Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của đời sống kinh tế – xã hội khiến quỹ thời gian của các bậc phụ huynh dành cho việc đưa đón con em đến trường ngày càng bị thu hẹp, dẫn đến nhu cầu sử dụng dịch vụ xe đưa rước học sinh gia tăng nhanh chóng tại các đô thị. Tuy nhiên, công tác quản lý và vận hành dịch vụ này tại Việt Nam còn bộc lộ nhiều kẽ hở nghiêm trọng, gây ra những tai nạn thương tâm như vụ việc học sinh lớp 1 tử vong do bị bỏ quên trên xe đưa đón của Trường Gateway (Hà Nội), trường hợp tương tự tại tỉnh Chon Buri (Thái Lan), hay vụ học sinh mầm non 5 tuổi tử vong vào ngày tổng kết năm học. Theo số liệu thống kê được tác giả trích dẫn trong văn bản, vào năm 2020, số lượng học sinh sử dụng dịch vụ xe đưa rước chỉ đạt 21.625 lượt, giảm gần 8 lần so với mốc 160.413 lượt của năm 2013, phản ánh sự suy giảm niềm tin của phụ huynh đối với mức độ an toàn của hệ thống vận chuyển học đường hiện nay.

Về mặt nghiên cứu tiền đề, tác giả điểm qua đồ án tốt nghiệp của Cao Hoàng Khang và Lê Minh Tuấn về hệ thống giám sát học sinh trên xe đưa rước, đồng thời chỉ ra các điểm còn tồn tại: chưa ghi nhận thời gian lên và xuống xe của học sinh, tính năng liên lạc khẩn cấp chỉ giới hạn ở phía tài xế và ban quản lý trường học, chưa cho phép giao tiếp thoại hai chiều, ứng dụng di động còn đơn điệu và hệ thống mới chỉ quản lý chiều đi đến trường mà bỏ qua chiều về nhà. Các nghiên cứu quốc tế khác sử dụng công nghệ kết hợp RFID với cảm biến vân tay làm tăng chi phí và dễ gặp lỗi khi tay học sinh có mồ hôi.

Từ thực tiễn đó, đề tài xác định mục tiêu và hệ thống nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  • Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát học sinh khi tham gia dịch vụ đưa rước, tích hợp các tính năng: quét thẻ điểm danh học sinh, định vị tọa độ xe thời gian thực, thực hiện cuộc gọi và tin nhắn cảnh báo khẩn cấp hai chiều giữa tài xế, học sinh và phụ huynh, hỗ trợ thông báo nghỉ phép trực tuyến, tối ưu hóa phần cứng và phát triển ứng dụng di động đa chức năng.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu:
    1. Điểm danh học sinh và tài xế bằng thao tác quẹt thẻ RFID ở hai trạng thái lên xe và xuống xe, đồng bộ dữ liệu trực tiếp lên Firebase Realtime Database.
    2. Thiết kế nút bấm khẩn cấp để học sinh mắc kẹt trên xe gọi trực tiếp cho tài xế (cho phép bấm tối đa 2 lần).
    3. Thiết lập cơ chế quét thẻ RFID để kích hoạt cuộc gọi khẩn cấp cho phụ huynh sau khi việc liên hệ với tài xế thất bại.
    4. Hiển thị thông tin vận hành hệ thống trực quan qua màn hình màu TFT LCD.
    5. Cấu hình khối cảnh báo bằng còi chip (Buzzer) tương ứng với từng tác vụ hệ thống.
    6. Thiết lập quy trình gửi tin nhắn SMS và thực hiện cuộc gọi thoại hai chiều (qua microphone và loa đàm thoại) cho tài xế và phụ huynh khi có báo động khẩn cấp hoặc khi học sinh hoàn thành chuyến đi.
    7. Xây dựng ứng dụng di động Android phân quyền độc lập cho 3 nhóm đối tượng: Phụ huynh, Tài xế và Nhà trường.
  • Đối tượng nghiên cứu: Các bậc phụ huynh và học sinh sử dụng dịch vụ xe đưa rước tại các trường mầm non, tiểu học và trung học cơ sở.
  • Phạm vi và giới hạn đề tài:
    • Hệ thống thiết kế áp dụng cho loại xe đưa rước quy mô khoảng 30 học sinh (trong khuôn khổ đồ án, mô hình thực nghiệm triển khai cho 2 xe).
    • Ứng dụng di động xây dựng dành riêng cho hệ điều hành Android, không hỗ trợ iOS.
    • Hoạt động gọi điện và gửi tin nhắn cảnh báo thực hiện hoàn toàn qua mạng viễn thông di động chuẩn GSM, không thông qua các ứng dụng mạng xã hội (Zalo, Messenger).
    • Mô hình xe giả định chỉ có tài xế và học sinh vận hành, không bố trí giám sát viên (bảo mẫu).
    • Giao diện ứng dụng sử dụng hoàn toàn bằng tiếng Việt.
    • Dữ liệu học sinh được cố định theo từng xe, không thể quẹt thẻ điểm danh chéo giữa các xe khác nhau.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng nhúng kết hợp kỹ thuật lập trình ứng dụng di động IoT và phương pháp thực nghiệm đo kiểm thông số kỹ thuật.

Về mặt lý thuyết phần cứng, đề tài khai thác và phối hợp các linh kiện bán dẫn và module chuyên dụng:

  • Kit vi điều khiển trung tâm ESP32 (ESP32-WROOM-32): Sử dụng chip chuyển đổi nạp UART CP2102, điện áp hoạt động từ 2,6V đến 3,6V, bộ nhớ RAM 520 KBytes, ROM 448 KBytes, tích hợp chuẩn kết nối mạng không dây Wi-Fi 802.11 b/g/n và Bluetooth BLE.
  • Module nhận dạng tần số vô tuyến RFID RC522: Sử dụng dải tần số sóng mang 13,56 MHz, điện áp cấp 3,3V, khoảng cách đọc thẻ đạt 6 cm, giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn ngoại vi nối tiếp SPI.
  • Module định vị toàn cầu GPS NEO-M8N: Thu nhận tín hiệu từ các hệ thống vệ tinh định vị của Mỹ, Nga và Châu Âu; đòi hỏi bắt tối thiểu 3 vệ tinh trong điều kiện thông thoáng và tối thiểu 4 vệ tinh trong môi trường đô thị nhà cao tầng; điện áp hoạt động 2,6V – 3,6V, dòng tiêu thụ 45mA, giao tiếp qua giao thức UART ở tốc độ baud mặc định 9600 bps.
  • Module viễn thông di động SIM800A GSM/GPRS Mini: Hoạt động ở dải điện áp 5V – 18VDC (dòng đỉnh yêu cầu trên 1A), sử dụng khe cắm Micro SIM, hỗ trợ tập lệnh chuẩn AT qua giao thức UART để gọi điện thoại và gửi tin nhắn văn bản SMS.
  • Module khuếch đại âm thanh Class-D PAM8403: Điện áp 2,5V – 5V, cung cấp công suất ngõ ra 3W trên 2 kênh độc lập cho loa trở kháng 4Ω.
  • Mạch quản lý sạc pin 18650 tích hợp tăng áp: Điện áp ngõ vào 4,2V – 5V, ngõ ra điều chỉnh từ 5V đến 27V, dòng sạc tối đa 1A, dòng xả tối đa 2A, cho phép hệ thống vận hành liên tục theo cơ chế vừa sạc vừa dùng.
  • Màn hình hiển thị ILI9488 TFT LCD 3.5 inch: Giao tiếp ngoại vi SPI hiển thị trạng thái và dữ liệu học sinh.

Về các giao thức truyền thông, tác giả phân tích và ứng dụng 3 chuẩn giao tiếp vi điều khiển cơ bản:

  • UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Giao thức truyền thông nối tiếp bất đồng bộ sử dụng hai đường dây tín hiệu Tx (truyền) và Rx (nhận) cùng dây nối đất chung (GND), khung dữ liệu bao gồm 1 bit bắt đầu (Start), 5–9 bit dữ liệu, 1 bit kiểm tra chẵn lẻ (Parity) và 1–2 bit dừng (Stop).
  • I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao thức đồng bộ hai dây gồm dây dữ liệu nối tiếp (SDA) và dây xung nhịp nối tiếp (SCL) có điện trở kéo lên nguồn, điều khiển phân xử theo mô hình Master-Slave thông qua khung địa chỉ 7-bit hoặc 10-bit kèm các bit xác nhận ACK/NACK.
  • SPI (Serial Peripheral Interface): Giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ bốn dây tốc độ cao gồm SCLK (xung nhịp từ Master), MOSI (dữ liệu từ Master đến Slave), MISO (dữ liệu từ Slave về Master) và CS/SS (chân chọn chip điều khiển từ Master).

Về nền tảng phần mềm và dịch vụ dữ liệu:

  • Firebase Realtime Database (Google Cloud): Nền tảng lưu trữ dữ liệu thời gian thực theo cấu trúc đối tượng JSON phân cấp, liên kết ứng dụng nhúng và ứng dụng di động thông qua cấu hình quy tắc bảo mật (Security Rules) và mã xác thực bảo mật dự án (Database Secrets).
  • MIT App Inventor: Môi trường phát triển ứng dụng di động Android dạng khối lệnh trực quan (Blockly) kết hợp thiết kế giao diện đồ họa kéo thả (Designer).
  • Altium Designer và Arduino IDE: Công cụ phần mềm phục vụ vẽ sơ đồ nguyên lý, thiết kế mạch in PCB 2 lớp và lập trình nhúng C/C++ cho kit vi điều khiển.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 10 khối chức năng chính cho mỗi thiết bị trên xe: Khối nguồn, Khối xử lý trung tâm (ESP32), Khối định vị (GPS NEO-M8N), Khối quét thẻ (RFID RC522), Khối hiển thị (TFT LCD 3.5 inch), Khối thông báo (Buzzer 5V), Khối khẩn cấp (Nút nhấn nhả vỏ nhựa LA16 đường kính 16mm màu đỏ), Khối gọi điện/nhắn tin (SIM800A), Khối khuếch đại âm thanh (PAM8403), và Khối thu/phát âm thanh (Microphone và Loa 3W 87dB).

Dựa trên yêu cầu hoạt động của các module, tác giả tính toán và phân bổ hệ thống điện áp, dòng tiêu thụ thành 2 mạch tiêu thụ độc lập:

Mạch tiêu thụ Tên linh kiện / Module Số lượng Điện áp hoạt động Dòng điện tiêu thụ
Mạch 1 Kit RF ESP32-WROOM-32 1 2,6V – 3,6V 95mA – 240mA
Module RFID RC522 1 2,5V – 3,3V 13mA – 26mA
Màn hình ILI9488 TFT LCD 3.5" 1 3,3V – 5V Tiêu chuẩn màn hình LCD
Còi chip cảnh báo (Buzzer) 1 3,5V – 5V < 30mA
Nút nhấn khẩn cấp LA16 1 5V 0,5mA
Module định vị GPS NEO-M8N 1 2,6V – 3,6V 45mA
Module khuếch đại PAM8403 1 2,5V – 5V 8mA – 16mA
Mạch 2 Module viễn thông SIM800A 1 5V – 18V > 1A (dòng đỉnh cuộc gọi)
Microphone thu âm 1 1V – 10V 500µA

Khối nguồn chính của thiết bị sử dụng 2 cell pin sạc Lithium ULTRAFIRE BRC 18650 dung lượng định danh 6800mAh điện áp 3,7V ghép nối tiếp trong đế pin, phối hợp cùng mạch cầu phân áp đấu nối vào chân biến đổi tương tự - số (ADC) của ESP32 để đo lường và theo dõi điện áp sạc/xả pin.

Trên dịch vụ cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database, tác giả thiết lập 12 trường dữ liệu độc lập để phục vụ đồng bộ trạng thái:

  1. Danh sach hoc sinh len xe de den truong (Xe 1)
  2. Danh sach hoc sinh len xe de ve nha (Xe 1)
  3. Danh sach hoc sinh len xe de den truong 2 (Xe 2)
  4. Danh sach hoc sinh len xe de ve nha 2 (Xe 2)
  5. Danh sach hoc sinh xuong xe de den truong (Xe 1)
  6. Danh sach hoc sinh xuong xe de ve nha (Xe 1)
  7. Danh sach hoc sinh xuong xe de den truong 2 (Xe 2)
  8. Danh sach hoc sinh xuong xe de ve nha 2 (Xe 2)
  9. GPS (Chứa kinh độ, vĩ độ cập nhật liên tục của cả 2 xe)
  10. Thong tin cua xe (Thông tin tài xế, biển số xe 1)
  11. Thong tin cua xe 2 (Thông tin tài xế, biển số xe 2)
  12. CHECK (Chứa cờ trạng thái điểm danh, trạng thái nghỉ phép buổi sáng/chiều của học sinh)

Ứng dụng di động xây dựng qua MIT App Inventor được phân định rõ thành 3 phân hệ người dùng:

  • Phân hệ Phụ huynh: Cho phép tra cứu thông tin cá nhân của con, lịch sử quẹt thẻ điểm danh kèm dấu mốc thời gian, bản đồ định vị vị trí xe theo GPS, thông tin tài xế phụ trách, gửi yêu cầu báo nghỉ phép (khiến cờ dữ liệu trong trường CHECK tự động thay đổi), và phím bấm gọi trực tiếp cho tài xế.
  • Phân hệ Tài xế: Theo dõi danh sách học sinh đăng ký trên chuyến xe mình phụ trách, danh sách học sinh xin nghỉ phép trong ngày, lịch sử quẹt thẻ lên/xuống xe theo chiều đến trường và chiều về nhà, vị trí GPS và thông tin xe.
  • Phân hệ Nhà trường: Cung cấp quyền quản trị bao quát toàn bộ 2 tuyến xe, theo dõi danh sách toàn bộ học sinh đăng ký, trạng thái điểm danh thời gian thực, quản lý đơn xin nghỉ phép, tọa độ di chuyển của cả hai phương tiện.

Mô hình phần cứng được chế tạo hoàn thiện dưới dạng hộp chữ nhật chuyên dụng, kích thước nhỏ gọn có tay xách phía sau, bố trí màn hình TFT, khe quẹt thẻ RFID và nút bấm khẩn cấp màu đỏ ở mặt trước để người dùng thao tác trực quan.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài thông qua việc phân tích chuỗi sự cố học sinh tử vong và ngạt khí do bị bỏ quên trên xe đưa rước học đường tại Việt Nam và trên thế giới. Tác giả dẫn chứng số liệu lượt sử dụng dịch vụ sụt giảm tại Việt Nam từ năm 2013 đến năm 2020 để làm rõ sự khủng hoảng an toàn của mô hình xe buýt học sinh truyền thống. Chương này xác định rõ mục tiêu nghiên cứu là chế tạo hệ thống giám sát phần cứng tích hợp ứng dụng di động; liệt kê 7 nhiệm vụ kỹ thuật trọng tâm; định vị đối tượng thụ hưởng là học sinh mầm non, tiểu học, trung học cơ sở và phụ huynh; đồng thời vạch rõ các giới hạn kỹ thuật của đồ án (quy mô thử nghiệm 2 xe, hệ điều hành Android, mạng di động viễn thông đơn thuần, không có bảo mẫu).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các cơ sở khoa học kỹ thuật làm nền tảng cho việc chế tạo thiết bị. Tác giả giới thiệu cấu tạo, nguyên lý làm việc và bảng thông số kỹ thuật chi tiết của từng linh kiện: Module RFID RC522 (tần số 13,56 MHz, giao tiếp SPI), Module định vị GPS NEO-M8N (độ nhạy cao, giao tiếp UART), Module SIM800A Mini (truyền thông GSM/GPRS, thoại và SMS), Module âm thanh PAM8403 Class-D, Bộ sạc tăng áp pin Lithium 18650 và Kit ESP32-WROOM-32. Tiếp đó, nội dung đi sâu phân tích cơ chế truyền dữ liệu của ba chuẩn giao tiếp ngoại vi (UART, I2C, SPI) kèm giản đồ bit và ưu nhược điểm kỹ thuật. Cuối chương, tác giả cung cấp quy trình từng bước khởi tạo, cấu hình bảo mật Rules, xuất mã bí mật trên cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database và phương pháp thiết kế giao diện, lập trình khối logic trong môi trường MIT App Inventor.

Chương 3: Thiết kế, tính toán, thi công và kết quả thực hiện

Chương 3 là phần trọng tâm của đồ án, mở đầu bằng sơ đồ khối hệ thống gồm 10 khối chức năng và lưu đồ giải thuật điều khiển toàn diện của 2 xe. Tác giả trình bày chi tiết các bảng tính toán dòng tải tiêu thụ, công suất và giải pháp mạch đo phân áp pin; sơ đồ kết nối chân giữa ESP32 với các ngoại vi (RC522, SIM800A, PAM8403, NEO-M8N, TFT LCD, Buzzer, Nút nhấn LA16, Mic và Loa). Chương này trình bày cấu trúc 12 trường dữ liệu trên Firebase, hệ thống lưu đồ giải thuật cho từng chức năng con trên ứng dụng điện thoại (Phụ huynh, Tài xế, Nhà trường), bản vẽ thiết kế nguyên lý và bố trí linh kiện trên mạch in PCB 2 lớp bằng Altium Designer.

Kết quả thi công thực tế được minh họa qua các ảnh chụp quy trình vận hành: màn hình hiển thị LCD, quá trình quẹt thẻ lên/xuống xe theo hai chiều đi/về của học sinh và tài xế, cảnh báo còi và hiển thị lỗi khi còn học sinh mắc kẹt lúc tài xế kết thúc hành trình, quy trình gọi điện khẩn cấp 2 bước (2 lần nhấn nút gọi tài xế, sau đó quẹt thẻ gọi phụ huynh), giao diện vận hành trên ứng dụng Android và danh mục thống kê các bảng số liệu đo đạc thực nghiệm.

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Chương 4 tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu của hệ thống: mạch phần cứng và phần mềm ứng dụng hoạt động ổn định, đảm bảo thực hiện chính xác các quy trình điểm danh hai chiều, định vị thời gian thực và kích hoạt cảnh báo khẩn cấp khi xảy ra sự cố. Đồng thời, tác giả nghiêm túc chỉ ra các điểm còn tồn tại và đề ra định hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo nhằm nâng cao tính ứng dụng và độ tin cậy của sản phẩm trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã chế tạo thành công 2 bộ sản phẩm phần cứng hoàn chỉnh đặt trên 2 xe đưa rước cùng hệ thống phần mềm quản lý đồng bộ. Kết quả thử nghiệm thực tế với tập dữ liệu mẫu gồm 13 thẻ RFID (5 thẻ học sinh xe 1, 5 thẻ học sinh xe 2, 2 thẻ tài xế phụ trách và 1 thẻ chưa đăng ký) ghi nhận toàn bộ quy trình nhận diện, điểm danh lên/xuống xe, gửi tin nhắn SMS thông báo đến phụ huynh và đồng bộ dữ liệu tọa độ GPS lên Firebase đều diễn ra chính xác.

Các tác giả đã tiến hành chuỗi thực nghiệm đo đạc định lượng để đánh giá tốc độ đáp ứng của hệ thống trên cả hai xe:

Nội dung đo đạc thực nghiệm Xe đưa rước 1 Xe đưa rước 2 Đánh giá vận hành
Thời gian bắt tín hiệu GPS 20s – 35s (trung bình ~25s) 20s – 38s (trung bình ~27s) Hoạt động tốt ngoài trời
Thời gian nhận cuộc gọi SIM800A 7s – 12s 8s – 12s Đàm thoại 2 chiều qua mic/loa to, rõ
Thời gian nhận tin nhắn SMS SIM800A 4s – 7s 5s – 8s Gửi tin nhắn tức thời cho phụ huynh
Thời gian đáp ứng nút khẩn cấp < 1 giây < 1 giây Kích hoạt chuông và quay số tức thì
Thời gian giữa 2 lần quét thẻ RFID ~ 1,5 giây ~ 1,5 giây Chống quét lặp, ghi nhận nhanh chóng

Bên cạnh đo kiểm kỹ thuật, đồ án hoàn thành bảng dự toán kinh phí gia công chi tiết cho một bộ sản phẩm phần cứng hoàn chỉnh với tổng chi phí vật tư linh kiện và gia công mạch in rơi vào khoảng 1.100.000 – 1.300.000 VNĐ, chứng minh tính khả thi cao về mặt kinh tế khi nhân rộng.

So với các công trình nghiên cứu trước đây (cụ thể là đề tài của Cao Hoàng Khang và Lê Minh Tuấn), đồ án mang lại các đóng góp kỹ thuật rõ ràng do chính tác giả nêu:

  1. Ghi nhận và hiển thị chính xác mốc thời gian học sinh lên xe và xuống xe theo cả hai chiều hành trình (chiều đến trường vào buổi sáng và chiều về nhà vào buổi chiều).
  2. Xây dựng quy trình xử lý sự cố khẩn cấp linh hoạt hai cấp độ: học sinh mắc kẹt chủ động bấm nút LA16 gọi tài xế (tối đa 2 lần); nếu tài xế không nhấc máy, học sinh quẹt thẻ của mình để hệ thống tự động quay số gọi trực tiếp cho chính phụ huynh của em đó.
  3. Tích hợp module âm thanh PAM8403 cùng microphone và loa ngoài 3W 87dB, cho phép học sinh và người nghe đàm thoại hai chiều trực tiếp tương tự như một máy điện thoại độc lập.
  4. Xây dựng ứng dụng di động phân quyền chuyên biệt cho 3 nhóm đối tượng (Phụ huynh, Tài xế, Nhà trường), bổ sung tính năng gửi thông báo nghỉ phép trực tuyến giúp tài xế và trường chủ động kiểm soát sĩ số.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung được nhóm tác giả thừa nhận trong văn bản, hệ thống còn một số hạn chế kỹ thuật:

  • Ứng dụng di động mới chỉ tương thích với hệ điều hành Android, chưa phát triển phiên bản chạy trên iOS.
  • Cơ chế liên lạc thoại và tin nhắn phụ thuộc hoàn toàn vào sóng mạng viễn thông của thẻ SIM trên module SIM800A, chưa thể gửi thông báo qua các nền tảng mạng xã hội hoặc dịch vụ thông báo đẩy (Push Notification/OTT).
  • Mô hình xe giả định loại bỏ vai trò của nhân viên giám sát (bảo mẫu), do đó toàn bộ trách nhiệm kiểm tra an toàn dồn lên thao tác của tài xế và hệ thống tự động.
  • Cơ sở dữ liệu đang cấu hình cố định danh sách học sinh theo từng xe, chưa hỗ trợ cơ chế chuyển xe linh hoạt trong các trường hợp đột xuất.
  • Bảo mật trên Firebase Realtime Database mới ở mức cấp quyền cơ bản (read: true, write: true), chưa thiết lập các lớp bảo mật nâng cao để ngăn chặn truy cập trái phép.

Các hướng phát triển mở tiếp theo được đề xuất trong đồ án bao gồm:

  • Mở rộng ứng dụng di động sang nền tảng iOS và các nền tảng đa phương tiện khác.
  • Tích hợp thêm cảm biến chuyển động hồng ngoại (PIR) hoặc cảm biến sóng âm/camera AI bên trong khoang xe để tự động quét và phát hiện học sinh còn sót lại mà không cần chờ học sinh bấm nút khẩn cấp.
  • Tối ưu hóa thuật toán định vị GPS để duy trì tín hiệu ổn định ngay cả trong hầm đỗ xe hoặc khu vực đô thị có mật độ nhà cao tầng dày đặc.
  • Nâng cấp cơ chế phân quyền bảo mật dữ liệu trên đám mây và tối ưu hóa thời lượng sử dụng của khối nguồn pin dự phòng.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật thực hành cao cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử – Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống Thông tin IoT.

Nội dung báo cáo cung cấp các chỉ dẫn kỹ thuật có thể ứng dụng trực tiếp:

  • Phương pháp tính toán dung lượng nguồn pin 18650 và thiết kế mạch đo phân áp giám sát năng lượng qua chân ADC của ESP32.
  • Kỹ thuật ghép nối phần cứng và cấu hình đàm thoại thoại hai chiều giữa module SIM800A, module khuếch đại PAM8403, micro và loa công suất nhỏ.
  • Quy trình cấu trúc 12 trường dữ liệu trên Firebase Realtime Database và phương thức kết nối, đồng bộ hai chiều thời gian thực với ứng dụng xây dựng bằng MIT App Inventor.
  • Tài liệu tham khảo thực tế cho các nhóm nghiên cứu đang thực hiện đề tài về thiết bị định vị phương tiện (GPS Tracking), hệ thống điểm danh thông minh và thiết bị cứu nạn khẩn cấp trên xe khách.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế kích hoạt cuộc gọi khẩn cấp khi học sinh bị mắc kẹt trên xe hoạt động theo quy trình cụ thể nào?
Khi tài xế đã quẹt thẻ kết thúc hành trình nhưng học sinh vẫn còn trên xe, học sinh sẽ nhấn nút khẩn cấp LA16 màu đỏ gắn trên thiết bị. Lần nhấn thứ nhất, hệ thống tự động điều khiển module SIM800A thực hiện cuộc gọi đến số điện thoại của tài xế. Nếu tài xế không bắt máy, học sinh có thể nhấn nút lần thứ hai để gọi lại. Trong trường hợp sau 2 lần gọi tài xế đều thất bại, màn hình TFT sẽ thông báo học sinh quẹt thẻ RFID của mình; lúc này hệ thống sẽ nhận diện UID của thẻ và tự động thực hiện cuộc gọi khẩn cấp về số điện thoại của chính phụ huynh học sinh đó để đàm thoại hai chiều.

2. Hệ thống kiểm soát việc học sinh lên và xuống xe ở cả hai chiều đi và về như thế nào?
Hệ thống sử dụng module RFID RC522 kết hợp cơ sở dữ liệu Firebase. Trong phiên buổi sáng, khi học sinh quẹt thẻ lên xe, dữ liệu được ghi nhận vào trường Danh sach hoc sinh len xe de den truong; khi đến cổng trường, học sinh quẹt thẻ lần hai để ghi vào trường Danh sach hoc sinh xuong xe de den truong đồng thời SIM800A tự động gửi tin nhắn SMS thông báo đến điện thoại phụ huynh. Quy trình tương tự được lặp lại vào phiên buổi chiều với hai trường Danh sach hoc sinh len xe de ve nha và Danh sach hoc sinh xuong xe de ve nha. Nếu tài xế quẹt thẻ xuống xe kết thúc lượt đi mà sĩ số học sinh lên xe chưa bằng sĩ số học sinh xuống xe, màn hình TFT sẽ báo đỏ cảnh báo và còi chip sẽ phát tín hiệu liên tục.

3. Làm thế nào phụ huynh có thể xin nghỉ phép cho con và hệ thống xử lý thông tin này ra sao?
Phụ huynh mở ứng dụng di động Android, truy cập vào giao diện "Thông báo ngày nghỉ" và chọn buổi nghỉ (buổi sáng hoặc buổi chiều). Lệnh này sẽ cập nhật trực tiếp trạng thái cờ trong trường CHECK trên cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database. Dữ liệu này lập tức được đồng bộ sang giao diện "Danh sách nghỉ phép" trên ứng dụng của tài xế và nhà trường, giúp tài xế không phải chờ đợi điểm danh học sinh đó tại điểm đón.

4. Dữ liệu định vị GPS được hệ thống thu thập và xử lý đưa lên bản đồ di động như thế nào?
Module GPS NEO-M8N thu nhận tín hiệu từ các vệ tinh định vị, liên tục tính toán tọa độ kinh độ và vĩ độ của phương tiện rồi truyền qua vi điều khiển ESP32 bằng giao thức UART ở tốc độ baud 9600 bps. ESP32 đẩy các gói tọa độ này lên trường GPS trên Firebase thông qua kết nối Wi-Fi. Ứng dụng Android của phụ huynh, tài xế và nhà trường sẽ đọc dữ liệu từ trường GPS này và hiển thị trực tiếp vị trí xe lên giao diện bản đồ số theo thời gian thực.

5. Khối nguồn của thiết bị được tính toán thiết kế như thế nào để đảm bảo tính di động trên xe?
Khối nguồn sử dụng 2 viên pin Lithium 18650 ULTRAFIRE BRC dung lượng 6800mAh (3,7V) mắc nối tiếp, kết hợp với mạch sạc pin tích hợp tăng áp ngõ ra. Mạch sạc cho phép hệ thống vừa sạc từ nguồn điện trên ô tô vừa cấp nguồn vận hành cho các module. Để tối ưu hoạt động, hệ thống tách làm hai mạch tiêu thụ: mạch 1 cấp nguồn cho vi điều khiển ESP32, RFID, màn hình LCD TFT, GPS và còi chip; mạch 2 độc lập cấp cho module SIM800A vốn yêu cầu dòng đỉnh lớn hơn 1A khi thiết lập cuộc gọi thoại. Đồng thời, một mạch cầu phân áp được nối vào chân ADC của ESP32 để đo lường mức điện áp pin nhằm hiển thị trạng thái năng lượng lên màn hình.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống giám sát học sinh khi tham gia dịch vụ đưa rước của trường" của sinh viên Trần Trung Tín và Phạm Hoàng Vĩ Khang (Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu thông qua việc chế tạo 2 mô hình phần cứng hoàn chỉnh kết hợp ứng dụng di động IoT. Hệ thống đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật thực tế từ điểm danh hai chiều bằng thẻ RFID, giám sát hành trình bằng GPS NEO-M8N, gửi tin nhắn SMS, gọi thoại đàm thoại hai chiều khẩn cấp qua module SIM800A và quản lý đa đối tượng qua Firebase. Toàn bộ thiết kế phần cứng và giải thuật điều khiển đã được đo kiểm thực nghiệm đạt độ ổn định cao, mở ra giải pháp an toàn giao thông học đường có tính khả thi và tiềm năng ứng dụng thực tiễn rộng rãi.