Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên phát triển mạnh mẽ của đô thị thông minh (Smart City) và hệ thống giao thông công cộng thông minh (Intelligent Transportation Systems - ITS), trải nghiệm của hành khách tại các điểm trung chuyển đóng vai trò then chốt. Theo các báo cáo về hạ tầng giao thông đô thị, hệ thống phòng chờ và trạm dừng truyền thống đang bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng: tiêu hao năng lượng lãng phí do thiết bị chiếu sáng và quạt gió vận hành liên tục không theo nhu cầu thực tế (chiếm tới 35-45% tổng chi phí vận hành trạm), tình trạng quá tải không gian không được kiểm soát gây mất an ninh trật tự, cùng sự thiếu hụt thông tin cập nhật thời gian thực về phương tiện giao thông khiến hành khách bị động trong việc đón chuyến.

Đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển phòng chờ thông minh" được nghiên cứu và hiện thực hóa bởi nhóm tác giả Nguyễn Đức Long và Nguyễn Thị Hoài Thương (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, chuyên ngành Điện tử Công nghiệp - Y sinh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Trường Duy. Dự án giải quyết trực tiếp bài toán tự động hóa cục bộ (Edge Automation) tại các điểm chờ giao thông công cộng bằng việc kết hợp xử lý vi điều khiển thời gian thực và mạng lưới cảm biến đa tầng.

                    +-----------------------------+
                    |    Khối Nguồn Độc Lập       |
                    |  (Adapter 9V-2A & 12V-1A)   |
                    +--------------+--------------+
                                   |
                                   v
+-----------------------+   +---------------+   +-----------------------+
|    Khối Cảm Biến      |   |  Bộ Xử Lý     |   |    Khối Chấp Hành     |
| - DHT11 (Temp/Hum)    |-->|  Trung Tâm    |-->| - 4x Relay 5V Opto    |
| - 2x E18-D80NK (Đếm)  |   |  Arduino Uno  |   | - 2x Quạt làm mát 12V |
| - 1x E18-D80NK (Xe)   |   |  ATmega328P   |   | - Hệ thống Led chiếu  |
+-----------------------+   +-------+-------+   +-----------------------+
                                    |
                                    v
                    +-------------------------------+
                    | Khối Hiển Thị & Cảnh Báo      |
                    | - Màn hình LCD 16x2 qua I2C   |
                    | - Màn hình Led Matrix MAX7219 |
                    | - Còi báo động Buzzer 120dB   |
                    +-------------------------------+

Mục tiêu kỹ thuật cốt lõi

  1. Tự động hóa giám sát khí hậu nội thất: Thu thập liên tục nhiệt độ và độ ẩm môi trường thời gian thực thông qua cảm biến DHT11 với chu kỳ lấy mẫu định kỳ.
  2. Điều khiển nhiệt độ thông minh: Tự động kích hoạt/ngắt hệ thống làm mát (quạt thông gió/điều hòa) qua khối Relay 5V khi nhiệt độ môi trường vượt ngưỡng cài đặt $37^\circ\text{C}$.
  3. Giám sát lưu lượng hành khách hai chiều: Thuật toán phân tích chuỗi tín hiệu quang học từ cặp cảm biến hồng ngoại E18-D80NK để đếm chính xác số người bước vào và rời khỏi phòng chờ.
  4. Cảnh báo quá tải và quản lý công suất: Tự động kích hoạt còi báo động công suất lớn (120dB) khi số lượng người trong phòng vượt quá định mức thiết kế của trạm.
  5. Cảnh báo và hiển thị thông tin chuyến xe: Tự động phát hiện phương tiện tiếp cận bến đỗ qua cảm biến quang ngoại vi, xuất thông báo trực quan lên ma trận LED 32x8 MAX7219 và phát tín hiệu âm thanh dẫn hướng.

Phạm vi và giới hạn hệ thống

  • Bộ xử lý: Kiến trúc vi điều khiển 8-bit ATmega328P (Arduino Uno R3) xử lý khép kín tại biên (Edge Computing), không phụ thuộc vào hạ tầng mạng Internet/Cloud.
  • Mô hình vật lý: Khung mô hình thử nghiệm vật liệu Fomex kích thước $45\text{ cm} \times 45\text{ cm} \times 45\text{ cm}$, phân chia không gian chức năng: phòng chờ ($30\text{ cm} \times 20\text{ cm}$), bãi đậu xe ($30\text{ cm} \times 10\text{ cm}$) và khoang kỹ thuật ($30\text{ cm} \times 30\text{ cm}$).
  • Thời gian trễ đáp ứng: Thời gian xử lý từ khi nhận tín hiệu cảm biến đến khi kích hoạt rơ-le chấp hành dưới $150\text{ ms}$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh Phòng chờ truyền thống (Manual) Hệ thống IoT Cloud (ESP32/Cloud) Giải pháp Đề tài (Edge Microcontroller)
Cơ chế điều khiển Công tắc cơ học thủ công Điều khiển qua App/Server từ xa Tự động hóa hoàn toàn theo cảm biến biên
Độ trễ phản hồi Phụ thuộc con người ($>5\text{ min}$) $500\text{ ms} - 2000\text{ ms}$ (phụ thuộc mạng) Dưới $150\text{ ms}$ (Deterministic)
Độ tin cậy hạ tầng Thấp (hay quên tắt thiết bị) Phụ thuộc đường truyền Wi-Fi/4G Cực cao (Hoạt động độc lập 100% offline)
Chi phí đầu tư (BOM) Rất thấp ($<10\text{ USD}$) Trung bình - Cao ($60 - 150\text{ USD}$) Tối ưu ($25 - 35\text{ USD}$)
Bảo trì & Vận hành Tốn chi phí nhân sự quản lý Đòi hỏi bảo trì Cloud, Server, Token Plug-and-Play, không cần bảo trì phần mềm

Phân tích yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Đo đạc nhiệt độ/độ ẩm chính xác (DHT11), nhận diện chiều chuyển động của người vào/ra bằng cảm biến hồng ngoại E18-D80NK, đóng ngắt tải AC/DC thông qua Relay 5VDC, hiển thị thông số vi khí hậu lên LCD 16x2 qua chuẩn I2C.
  • Should have (Nên có): Bảng hiển thị thông điệp đón xe bằng LED ma trận MAX7219 (giao tiếp SPI), còi báo âm lượng cao 120dB cảnh báo quá tải và cảnh báo xe cập bến.
  • Could have (Có thể mở rộng): Lưu trữ số liệu thống kê lưu lượng vào bộ nhớ EEPROM nội của ATmega328P, đồng hồ thời gian thực RTC DS3231.
  • Won't have (Chưa thực hiện trong phiên bản này): Kết nối không dây Wi-Fi/Zigbee lên máy chủ đám mây, nhận diện khuôn mặt hành khách qua camera AI.

Thiết kế hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc modular hóa, phân tách rõ ràng giữa khối điều khiển tín hiệu số yếu ($5\text{VDC}$) và khối công suất tải dòng cao ($12\text{VDC} / 220\text{VAC}$).

[Khối Cảm Biến]
  - DHT11 ------------ (Pin D4) ------------> [Arduino Uno R3]
  - E18-D80NK Vào ---- (Pin D6) ------------> [  ATmega328P  ]
  - E18-D80NK Ra ----- (Pin D9) ------------> [              ]
  - E18-D80NK Xe ----- (Pin D12) -----------> [ 16MHz Crystal]
                                              [  32KB Flash  ]
[Khối Hiển Thị & Báo Động]                    [   2KB SRAM   ]
  - LCD 16x2 (I2C) <-- (Pins A4-SDA, A5-SCL) -[              ]
  - MAX7219 Matrix <-- (Pins D10-CS, D11-DIN, -[              ]
                        Pin 13-CLK)           [              ]
  - Buzzer 12V ------- (Pin D5 / PWM) --------[              ]
                                                     |
[Khối Cách Ly & Chấp Hành]                           |
  - Module 4x Relay <- (Pins D3, D5, D7, D8) --------+
        |
        +---> [Đèn Led Chiếu Sáng (12VDC)]
        +---> [Quạt Làm Mát Động Cơ (12VDC)]

Ngăn xếp công nghệ (Technology Stack)

  • Vi điều khiển trung tâm: Arduino Uno R3 tích hợp vi điều khiển ATmega328P (8-bit AVR RISC architecture, tần số dao động thạch anh $16\text{ MHz}$, $32\text{ KB}$ Flash Memory, $2\text{ KB}$ SRAM, $1\text{ KB}$ EEPROM).
  • Môi trường phát triển & Thư viện: Arduino IDE 1.8.x / 2.x, ngôn ngữ C/C++ nhúng; thư viện Wire.h (I2C), LiquidCrystal_I2C.h (v1.1.2), DHT.h (v1.4.4), LedControl.h (v1.0.6).
  • Chuẩn giao tiếp phần cứng:
    • I2C (Inter-Integrated Circuit) giao tiếp với màn hình LCD 16x2 qua chip chuyển đổi PCF8574 (tần số chuẩn $100\text{ kHz}$, tiết kiệm chân từ 6 chân xuống còn 2 chân SDA/SCL).
    • SPI (Serial Peripheral Interface) điều khiển khối 4 Led ma trận $8\times 8$ thông qua vi mạch điều khiển chuyên dụng MAX7219.

Tính toán thiết kế mạch nguồn và điện trở hạn dòng

Để loại bỏ hoàn toàn hiện tượng sụt áp, nhiễu xung cảm ứng từ cuộn hút relay và động cơ quạt làm reset vi điều khiển, hệ thống sử dụng kiến trúc nguồn kép độc lập:

  • Nguồn 1 (Adapter $9\text{V} - 2\text{A}$): Cung cấp riêng cho Arduino Uno R3 thông qua cổng Jack DC $2.1\text{ mm}$, cấp cho IC ổn áp tuyến tính onboard AMS1117-5.0V nuôi các cảm biến vi dòng.
  • Nguồn 2 (Adapter $12\text{V} - 1\text{A}$): Cung cấp công suất trực tiếp cho 2 quạt làm mát $12\text{VDC}$, dải đèn LED $12\text{V}$ và còi hú $12\text{VDC}$ qua tiếp điểm Relay.

Tính toán dòng tiêu thụ danh định toàn hệ thống: $$\begin{aligned} I_{\text{tổng } 5\text{VDC}} &= I_{\text{MCU}} + I_{\text{DHT11}} + 3 \times I_{\text{E18-D80NK}} + I_{\text{LCD}} + I_{\text{MAX7219}} + 4 \times I_{\text{Coil-Relay}} \ &\approx 45\text{ mA} + 2.5\text{ mA} + (3 \times 25\text{ mA}) + 20\text{ mA} + 320\text{ mA} + (4 \times 70\text{ mA}) = 742.5\text{ mA} \end{aligned}$$

Tính toán điện trở hạn dòng cho dải LED chiếu sáng ($3$ bóng mắc nối tiếp, mỗi bóng $V_f \approx 3.6\text{V}$, dòng định mức $I_f = 20\text{ mA}$): $$V_{\text{LED_array}} = 3 \times 3.6\text{V} = 10.8\text{V}$$ $$R_{\text{hạn dòng}} = \frac{V_{\text{nguồn}} - V_{\text{LED_array}}}{I_f} = \frac{12\text{V} - 10.8\text{V}}{0.02\text{A}} = 60,\Omega$$ Công suất tiêu tán trên điện trở: $P = I^2 \times R = (0.02)^2 \times 60 = 0.024\text{W} \rightarrow$ Chọn điện trở dán hoặc trở cắm $62,\Omega - 0.25\text{W}$ chuẩn E24.

Phương pháp luận phát triển (Methodology)

Dự án áp dụng mô hình phát triển tuần tự kết hợp tạo mẫu nhanh (Iterative Prototyping) trải dài trong 15 tuần:

  • Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 3): Khảo sát bài toán, xác định tập thông số kỹ thuật, lập đề cương chi tiết.
  • Giai đoạn 2 (Tuần 4 - 6): Thiết kế sơ đồ nguyên lý trên phần mềm Altium Designer, lựa chọn linh kiện theo bảng thông số dòng/áp, mô phỏng kiểm tra tính khả thi.
  • Giai đoạn 3 (Tuần 7 - 9): Gia công mạch in/board test, cắt gọt định hình vỏ mô hình Fomex, lắp đặt bố trí cơ - điện.
  • Giai đoạn 4 (Tuần 10 - 13): Xây dựng lưu đồ giải thuật, viết mã nguồn nhúng C/C++, kiểm thử từng khối chức năng và tích hợp hệ thống.
  • Giai đoạn 5 (Tuần 14 - 15): Kiểm thử tổng thể 48 giờ liên tục, hiệu chuẩn ngưỡng cảm biến quang, bảo vệ trước Hội đồng chấm tốt nghiệp.

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển phần mềm và giải thuật

Hệ thống được lập trình trực tiếp trên nền tảng Arduino C/C++ với cơ chế lấy mẫu tuần tự không chặn (Non-blocking timing principles) đảm bảo toàn bộ các tác vụ đọc cảm biến và quét led diễn ra đồng bộ.

+--------------------------------------------------------------+
|                   BẮT ĐẦU VÒNG LẶP CHÍNH                     |
+------------------------------+-------------------------------+
                               |
                               v
               +-------------------------------+
               | Đọc tín hiệu 3x Cảm biến      |
               | E18-D80NK (CB1, CB2, CB3)     |
               +---------------+---------------+
                               |
                               v
            /-------------------------------------\
           /  Có sự kiện kích hoạt chuỗi CB1, CB2? \
           \       (Người di chuyển qua cửa)      /
            \-------------------------------------/
                        |               |
                   (Đúng)               (Sai)
                        |               |
                        v               v
    +-----------------------+     +----------------------------+
    | Cập nhật State Machine|     | Đọc dữ liệu nhiệt/ẩm DHT11 |
    | CB1->CB2: Đếm tăng +1 |     | (Chu kỳ lấy mẫu 2000ms)    |
    | CB2->CB1: Đếm giảm -1 |     +--------------+-------------+
    +-----------+-----------+                    |
                |                                v
                |                /-------------------------------\
                |               /  Nhiệt độ phòng >= 37 độ C?     \
                |               \                                 /
                |                \-------------------------------/
                |                       |               |
                |                  (Đúng)               (Sai)
                |                       |               |
                |                       v               v
                |             +-----------------+ +------------+
                |             | Kích Relay BẬT  | | TẮT Quạt   |
                |             | Quạt Thông Gió  | | Làm Mát    |
                |             +--------+--------+ +-----+------+
                |                      |                |
                +----------------------+----------------+
                                       |
                                       v
               +-----------------------------------------------+
               | Quét cảm biến CB3 (Phát hiện xe vào bến đỗ)  |
               | Có xe: Cuộn chữ MAX7219 + Kích còi báo        |
               +-----------------------+-----------------------+
                                       |
                                       v
               +-----------------------------------------------+
               | Xuất toàn bộ dữ liệu lên màn hình LCD 16x2:   |
               | - Dòng 1: "Nhiet do: xx C - Do am: xx%"       |
               | - Dòng 2: "So nguoi: xx [Trang thai]"         |
               +-----------------------------------------------+

Thuật toán đếm người hai chiều (Bi-directional Passenger Counter)

Để phân biệt chính xác hành khách đang bước vào hay đi ra khỏi phòng chờ, hai cảm biến hồng ngoại $CB1$ (ngoài cửa) và $CB2$ (trong cửa) được bố trí cách nhau một khoảng $15\text{ cm}$. Tín hiệu ngõ ra NPN Open-Collector được gán vào các biến trạng thái để tạo thành một máy trạng thái hữu hạn (Finite State Machine):

// Trích xuất mã nguồn thuật toán đếm người hai chiều
const int PIN_CB_VAO = 6;
const int PIN_CB_RA  = 9;
String chuoiTrangThai = "";
int soNguoiTrongPhong = 0;
const int NGUONG_QUA_TAI = 15;

void xuLyDemNguoi() {
    int docVao = digitalRead(PIN_CB_VAO); // Mức LOW (0) khi phát hiện vật cản
    int docRa  = digitalRead(PIN_CB_RA);

    if (docVao == LOW && chuoiTrangThai == "") {
        chuoiTrangThai = "1"; // Bắt đầu chắn cảm biến ngoài
    } 
    else if (docRa == LOW && chuoiTrangThai == "1") {
        chuoiTrangThai = "12"; // Đã đi từ ngoài vào trong
        soNguoiTrongPhong++;
        chuoiTrangThai = "";   // Reset trạng thái
        delay(200);            // Chống dội tín hiệu quang (Debounce)
    }
    
    if (docRa == LOW && chuoiTrangThai == "") {
        chuoiTrangThai = "2"; // Bắt đầu chắn cảm biến trong
    } 
    else if (docVao == LOW && chuoiTrangThai == "2") {
        chuoiTrangThai = "21"; // Đã đi từ trong ra ngoài
        if (soNguoiTrongPhong > 0) soNguoiTrongPhong--;
        chuoiTrangThai = "";   // Reset trạng thái
        delay(200);
    }
}

Thuật toán điều khiển khí hậu tự động

Dữ liệu nhị phân 40-bit từ cảm biến DHT11 được giải mã để trích xuất giá trị nhiệt độ. Hệ thống so sánh với ngưỡng nhiệt độ $T_{\text{set}} = 37^\circ\text{C}$ để đóng cắt cuộn hút Relay thông qua chân kích mức LOW/HIGH:

#include <DHT.h>
#define DHTPIN 4
#define DHTTYPE DHT11
#define PIN_RELAY_QUAT 3

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

void dieuKhienKhiHau() {
    float t = dht.readTemperature();
    float h = dht.readHumidity();

    if (isnan(t) || isnan(h)) return; // Bỏ qua nếu khung truyền lỗi

    if (t >= 37.0) {
        digitalWrite(PIN_RELAY_QUAT, LOW); // Kích Relay 5V đóng tiếp điểm bật quạt 12V
    } else {
        digitalWrite(PIN_RELAY_QUAT, HIGH); // Ngắt Relay tắt quạt
    }
}

Kiểm thử và đánh giá hiệu năng (Testing & Validation)

Hệ thống đã trải qua quá trình kiểm thử thực nghiệm đa kịch bản với các số liệu ghi nhận cụ thể:

Kịch bản kiểm thử Số lần thử nghiệm Kết quả chính xác Tỷ lệ thành công (%) Nhận xét kỹ thuật
Đếm người bước vào tuần tự 100 lượt 98 lượt $98.0%$ 2 lần sai do người đi quá sát nhau ($<10\text{ cm}$)
Đếm người bước ra tuần tự 100 lượt 97 lượt $97.0%$ Sai lệch do vung tay che khuất cảm biến 2 lần
Đo nhiệt độ môi trường (DHT11) 50 lần đo 49 lần khớp $98.0%$ Sai số nhiệt độ $\pm 1^\circ\text{C}$, độ ẩm $\pm 4%$ RH
Phát hiện xe vào trạm (CB3) 50 lần 50 lần $100.0%$ Khoảng cách bắt vật cản hiệu chỉnh tối ưu ở $25\text{ cm}$
Đóng cắt Relay & Còi báo 120dB 100 chu kỳ 100 chu kỳ $100.0%$ Không xảy ra hiện tượng phóng tia lửa hay sụt nguồn

Kết quả đạt được

  1. Mức độ hoàn thành mục tiêu: Đạt $85%$ khối lượng kỹ thuật dự kiến ban đầu; toàn bộ các khối chức năng phần cứng (cảm biến, vi điều khiển, hiển thị, chấp hành) hoạt động đồng bộ và ổn định.
  2. Giao diện trực quan hóa:
    • Màn hình LCD 16x2 hiển thị rõ nét nhiệt độ thực ($^\circ\text{C}$), độ ẩm ($%$) và số lượng người hiện diện trong phòng.
    • Màn hình LED ma trận MAX7219 hiển thị mượt mà thông điệp "XE DUNG TAI TRAM" ngay khi phương tiện tiến vào vùng nhận diện của cảm biến E18-D80NK 3.
  3. Độ ổn định hệ sinh thái: Hoạt động liên tục trong 48 giờ chạy thử nghiệm (Burn-in test) không xuất hiện hiện tượng tràn bộ nhớ SRAM ($2\text{ KB}$) hoặc treo chip ATmega328P nhờ cấu trúc code tối ưu.

Đổi mới và đóng góp

  • Thuật toán nhận diện hướng di chuyển tối giản tài nguyên: Không cần sử dụng camera xử lý ảnh AI đắt đỏ tiêu tốn nhiều điện năng, hệ thống áp dụng máy trạng thái hữu hạn trên 2 cảm biến quang NPN để lọc chiều chuyển động với độ chính xác đạt $97.5%$, tối ưu hóa toàn diện cho vi điều khiển cấu hình thấp ($16\text{ MHz}$).
  • Kiến trúc nguồn phân tách triệt tiêu nhiễu: Thiết kế đường bus nguồn $5\text{VDC} - 12\text{VDC}$ tách biệt giúp bảo vệ triệt để vi điều khiển khỏi xung điện áp ngược (Back-EMF) sinh ra khi đóng/ngắt cuộn cảm của relay hoặc động cơ quạt.
  • Tiết kiệm năng lượng định lượng: Thực nghiệm cho thấy việc tự động ngắt tải đèn và quạt khi phòng không có người giúp cắt giảm $38.5%$ lượng điện tiêu thụ vô ích so với chế độ vận hành cưỡng bức 24/7 của các nhà chờ truyền thống.
  • Đóng góp học thuật & ứng dụng: Cung cấp tài liệu thiết kế phần cứng, sơ đồ nguyên lý Altium và mã nguồn chuẩn hóa làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các khóa sau thuộc ngành Điện tử Công nghiệp và Kỹ thuật Viễn thông trong việc phát triển các thiết bị nhúng phục vụ đô thị thông minh.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Trường hợp sử dụng thực tế (Use Cases)

  1. Nhà chờ xe buýt nhanh (BRT) & Trạm xe liên tỉnh: Tự động điều tiết ánh sáng, quạt gió làm mát theo mật độ khách chờ thực tế; thông báo chính xác xe bus đang cập bến để hành khách chuẩn bị hành lý.
  2. Phòng chờ khám bệnh tại bệnh viện & Trung tâm y tế: Kiểm soát số lượng bệnh nhân ngồi chờ, tự động hú còi báo động khi vượt quá quy định giãn cách, kiểm soát thông gió tự động giảm thiểu lây nhiễm chéo.
  3. Phòng chờ VIP tại sân bay/ga tàu điện ngầm: Nâng cao tiện nghi trải nghiệm khách hàng với màn hình thông tin vi khí hậu và trạng thái phục vụ tự động.

Phân tích chi phí và hiệu quả đầu tư (Cost-Benefit & ROI)

+-------------------------------------------------------------+
|              BẢNG PHÂN TÍCH CHI PHÍ ĐẦU TƯ (BOM)            |
+------------------------------------+------------------------+
| Linh kiện / Thiết bị               | Đơn giá dự toán (VNĐ)  |
+------------------------------------+------------------------+
| 1x Arduino Uno R3 (ATmega328P)     | 135.000                |
| 3x Cảm biến E18-D80NK (3-80cm)     | 165.000                |
| 1x Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11  | 35.000                 |
| 1x Module LCD 16x2 + I2C PCF8574   | 55.000                 |
| 1x Module 4 LED Matrix MAX7219     | 85.000                 |
| 1x Module 4 Relay 5V có cách ly    | 45.000                 |
| 1x Còi báo 12V 120dB               | 30.000                 |
| 2x Nguồn Adapter (9V-2A, 12V-1A)   | 110.000                |
| Phụ kiện, dây cắm, vỏ hộp, Fomex   | 90.000                 |
+------------------------------------+------------------------+
| TỔNG CHI PHÍ PHẦN CỨNG             | 750.000 VNĐ (~30 USD)  |
+------------------------------------+------------------------+
  • Ước tính hoàn vốn (ROI): Tại một trạm dừng xe buýt tiêu chuẩn sử dụng $2$ quạt ($60\text{W}/\text{cái}$) và $4$ bóng đèn ($20\text{W}/\text{cái}$), tổng công suất tải là $200\text{W}$. Nếu vận hành tự động giảm được $8\text{ giờ}$ chạy không tải mỗi ngày, lượng điện năng tiết kiệm được trong một tháng là: $$A_{\text{tiết kiệm}} = 0.2\text{ kW} \times 8\text{ h/ngày} \times 30\text{ ngày} = 48\text{ kWh/tháng}$$ Với biểu giá điện kinh doanh hiện hành ($\sim 3.000\text{ VNĐ/kWh}$), số tiền tiết kiệm mỗi tháng đạt khoảng $144.000\text{ VNĐ}$. Hệ thống hoàn vốn đầu tư chỉ sau $5.2\text{ tháng}$ vận hành thực tế.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Cảm biến DHT11 có dải đo nhiệt độ hẹp ($0 - 50^\circ\text{C}$) và tần số lấy mẫu chậm ($1\text{ Hz}$), độ phân giải thập phân chưa cao.
  • Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK có thể bị ảnh hưởng nếu ánh sáng mặt trời ngoài trời chiếu trực tiếp với cường độ bức xạ quang quá mạnh vào đầu thu quang.
  • Hệ thống vận hành dạng độc lập cục bộ, chưa tích hợp module truyền thông không dây để gửi dữ liệu về trung tâm điều hành tập trung.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nâng cấp cảm biến: Thay thế DHT11 bằng cảm biến công nghiệp SHT30 hoặc DHT22 (giao tiếp số chính xác cao, dải đo $-40^\circ\text{C}$ đến $125^\circ\text{C}$, sai số $\pm 0.3^\circ\text{C}$).
  • Tích hợp mạng IoT diện rộng: Bổ sung vi điều khiển ESP32 hoặc module truyền thông tầm xa LoRaWAN (SX1278) để gửi tọa độ GPS, dữ liệu đếm hành khách và cảnh báo quá tải về máy chủ đám mây qua giao thức MQTT/HTTP.
  • Mở rộng thuật toán quang học: Ứng dụng cảm biến khoảng cách Laser ToF (Time-of-Flight) VL53L0X hoặc camera thị giác máy tính OpenMV để đếm chính xác đám đông khi di chuyển theo nhóm song song qua cửa rộng.

Đối tượng hưởng lợi

+-------------------------------------------------------------------------+
|                         ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                             |
+-------------------+-----------------------------------------------------+
| Nhóm đối tượng    | Giá trị và Lợi ích định lượng mang lại              |
+-------------------+-----------------------------------------------------+
| Sinh viên &       | Cung cấp mã nguồn C/C++ mẫu, tài liệu tính toán     |
| Người học         | mạch nguồn kép, giải thuật máy trạng thái hữu hạn.  |
+-------------------+-----------------------------------------------------+
| Kỹ sư phần cứng   | Sơ đồ đấu nối chi tiết chuẩn I2C, SPI, bảo vệ xung  |
| & Lập trình nhúng | cách ly opto cho Relay điều khiển phụ tải công suất.|
+-------------------+-----------------------------------------------------+
| Doanh nghiệp      | Giải pháp cắt giảm 35-40% chi phí điện năng vận     |
| Vận tải & Bến xe  | hành trạm chờ, nâng cao chỉ số hài lòng hành khách. |
+-------------------+-----------------------------------------------------+
| Nhà nghiên cứu    | Dữ liệu thực nghiệm về độ chính xác của cảm biến    |
| Giao thông Smart  | quang NPN trong bài toán đếm mật độ người giá rẻ.   |
+-------------------+-----------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới $220\text{VAC}$ hoặc hệ thống pin năng lượng mặt trời $12\text{VDC} - 50\text{Ah}$, một bộ đổi nguồn Adapter kép ($9\text{V}-2\text{A}$ cho bo mạch điều khiển và $12\text{V}-2\text{A}$ cho phụ tải). Cần không gian cửa ra vào có độ rộng từ $0.8\text{ m} - 1.2\text{ m}$ để cảm biến quang E18-D80NK bắt tín hiệu tốt nhất.

2. Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK có bị đếm sai khi hai người đi cùng lúc không?

Nếu hai người đi song song áp sát nhau qua cửa trong cùng một thời điểm, chùm tia hồng ngoại đơn điểm sẽ nhận diện thành một vật thể liền khối. Giải pháp khắc phục trong thực tế là lắp đặt cửa xoay dạng tripod hoặc bố trí thêm dải cảm biến ToF phía trên đỉnh đầu chiếu góc quét từ trên xuống.

3. Hệ thống có thể tích hợp vào trung tâm điều khiển thành phố thông minh không?

Hoàn toàn khả thi. Bằng cách nối chân Serial UART (TX/RX) của Arduino Uno R3 vào một module Wi-Fi/4G như ESP8266/ESP32 hoặc SIM7600, toàn bộ chuỗi dữ liệu JSON (nhiệt độ, độ ẩm, số lượng người, trạng thái xe) có thể truyền trực tiếp lên Dashboard quản lý tập trung thông qua giao thức MQTT.

4. Chi phí bảo trì và độ bền linh kiện như thế nào?

Module relay cơ khí có tuổi thọ đóng cắt khoảng $100.000$ lần; cảm biến E18-D80NK có vỏ nhựa ABS chống va đập tiêu chuẩn IP65 chịu bụi tốt. Chi phí bảo trì định kỳ hàng năm gần như bằng $0$, chỉ cần vệ sinh bề mặt thấu kính quang học của cảm biến mỗi 6 tháng.

5. Tại sao không sử dụng duy nhất một nguồn 5V hoặc 12V cho toàn hệ thống?

Việc sử dụng chung một nguồn $12\text{V}$ qua mạch hạ áp thông thường dễ gây hiện tượng quá nhiệt IC ổn áp AMS1117 trên Arduino Uno khi kéo nhiều ngoại vi. Đồng thời, dòng khởi động của quạt và cuộn hút relay có thể gây sụt áp tức thời trên đường $5\text{V}$, làm MCU ATmega328P kích hoạt tính năng Brown-out Reset (tự khởi động lại). Kiến trúc nguồn kép độc lập triệt tiêu hoàn toàn rủi ro này.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển phòng chờ thông minh" của sinh viên Nguyễn Đức Long và Nguyễn Thị Hoài Thương (Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) là một minh chứng tiêu biểu cho tính ứng dụng thực tiễn của ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông. Bằng việc kết hợp hài hòa giữa phần cứng vi điều khiển ATmega328P, mạng cảm biến đo đạc vi khí hậu và giải thuật đếm người thông minh, hệ thống đã giải quyết triệt để bài toán lãng phí năng lượng và tối ưu hóa tiện ích tại các điểm trung chuyển hành khách.

Với chi phí linh kiện chỉ khoảng $750.000\text{ VNĐ}$ cùng khả năng vận hành bền bỉ không phụ thuộc đường truyền mạng, mô hình sở hữu tiềm năng thương mại hóa cao, sẵn sàng cho việc nhân rộng tại các trạm dừng xe buýt thông minh, bệnh viện, trường học và khu công nghiệp trong tiến trình xây dựng đô thị số văn minh, hiện đại.