chối quyền quẹt thẻ điểm danh, ngăn chặn nguy cơ xâm nhập của người có dấu hiệu nhiễm bệnh.
  • Hệ thống Web Server & CSDL:
    • Cơ sở dữ liệu MySQL gồm bảng quản lý thông tin nhân viên (Table of Users) và bảng nhật ký chấm công hàng ngày (User Daily Logs).
    • Giao diện xây dựng bằng PHP/CSS/JS cho phép: Đăng nhập quản trị viên, hiển thị danh sách nhân viên, thêm mới/cập nhật/xóa hồ sơ nhân viên, lọc dữ liệu điểm danh theo tên và xuất toàn bộ lịch sử ra định dạng file Excel.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương 1 trình bày tổng quan về tình hình dịch bệnh COVID-19, nguyên nhân lây lan qua giọt bắn và nguy cơ lây nhiễm chéo tại nơi làm việc; phân tích sự phát triển của công nghệ IoT trong cuộc Cách mạng 4.0 và xu hướng khai thác năng lượng sạch (năng lượng mặt trời). Tác giả xác định rõ mục tiêu thiết kế hệ thống tích hợp đo thân nhiệt không tiếp xúc, khử khuẩn tay tự động và điểm danh qua thẻ RFID chạy bằng pin mặt trời; đồng thời tổng thuật các công trình nghiên cứu liên quan, xác định phạm vi, nội dung nghiên cứu (gồm 11 đầu việc cụ thể) và phương pháp thực hiện.

Chapter 2: Background Information

Chương 2 tập trung trình bày các cơ sở lý thuyết nền tảng phục vụ nghiên cứu:

  • Khái niệm, kiến trúc và các ứng dụng tiêu biểu của Internet vạn vật (IoT) trong quản lý đô thị, nông nghiệp thông minh, giao thông và năng lượng.
  • Công nghệ nhận dạng sóng vô tuyến (RFID): Cấu tạo hệ thống (Tag, Reader, Antenna, Controller, Data server), phân biệt thẻ thụ động (passive tag) và thẻ chủ động (active tag); phân tích ưu điểm (đọc không tiếp xúc, độ chính xác cao, lưu trữ lớn) và nhược điểm (bị suy hao bởi kim loại và chất lỏng).
  • Tín hiệu bức xạ hồng ngoại và ứng dụng: Các định luật vật lý Planck, Stefan-Boltzmann, Wien; nguyên lý cảm biến hồng ngoại phát hiện chuyển động và đo nhiệt.
  • Năng lượng mặt trời và nguyên lý pin quang điện: Cấu trúc chất bán dẫn Silicon, hiện tượng giải phóng electron khi va chạm với photon ánh sáng để sinh dòng điện.

Chapter 3: Design of Automatic Attendance Register and Hand Sanitizer with Temperature Sensing System

Chương 3 chi tiết hóa toàn bộ các bước tính toán, thiết kế hệ thống:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng thể (Khối thu thập dữ liệu, Khối xử lý trung tâm, Khối hiển thị, Khối quản lý dữ liệu).
  • Phân tích và lựa chọn linh kiện: Vi điều khiển ESP8266 NodeMCU, cảm biến nhiệt GY-906 MLX90614 (giao tiếp I2C), module đọc thẻ RFID-RC522 (giao tiếp SPI), màn hình LCD 20x4 kết hợp module chuyển đổi I2C, mạch cách ly quang Optocoupler kích Relay 12V, mạch còi báo Buzzer dùng BJT BC547.
  • Thiết kế khối nguồn: Tấm pin năng lượng mặt trời 15W/6V, pin lưu trữ Lithium 18650, module sạc và bảo vệ TP4056/DW01A, mạch tăng áp Boost Converter 5V lên 12V, mạch ổn áp 5V và tính toán lựa chọn điện trở công suất bảo vệ $R_3 = 1\ \Omega$.
  • Thiết kế phần mềm và cấu trúc web: Xây dựng lưu đồ giải thuật cho Server, hoạt động đăng nhập (Login Activity), quản lý người dùng (Manage Users), và nhật ký chấm công (Users Log); thiết kế giao diện phpMyAdmin và các trang tương tác người dùng.

Chapter 4: Implementation of Automatic Attendance Register and Hand Sanitizer with Temperature Sensing System

Chương 4 mô tả quy trình thi công thực tế phần cứng và triển khai phần mềm:

  • Thiết kế layout và gia công hai bo mạch in (PCB) độc lập: Bo mạch điều khiển trung tâm (Control circuit board) và Bo mạch nguồn (Power supply board).
  • Tiến hành hàn lắp linh kiện thực tế lên hai mặt trước và sau của bo mạch PCB; tích hợp các module chức năng và bố trí gọn gàng bên trong khung vỏ bảo vệ của thiết bị.
  • Triển khai cấu trúc bảng dữ liệu Table of Users và User Daily Logs trên hệ thống MySQL để sẵn sàng nhận dữ liệu đồng bộ từ vi điều khiển.

Chapter 5: Result and Discussion

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được của đề tài:

  • Hình ảnh hoàn thiện của mô hình phần cứng thực tế (mặt trước và kết cấu bên trong mô hình).
  • Kết quả kiểm thử khối đo thân nhiệt: Phân biệt chính xác giữa trạng thái thân nhiệt bình thường (hiển thị LCD, cho phép quẹt thẻ) và trạng thái sốt/nhiệt độ cao (báo động còi, khóa điểm danh); lập đồ thị đường biểu diễn dữ liệu nhiệt độ đo được.
  • Kết quả kiểm thử khối nguồn: Đo đạc dung lượng pin dự phòng và khả năng tự sạc liên tục từ tấm pin mặt trời.
  • Kết quả hoạt động của hệ thống điểm danh: Hiển thị mã thẻ ID trên LCD, ghi nhận chính xác mốc giờ đến (Time-In) và mốc giờ về (Time-Out).
  • Kết quả giao diện Web: Thực thi hoàn chỉnh các tính năng thêm mới, cập nhật, xóa thông tin nhân viên, bộ lọc nhật ký theo tên và tính năng xuất dữ liệu ra file Excel.

Chapter 6: Conclusion and Further Work

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả của khóa luận, đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra; phân tích các ưu điểm về mặt phòng dịch, tự chủ năng lượng và tính tiện dụng của web server; đồng thời chỉ rõ các mặt hạn chế còn tồn tại và vạch ra định hướng cải tiến hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Khóa luận đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình tích hợp với các kết quả cụ thể:

  • Phần cứng hoàn thiện: Chế tạo thành công 02 bo mạch PCB chuyên dụng (Mạch điều khiển và Mạch nguồn), tích hợp hoàn chỉnh vi điều khiển ESP8266, cảm biến GY-906, module RFID-RC522, màn hình LCD 20x4 I2C, còi báo, relay và máy bơm 12V. Mô hình vận hành ổn định, vỏ hộp có khả năng chống nước khi hoạt động ngoài trời.
  • Vận hành đo nhiệt và sát khuẩn: Cảm biến hồng ngoại GY-906 nhận diện thân nhiệt nhanh chóng, tự động kích hoạt máy bơm phun dung dịch sát khuẩn tay và phân loại chính xác các trường hợp thân nhiệt bình thường hoặc sốt cao.
  • Hệ thống điểm danh và truyền dữ liệu: Đọc thẻ RFID chuẩn 13.56 MHz chính xác, truyền dữ liệu qua Wi-Fi về Web Server theo thời gian thực để ghi nhận đầy đủ thời gian Time-In và Time-Out của từng nhân viên.
  • Hệ thống Web quản trị: Xây dựng đầy đủ các chức năng quản lý người dùng (thêm, sửa, xóa), bảng nhật ký theo ngày, bộ lọc tìm kiếm theo tên và tính năng xuất báo cáo ra file Excel.
  • Khối năng lượng mặt trời độc lập: Tấm pin 15W sạc ổn định cho cell pin Lithium 18650 thông qua mạch sạc TP4056 và bảo vệ ngắt xả DW01A, cung cấp đủ năng lượng cho hệ thống vận hành liên tục 24/7.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        BẢNG TỔNG HỢP CÁC THÔNG SỐ PHẦN CỨNG                       |
+------------------------------+--------------------+-------------------------------+
| Thành phần                   | Thông số kỹ thuật  | Dòng tiêu thụ / Điện áp       |
+------------------------------+--------------------+-------------------------------+
| Vi điều khiển ESP8266        | Tensilica 32-bit   | 71 mA (trung bình) / 3.3V     |
| Cảm biến GY-906 (MLX90614)   | Chuẩn I2C          | 25 mA / 5V                    |
| Đầu đọc thẻ RFID-RC522       | Chuẩn SPI 13.56MHz | 26 mA / 3.3V                  |
| Màn hình hiển thị LCD 20x4   | Module I2C         | 160 mA / 5V                   |
| LED chỉ thị trạng thái       | SMD 0603           | 20 mA / 5V                    |
| Tổng dòng tải danh định      | --                 | ~302 mA (tương đương 0.302 A) |
| Điện trở bảo vệ nguồn R3     | 1 Ω (1W)           | Tính toán lý thuyết R <= 16Ω  |
| Tấm pin năng lượng mặt trời  | 15W                | Điện áp ra 6V                 |
| Pin lưu trữ Lithium 18650    | D18mm x H65mm      | 3.7V danh định (Max 4.2V), 5A |
| Bơm dung dịch sát khuẩn      | DC Motor           | 12VDC (qua Boost Converter)   |
+------------------------------+--------------------+-------------------------------+

Đóng góp của đề tài

  1. Đưa ra giải pháp kỹ thuật tích hợp "3 trong 1" khép kín (Đo thân nhiệt - Khử khuẩn tay tự động - Điểm danh RFID) giúp hạn chế tối đa nguy cơ lây nhiễm chéo dịch bệnh tại nơi làm việc.
  2. Ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời xanh kết hợp mạch quản lý sạc/xả thông minh, giúp thiết bị hoạt động độc lập với lưới điện, tiết kiệm chi phí năng lượng và tăng tính cơ động khi lắp đặt.
  3. Số hóa công tác chấm công và kiểm soát y tế thông qua nền tảng Web Server trực quan, giảm thiểu gánh nặng quản lý thủ công cho doanh nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Theo công bố của nhóm tác giả trong văn bản khóa luận:

  • Ảnh hưởng môi trường: Kết quả đo nhiệt độ cơ thể của cảm biến GY-906 vẫn bị tác động nhất định bởi khoảng cách đo và sự thay đổi của nhiệt độ môi trường ngoài trời.
  • Tiêu chuẩn hóa mạch điện: Hệ thống vẫn sử dụng một số module rời và linh kiện thông dụng sẵn có trên thị trường, mạch điện chưa được tích hợp nguyên khối tối ưu cho các môi trường công nghiệp đa dạng.
  • Giao diện và CSDL: Phần mềm vẫn dựa trên các thư viện có sẵn và hệ quản trị MySQL cơ bản.
  • Phụ thuộc hạ tầng mạng: Thiết bị bắt buộc phải hoạt động trong khu vực có kết nối mạng Internet/Wi-Fi thì mới đồng bộ được dữ liệu điểm danh về hệ thống máy chủ.
  • Tính thẩm mỹ: Do đây là mô hình nguyên mẫu thử nghiệm (prototype) phục vụ nghiên cứu, độ hoàn thiện về mặt thẩm mỹ bên ngoài chưa cao (mặc dù vẫn đảm bảo khả năng chống nước khi đặt ngoài trời).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp và chuẩn hóa toàn bộ các mạch rời thành một bo mạch điều khiển công nghiệp đồng nhất.
  • Phát triển các thuật toán hiệu chỉnh và bù nhiệt độ tự động theo khoảng cách và thời tiết nhằm nâng cao độ chính xác cho cảm biến nhiệt độ.
  • Bổ sung bộ nhớ đệm (offline storage) trên thiết bị để lưu trữ dữ liệu tạm thời khi mất kết nối mạng và tự động đồng bộ lại khi có Internet.
  • Cải tiến thiết kế kiểu dáng công nghiệp và nâng cao tính thẩm mỹ cho vỏ bảo vệ thiết bị.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận tốt nghiệp này có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Công nghệ Thông tin, và Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

  1. Thiết kế hệ thống nhúng IoT đa giao tiếp: Phương pháp tích hợp đồng thời nhiều chuẩn giao tiếp ngoại vi (SPI cho RFID, I2C cho cảm biến nhiệt độ và LCD, UART để nạp nạp/giao tiếp) trên nền tảng vi điều khiển ESP8266.
  2. Thiết kế mạch nguồn năng lượng mặt trời độc lập: Quy trình tính toán dòng điện tiêu thụ toàn tải, lựa chọn pin mặt trời 15W, pin Lithium 18650, kết hợp mạch sạc tuyến tính TP4056, IC bảo vệ DW01A và mạch nâng áp DC-DC Boost Converter.
  3. Xây dựng ứng dụng Web Server nhúng kết nối CSDL: Cách thức tổ chức cơ sở dữ liệu MySQL và viết chương trình xử lý PHP/JavaScript để tiếp nhận và trực quan hóa dữ liệu từ thiết bị phần cứng qua mạng Wi-Fi.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm và các chuẩn giao tiếp được sử dụng trong hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng vi điều khiển trung tâm ESP8266 NodeMCU (dựa trên chip ESP8266EX, lõi 32-bit Tensilica, xung nhịp 80/160 MHz, RAM 50 kB, Wi-Fi 2.4 GHz). Các chuẩn giao tiếp bao gồm:

  • Chuẩn SPI: Giao tiếp với đầu đọc RFID-RC522 qua các chân GPIO12 (MISO), GPIO13 (MOSI), GPIO14 (SCK), GPIO2 (SDA/SS), GPIO3 (RST).
  • Chuẩn I2C: Giao tiếp với cảm biến nhiệt độ GY-906 (MLX90614) và màn hình LCD 20x4 qua các chân GPIO4 (SCL) và GPIO5 (SDA).
  • Chuẩn UART: Dùng để nạp chương trình và giao tiếp với máy tính.

2. Mạch nguồn của hệ thống được tính toán và thiết kế như thế nào?

Hệ thống hoạt động nhờ nguồn năng lượng mặt trời với các thông số tính toán cụ thể:

  • Tấm pin năng lượng mặt trời 15W (ngõ ra 6V) sạc vào pin lưu trữ Lithium 18650 (3.7V danh định, tối đa 4.2V) qua module sạc TP4056 tích hợp IC bảo vệ quá sạc/quá xả DW01A và MOSFET 8205A.
  • Tổng dòng điện tiêu thụ toàn hệ thống tính toán ở mức danh định khoảng $302\text{ mA}$ (ESP8266: 71 mA, LCD: 160 mA, GY-906: 25 mA, RFID: 26 mA, LED: 20 mA).
  • Mạch hạ áp 5V sử dụng điện trở công suất bảo vệ $R_3 = 1\ \Omega$ (công suất 1W) đóng vai trò như cầu chì bảo vệ quá tải.
  • Module Boost Converter được sử dụng để kích điện áp từ 5VDC lên 12VDC cấp nguồn cho động cơ máy bơm dung dịch sát khuẩn.

3. Trình tự vận hành điểm danh và khử khuẩn diễn ra như thế nào?

Khi người dùng tiếp cận hệ thống:

  1. Cảm biến hồng ngoại GY-906 thu nhận bức xạ nhiệt, vi điều khiển tính toán nhiệt độ cơ thể và hiển thị trực tiếp lên LCD 20x4.
  2. Nếu nhiệt độ bình thường: Hệ thống kích hoạt relay điều khiển máy bơm phun dung dịch sát khuẩn tay; đồng thời cho phép người dùng quẹt thẻ RFID-RC522. Vi điều khiển đọc mã thẻ, phát tiếng bíp xác nhận qua còi buzzer và truyền dữ liệu thời gian lên máy chủ Web.
  3. Nếu nhiệt độ cao (sốt): Còi buzzer phát cảnh báo liên tục, hệ thống từ chối quyền quẹt thẻ điểm danh để thực hiện cách ly y tế.

4. Hệ thống Web Server quản lý dữ liệu cung cấp những tính năng nào?

Hệ thống Web xây dựng bằng PHP, JavaScript, CSS kết nối cơ sở dữ liệu MySQL (gồm 2 bảng Table of Users và User Daily Logs) cung cấp các chức năng:

  • Đăng nhập xác thực tài khoản quản trị viên (Admin).
  • Ghi nhận và hiển thị lịch sử giờ đến (Time-In) và giờ về (Time-Out) của nhân viên theo thời gian thực.
  • Thêm mới, cập nhật thông tin và xóa nhân viên khỏi hệ thống.
  • Lọc nhật ký điểm danh theo tên nhân viên và xuất báo cáo dữ liệu ra file Excel.

5. Đề tài ghi nhận những hạn chế kỹ thuật nào trong quá trình thử nghiệm?

Nhóm tác giả công bố 5 hạn chế chính:

  • Độ chính xác đo nhiệt độ của cảm biến GY-906 bị ảnh hưởng bởi khoảng cách tiếp xúc và nhiệt độ môi trường ngoài trời.
  • Mạch điện sử dụng các module bán sẵn, chưa được chuẩn hóa thành bo mạch công nghiệp nguyên khối.
  • Phụ thuộc hoàn toàn vào sóng Wi-Fi/Internet để đồng bộ dữ liệu.
  • Cơ sở dữ liệu và giao diện xây dựng trên các thư viện mở cơ bản.
  • Độ thẩm mỹ của khung vỏ mô hình thử nghiệm chưa cao.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Design of automatic attendance register system and hand sanitizer with temperature sensing" đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mô hình kiểm soát ra vào thông minh phòng chống dịch. Hệ thống giải quyết hiệu quả bài toán tích hợp giữa đo thân nhiệt không tiếp xúc, phun khử khuẩn tay tự động và chấm công qua thẻ RFID trên nền tảng vi điều khiển ESP8266 kết nối Web Server MySQL. Việc ứng dụng giải pháp nguồn pin mặt trời 15W kết hợp mạch nạp xả thông minh giúp thiết bị vận hành độc lập, tiết kiệm năng lượng và mang tính ứng dụng thực tiễn cao cho các cơ quan, nhà máy trong thời kỳ bình thường mới.