Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đại dịch COVID-19 do virus SARS-CoV-2 gây ra đã tạo nên những tác động nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng, kinh tế và đời sống xã hội toàn cầu. Một trong những con đường lây nhiễm chính là giọt bắn trong không khí khi người bệnh ho, hắt hơi trong cự ly gần hoặc qua việc tiếp xúc trực tiếp với các bề mặt công cộng. Tại các cơ quan, văn phòng và nhà máy, việc nhiều người dùng chung bình dung dịch sát khuẩn tay thủ công tạo ra nguy cơ lây nhiễm chéo. Đồng thời, sự phát triển của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và xu hướng ứng dụng Internet vạn vật (IoT) cùng nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời) đòi hỏi các giải pháp tự động hóa tích hợp nhằm nâng cao hiệu quả quản trị và bảo đảm an toàn dịch tễ.

Từ bối cảnh 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 và máy khử khuẩn có cảm biến nhiệt độ) được thực hiện bởi nhóm sinh viên La Gia Kiệt và Quang Chí Phương, dưới sự hướng dẫn của PGS. Trương Ngọc Sơn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm:

  1. Thiết kế và thi công hệ thống đo thân nhiệt không tiếp xúc sử dụng cảm biến hồng ngoại kết hợp hệ thống nhận diện điểm danh qua thẻ RFID.
  2. Thiết kế hệ thống cấp nguồn sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp pin lưu trữ để duy trì hoạt động liên tục cho thiết bị.
  3. Xây dựng trang web quản lý dữ liệu nhân viên bằng các ngôn ngữ PHP, JavaScript, CSS và cơ sở dữ liệu MySQL để hiển thị, lưu trữ thông tin thời gian vào/ra (time-in, time-out).

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống nhúng điều khiển tự động tích hợp cảm biến nhiệt độ hồng ngoại, module quẹt thẻ RFID, cơ cấu bơm khử khuẩn tự động và trạm quản lý dữ liệu trên nền tảng web. Phạm vi ứng dụng của mô hình được đặt tại cổng ra vào của các cơ quan, doanh nghiệp nhằm hỗ trợ nhân viên tuân thủ các quy định phòng dịch và hỗ trợ ban quản trị theo dõi chấm công trong điều kiện có kết nối Wi-Fi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng các cơ sở lý thuyết kỹ thuật chuyên ngành và phương pháp triển khai thực nghiệm:

  • Lý thuyết Internet vạn vật (IoT) và truyền thông vô tuyến: Khung kiến trúc mạng kết nối vạn vật, các chuẩn giao tiếp dữ liệu gồm I2C (Inter-Integrated Circuit), SPI (Serial Peripheral Interface), UART và giao thức kết nối Wi-Fi chuẩn 2.4 GHz.
  • Công nghệ nhận dạng qua sóng vô tuyến (RFID): Phân tích cấu trúc hệ thống RFID bao gồm thẻ tag (thẻ thụ động Passive Tag và thẻ chủ động Active Tag), đầu đọc (Reader), anten đầu đọc, mạch điều khiển, cơ sở dữ liệu máy chủ và hạ tầng truyền thông.
  • Lý thuyết bức xạ nhiệt và cảm biến hồng ngoại: Ứng dụng định luật bức xạ Planck, định luật Stefan-Boltzmann và định luật dịch chuyển Wien để giải thích nguyên lý cảm biến nhiệt độ từ xa thông qua việc tiếp nhận phổ bức xạ hồng ngoại phát ra từ vật thể có nhiệt độ trên 0 Kelvin (đặc biệt là thân nhiệt con người phát ra bức xạ ở dải bước sóng tương ứng).
  • Nguyên lý chuyển đổi quang điện (Photovoltaic): Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn Silicon (tiếp giáp p-n), cơ chế hạt photon trong ánh sáng mặt trời kích thích electron tạo dòng điện và nguyên lý tích trữ năng lượng vào cell pin Lithium.

Nhóm tác giả đã sử dụng ba phương pháp nghiên cứu chính:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, phân tích tài liệu kỹ thuật về vi điều khiển ESP8266, cảm biến MLX90614, module RFID RC522, pin lưu trữ và các công trình khoa học tiền bối liên quan đến thiết bị đo nhiệt độ, hệ thống năng lượng mặt trời.
  2. Phương pháp khảo sát thực tế: Khảo sát các thông số hoạt động của linh kiện phần cứng trên thị trường, tính toán điện áp, dòng tiêu thụ và thiết kế vỏ hộp bảo vệ.
  3. Phương pháp xin ý kiến chuyên gia: Trao đổi chuyên môn với giảng viên hướng dẫn, giảng viên phản biện và các khóa sinh viên trước để hoàn thiện sơ đồ mạch và thuật toán điều khiển.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa, bao gồm 4 khối chức năng chính: Khối thu thập dữ liệu (Data Collective Block), Khối xử lý trung tâm (Central Processing Block), Khối hiển thị (Display Block) và Khối quản lý dữ liệu (Data Management Block).

Khối chức năng Linh kiện / Công nghệ sử dụng Vai trò kỹ thuật
Xử lý trung tâm ESP8266 NodeMCU (Tensilica 32-bit, 80/160 MHz, 50 KB RAM) Tiếp nhận tín hiệu cảm biến, điều khiển còi, relay bơm, truyền dữ liệu lên máy chủ qua Wi-Fi
Thu thập dữ liệu Cảm biến GY-906 MLX90614 và Module RFID-RC522 (13.56 MHz) Đo nhiệt độ không tiếp xúc qua giao tiếp I2C; đọc mã thẻ nhân viên qua giao tiếp SPI
Hiển thị Màn hình LCD 20x4 tích hợp module chuyển đổi I2C Hiển thị giá trị thân nhiệt, mã ID thẻ và trạng thái điểm danh
Chấp hành & Cảnh báo Relay cách ly quang (Optocoupler), máy bơm mini 12V, Còi Buzzer 5V Bơm dung dịch sát khuẩn khi đưa tay vào; phát tín hiệu còi cảnh báo khi nhiệt độ bất thường
Cung cấp nguồn Tấm pin năng lượng mặt trời 15W (6V), Pin 18650, Module TP4056, Mạch hạ áp & Boost Converter 5V lên 12V Chuyển đổi quang năng, nạp pin có bảo vệ ngắt quá nạp/quá xả, nâng áp nuôi bơm 12V
Phần mềm quản trị PHP, JavaScript, CSS, MySQL, phpMyAdmin Xây dựng giao diện web cho Admin quản lý nhân viên, lọc nhật ký vào/ra và xuất file Excel

Tính toán và thiết kế phần cứng

  1. Khối vi điều khiển ESP8266: Thiết lập chế độ làm việc tích cực (Active mode) thông qua điện trở kéo lên 10 kΩ tại chân EN (R11) và chân RST (R13) nối nguồn 3.3V, kết hợp nút nhấn tại chân GPIO0 nối điện trở R12 (10 kΩ) phục vụ việc nạp chương trình qua chuẩn UART. Giao tiếp I2C sử dụng GPIO4 (SCL) và GPIO5 (SDA) với 2 điện trở kéo lên R1 = R2 = 4.7 kΩ và tụ lọc nhiễu 0.1 µF. Giao tiếp SPI với RFID RC522 qua các chân GPIO12 (MISO), GPIO13 (MOSI), GPIO14 (SCK), GPIO2 (SDA/SS) và GPIO3 (RST).
  2. Khối cảnh báo và cơ cấu chấp hành: Còi buzzer 5VDC (>80 dB) được kích đóng ngắt thông qua transistor bán dẫn BC547 với điện trở cực gốc R = 1 kΩ nối vào chân GPIO16. Module relay điều khiển máy bơm sát khuẩn sử dụng optocoupler cách ly quang bảo vệ điện áp thấp, kết hợp diode triệt tiêu dòng ngược và các điện trở định dòng R2, R3 = 1 kΩ (hạn dòng ≤ 5 mA).
  3. Tính toán khối nguồn: Dòng tiêu thụ tổng của hệ thống được tính toán theo định luật Ohm:
    • ESP8266: $I_{tb} \approx 71\text{ mA}$
    • Màn hình LCD 20x4: $I = 160\text{ mA}$
    • Cảm biến GY-906 MLX90614: $I = 25\text{ mA}$
    • Module RFID RC522: $I = 26\text{ mA}$
    • LED chỉ thị 0603: $I = 20\text{ mA}$
    • Tổng dòng tiêu thụ: $I_{tong} \approx 71 + 160 + 25 + 26 + 20 = 302\text{ mA}$. Điện trở công suất bảo vệ được chọn là $R_3 = 1\ \Omega$ (công suất 1W) đóng vai trò như cầu chì bảo vệ mạch khi quá dòng. Module sạc TP4056 tích hợp IC bảo vệ DW01A ngắt khi điện áp nạp vượt quá 4.05V - 4.2V, ngắt khi xả cạn dưới 2.1V và đóng lại ở 3.1V, bảo vệ quá dòng ở ngưỡng $150 \pm 30\text{ mA}$. Mạch Boost Converter đảm nhiệm việc nâng điện áp từ 5VDC lên 12VDC để cấp nguồn hoạt động cho máy bơm dung dịch sát khuẩn.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                          HỆ THỐNG PHẦN CỨNG                             |
|                                                                         |
|  [Tấm pin NLMT 15W] ---> [Mạch sạc TP4056] ---> [Pin 18650 (3.7V)]      |
|                                                     |                   |
|                                           [Mạch ổn áp / Nâng áp]        |
|                                              |              |           |
|                                           (5V DC)        (12V DC)       |
|                                              |              |           |
|  [GY-906 (I2C)] -----+                       v              v           |
|  [RFID RC522 (SPI)] -+--> [ESP8266 NodeMCU] ---> [Relay -> Máy bơm 12V] |
|  [LCD 20x4 (I2C)] ---+        |        |                                |
|                               |        +-------> [Transistor -> Còi 5V] |
|                               v                                         |
|                      (Sóng Wi-Fi 2.4GHz)                                |
|                               v                                         |
|                      [Máy chủ Web MySQL]                                |
+-------------------------------------------------------------------------+

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương này trình bày tổng quan về tình hình dịch bệnh COVID-19 và nhu cầu cấp thiết về các thiết bị phòng dịch không tiếp xúc; giới thiệu sự bùng nổ của công nghệ IoT trong thời đại 4.0 và xu hướng sử dụng năng lượng xanh. Tác giả tiến hành lược khảo các công trình tiền bối như mô hình phun khử khuẩn bằng drone của T Andrasto, hệ thống đo thân nhiệt tự động bằng mạng nơ-ron của Po-Wei Huang, hệ thống trữ năng lượng mặt trời PCM của Asgharian, mô hình năng lượng kết hợp mặt trời - gió của Hoàng Trí, phương pháp viễn thám bức xạ mặt trời của Annette Hammer và mạch điều khiển chiếu sáng năng lượng mặt trời dùng ATmega128 của Vũ Tiến Đạt - Nguyễn Minh Vương. Trên cơ sở đó, chương xác định rõ mục tiêu, phạm vi nghiên cứu, 11 nội dung nghiên cứu chi tiết và 3 phương pháp luận triển khai.

Chapter 2: Background Information

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện về các công nghệ được áp dụng trong đề tài. Nội dung bao gồm khái niệm, cấu trúc và phạm vi ứng dụng của IoT trong quản lý đô thị, nông nghiệp thông minh, giao thông và giám sát năng lượng; phân tích nguyên lý hoạt động, cấu trúc phần cứng (thẻ tag, reader, anten, controller, server), ưu nhược điểm của công nghệ RFID; cơ sở vật lý của bức xạ hồng ngoại dựa trên các định luật Planck, Stefan-Boltzmann, Wien và ứng dụng của cảm biến hồng ngoại; nguyên lý chuyển đổi quang điện trên chất bán dẫn Silicon của pin mặt trời và các ứng dụng thực tiễn của năng lượng mặt trời.

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

Chương 3 tập trung vào khâu tính toán, thiết kế kỹ thuật chi tiết của toàn bộ hệ thống. Tác giả xây dựng sơ đồ khối tổng thể; phân tích cấu tạo và lập sơ đồ ghép nối chân của vi điều khiển ESP8266 với module RFID-RC522 (giao thức SPI), cảm biến nhiệt độ hồng ngoại GY-906 MLX90614 (giao thức I2C), màn hình LCD 20x4 có module I2C, mạch relay cách ly quang và mạch còi cảnh báo BC547. Đồng thời, chương trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch nguồn (tấm pin mặt trời 15W, pin lưu trữ 18650, module sạc TP4056 kèm IC bảo vệ DW01A, mạch ổn áp, mạch kích áp boost converter 12V); xây dựng kiến trúc cơ sở dữ liệu MySQL (bảng Users, bảng User Daily Logs) và thiết kế giao diện web quản trị bằng PHP/JavaScript/CSS (giao diện đăng nhập, hiển thị thông tin nhân viên, quản lý danh sách, lọc nhật ký, xuất báo cáo).

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

Chương 4 mô tả quá trình gia công và chế tạo thực tế của mô hình. Tác giả trình bày quy trình thiết kế và thi công mạch in (PCB) cho khối điều khiển và khối mạch nguồn; lắp ráp các linh kiện điện tử dạng cắm (THT) và dán (SMD); lắp đặt cơ khí các module vào khung vỏ mô hình; cài đặt cấu hình máy chủ web, lập trình nhúng cho ESP8266 và nạp chương trình điều khiển thông qua giao tiếp nạp UART.

Chapter 5: Results and Discussion

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thiện mô hình hệ thống. Nội dung bao gồm hình ảnh thực tế bên ngoài và bên trong mô hình; kết quả đo thân nhiệt hiển thị trên màn hình LCD (trường hợp thân nhiệt bình thường và trường hợp nhiệt độ cao bất thường kích hoạt cảnh báo); hoạt động xịt khử khuẩn tự động qua rơ-le; khả năng sạc và lưu trữ điện của tấm pin năng lượng mặt trời; kết quả quẹt thẻ RFID điểm danh; các giao diện kiểm thử chức năng trên website quản trị (thêm mới, cập nhật, xóa thông tin nhân viên, bộ lọc nhật ký ra/vào theo tên và chức năng trích xuất dữ liệu ra file Excel); các biểu đồ phân tích dữ liệu nhiệt độ đo được.

Chapter 6: Conclusion and Further Work

Chương kết luận tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu của đồ án, đồng thời chỉ ra các điểm còn tồn tại và đề xuất phương hướng hoàn thiện, phát triển hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Về mặt kỹ thuật và thực nghiệm, đề tài đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra với các kết quả cụ thể:

  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình phần cứng tích hợp 3 trong 1: Thiết bị hoạt động ổn định, đo nhiệt độ cơ thể người không tiếp xúc qua cảm biến GY-906 MLX90614, tự động kích hoạt máy bơm phun dung dịch sát khuẩn tay và ghi nhận quẹt thẻ RFID 13.56 MHz hiển thị thông tin trực tiếp trên màn hình LCD 20x4.
  • Tự chủ nguồn năng lượng xanh: Tích hợp thành công tấm pin năng lượng mặt trời 15W (6V) kết hợp mạch sạc thông minh TP4056 và pin lithium 18650, cho phép hệ thống vận hành liên tục mà không phụ thuộc hoàn toàn vào lưới điện truyền thống.
  • Hệ thống phần mềm quản lý chấm công trực quan: Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống web server giao tiếp với ESP8266 qua mạng Wi-Fi, hỗ trợ người quản trị đăng nhập, quản lý cơ sở dữ liệu nhân viên (thêm, sửa, xóa), theo dõi thời gian vào/ra (time-in, time-out), phân loại trạng thái nhiệt độ, lọc dữ liệu theo tên và xuất báo cáo ra file định dạng Excel.
  • Đóng góp về mặt giải pháp: Mô hình cung cấp một giải pháp tự động hóa toàn diện tại cửa ra vào văn phòng, vừa kiểm soát dịch tễ phòng chống lây nhiễm chéo theo nguyên tắc 5K, vừa tự động hóa quy trình chấm công nhân sự và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá của tác giả và hội đồng phản biện (TS. Phạm Ngọc Sơn), đề tài còn tồn tại một số hạn chế:

  • Độ thẩm mỹ của mô hình thực nghiệm chưa cao do chế tạo thủ công và sử dụng khung vỏ đèn năng lượng mặt trời thương mại có sẵn trên thị trường, mạch chưa được chuẩn hóa cho nhiều dạng môi trường lắp đặt đa dạng.
  • Khoảng cách đo và sự biến thiên của nhiệt độ môi trường ngoài trời có thể ảnh hưởng đến độ chính xác tuyệt đối của cảm biến hồng ngoại GY-906.
  • Hệ thống phụ thuộc vào việc kết nối mạng Wi-Fi; dữ liệu điểm danh không thể đồng bộ hóa tức thời lên cơ sở dữ liệu máy chủ nếu mất tín hiệu mạng Internet.
  • Giao diện người dùng và cơ sở dữ liệu còn sử dụng các thư viện cơ bản của MySQL.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:

  • Chuẩn hóa thiết kế cơ khí và vỏ hộp chuyên dụng ngoài trời với khả năng chống nước, nâng cao độ bền và tính thẩm mỹ công nghiệp.
  • Cải tiến thuật toán bù nhiệt dựa trên khoảng cách và nhiệt độ môi trường để nâng cao độ chính xác đo thân nhiệt.
  • Nâng cấp phần mềm máy chủ, bổ sung bộ nhớ đệm ngoại tuyến (offline caching) trên thiết bị nhúng để lưu dữ liệu khi mất kết nối mạng và đồng bộ khi có kết nối trở lại.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận tốt nghiệp (dày 69 trang, gồm 6 chương) là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Thông tin có định hướng nghiên cứu các hệ thống nhúng IoT ứng dụng vi điều khiển ESP8266.
  • Người làm đề tài nghiên cứu về giao tiếp phần cứng theo các chuẩn I2C, SPI, tích hợp cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc và đầu đọc thẻ RFID NFC.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống nguồn độc lập sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp mạch sạc và bảo vệ pin Lithium 18650.
  • Các phần đáng tham khảo sâu gồm: sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển (Chương 3), phương pháp tính toán điện trở công suất bảo vệ mạch nguồn (Chương 3) và kiến trúc kết nối giữa vi điều khiển nhúng với hệ thống cơ sở dữ liệu MySQL qua giao tiếp web (Chương 3 và 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển ESP8266 giao tiếp với các cảm biến và module ngoại vi qua những chuẩn giao tiếp nào? ESP8266 giao tiếp với cảm biến nhiệt độ hồng ngoại GY-906 MLX90614 và module hiển thị LCD 20x4 qua chuẩn I2C (sử dụng chân GPIO4 làm SCL và GPIO5 làm SDA); giao tiếp với module đọc thẻ RFID-RC522 qua chuẩn SPI (sử dụng các chân GPIO12-MISO, GPIO13-MOSI, GPIO14-SCK, GPIO2-SDA/SS, GPIO3-RST); và giao tiếp nạp chương trình từ máy tính qua chuẩn UART.

2. Mạch bảo vệ nguồn trong hệ thống được thiết kế và tính toán như thế nào? Hệ thống sử dụng module TP4056 tích hợp IC bảo vệ DW01A và cặp transistor MOSFET 8205A để kiểm soát quá trình nạp/xả pin (ngắt sạc khi đầy 4.05V - 4.2V, ngắt xả khi pin xuống dưới 2.1V). Để bảo vệ mạch xử lý trung tâm khi có sự cố quá áp hoặc quá dòng, một điện trở công suất $R_3 = 1\ \Omega$ (1W) được mắc nối tiếp trên đường nguồn 5V (tính toán dựa trên tổng dòng tiêu thụ toàn mạch khoảng 302 mA) đóng vai trò cầu chì tự ngắt mạch khi bị quá tải.

3. Khối quản lý dữ liệu trên máy chủ web cung cấp những tính năng gì cho người quản trị? Trang web quản trị (được xây dựng bằng PHP, JavaScript, CSS và cơ sở dữ liệu MySQL) cung cấp các chức năng: đăng nhập tài khoản admin, xem danh sách thông tin nhân viên, thêm mới, chỉnh sửa hoặc xóa thông tin nhân viên, giám sát thời gian vào/ra (time-in, time-out), theo dõi tình trạng thân nhiệt, lọc lịch sử chấm công theo tên nhân viên và xuất dữ liệu điểm danh ra định dạng file Excel.

4. Vì sao hệ thống không sử dụng trực tiếp nguồn điện lưới mà tích hợp pin mặt trời? Hệ thống được thiết kế đặt tại cửa ra vào của các cơ quan, nhà máy nhằm phục vụ phân luồng từ xa. Việc sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời 15W (6V) kết hợp pin lưu trữ 18650 giúp hệ thống có thể hoạt động độc lập 24/7, linh hoạt trong việc di chuyển vị trí lắp đặt mà không cần kéo dây điện lưới phức tạp, đồng thời tận dụng nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí vận hành.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên La Gia Kiệt và Quang Chí Phương đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống tích hợp điểm danh tự động qua thẻ RFID, đo thân nhiệt không tiếp xúc và xịt khử khuẩn tay tự động vận hành bằng năng lượng mặt trời. Hệ thống kết hợp đồng bộ giữa khối phần cứng nhúng dựa trên vi điều khiển ESP8266 và khối phần mềm quản lý chấm công trên nền tảng cơ sở dữ liệu web MySQL. Đồ án đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra, mang tính ứng dụng thực tế cao trong công tác phòng chống dịch bệnh và quản trị nhân sự tại các cơ quan, doanh nghiệp.