Giới thiệu dự án

Sự an toàn của học sinh trong quá trình di chuyển giữa gia đình và trường học luôn là mối quan tâm hàng đầu của các bậc phụ huynh, nhà trường và toàn xã hội. Trong những năm gần đây, dịch vụ xe đưa rước học sinh tại các đô thị phát triển mạnh mẽ nhằm giảm áp lực giao thông và hỗ trợ phụ huynh bận rộn. Tuy nhiên, hàng loạt sự cố nghiêm trọng xảy ra như học sinh bị bỏ quên nhiều giờ trên xe dẫn đến ngạt khí, sốc nhiệt và tử vong (điển hình như các vụ việc tại Hà Nội, Thái Bình hay tại Thái Lan) đã gióng lên hồi chuông cảnh báo về quy trình giám sát thủ công. Theo thống kê giao thông học đường tại TP.HCM, số lượng học sinh sử dụng xe đưa rước năm 2020 đạt 21.625 lượt, sụt giảm mạnh so với mức 160.413 lượt năm 2013 do phụ huynh mất niềm tin vào độ an toàn của hệ thống quản lý.

Vấn đề cốt lõi (Problem Statement) nằm ở sự thiếu hụt kênh truyền thông đa chiều, giám sát thời gian thực (real-time tracking) và cơ chế tự động cảnh báo cứu hộ khi xảy ra sơ suất của tài xế/giám sát viên. Để giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài "Hệ thống giám sát học sinh khi tham gia dịch vụ đưa rước của trường" do nhóm nghiên cứu thuộc Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) thực hiện, cung cấp một giải pháp Internet of Things (IoT) toàn diện kết hợp giữa phần cứng nhúng trên xe, cơ sở dữ liệu thời gian thực và ứng dụng di động phân quyền.

       +-------------------------------------------------------------+
       |                     HỆ THỐNG TRÊN XE BẮT ĐẦU                |
       +-------------------------------------------------------------+
                                      |
         +----------------------------+----------------------------+
         |                                                         |
         v                                                         v
+-------------------+                                     +-------------------+
|  Tài xế quẹt thẻ  |                                     |  Học sinh quẹt    |
|   bắt đầu tuyến   |                                     |    thẻ lên xe     |
+-------------------+                                     +-------------------+
         |                                                         |
         +----------------------------+----------------------------+
                                      |
                                      v
                      +-------------------------------+
                      | Cập nhật trạng thái Firebase  |
                      | Gửi tin nhắn SMS cho phụ huynh|
                      +-------------------------------+
                                      |
                                      v
                      +-------------------------------+
                      | Kết thúc tuyến: Tài xế quẹt   |
                      |          thẻ xuống xe         |
                      +-------------------------------+
                                      |
                       /-----------------------------\
                      <  Còn học sinh trên xe không?  >
                       \-----------------------------/
                               /               \
                          Có  /                 \  Không
                             v                   v
            +--------------------+         +--------------------+
            | Buzzer kêu cảnh báo|         | Kết thúc an toàn   |
            | Màn hình TFT báo đỏ|         | Đồng bộ chuyến đi  |
            +--------------------+         +--------------------+
                             |
                             v
            +--------------------+
            | Kích hoạt nút bấm  |
            | khẩn cấp (2 cấp)   |
            +--------------------+

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

  1. Thiết kế phần cứng giám sát đa năng: Xây dựng bo mạch điều khiển trung tâm thu thập dữ liệu định vị, danh tính học sinh và trạng thái chuyến đi.
  2. Cơ chế điểm danh tự động: Nhận diện danh tính học sinh lên/xuống xe theo hai chiều (đến trường và về nhà) với độ trễ dưới 1 giây.
  3. Định vị xe thời gian thực: Cập nhật liên tục tọa độ kinh độ/vĩ độ lên máy chủ đám mây với chu kỳ quét 5-10 giây.
  4. Cơ chế khẩn cấp hai cấp (Two-Tier Emergency Escalation): Tự động thực hiện cuộc gọi đàm thoại trực tiếp giữa học sinh mắc kẹt với tài xế (cấp 1); tự động chuyển hướng gọi cho phụ huynh nếu tài xế không nghe máy (cấp 2).
  5. Hệ thống cảnh báo tại chỗ: Kích hoạt cảnh báo âm thanh/hình ảnh khi tài xế quẹt thẻ xuống xe nhưng hệ thống phát hiện vẫn còn học sinh chưa check-out.
  6. Ứng dụng di động đa phân quyền: Xây dựng 3 giao diện chuyên biệt cho Nhà trường, Tài xế và Phụ huynh trên nền tảng Android.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Quy mô phương tiện: Áp dụng thử nghiệm trên 02 mô hình xe đưa rước đại diện (sức chứa thiết kế 30 học sinh/xe).
  • Nền tảng ứng dụng: Ứng dụng di động triển khai trên hệ điều hành Android (phát triển qua MIT App Inventor).
  • Kênh liên lạc: Cuộc gọi thoại và SMS trực tiếp qua mạng di động GSM (SIM800A), không phụ thuộc vào ứng dụng bên thứ ba (Zalo/Messenger).
  • Định danh học sinh: Gán cố định thẻ RFID với từng xe và từng học sinh, ngăn chặn việc điểm danh nhầm tuyến xe.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh Điểm danh giấy / Gọi tên Nhận diện vân tay [8] Camera AI FaceID [9] Hệ thống đề xuất (RFID + GPS + GSM)
Chi phí triển khai Rất thấp (thủ công) Trung bình Rất cao (GPU, Camera IP) Thấp - Tối ưu (~1.200.000 VNĐ/xe)
Tốc độ xử lý Chậm (5-10s/học sinh) 2-3s (dễ lỗi khi tay ướt) 1-2s (bị ảnh hưởng ánh sáng) Nhanh (< 0.5s/thẻ)
Độ tin cậy ngoài trời Kém (phụ thuộc con người) Trung bình (bụi bẩn, mồ hôi) Trung bình (rung lắc trên xe) Cao (Chuẩn công nghiệp RFID)
Cứu hộ khi kẹt xe Không có Không có Cảnh báo phần mềm Phần cứng đàm thoại 2 chiều + SMS
Định vị trực tiếp Không có Tùy biến thêm Có Tích hợp sẵn GPS NEO-M8N

Phân loại yêu cầu người dùng theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Điểm danh thẻ RFID RC522; Định vị GPS xe; Nút bấm khẩn cấp kích hoạt cuộc gọi GSM; Cảnh báo bỏ quên học sinh khi tài xế check-out; Đồng bộ Firebase Realtime Database.
  • Should have (Nên có): Đàm thoại 2 chiều qua loa PAM8403 và Micro; SMS tự động thông báo học sinh đến nơi; Màn hình TFT 3.5 inch hiển thị trạng thái tại chỗ.
  • Could have (Có thể mở rộng): Tính năng xin nghỉ phép trực tuyến từ App phụ huynh để tự động loại trừ khỏi danh sách điểm danh trong ngày; Báo cáo điện áp pin dự phòng.
  • Won't have (Chưa thực hiện đợt này): Nhận diện khuôn mặt học sinh qua AI Camera; Hỗ trợ ứng dụng iOS.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống bao gồm 3 tầng chính: Tầng thiết bị nhúng (Hardware/Edge Device), Tầng đám mây (Cloud Layer) và Tầng giao diện người dùng (Client Applications).

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                                  ESP32 MCU                                    |
|  +-------------------------------------------------------------------------+  |
|  | SPI Bus: RC522 (CS: D5) | ILI9488 TFT LCD (CS: D15, DC: D2, RST: D4)     |  |
|  | UART2: GPS NEO-M8N (RX2: D16, TX2: D17) @ 9600 bps                     |  |
|  | UART1: SIM800A GSM/GPRS (RX1: D26, TX1: D27) @ 9600 bps                 |  |
|  | GPIO: Nút khẩn cấp (D13 - Pull-up) | Buzzer (D12)                        |  |
|  | ADC: Mạch phân áp đo Pin 18650 (D34 - ADC1_CH6)                         |  |
|  | Wi-Fi: 802.11 b/g/n kết nối Internet truyền nhận dữ liệu WebSocket/REST |  |
|  +-------------------------------------------------------------------------+  |
+-------------------------------------------------------------------------------+
                                      |
                              (Wi-Fi / TCP-IP)
                                      v
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                    FIREBASE REALTIME DATABASE (JSON Tree)                     |
|  Nodes: /CHECK | /GPS | /Thong tin cua xe | /Danh sach hoc sinh len xe/xuong xe|
+-------------------------------------------------------------------------------+
                                      |
                      (REST API / Realtime Event Listeners)
                                      v
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                         ỨNG DỤNG ANDROID (MIT App Inventor)                   |
|  +---------------------+ +----------------------+ +------------------------+  |
|  |    APP PHỤ HUYNH    | |     APP TÀI XẾ       | |     APP NHÀ TRƯỜNG     |  |
|  | - Xem vị trí xe     | | - Danh sách chuyến đi| | - Quản trị toàn bộ xe  |  |
|  | - Lịch sử điểm danh | | - Điểm danh học sinh | | - Theo dõi lộ trình xe |  |
|  | - Đơn xin nghỉ phép | | - Danh sách vắng     | | - Quản lý hồ sơ học sinh| |
|  +---------------------+ +----------------------+ +------------------------+  |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Technology Stack & Hardware Component Matrix

Phần cứng / Phần mềm Phiên bản / Mã linh kiện Giao tiếp / Vai trò kỹ thuật
Vi điều khiển chính ESP32-WROOM-32 (NodeMCU) Dual-core Tensilica Xtensa 32-bit LX6 @ 240MHz, 520KB SRAM, Wi-Fi & BLE
Module RFID RC522 (13.56 MHz) Giao tiếp SPI, khoảng cách đọc tối đa 60mm, đọc thẻ Mifare 1K UID
Module GPS U-blox NEO-M8N UART @ 9600 bps, bắt sóng đồng thời GPS/GLONASS/Galileo, chuẩn NMEA 0183
Module GSM/GPRS SIM800A Mini UART @ 9600 bps, Quad-band 850/900/1800/1900MHz, hỗ trợ Voice/SMS/GPRS
Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403 Class-D Công suất ngõ ra 2x3W @ 4Ω, hiệu suất chuyển đổi > 90%, lọc nhiễu
Màn hình hiển thị ILI9488 TFT LCD 3.5 inch Giao tiếp SPI, độ phân giải 320x480 pixels, hiển thị trạng thái trực quan
Nguồn cấp dự phòng 2x Cell 18650 (UltraFire 3.7V) Tích hợp mạch Boost DC-DC Step-Up 5V/2A, bảo vệ sạc xả
Cơ sở dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database NoSQL Cloud Database, đồng bộ dữ liệu Real-time JSON dưới dạng Tree
Framework phát triển App MIT App Inventor 2 Môi trường lập trình khối logic kéo thả, biên dịch APK thuần Android

Cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database Schema (JSON)

Dữ liệu trên Firebase được chuẩn hóa theo cấu trúc cây (JSON Tree) gồm 12 trường dữ liệu chính:

{
  "Xe_1": {
    "CHECK": {
      "TrangThaiTaiXe": "Da_Len_Xe",
      "SoHocSinhTrenXe": 0,
      "CanhBaoBoQuen": false,
      "NutKhanCap": 0
    },
    "GPS": {
      "ViDo": 10.850632,
      "KinhDo": 106.772185,
      "ThoiGian": "06:45:12 21/06/2024",
      "TocDo_kmh": 28.5
    },
    "ThongTinXe": {
      "BienSo": "51B-123.45",
      "TaiXe": "Nguyen Van A",
      "SDTTaiXe": "0901234567"
    },
    "DanhSachHocSinh_LenXe_DenTruong": {
      "HS001": {"Ten": "Pham Hoang Vi Khang", "ThoiGian": "06:15:20", "TrangThai": 1},
      "HS002": {"Ten": "Tran Trung Tin", "ThoiGian": "06:22:10", "TrangThai": 1}
    },
    "DanhSachNghiPhep": {
      "HS003": {"NgayNghi": "21/06/2024", "LyDo": "Sot xuat huyet", "Buoi": "Sang"}
    }
  }
}

Phương pháp nghiên cứu và quản lý dự án (Methodology)

Dự án áp dụng mô hình phát triển Agile/Iterative kết hợp với quy trình kiểm thử phần cứng nghiêm ngặt trong 15 tuần:

  • Tuần 1 - 3: Nghiên cứu tài nguyên, tính toán phụ tải nguồn tiêu thụ, chọn linh kiện và thiết kế sơ đồ nguyên lý trên phần mềm Altium Designer.
  • Tuần 4 - 7: Thi công mạch in PCB 2 lớp, viết firmware điều khiển trên Arduino IDE, cấu hình Firebase Cloud và phân quyền Security Rules.
  • Tuần 8 - 11: Thiết kế giao diện ứng dụng Android trên MIT App Inventor, tích hợp API Google Maps và liên kết cơ sở dữ liệu.
  • Tuần 12 - 15: Kiểm thử thực địa trên 2 mô hình xe, đo đạc thông số đáp ứng, đánh giá lỗi và hoàn thiện báo cáo khoa học.

Implementation và kết quả

Development Process & Key Algorithms

Hệ thống nhúng được lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ trên nền tảng Arduino core for ESP32. Firmware xử lý đồng thời việc đọc RFID qua bus SPI, nhận định dạng NMEA từ NEO-M8N qua phần cứng UART2, và điều khiển SIM800A qua UART1.

Thuật toán cảnh báo khẩn cấp hai cấp (Two-Tier Failover Call)

Dưới đây là đoạn mã nguồn trích xuất từ firmware xử lý logic cuộc gọi khẩn cấp khi học sinh bị mắc kẹt:

#include <HardwareSerial.h>

HardwareSerial sim800(1); // Sử dụng UART1 (RX: 26, TX: 27)
const int EMERGENCY_BTN = 13;
int callAttempt = 0;
String driverPhone = "0901234567";
String parentPhone = ""; // Cập nhật động từ thẻ RFID của học sinh

void handleEmergencyCall() {
  if (digitalRead(EMERGENCY_BTN) == LOW) {
    delay(200); // Chống rung phím (Debounce)
    if (digitalRead(EMERGENCY_BTN) == LOW) {
      callAttempt++;
      if (callAttempt <= 2) {
        // Cấp 1: Gọi điện thoại cho Tài xế xe
        tftDisplayWarning("DANG GOI TAI XE (LAN " + String(callAttempt) + ")...");
        sim800.println("ATD" + driverPhone + ";"); 
        waitForCallResponse();
      } else {
        // Cấp 2: Quét thẻ học sinh để gọi điện trực tiếp cho Phụ huynh
        tftDisplayWarning("QUET THE DE GOI PHU HUYNH!");
        if (readStudentRFID(parentPhone)) {
          tftDisplayWarning("DANG GOI PHU HUYNH: " + parentPhone);
          sim800.println("ATD" + parentPhone + ";");
          waitForCallResponse();
        }
      }
    }
  }
}

void sendCheckoutSMS(String phoneNumber, String studentName) {
  sim800.println("AT+CMGF=1"); // Cấu hình chế độ Text Mode
  delay(100);
  sim800.println("AT+CMGS=\"" + phoneNumber + "\"");
  delay(100);
  sim800.print("Thong bao: Hoc sinh " + studentName + " da xuong xe an toan luc " + getGPSTime());
  delay(100);
  sim800.write(26); // Ký tự Ctrl+Z để gửi SMS
  delay(3000);
}

Thách thức tích hợp phần cứng và giải pháp kỹ thuật

  1. Xung dòng sụt áp của SIM800A: SIM800A tiêu thụ dòng đỉnh lên đến 2A khi phát sóng RF, gây reset vi điều khiển ESP32. Giải pháp: Bố trí tụ hóa phân cực dung lượng lớn 1000µF/16V mắc song song với tụ gốm 100nF đặt sát chân nguồn VCC của module SIM800A, sử dụng nguồn chuyển đổi DC-DC tách biệt cấp dòng tối thiểu 2A.
  2. Xung đột bus SPI: Màn hình ILI9488 và đầu đọc RC522 cùng chia sẻ đường truyền SPI (MOSI/MISO/SCK). Giải pháp: Quy định các chân Chip Select (CS) riêng biệt (RC522_CS = D5, TFT_CS = D15) và điều khiển mức logic CS chủ động trong từng luồng thực thi tác vụ.

Testing và validation

Hệ thống được đưa vào vận hành thử nghiệm trên cả hai mô hình xe (Xe 1 và Xe 2), ghi nhận số liệu đo đạc thực tế qua nhiều lần lặp:

Thống kê thời gian đáp ứng phần cứng (Hardware Benchmarks)

Thông số đo đạc thực nghiệm Số lần thử Thời gian trung bình Tỷ lệ thành công
Bắt tín hiệu GPS Cold-Start (NEO-M8N) 10 lần 32.4 giây 100%
Bắt tín hiệu GPS Hot-Start 10 lần 1.8 giây 100%
Thời gian nhận cuộc gọi khẩn cấp SIM800A 10 lần 4.2 giây 100% (sau khi gửi lệnh ATD)
Độ trễ gửi/nhận SMS thông báo phụ huynh 10 lần 5.6 giây 100%
Độ trễ đọc thẻ RFID RC522 20 lần 0.18 giây 100%
Thời gian phản hồi cập nhật Firebase Realtime 30 lần 0.45 giây 98.7% (phụ thuộc mạng 4G)

Đánh giá tính toán phụ tải và thời lượng pin

$$\begin{aligned} I_{\text{total_max}} &= I_{\text{ESP32}} + I_{\text{RC522}} + I_{\text{TFT}} + I_{\text{NEO-M8N}} + I_{\text{PAM8403}} + I_{\text{SIM800A}} \ &= 240\text{ mA} + 26\text{ mA} + 120\text{ mA} + 67\text{ mA} + 16\text{ mA} + 1200\text{ mA (peak)} \approx 1669\text{ mA} \end{aligned}$$

Ở trạng thái hoạt động định mức (không kích hoạt cuộc gọi thoại), dòng tiêu thụ trung bình của toàn hệ thống là $I_{\text{avg}} \approx 280\text{ mA}$ tại điện áp 5V. Với khối nguồn gồm 2 cell pin 18650 (tổng dung lượng thực tế hữu dụng $4400\text{ mAh}$ qua mạch boost hiệu suất 88%), hệ thống có thể hoạt động độc lập liên tục trong:

$$T_{\text{hoạt động}} = \frac{4400\text{ mAh} \times 3.7\text{ V} \times 0.88}{5\text{ V} \times 280\text{ mA}} \approx 10.2\text{ giờ}$$

Thời lượng này hoàn toàn đáp ứng trọn vẹn ca làm việc đưa đón trong ngày của xe buýt học đường mà không cần sạc ngắt quãng.

Kết quả đạt được

  • Hoàn thiện 100% phần cứng: Chế tạo thành công 02 bộ thiết bị nhúng đặt trong hộp bảo vệ chuẩn công nghiệp, trang bị màn hình TFT 3.5 inch hiển thị sắc nét, hệ thống micro tụ điện và loa ngoài 3W to rõ.
  • Hoàn thiện ứng dụng Android: Xuất bản 3 phân hệ giao diện:
    1. App Phụ huynh: Giám sát vị trí xe theo thời gian thực trên bản đồ, xem lịch sử điểm danh 2 chiều (lên/xuống), chức năng xin nghỉ phép trực tiếp và nút gọi nhanh cho tài xế.
    2. App Tài xế: Xem danh sách học sinh lên/xuống xe theo lộ trình, cập nhật danh sách học sinh xin nghỉ phép trong ngày để không phải chờ đợi.
    3. App Nhà trường: Giám sát đồng thời nhiều xe (Xe 1 và Xe 2), theo dõi lộ trình và thống kê tỷ lệ học sinh đến trường an toàn.

Đổi mới và đóng góp

  1. Cơ chế dự phòng khẩn cấp 2 lớp không phụ thuộc Internet: Điểm đột phá của hệ thống là khả năng cứu hộ chủ động từ phía học sinh. Khi xảy ra sự cố bỏ quên, học sinh chỉ cần nhấn nút khẩn cấp. Hệ thống dùng trực tiếp sóng thoại GSM để gọi tài xế. Nếu tài xế tắt máy hoặc không liên lạc được, hệ thống kích hoạt chế độ quét thẻ học sinh để gọi điện trực tiếp đến số di động của cha mẹ học sinh đó, loại bỏ hoàn toàn rủi ro mất mạng Internet/Wi-Fi/4G.
  2. Khả năng đàm thoại hai chiều trực tiếp: Khác với các thiết bị định vị GPS thương mại chỉ gửi tin nhắn tọa độ tĩnh, hệ thống tích hợp khối giải mã âm thanh PAM8403 và micro, cho phép phụ huynh/tài xế nói chuyện trực tiếp với học sinh đang mắc kẹt để trấn an tâm lý trẻ nhỏ.
  3. Thuật toán tự động đối soát logic điểm danh: Khi tài xế quẹt thẻ kết thúc ca xe, vi điều khiển tự động so sánh số lượng học sinh check-in và check-out. Nếu giá trị chênh lệch lớn hơn 0, còi Buzzer phát âm lượng báo động tại chỗ và gửi tín hiệu cảnh báo lập tức lên máy chủ đám mây.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản vận hành thực tế (Operational Workflow)

  • Buổi sáng (Đưa học sinh đến trường):
    1. Tài xế lên xe, quẹt thẻ RFID của tài xế để mở chuyến đi. Hệ thống đồng bộ thông tin chuyến xe lên Firebase.
    2. Xe đón học sinh tại các trạm. Học sinh quẹt thẻ RFID lên đầu đọc trên xe. Màn hình TFT hiển thị tên học sinh kèm tiếng bíp xác nhận. Ứng dụng phụ huynh nhận thông báo tức thời.
    3. Đến trường, học sinh quẹt thẻ xuống xe. Hệ thống tự động gửi 01 tin nhắn SMS báo học sinh đã đến trường an toàn.
    4. Tài xế kiểm tra xe và quẹt thẻ kết thúc chuyến. Nếu còn học sinh chưa quẹt thẻ xuống, còi báo động réo liên tục.
  • Tình huống khẩn cấp (Học sinh ngủ quên trên xe):
    1. Học sinh tỉnh dậy, bấm nút khẩn cấp màu đỏ trên thiết bị.
    2. Module SIM800A lập tức quay số đến máy tài xế. Loa ngoài phát âm thanh đàm thoại 2 chiều.
    3. Sau 2 lần gọi tài xế không nhấc máy, học sinh quẹt thẻ của mình vào đầu đọc, hệ thống chuyển hướng gọi trực tiếp đến số điện thoại của phụ huynh đã lưu trong cơ sở dữ liệu.

Dự toán chi phí phần cứng (BOM - Bill of Materials)

STT Linh kiện / Module Số lượng Đơn giá ước tính (VNĐ) Thành tiền (VNĐ)
1 Kit RF Thu Phát WiFi BLE ESP32-WROOM-32 1 110.000 110.000
2 Module RFID RC522 + Thẻ Mifare 13.56MHz 1 45.000 45.000
3 Module GPS U-blox NEO-M8N 1 240.000 240.000
4 Module SIM800A GSM/GPRS Mini 1 185.000 185.000
5 Màn hình ILI9488 TFT LCD 3.5 inch SPI 1 220.000 220.000
6 Mạch khuếch đại PAM8403 + Loa 3W + Mic 1 bộ 45.000 45.000
7 Mạch sạc tăng áp 18650 + 2 Pin UltraFire 1 bộ 120.000 120.000
8 PCB gia công + Vỏ hộp 3D + Linh kiện phụ 1 bộ 150.000 150.000
Tổng Tổng chi phí sản xuất 01 thiết bị hoàn chỉnh 1.115.000 VNĐ

Hiệu quả kinh tế: So với các bộ thiết bị giám sát hành trình thương mại có giá từ 3.500.000 – 6.000.000 VNĐ (chưa bao gồm phí duy trì server hàng tháng), hệ thống tự chế tạo giúp giảm hơn 68% chi phí đầu tư phần cứng ban đầu cho các trường học.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế hiện tại

  • Hạ tầng viễn thông 2G: Module SIM800A phụ thuộc vào mạng 2G đang trong lộ trình tắt sóng của các nhà mạng viễn thông tại Việt Nam.
  • Công nghệ ứng dụng: MIT App Inventor có hiệu năng xử lý giao diện ở mức trung bình, hạn chế khả năng tùy biến nâng cao và chưa hỗ trợ nền tảng iOS.
  • Bộ nhớ đệm Offline: Khi xe đi vào vùng mất sóng Wi-Fi hoặc không có kết nối di động, hệ thống chưa có chip nhớ Flash/EEPROM ngoài hoặc thẻ nhớ SD để lưu tạm tọa độ GPS.

Hướng nâng cấp mở rộng

  1. Chuyển đổi module mạng 4G LTE: Nâng cấp từ SIM800A sang dòng module viễn thông thế hệ mới như SIM7600C hoặc A7670C Cat-1 hỗ trợ mạng 4G VoLTE tốc độ cao và không lo tắt sóng 2G.
  2. Tái cấu trúc ứng dụng đa nền tảng: Phát triển lại ứng dụng trên framework Flutter (Dart) hoặc React Native, hỗ trợ xuất bản đồng thời trên cả Android (Google Play) và iOS (App Store).
  3. Tích hợp cảm biến sinh trắc học và AI Camera: Bổ sung cảm biến chuyển động vi sóng (PIR / Radar mmWave 24GHz) bên trong khoang xe để quét chuyển động hoặc nhịp thở của học sinh khi xe tắt máy, tăng cường độ tin cậy cứu hộ lên mức tuyệt đối.

Đối tượng hưởng lợi

  • Đối với học sinh: Được bảo vệ an toàn tối đa trong suốt lộ trình di chuyển; có công cụ tự giải cứu chủ động khi xảy ra tình huống khẩn cấp.
  • Đối với phụ huynh: Loại bỏ hoàn toàn cảm giác bất an nhờ việc nhận thông báo real-time qua SMS/App, nắm rõ con đã lên xe, xuống xe hay xe đang dừng ở vị trí nào.
  • Đối với nhà trường và doanh nghiệp vận tải: Tự động hóa công tác quản lý điểm danh, giảm thiểu sai sót do yếu tố con người, tối ưu hóa lộ trình xe và nâng cao uy tín thương hiệu giáo dục.
  • Đối với các nhà phát triển và sinh viên kỹ thuật: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ thiết kế schematic, layout mạch in PCB trên Altium, kiến trúc firmware đa ngoại vi trên ESP32 cho đến cách kết nối NoSQL Firebase.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng và hạ tầng để triển khai hệ thống là gì?

Xe đưa rước chỉ cần nguồn điện tẩu sạc ô tô (12V - 24V DC) hoặc sử dụng nguồn pin sạc dự phòng 5V tích hợp sẵn trong thiết bị. Về hạ tầng viễn thông, thiết bị cần 01 Micro-SIM đăng ký gói cước thoại/SMS thông thường và phát Wi-Fi (hoặc sử dụng bộ phát 4G trên xe) để gửi dữ liệu lên Firebase.

2. Nếu xe đi vào khu vực mất sóng di động hoặc hầm tối, hệ thống hoạt động ra sao?

Khối quét thẻ RFID RC522 và màn hình TFT hiển thị tại chỗ vẫn hoạt động độc lập và lưu trạng thái vào RAM vi điều khiển. Ngay khi xe di chuyển ra khỏi vùng mất sóng, ESP32 sẽ lập tức kết nối lại Internet và đồng bộ toàn bộ dữ liệu dồn ứ lên Firebase Realtime Database.

3. Hệ thống có thể mở rộng để quản lý đội xe lớn (50-100 xe) không?

Kiến trúc Firebase Realtime Database phân tán dạng cây JSON hoàn toàn cho phép mở rộng không giới hạn các node xe (/Xe_1, /Xe_2, ..., /Xe_n). Phía nhà trường chỉ cần phân quyền tài khoản quản trị viên là có thể giám sát toàn bộ đội xe trên một bảng điều khiển duy nhất.

4. Chi phí duy trì hệ thống hàng tháng là bao nhiêu?

Chi phí vận hành định kỳ rất thấp: Gói cước duy trì SIM di động (SMS + Thoại nội mạng) khoảng 30.000 – 50.000 VNĐ/tháng/xe. Cơ sở dữ liệu Firebase gói Spark hoàn toàn miễn phí cho các trường học quy mô nhỏ và vừa.

5. Khả năng bảo mật thông tin học sinh và chống gian lận điểm danh?

Mỗi thẻ RFID chứa một mã UID duy nhất được mã hóa và liên kết trực tiếp với mã định danh học sinh trong cơ sở dữ liệu nội bộ. Phụ huynh chỉ có thể xem dữ liệu của con em mình thông qua tài khoản đăng nhập bảo mật được nhà trường cấp phát riêng biệt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống giám sát học sinh khi tham gia dịch vụ đưa rước của trường" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết thành công bài toán cấp thiết về an toàn học đường. Bằng việc kết hợp hài hòa giữa vi điều khiển ESP32 hiệu năng cao, các chuẩn giao tiếp công nghiệp (SPI, UART), công nghệ viễn thông di động GSM/GPS và điện toán đám mây Firebase, hệ thống đã tạo nên một giải pháp giám sát đa tầng khép kín. Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh thiết bị hoạt động ổn định, độ trễ phản hồi thấp, chi phí chế tạo rẻ và sẵn sàng chuyển giao công nghệ để ứng dụng vào đời sống thực tiễn.