Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống tính cước phí đường sắt Metro sử dụng RFID" được thực hiện bởi sinh viên Trần Quốc Hưng, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Việt Hùng tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y Sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa 2012, bảo vệ tháng 07/2018).

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Sự phát triển của giao thông công cộng đô thị, đặc biệt là hệ thống đường sắt đô thị (Metro), đòi hỏi các giải pháp thu phí và kiểm soát hành khách tự động nhằm thay thế phương thức vé giấy truyền thống vốn bộc lộ nhiều nhược điểm về thời gian xử lý và chi phí in ấn. Tại thời điểm nghiên cứu, Thành phố Hồ Chí Minh đang chuẩn bị đưa tuyến Metro số 1 (Bến Thành – Suối Tiên) vào vận hành. Nhận thấy công nghệ nhận dạng qua sóng vô tuyến (RFID) đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới trong thanh toán giao thông công cộng (xe buýt, metro, thu phí đường bộ) nhưng ở Việt Nam chủ yếu mới dừng lại ở quản lý bãi đỗ xe và chấm công nhân viên, tác giả đã lựa chọn đề tài này nhằm mô phỏng hệ thống quản lý và tính cước đường sắt đô thị tự động, phù hợp với định hướng hiện đại hóa hạ tầng giao thông.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đồ án đặt ra 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Tìm hiểu quy trình quản lý và thanh toán cước phí đường sắt đô thị đang áp dụng tại các nước trên thế giới.
  2. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng mô phỏng hệ thống tính cước ga Metro dựa trên công nghệ RFID và vi điều khiển.
  3. Xây dựng phần mềm giao diện quản lý trên máy tính kết hợp cơ sở dữ liệu để thực hiện đăng ký hành khách, kiểm tra vé, giám sát hành trình và tự động trừ cước phí theo thời gian thực.

Nhiệm vụ thực hiện bao gồm: thiết kế khối điều khiển trung tâm, khối hiển thị và cảnh báo; kết nối và lập trình giao tiếp đa module RFID; lập trình phần mềm quản lý bằng C# trên Visual Studio; xây dựng cơ sở dữ liệu trên Microsoft SQL Server; kết nối truyền thông nối tiếp giữa máy tính và phần cứng, tiến hành thử nghiệm và hiệu chỉnh mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ nhận dạng sóng vô tuyến RFID (băng tần 13.56 MHz), vi điều khiển ATmega2560 (Arduino Mega 2560), giao thức truyền thông SPI, giao tiếp nối tiếp Serial, ngôn ngữ C# và hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ SQL Server.
  • Phạm vi không gian và giới hạn kỹ thuật: Mô hình mô phỏng gồm 2 nhà ga (Ga số 1 và Ga số 2), mỗi ga bố trí 2 cổng tương ứng cho chiều lên và chiều xuống (tổng cộng 4 module đọc RFID RC522).
  • Phạm vi hệ thống: Sử dụng 01 màn hình LCD 16x2 kết hợp còi/loa báo hiệu để phản hồi tại chỗ cho hành khách; cơ sở dữ liệu hoạt động cục bộ trên 01 máy tính điều hành trung tâm kết nối qua cổng COM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

Nghiên cứu dựa trên các nền tảng lý thuyết và công nghệ kỹ thuật sau:

  • Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification): Hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ không tiếp xúc. Tác giả phân tích 3 nhóm thẻ RFID: thẻ thụ động (Passive tag - không có nguồn pin riêng, kích thước nhỏ, dùng năng lượng cảm ứng từ đầu đọc), thẻ bán chủ động (Semi-active tag - có pin nuôi IC nhưng nằm im chờ kích hoạt) và thẻ chủ động (Active tag - có nguồn riêng phát tín hiệu, tầm đọc xa). Đồ án lựa chọn thẻ thụ động chuẩn ISO/IEC 14443A/MIFARE hoạt động ở tần số 13.56 MHz.
  • Phần cứng thu phát RFID RC522: Module sử dụng vi mạch MFRC522 của Philips, hỗ trợ giao tiếp SPI với vi điều khiển, khoảng cách đọc từ 0 đến 60 mm, tốc độ truyền dữ liệu tối đa 10 Mbit/s, điện áp hoạt động 3.3V.
  • Vi xử lý trung tâm ATmega2560 (Arduino Mega 2560): Vi điều khiển kiến trúc AVR 8-bit, xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB, cung cấp 54 chân I/O số và 16 chân tương tự, tích hợp mạch bảo vệ quá dòng polyfuse 500 mA tại cổng USB.
  • Giao diện hiển thị LCD 16x2 tích hợp Module chuyển đổi giao thức I2C: Giảm số lượng chân kết nối từ 16 chân chuẩn xuống còn 4 chân (VCC, GND, SDA, SCL).
  • Hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server và ngôn ngữ lập trình C#: Sử dụng giao diện lập trình trực quan trên Microsoft Visual Studio để thiết kế hệ thống phần mềm quản lý Windows Forms kết nối cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS) xử lý các truy vấn Transact-SQL.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các hệ thống metro quốc tế và các dự án metro trong nước để xác định quy trình thu phí tự động; tổng hợp thông số datasheet của linh kiện điện tử.
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ nguyên lý phần cứng, ghép nối các bus truyền thông SPI dùng chung chân tín hiệu (SCK, MOSI, MISO) và phân tách chân chọn chip (SDA/CS) cho từng module RC522.
  • Phương pháp thực nghiệm mô hình: Thi công mạch thực tế, đóng gói mô hình vật lý bằng khung mica, kết nối phần cứng với phần mềm máy tính qua giao tiếp nối tiếp RS-232/USB (Serial Port) và chạy thử các kịch bản hành khách quẹt thẻ lên/xuống ga.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ khối

Hệ thống phần cứng được phân chia thành 5 khối chức năng chính:

Tên khối chức năng Linh kiện / Thiết bị chính Số lượng Thông số và vai trò kỹ thuật
Khối nguồn Adapter DC 01 Cung cấp nguồn ngoài 9V - 2A cho board Arduino Mega 2560; hạ áp nội cấp 5V và 3.3V cho các ngoại vi.
Khối điều khiển trung tâm Board Arduino Mega 2560 (ATmega2560) 01 Nhận diện mã thẻ từ 4 đầu đọc qua SPI, xử lý logic vào/ra, truyền nhận dữ liệu với PC qua Serial Port.
Khối đọc dữ liệu Module RFID RC522 (Philips MFRC522) 04 Đặt tại cổng lên/xuống của Ga 1 và Ga 2; tần số 13.56 MHz, nối chung chân SCK, MOSI, MISO.
Khối hiển thị LCD 16x2 + Module chuyển đổi I2C 01 Hiển thị trạng thái quẹt thẻ, tên ga, số tiền trừ và thông báo cho hành khách qua bus I2C.
Khối thông báo âm thanh Loa (Buzzer) + Điện trở 100 $\Omega$ 01 Phát tín hiệu âm thanh cảnh báo khi có tương tác quẹt thẻ thành công hoặc lỗi.
Khối máy tính quản lý Máy tính cá nhân (PC) 01 Chạy phần mềm C# WinForms và SQL Server 2008, xử lý logic tính cước, quản lý hành khách.

Toàn bộ mạch vi điều khiển và các module được lắp ráp bên trong khung vỏ bảo vệ bằng chất liệu mica nhằm đảm bảo tính chắc chắn và thẩm mỹ cho mô hình mô phỏng.

Thiết kế phần mềm và cơ sở dữ liệu

Phần mềm hệ thống được tổ chức qua hai tầng xử lý:

  1. Chương trình nhúng cho vi điều khiển (Arduino IDE):

    • Khởi tạo thư viện SPI, RFID và LiquidCrystal_I2C.
    • Quét liên tục trạng thái của 4 module RC522. Khi phát hiện thẻ tại một cổng bất kỳ, vi điều khiển đọc chuỗi Byte mã nhận dạng (UID), ghép chuỗi kèm mã định danh của cổng/ga tương ứng và gửi lên cổng nối tiếp (COM8).
    • Tiếp nhận lệnh phản hồi từ máy tính gửi xuống bộ đệm (input buffer) để điều khiển xuất chuỗi ký tự thông báo lên LCD 16x2 và kích hoạt loa báo.

  2. Ứng dụng quản lý trên máy tính (Visual Studio C# & SQL Server):

    • Giao thức truyền thông: Kết nối với vi điều khiển qua cổng COM với cơ chế kiểm tra bộ đệm truyền/nhận (Serial buffer).
    • Cơ sở dữ liệu SQL Server 2008: Gồm 2 bảng dữ liệu chính:
      • Bảng DangNhap: Lưu trữ thông tin tài khoản quản trị gồm Username và Password.
      • Bảng DataHanhKhach: Lưu trữ thông tin định danh hành khách, mã thẻ RFID (UID), thông tin cá nhân và số dư tài khoản (Tien).
    • Các chức năng chính: Đăng nhập hệ thống; Thêm/Sửa/Xóa thông tin hành khách; Nạp tiền vào tài khoản; Quản lý hành trình (kiểm tra điều kiện số dư, ghi nhận ga vào, tính cước quãng đường và trừ tiền khi ra ga).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích bối cảnh phát triển của hệ thống đường sắt đô thị trên thế giới và tại Việt Nam, đặc biệt là tuyến Metro Bến Thành – Suối Tiên. Tác giả nêu bật sự cần thiết của việc áp dụng công nghệ RFID vào thu phí tự động nhằm nâng cao tốc độ lưu thông và độ chính xác so với vé giấy. Chương 1 cũng xác định rõ ràng 3 mục tiêu nghiên cứu, 8 nội dung triển khai, giới hạn mô phỏng (2 ga, 4 đầu đọc, CSDL đơn máy) và cấu trúc 6 chương của toàn bộ khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết về hệ thống Metro và công nghệ nhận dạng RFID. Tác giả phân tích cấu trúc của hệ thống RFID gồm Reader, Tag, thiết bị xử lý và hệ thống máy chủ; so sánh ưu nhược điểm của công nghệ (tốc độ quét lên đến 40 thẻ/3 giây, khả năng ghi xóa nhiều lần, độ bền cao nhưng nhạy cảm với môi trường kim loại/nước). Chương 2 cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết của vi điều khiển ATmega2560, module MFRC522 (tần số 13.56 MHz, tập lệnh điều khiển, sơ đồ chân SPI), cấu tạo các loại thẻ thụ động/chủ động, cũng như sơ đồ ghép nối LCD 16x2 thông qua giao tiếp I2C.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Xây dựng sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý toàn diện của hệ thống. Tác giả tính toán thông số nguồn cấp (khối nguồn 9V-2A), phân chia các khối chức năng và thiết lập sơ đồ kết nối chân giữa Arduino Mega 2560 với 4 module RC522 (nối chung các chân dữ liệu SPI và tách riêng các chân SS/CS). Đồng thời, chương này mô tả nguyên lý vận hành khép kín: thẻ quẹt tại đầu đọc -> vi điều khiển chuyển mã UID qua Serial Port -> máy tính truy vấn CSDL SQL Server -> máy tính phản hồi kết quả -> vi điều khiển hiển thị ra LCD và phát âm thanh.

Chương 4: Thi công hệ thống

Tập trung vào quá trình thi công thực tế phần cứng và lập trình phần mềm. Nội dung bao gồm:

  • Danh sách linh kiện, quá trình lắp ráp, kiểm tra tín hiệu nguồn và kết nối cổng COM8 trên Arduino IDE.
  • Quy trình đóng gói hộp điều khiển bằng vật liệu mica.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển và ứng dụng C#.
  • Thiết kế giao diện Visual Studio (Form Đăng nhập, Form Chọn ứng dụng, Form Quản lý hành khách, Form Quản lý hành trình).
  • Thiết lập CSDL trên SQL Server Management Studio với 2 bảng DangNhap, DataHanhKhach và 4 dạng truy vấn thao tác dữ liệu (SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE).
  • Xây dựng tài liệu hướng dẫn sử dụng và quy trình thao tác từng bước cho người quản trị.

Chương 5: Kết quả và nhận xét

Trình bày kết quả thực nghiệm đạt được trên mô hình phần cứng và phần mềm. Hệ thống nhận diện chính xác thẻ RFID tại từng cổng của 2 nhà ga. Tác giả minh họa quá trình hoạt động qua kịch bản thực tế: đăng ký thông tin hành khách mang tên "Nguyễn Thị Đào", nạp số tiền 10.000 VNĐ vào tài khoản, quét thẻ vào cổng Ga số 1 (hệ thống cho phép qua cổng) và quét thẻ ra tại Ga số 2 (hệ thống tự động tính toán, trừ phí hành trình và cập nhật số dư mới vào CSDL cũng như hiển thị trực tiếp trên LCD).

Chương 6: Kết luận và phát triển

Tổng kết mức độ hoàn thành so với các mục tiêu ban đầu: hoàn thiện mô hình phần cứng 2 ga Metro, xây dựng thành công phần mềm quản lý và cơ sở dữ liệu đồng bộ. Đưa ra các đánh giá khách quan về hiệu năng và đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

Hệ thống mô phỏng đã hoàn thành toàn bộ các yêu cầu thiết kế phần cứng và phần mềm, thể hiện qua các kết quả cụ thể:

  • Thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng với 01 vi điều khiển Arduino Mega 2560 điều khiển ổn định 04 module RFID RC522 qua giao tiếp bus SPI, 01 LCD 16x2 qua giao tiếp I2C và khối cảnh báo âm thanh.
  • Thiết lập thành công kết nối truyền thông nối tiếp ổn định giữa phần cứng và máy tính qua cổng COM8.
  • Xây dựng phần mềm quản lý C# trên nền tảng .NET hoàn chỉnh với giao diện đồ họa trực quan, thực hiện đầy đủ các chức năng quản lý người dùng, quản lý hồ sơ hành khách và giám sát hành trình.
  • Thử nghiệm thành công kịch bản nạp tiền và trừ tiền: Hệ thống tiếp nhận thẻ, cập nhật tài khoản thử nghiệm của hành khách (nạp 10.000 VNĐ), kiểm tra điều kiện hợp lệ khi hành khách vào Ga số 1 và tự động trừ cước khi hành khách rời Ga số 2 mà không xảy ra xung đột dữ liệu.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  1. Đưa ra giải pháp kỹ thuật kết nối đồng thời nhiều module RFID RC522 trên cùng một board vi điều khiển Arduino bằng cách chia sẻ đường truyền SPI (SCK, MOSI, MISO) và quét chọn chip độc lập, giúp tiết kiệm tài nguyên chân điều khiển.
  2. Xây dựng mô hình thu phí phương tiện công cộng tự động khép kín kết hợp vi điều khiển nhúng với hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ SQL Server qua giao tiếp Serial, làm tài liệu tham khảo trực quan cho các giải pháp quản lý giao thông thông minh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Theo công bố của tác giả trong văn bản, đồ án còn tồn tại một số hạn chế do điều kiện nghiên cứu mô hình:

  • Quy mô mô hình: Mới dừng lại ở quy mô mô phỏng 02 nhà ga, mỗi ga chỉ trang bị 01 cổng lên và 01 cổng xuống.
  • Hạ tầng thông báo: Hệ thống hiển thị tại chỗ cho hành khách còn đơn giản, mới chỉ sử dụng 01 màn hình LCD 16x2 và còi báo chip đơn.
  • Kiến trúc cơ sở dữ liệu: Cơ sở dữ liệu SQL Server đang cài đặt và hoạt động cục bộ trên 01 máy tính duy nhất, chưa triển khai mô hình máy chủ - máy trạm phân tán kết nối mạng nội bộ hoặc Internet để phục vụ đồng thời nhiều trạm từ xa.

Hướng phát triển

Tác giả đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai:

  • Mở rộng mô hình mạng lưới gồm nhiều nhà ga hơn dọc theo toàn tuyến đường sắt đô thị.
  • Phát triển hệ thống cơ sở dữ liệu phân tán hoạt động qua môi trường mạng LAN/WAN hoặc điện toán đám mây để các trạm ga có thể đồng bộ dữ liệu tức thời.
  • Nâng cấp phần cứng hiển thị (sử dụng màn hình TFT/LCD đồ họa lớn hơn) và cơ cấu chấp hành cơ khí thực tế (cổng xoay tripod hoặc cửa chắn flap barrier).
  • Tích hợp thêm các tính năng thanh toán đa dạng (liên kết thẻ ngân hàng, tài khoản ví điện tử) và tăng cường thuật toán bảo mật, mã hóa dữ liệu thẻ MIFARE.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Kỹ thuật Máy tính: Có thể tham khảo phương pháp kết nối nhiều module RFID trên bus SPI, kỹ thuật ghép nối I2C cho màn hình LCD và phương pháp giao tiếp Serial giữa Arduino với ứng dụng C#.
  • Người nghiên cứu các hệ thống IoT và Nhúng cơ bản: Học hỏi quy trình thiết kế phần mềm giao diện WinForms kết nối CSDL SQL Server 2008 thông qua các truy vấn SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE đồng bộ theo sự kiện phần cứng.
  • Các đề tài đồ án về bãi giữ xe thông minh, trạm thu phí ETC hoặc quản lý kho: Có thể kế thừa toàn bộ cấu trúc mã nguồn giao tiếp C# - vi điều khiển và cấu trúc bảng dữ liệu quản lý thẻ.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng loại vi điều khiển nào và các thông số kỹ thuật chính là gì?

Hệ thống sử dụng board mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 tích hợp chip AVR 8-bit ATmega2560 (xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB, 54 chân Digital I/O và 16 chân Analog). Board hoạt động ở điện áp 5V và được cấp nguồn ngoài thông qua adapter DC 9V - 2A.

2. Module đọc thẻ RFID trong đồ án là loại nào và giao tiếp bằng chuẩn gì?

Đồ án sử dụng module RFID RC522 (dựa trên vi mạch MFRC522 của Philips), hoạt động ở tần số 13.56 MHz tương thích chuẩn thẻ thụ động ISO/IEC 14443A/MIFARE. Module giao tiếp với vi điều khiển Arduino Mega 2560 thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp SPI (Serial Peripheral Interface).

3. Phần cứng mô phỏng gồm bao nhiêu nhà ga và bao nhiêu đầu đọc thẻ?

Mô hình mô phỏng bao gồm 02 nhà ga (Ga 1 và Ga 2). Mỗi nhà ga có 02 cổng đọc thẻ tương ứng cho chiều lên tàu và chiều xuống tàu. Tổng số module RFID RC522 được lắp đặt và điều khiển trong mô hình là 04 module.

4. Cơ sở dữ liệu của hệ thống được xây dựng bằng công cụ nào và gồm những bảng nào?

Cơ sở dữ liệu được xây dựng bằng Microsoft SQL Server Management Studio (SQL Server 2008). Cơ sở dữ liệu bao gồm 02 bảng chính:

  • Bảng DangNhap: Lưu tên đăng nhập (User) và mật khẩu (Pass) của người quản trị.
  • Bảng DataHanhKhach: Lưu thông tin cá nhân của hành khách, mã định danh thẻ RFID và số tiền còn lại trong tài khoản.

5. Dữ liệu thử nghiệm thực tế trong đồ án được ghi nhận như thế nào?

Trong chương kết quả, tác giả thực hiện kiểm thử thành công với hồ sơ hành khách mang tên "Nguyễn Thị Đào", nạp số tiền ban đầu là 10.000 VNĐ. Khi quét thẻ vào Ga số 1, hệ thống xác nhận thông tin hợp lệ và cho phép lên tàu; khi quét thẻ ra tại Ga số 2, hệ thống tự động tính cước, trừ tiền trong tài khoản trên CSDL và hiển thị thông tin chi tiết trên LCD 16x2.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống tính cước phí đường sắt Metro sử dụng RFID" của tác giả Trần Quốc Hưng đã thiết kế và thi công hoàn chỉnh một mô hình thu phí tự động mô phỏng cho 2 nhà ga Metro. Bằng việc kết hợp vi điều khiển Arduino Mega 2560, 4 module RFID RC522 tần số 13.56 MHz cùng phần mềm quản lý C# và cơ sở dữ liệu SQL Server 2008, hệ thống đã thực hiện chính xác các quy trình nhận diện thẻ, giám sát hành trình và khấu trừ cước phí tự động theo thời gian thực. Đề tài là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho việc nghiên cứu, phát triển các ứng dụng nhận dạng vô tuyến và kiểm soát giao thông công cộng tự động.