Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình đô thị hóa và phát triển kinh tế - xã hội tại Việt Nam, sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông cá nhân, đặc biệt là ô tô, đã tạo áp lực nặng nề lên hạ tầng giao thông đô thị. Quỹ đất dành cho giao thông tĩnh tại các đô thị lớn ngày càng thu hẹp, dẫn đến tình trạng thiếu hụt trầm trọng các bãi đỗ xe đạt chuẩn. Thực trạng phương tiện dừng đỗ tràn lan trên vỉa hè, lòng lề đường không chỉ làm suy giảm mỹ quan đô thị mà còn gây cản trở giao thông và gia tăng lượng khí phát thải do xe phải di chuyển nhiều để tìm kiếm vị trí đỗ. Trước yêu cầu phát triển hạ tầng đô thị hiện đại và đồng bộ, việc nghiên cứu các giải pháp đỗ xe tự động là một định hướng kỹ thuật cần thiết nhằm tối ưu hóa không gian sử dụng đất và nâng cao hiệu quả quản lý vận hành.

Đề tài "Thiết kế và thi công mô hình bãi giữ xe tự động" do sinh viên Lê Nhật Quang và Lương Thế Vinh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Tấn Đời tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đặt ra 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng bãi giữ xe tự động dạng hình hộp với tỷ lệ thu nhỏ.
  2. Xây dựng chương trình điều khiển trung tâm bằng PLC Siemens S7-1200 kết hợp hệ thống giám sát qua WinCC và Web Server.
  3. Ứng dụng công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) phục vụ kiểm soát ra vào và xử lý ảnh để nhận diện biển số xe qua camera.
  4. Phát triển ứng dụng di động trên hệ điều hành Android cho phép người dùng theo dõi số lượng chỗ trống trong bãi xe theo thời gian thực.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình bãi giữ xe ô tô tự động hoạt động theo nguyên lý tọa độ Descartes 3 trục (nâng hạ, tịnh tiến ngang, ra/vào). Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được giới hạn ở mô hình thực nghiệm tỷ lệ 1:10 với kích thước khung 140 cm (dài) x 80 cm (rộng) x 70 cm (cao), sức chứa cố định tối đa 8 vị trí đỗ xe. Thời gian thực hiện đề tài diễn ra từ ngày 24/02/2024 đến ngày 21/06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên sự tích hợp liên ngành giữa cơ khí chính xác, điều khiển tự động hóa và công nghệ thông tin:

  • Khung phân tích bãi đỗ xe: Khảo sát và so sánh 5 dạng kiến trúc bãi đỗ xe gồm: bãi đỗ truyền thống, bãi đỗ xe tự lái quanh tòa nhà, bãi đỗ xe dạng xoay vòng đứng, bãi đỗ xe hình trụ tròn và bãi đỗ xe dạng hình hộp vuông/chữ nhật. Tác giả lựa chọn mô hình hình hộp dựa trên tiêu chí tối ưu diện tích sàn, chi phí chế tạo và tính khả thi trong thi công.
  • Lý thuyết điều khiển và truyền động: Nghiên cứu cấu trúc và tập lệnh của bộ điều khiển logic khả trình PLC SIMATIC S7-1200 (Siemens); lý thuyết động cơ bước (Step Motor) với 4 phương thức kích từ (Wave Drive, Full Step, Half Step, MicroStepping); nguyên lý điều khiển xung/hướng qua Driver TB6600.
  • Hệ thống nhúng và nhận dạng: Khung kiến trúc vi điều khiển mã nguồn mở trên bo mạch Arduino Mega 2560 (chip ATmega2560); nguyên lý truyền thông không dây trường gần của công nghệ thẻ từ RFID (Module RC522 tần số 13.56MHz); kỹ thuật thị giác máy tính phục vụ nhận diện ký tự biển số xe qua Webcam.
  • Công nghệ phần mềm và mạng: Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL Server; giao thức truyền thông công nghiệp Profinet; kiến trúc web động sử dụng HTML, JavaScript và môi trường thực thi Node.js (V8 engine); nền tảng phát triển ứng dụng di động MIT App Inventor.

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng gồm phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật (xác định tỉ lệ mô hình, phân tích lực truyền động vít me, quy hoạch sơ đồ nối dây), phương pháp thực nghiệm chế tạo phần cứng cơ khí - điện tử và phương pháp tích hợp hệ thống đa nền tảng (kết nối đồng bộ PLC, Arduino, máy tính giám sát, cơ sở dữ liệu và ứng dụng di động).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo mô hình điều khiển phân tầng, kết hợp phần cứng cơ điện và các giao diện phần mềm giám sát đa kênh.

Khối chức năng Thiết bị / Công nghệ sử dụng Thông số & Vai trò kỹ thuật
Khung cơ khí Nhôm định hình 20x20mm, tấm gỗ, vách ngăn Kích thước 140 x 80 x 70 cm; kết cấu 2 tầng, 8 vị trí đỗ.
Truyền động Động cơ bước 57 SUMTOR, Hybrid 42, trục vít me Chuyển động 3 trục: nâng hạ (Z), tịnh tiến ngang (X), ra/vào (Y).
Mạch công suất Driver TB6600 Nguồn 9–40VDC, dòng 0.5–4A, công suất 160W, cài đặt vi bước.
Điều khiển trung tâm PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C) Xử lý logic vận hành, xuất xung điều khiển vị trí và giám sát I/O.
Thu thập & Cảm biến Arduino Mega 2560, RFID RC522, E3F-DS30C4, D35 Đọc thẻ RFID, nhận tín hiệu cảm biến tiệm cận và công tắc hành trình.
Thị giác máy tính Webcam Logitech C270 Thu nhận hình ảnh biển số xe kết nối qua cổng USB máy tính.
Phần mềm điều khiển Siemens TIA Portal, WinCC Lập trình khối hàm FB/FC, thiết kế giao diện SCADA vận hành.
Máy chủ & Dữ liệu Node.js, Visual Studio Code, MySQL Server Giao tiếp PLC qua PUT/GET, lưu trữ lịch sử, tính phí, xuất file Excel.
Giao diện di động MIT App Inventor (Android) Hiển thị sơ đồ ô đỗ và số lượng vị trí còn trống thời gian thực.

Cơ chế vận hành của hệ thống diễn ra theo quy trình khép kín: Khi xe vào cổng, camera C270 chụp và nhận diện biển số, đồng thời đầu đọc RC522 quét mã thẻ từ RFID. Dữ liệu được gửi về máy tính và ghi vào MySQL. PLC S7-1200 kích hoạt cơ cấu nâng hạ và tịnh tiến đưa xe vào vị trí trống gần nhất đã được thuật toán tối ưu xác định. Khi lấy xe, người dùng quẹt thẻ, hệ thống đối soát dữ liệu, tính tiền gửi xe theo thời gian thực và kích hoạt cơ cấu lấy xe trả về vị trí cửa bãi. Hệ thống trang bị chế độ điều khiển bằng tay (Hand Mode) trên WinCC để xử lý lấy xe thủ công trong tình huống mất thẻ hoặc sự cố kỹ thuật.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này phân tích tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ bài toán ùn tắc và khan hiếm diện tích đỗ xe tại các đô thị lớn ở Việt Nam. Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo mô hình bãi giữ xe tự động tích hợp công nghệ điều khiển PLC, nhận diện biển số, thẻ RFID, Web Server và ứng dụng Android. Giới hạn nghiên cứu được xác định rõ là hệ thống mô hình thực nghiệm quản lý đồng thời tối đa 8 vị trí đỗ xe.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Chương II trình bày phân tích chi tiết về các giải pháp bãi đỗ xe hiện hành, chỉ rõ ưu - nhược điểm của từng loại hình:

Loại hình bãi đỗ xe Ưu điểm chính Nhược điểm chính
Bãi đỗ xe truyền thống Chi phí đầu tư thấp, dễ xây dựng, tùy biến cao. Chiếm diện tích lớn, quản lý kém, an ninh thấp.
Khách tự lái quanh tòa nhà Tiện lợi, linh hoạt, không cần hệ thống tự động phức tạp. Tốn diện tích, mất thời gian tìm chỗ, khí thải nhiều.
Hệ thống xoay vòng đứng Tối ưu diện tích nhỏ, an ninh cao, khép kín. Chi phí đầu tư cao, bảo trì phức tạp, giới hạn tải trọng xe.
Tòa nhà hình trụ tròn Khai thác tối đa chiều cao đứng, an toàn, hiện đại. Chi phí cao, kỹ thuật quay xe cơ khí phức tạp.
Tòa nhà hình hộp (Lựa chọn) Tận dụng không gian hiệu quả, chi phí hợp lý, dễ mở rộng. Chi phí đầu tư công nghệ ban đầu cao hơn bãi truyền thống.

Nội dung chương cũng tổng hợp cơ sở lý thuyết về PLC S7-1200, cấu tạo và 4 chế độ kích bước của động cơ bước, thông số kỹ thuật Driver TB6600, kiến trúc Arduino Mega 2560 (54 chân I/O số, 16 chân analog, thạch anh 16MHz), nguyên lý RFID dải tần vô tuyến, hệ quản trị MySQL, ngôn ngữ HTML/JavaScript, Node.js và môi trường lập trình TIA Portal, MIT App Inventor.

Chương III: Tính toán và thiết kế

Tác giả thuyết minh các yêu cầu kỹ thuật cơ khí và điện tử. Mô hình được tính toán theo tỷ lệ thu nhỏ 1:10 dạng hình hộp chữ nhật. Thiết kế phân tích 3 cụm truyền động chính: cơ cấu nâng hạ trục đứng, cơ cấu tịnh tiến trái/phải và cơ cấu đẩy xe ra/vào khay chứa. Thiết kế điện bao gồm sơ đồ đấu nối ngõ vào/ngõ ra cho PLC S7-1200, mạch cấp nguồn tổ ong 24VDC-10A, mạch công tắc hành trình D35, mạch ghép nối Arduino Mega với Module RFID RC522 qua chuẩn SPI và kết nối Relay 5V. Chương này cũng hoàn thiện lưu đồ giải thuật cho chế độ tự động (Auto) và chế độ điều khiển bằng tay (Hand).

Chương IV: Thi công hệ thống

Chương IV mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế:

  • Thi công cơ khí: Cắt và định hình khung nhôm 20x20mm dài 60cm, lắp ghép tấm sàn gỗ, vách ngăn và mái che; tích hợp hệ thống dẫn hướng và trục vít me cho 3 trục chuyển động.
  • Thi công điện: Đấu nối tủ điện nguồn 24VDC, kết nối dây tín hiệu từ các cảm biến tiệm cận E3F-DS30C4 NPN, công tắc hành trình D35 vào module I/O của PLC; cài đặt switch gạt (SW1–SW6) trên Driver TB6600 để xác lập độ phân giải vi bước và dòng định mức.
  • Thi công phần mềm: Lập trình các khối Function Block (FB) điều khiển động cơ trên TIA Portal; thiết kế giao diện giám sát SCADA WinCC; lập trình Web Server trên nền Visual Studio Code sử dụng Node.js kết nối hàm PUT/GET với PLC; cấu hình bảng dữ liệu trên MySQL Server và thiết kế giao diện ứng dụng di động gồm 3 màn hình (Screen1, Screen2, Screen3) trên MIT App Inventor.

Chương V: Kết quả - Đánh giá - Nhận xét

Chương cuối trình bày kết quả vận hành toàn diện của mô hình phần cứng và các phân hệ phần mềm:

  • Vận hành phần cứng: Cơ cấu 3 trục hoạt động ổn định, đưa xe chính xác vào 8 vị trí đỗ theo lệnh điều khiển.
  • Hệ thống giám sát: Màn hình WinCC hiển thị trực quan trạng thái từng ô đỗ (vị trí 1 đến 4 và 5 đến 8), bảng điều khiển pop-up và chức năng chuyển đổi chế độ Auto/Hand.
  • Web Server và App di động: Trang web nội bộ hiển thị sơ đồ bãi đỗ, bảng giá, lịch sử xe ra vào, chức năng đăng nhập quản trị và trích xuất dữ liệu ra file Excel. Ứng dụng Android cập nhật tức thời số lượng ô trống.
  • Xử lý ảnh: Thử nghiệm nhận dạng thành công các mẫu biển số xe mô hình (như 39F-885, 43F-005, 30C-715, 28F-325, 70F-455).

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu đặt ra với các số liệu thực nghiệm được ghi nhận trực tiếp:

  • Chế tạo thành công mô hình bãi đỗ xe tự động 2 tầng với 8 vị trí đỗ, kích thước 140 x 80 x 70 cm, tỷ lệ 1:10.
  • Xây dựng hệ thống điều khiển kết hợp hoàn chỉnh: PLC S7-1200 đảm nhiệm điều khiển truyền động chính xác, Arduino Mega 2560 xử lý quét thẻ RFID, Webcam Logitech C270 nhận diện biển số xe.
  • Phát triển giao diện quản lý đa kênh: SCADA WinCC điều khiển tại chỗ, Web Server giám sát qua mạng cục bộ và lưu trữ MySQL, App Android hiển thị thông tin chỗ trống từ xa cho khách hàng.
  • Tích hợp tính năng tính tiền tự động theo thời gian gửi và hỗ trợ xuất dữ liệu kế toán sang định dạng Microsoft Excel.

Về mặt đóng góp, đề tài đã hiện thực hóa giải pháp tích hợp giữa thiết bị điều khiển công nghiệp tiêu chuẩn (PLC Siemens) với các nền tảng mở (Arduino, Node.js, MIT App Inventor), giải quyết bài toán đồng bộ dữ liệu giữa tầng chấp hành cơ điện và tầng quản lý thông tin người dùng với chi phí chế tạo mô hình thực nghiệm tối ưu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và kết quả thực nghiệm được trình bày trong đồ án, một số hạn chế kỹ thuật tồn tại gồm:

  • Quy mô mô hình dừng lại ở mức thử nghiệm thực hành với sức chứa 8 vị trí đỗ, chưa mô phỏng tải trọng thực tế của phương tiện giao thông cỡ lớn.
  • Khả năng xử lý ảnh của Webcam C270 còn chịu ảnh hưởng bởi điều kiện góc chiếu và ánh sáng môi trường, dẫn đến sai sót trong một số trường hợp nhận dạng biển số góc nghiêng.
  • Hệ thống thanh toán mới thực hiện chức năng tính toán chi phí trên phần mềm, chưa tích hợp cổng thanh toán trực tuyến qua mã QR hoặc thẻ ngân hàng.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

  1. Mở rộng quy mô cơ khí, nâng cao số tầng và số lượng vị trí đỗ xe.
  2. Nâng cấp camera độ phân giải cao và hoàn thiện thuật toán thị giác máy tính để nhận diện biển số chính xác trong môi trường thiếu sáng hoặc thời tiết phức tạp.
  3. Tích hợp module thanh toán không tiền mặt và kết nối hệ thống dữ liệu bãi đỗ lên nền tảng đám mây (Cloud Server).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot và Hệ thống Thông tin Công nghiệp. Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

  • Phương pháp thiết kế cơ cấu chấp hành 3 trục tọa độ sử dụng động cơ bước và trục vít me.
  • Kỹ thuật lập trình PLC S7-1200 kết nối truyền thông với vi điều khiển Arduino qua giao thức nối tiếp và tín hiệu số.
  • Giải pháp thiết lập Web Server bằng Node.js để đọc/ghi dữ liệu vùng nhớ PLC thông qua giao tiếp PUT/GET và đồng bộ hóa cơ sở dữ liệu MySQL.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn bãi giữ xe dạng hình hộp chữ nhật thay vì dạng xoay vòng hay tháp trụ tròn?
Dạng hình hộp chữ nhật có kết cấu cơ khí đơn giản hơn, tận dụng tối đa diện tích sàn phẳng, chi phí thiết kế và thi công thấp hơn so với dạng xoay vòng hoặc hình trụ tròn. Ngoài ra, mô hình này dễ dàng mở rộng quy mô bằng cách tăng số tầng hoặc số dãy mà không đòi hỏi hệ thống quay vòng cơ khí phức tạp.

2. Hệ thống xử lý như thế nào trong trường hợp khách hàng làm mất thẻ từ RFID hoặc hệ thống tự động gặp sự cố?
Hệ thống được thiết kế chế độ điều khiển bằng tay (Hand Mode) tích hợp trên màn hình giám sát WinCC. Người quản trị có thể tra cứu lịch sử gửi xe và hình ảnh biển số đã lưu trong cơ sở dữ liệu MySQL để xác minh phương tiện, sau đó điều khiển các trục truyền động thủ công để lấy xe ra ngoài an toàn.

3. Động cơ bước và mạch Driver trong mô hình được cấu hình với các thông số nào?
Mô hình sử dụng động cơ bước 57 SUMTOR và Standard Hybrid 42 kết hợp Driver TB6600. Driver này hoạt động với nguồn cấp 9–40VDC, dòng tải ngõ ra 0.5–4A, công suất cực đại 160W. Cấu hình độ phân giải vi bước và cường độ dòng điện được thiết lập thông qua 6 công tắc gạt từ SW1 đến SW6 trên thân driver.

4. Dữ liệu xe gửi và quá trình tính phí được quản lý thông qua cơ chế nào?
Khi quét thẻ RFID và nhận diện biển số, thông tin thời gian vào bãi được ghi nhận vào cơ sở dữ liệu MySQL Server qua Web Server viết bằng Node.js. Khi xe ra, hệ thống tự động tính toán khoảng thời gian đỗ, áp bảng giá quy định, lưu lịch sử giao dịch và cho phép người quản trị xuất báo cáo thống kê dưới dạng file Excel.

5. Ứng dụng di động trên Android được xây dựng bằng công cụ gì và giữ vai trò gì?
Ứng dụng di động được xây dựng trên nền tảng web mã nguồn mở MIT App Inventor. Ứng dụng kết nối mạng để hiển thị sơ đồ trực quan của bãi xe và cập nhật số lượng vị trí đỗ còn trống theo thời gian thực, giúp người dùng nắm bắt tình trạng bãi xe trước khi đến gửi.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công mô hình bãi giữ xe tự động" của tác giả Lê Nhật Quang và Lương Thế Vinh đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa bãi đỗ xe quy mô mô hình thực nghiệm tỷ lệ 1:10 với sức chứa 8 vị trí. Đề tài thể hiện sự tích hợp hiệu quả giữa hệ thống điều khiển công nghiệp PLC S7-1200, vi điều khiển Arduino Mega 2560, công nghệ RFID, xử lý ảnh nhận diện biển số và các nền tảng giám sát đa phương tiện (WinCC, Web Server, App di động). Toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế cơ điện và thử nghiệm phần mềm đều được chứng minh bằng các dữ liệu thực nghiệm rõ ràng, mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật thiết thực cho các nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động hóa đô thị.