Thiết kế, thi công module cảm biến và ứng dụng xây dựng mô hình mạng giám sát vị trí đậu xe

Đồ án thiết kế mô hình mạng giám sát vị trí đậu xe tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Minh Đức
• Người hướng dẫn: ThS. Trương Ngọc Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Thiết kế, thi công module cảm biến và ứng dụng xây dựng mô hình mạng giám sát vị trí đậu xe
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình mạng giám sát vị trí đậu xe

Đô thị hóa nhanh dẫn đến tình trạng quá tải hạ tầng giao thông tĩnh tại các khuôn viên đại học lớn. Nhu cầu quản lý bãi đỗ xe thông minh vì thế trở nên cấp thiết. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung giải quyết bài toán định vị vị trí đỗ thông qua mạng cảm biến chuyên dụng. Hệ thống tích hợp các module cảm biến độc lập với bộ điều khiển trung tâm. Cấu trúc mạng áp dụng chuẩn công nghiệp RS485 nhằm đảm bảo tín hiệu thông suốt trên diện tích rộng. Dữ liệu từ các vị trí đậu xe truyền về bộ xử lý trung tâm dùng vi điều khiển ESP8266. Thiết bị này xử lý thông tin và kết nối Wi-Fi để đồng bộ trạng thái lên đám mây. Người điều khiển phương tiện dễ dàng nhận biết vị trí trống qua đèn LED tại từng vị trí hoặc qua giao diện di động. Giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành bãi đỗ xe và tiết kiệm thời gian di chuyển. Mô hình thiết kế hướng đến tính khả thi cao, chi phí thấp và dễ triển khai thực tế.

1.1. Bối cảnh và mục tiêu nghiên cứu

Khuôn viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM có mật độ phương tiện cá nhân rất cao. Bãi đỗ xe truyền thống thường gây ùn tắc cục bộ vào giờ cao điểm. Người lái xe mất nhiều thời gian tìm kiếm chỗ đỗ phù hợp. Quá trình này gây lãng phí nhiên liệu và phát thải khí độc hại ra môi trường. Đề tài hướng tới việc tự động hóa khâu giám sát vị trí trống bằng mạng cảm biến IoT. Mục tiêu cụ thể là chế tạo các module cảm biến ổn định và xây dựng mạng lưới truyền thông tin cậy. Hệ thống cung cấp thông tin trực quan cho tài xế ngay tại hiện trường. Đồng thời, nền tảng số hóa hỗ trợ ban quản trị trường học kiểm soát lưu lượng phương tiện chính xác.

1.2. Cấu trúc tổng thể của hệ thống mạng

Kiến trúc hệ thống gồm ba tầng chức năng chính hoạt động chặt chẽ. Tầng thu thập dữ liệu gồm các nút cảm biến siêu âm gắn tại từng ô đậu xe. Mỗi nút đo đạc khoảng cách và điều khiển trực tiếp đèn tín hiệu hai màu xanh đỏ. Tầng truyền dẫn sử dụng đường truyền vật lý RS485 kết nối chuỗi các nút cảm biến về khối điều khiển trung tâm. Tầng điều khiển trung tâm khai thác vi xử lý ESP8266 để thu thập dữ liệu định kỳ theo cơ chế hỏi vòng. Tầng ứng dụng gồm máy chủ đám mây và giao diện ứng dụng Blynk trên điện thoại. Kiến trúc phân tầng này đảm bảo tính module hóa cao, dễ sửa chữa và mở rộng quy mô bãi xe.

II. Thách thức hạ tầng và mô hình mạng giám sát vị trí đậu xe

Bãi giữ xe tầng hầm hoặc ngoài trời tại trường đại học đối mặt nhiều yếu tố nhiễu môi trường. Bụi bẩn, độ ẩm và sự thay đổi nhiệt độ đột ngột dễ làm sai lệch tín hiệu đo khoảng cách. Khoảng cách truyền thông không dây thuần túy như Wi-Fi gặp vật cản bê tông cốt thép dày đặc gây suy hao nghiêm trọng. Vấn đề nghẽn mạng xảy ra liên tục nếu nhiều nút mạng phát sóng đồng thời trong không gian hẹp. Ngoài ra, chi phí thi công hệ thống dây tín hiệu phức tạp cũng cản trở quá trình hiện đại hóa. Nếu dùng đường truyền không dây cho từng vị trí, mức tiêu thụ pin của cảm biến tăng nhanh. Việc thay thế pin định kỳ tạo ra gánh nặng bảo trì lớn cho ban quản lý. Do đó, bài toán đặt ra là phải lựa chọn chuẩn truyền thông công nghiệp ổn định cao. Đường truyền cần khả năng chống nhiễu vượt trội, chịu được khoảng cách xa và duy trì độ tin cậy trong môi trường học đường khắc nghiệt.

2.1. Hạn chế của công nghệ cảm biến và truyền dẫn cũ

Nhiều bãi xe trước đây sử dụng vòng từ chôn ngầm dưới mặt đường hoặc cảm biến hồng ngoại. Vòng từ yêu cầu cắt xẻ mặt sàn bê tông phức tạp khi lắp đặt và bảo dưỡng. Cảm biến hồng ngoại lại nhạy cảm với ánh sáng mặt trời và dễ bị bám bẩn dẫn đến báo sai. Mặt khác, các hệ thống mạng dùng sóng ZigBee hoặc Wi-Fi diện rộng thường mất gói tin khi xe cộ chắn tầm nhìn. Tín hiệu vô tuyến suy giảm mạnh qua các tầng bê tông cốt thép dày. Chi phí thay pin cho hàng trăm thiết bị không dây cũng rất tốn kém. Những nhược điểm trên đòi hỏi một phương án cảm biến cơ điện tử bền bỉ hơn.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật thực tế tại Đại học SPKT TP.HCM

Khu vực đỗ xe của trường đòi hỏi hệ thống phải hoạt động liên tục suốt ngày đêm. Tốc độ đáp ứng của cảm biến phải dưới một giây để hướng dẫn tài xế kịp thời. Hệ thống truyền thông cần duy trì độ chính xác cao dù đường dây kéo dài hàng trăm mét. Thiết bị phải tiêu thụ ít năng lượng và có khả năng chống nhiễu điện từ từ động cơ xe máy, ô tô. Về mặt phần mềm, giao diện điều khiển cần đơn giản, dễ tra cứu và tải nhanh trên điện thoại cá nhân. Ban giám sát yêu cầu dữ liệu thống kê phải cập nhật thời gian thực về máy chủ để phân tích dung lượng bãi đỗ chính xác.

III. Giải pháp thiết kế mô hình mạng giám sát vị trí đậu xe

Nhóm nghiên cứu lựa chọn cảm biến siêu âm công nghiệp Viva-UD-01 đặt ngay phía trên mỗi ô đỗ. Cảm biến này có phạm vi hoạt động từ 2,7 đến 3 mét, tích hợp thuật toán bù nhiệt độ tự động. Nhờ đó, sai số đo khoảng cách được triệt tiêu dù nhiệt độ bãi xe thay đổi. Thiết bị tích hợp sẵn đèn LED đổi màu để báo hiệu trạng thái trống hoặc đã có xe. Về mạng truyền dẫn, chuẩn RS485 được triển khai theo cấu trúc bus đa điểm. Đường truyền vi sai hai dây giúp khử nhiễu đồng pha và truyền xa tới 1200 mét ổn định. Bộ điều khiển trung tâm sử dụng chip ESP8266 làm trạm chính (Master), giao tiếp tuần tự với từng cảm biến (Slave). Khi có xe vào hoặc rời ô đỗ, ESP8266 lập tức ghi nhận sự thay đổi trạng thái. Vi điều khiển chuyển tiếp dữ liệu lên nền tảng IoT Blynk thông qua kết nối Wi-Fi. Giải pháp này kết hợp hài hòa giữa tính ổn định của mạng dây và sự linh hoạt của mạng không dây.

3.1. Thiết kế module cảm biến và chuẩn truyền thông RS485

Module nút đậu xe sử dụng cảm biến siêu âm Viva-UD-01 vận hành ở mức điện áp rộng và tiêu thụ năng lượng thấp. Nút mạng tích hợp vi điều khiển phụ và IC MAX485 để chuyển đổi tín hiệu UART sang chuẩn cân bằng RS485. Giao thức truyền thông định dạng khung dữ liệu rõ ràng gồm địa chỉ nút, mã lệnh, dữ liệu khoảng cách và byte kiểm tra lỗi. Chuẩn RS485 cho phép gắn tới 32 nút trên cùng một bus mà không cần bộ lặp. Đèn LED trên cảm biến tự động chớp nháy cảnh báo nếu xảy ra sự cố mất liên lạc. Thiết kế phần cứng đảm bảo hoạt động liên tục trong môi trường công nghiệp có nhiều rung động và bụi bẩn.

3.2. Tích hợp trung tâm ESP8266 và nền tảng đám mây Blynk

Bộ điều khiển trung tâm đóng vai trò Master trên đường truyền RS485. Chip ESP8266 liên tục gửi lệnh thẩm vấn đến từng nút Slave theo chu kỳ 100 mili-giây. Dữ liệu phản hồi được xử lý để tính toán tổng số chỗ còn trống trong bãi. Sau đó, vi điều khiển đóng gói thông tin và gửi lên máy chủ đám mây Blynk qua kết nối Wi-Fi nội bộ. Nhóm tác giả cấu hình các chân ảo (Virtual Pins) và dòng dữ liệu (Datastreams) trên Blynk Web Dashboard. Người quản lý và người lái xe theo dõi bảng điều khiển trực quan qua ứng dụng Blynk trên điện thoại iOS hoặc Android một cách dễ dàng, tức thời.

IV. Đánh giá ứng dụng mô hình mạng giám sát vị trí đậu xe

Mô hình thực nghiệm tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chứng minh tính ổn định cao sau nhiều giờ thử nghiệm liên tục. Dữ liệu trạng thái xe được truyền tải chính xác, không xảy ra xung đột hay mất gói trên đường bus RS485. Thời gian phản hồi của hệ thống từ lúc xe vào chỗ đỗ đến khi cập nhật lên ứng dụng Blynk đạt dưới một giây. Tín hiệu đèn LED đổi trạng thái dứt khoát giúp người lái dễ dàng định vị từ khoảng cách xa. Mô hình có chi phí linh kiện hợp lý và dễ thi công mở rộng ra toàn bộ khuôn viên trường học. Sự kết hợp giữa đường truyền có dây công nghiệp và đám mây IoT giải quyết triệt để bài toán nghẽn tín hiệu tầng hầm. Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng vững chắc để phát triển bãi đỗ xe thông minh trong đô thị hiện đại. Đề tài mở ra hướng tiếp cận thực tiễn, sẵn sàng tích hợp thêm các công nghệ xử lý ảnh biển số và thanh toán tự động trong tương lai.

4.1. Hiệu quả vận hành và tối ưu thời gian tìm chỗ

Hệ thống giám sát giúp rút ngắn đáng kể thời gian tìm kiếm ô đỗ trống của giảng viên và sinh viên. Khi bước vào bãi xe, tài xế chỉ cần quan sát chỉ dẫn đèn LED trên cao hoặc mở app Blynk để biết chính xác vị trí còn trống. Hiện tượng xe chạy lòng vòng gây tắc nghẽn cục bộ được giảm thiểu triệt để. Nhờ đó, lượng khí thải từ ống xả xe giảm rõ rệt, cải thiện môi trường không khí trong khuôn viên trường. Ban quản trị dễ dàng theo dõi tỷ lệ lấp đầy của bãi xe theo từng khung giờ trong ngày. Dữ liệu vận hành giúp nhà trường tối ưu hóa việc phân luồng giao thông nội bộ hiệu quả.

4.2. Hướng phát triển mở rộng trong đô thị thông minh

Đề tài có tiềm năng nhân rộng tại các bãi đỗ xe thương mại, bệnh viện và trung tâm thương mại. Trong giai đoạn tiếp theo, hệ thống có thể tích hợp camera AI nhận diện biển số tại cổng kiểm soát. Sự kết hợp này cho phép định danh chính xác phương tiện gắn liền với từng vị trí đỗ cụ thể. Tính năng đặt chỗ trước qua ứng dụng di động cũng có thể được phát triển bổ sung. Ngoài ra, việc tích hợp cổng thanh toán trực tuyến không tiền mặt sẽ hoàn thiện hệ sinh thái đỗ xe thông minh. Mô hình chứng minh tính thích ứng cao với mục tiêu chuyển đổi số đô thị bền vững hiện nay.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông cá nhân, đặc biệt là ô tô, trong bối cảnh tốc độ phát triển cơ sở hạ tầng giao thông đô thị còn nhiều hạn chế là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến áp lực lớn về không gian dừng, đỗ xe tại các đô thị lớn ở Việt Nam. Theo số liệu của Tổng cục Thống kê tính đến tháng 7 năm 2018, tổng số lượng xe ô tô đang lưu hành tại Việt Nam đạt khoảng 3 triệu chiếc, trong đó thành phố Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh chiếm khoảng 44% tổng lượng xe đăng ký hàng năm. Báo cáo từ Ủy ban nhân dân Thành phố Hà Nội chỉ ra rằng tốc độ tăng trưởng ô tô đạt mức 10,2%/năm, trong khi tốc độ phát triển hạ tầng giao thông đô thị chỉ đạt khoảng 3,9%, dẫn đến hiện tượng ùn tắc giao thông phức tạp. Điển hình trong năm 2017, thành phố xử lý được 22 điểm ùn tắc trên tổng số 41 điểm cũ nhưng lại phát sinh thêm 11 điểm ùn tắc mới.

Đặc tính vật lý của ô tô đòi hỏi diện tích đỗ xe lớn và khả năng xoay trở kém linh hoạt hơn xe máy. Tác giả dẫn số liệu cho thấy thời gian trung bình người lái xe phải di chuyển lòng vòng để tìm kiếm một vị trí đỗ còn trống ước tính lên tới 240 giờ mỗi năm (tương đương khoảng 700 ngày trong cả cuộc đời), gây lãng phí nhiên liệu, tăng phát thải ô nhiễm và áp lực tâm lý cho người điều khiển phương tiện. Trong thực tế, các bãi giữ xe truyền thống phần lớn chỉ dừng lại ở chức năng kiểm soát vào - ra, chưa hỗ trợ cập nhật số lượng chỗ trống theo thời gian thực hay điều hướng phương tiện trực tiếp tại chỗ. Khi xe tiến vào bãi đã hết chỗ, việc quay đầu ra ngoài gặp nhiều cản trở và gây ách tắc cục bộ. Xuất phát từ thực trạng đó, đề tài "Thiết kế, thi công module cảm biến và ứng dụng xây dựng mô hình mạng giám sát vị trí đậu xe" được thực hiện nhằm cung cấp giải pháp nhận diện vị trí trống tự động và giám sát từ xa.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Thiết kế và thi công module cảm biến nhận biết ô tô đã đi vào vị trí đỗ.
2. Xây dựng mạng cảm biến nhằm giám sát trạng thái các vị trí đỗ xe còn trống trong bãi giữ xe.
3. Đồng bộ và giám sát trạng thái chỗ trống qua nền tảng Web và ứng dụng trên điện thoại di động thông qua Internet.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định qua 8 nội dung cụ thể:

1. Nghiên cứu công nghệ và nguyên lý của chuẩn truyền thông nối tiếp Modbus RS485.
2. Tìm hiểu chuẩn truyền thông RS485 tích hợp trên vi điều khiển Arduino Nano và vi điều khiển NodeMCU ESP8266; tìm hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến khoảng cách siêu âm.
3. Lập trình, thiết kế giao diện hiển thị và thao tác điều khiển với phần mềm Blynk được kết nối bởi module ESP8266.
4. Nghiên cứu lập trình nhúng cho dòng vi điều khiển ATmega328P (Arduino Nano) và chip ESP8266.
5. Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống phần cứng gồm một thiết bị điều khiển trung tâm và các module cảm biến nhận diện đặt tại từng vị trí đậu xe.
6. Vận hành thử nghiệm mô hình thực tế, kiểm tra độ chính xác, hiệu chỉnh và hoàn thiện toàn bộ hệ thống.
7. Tổng hợp kết quả và thực hiện viết báo cáo thuyết minh đồ án tốt nghiệp.
8. Bảo vệ đồ án tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống mạng cảm biến phát hiện phương tiện và truyền nhận dữ liệu trạng thái chỗ đỗ xe. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian là mô hình bãi đỗ xe gồm 4 vị trí đỗ được chế tạo thử nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; phạm vi thời gian thực hiện từ ngày 12 tháng 9 năm 2022 đến ngày 24 tháng 12 năm 2022. Đề tài giới hạn ở việc mô phỏng mạng cảm biến giám sát vị trí đỗ độc lập, chưa tích hợp đồng bộ vào các hệ thống quản lý thu phí, kiểm soát thẻ từ hay rào chắn barie tự động hiện có trên thị trường.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng các nền tảng lý thuyết và công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông công nghiệp và mạng vạn vật kết nối (IoT):

• Hệ thống giám sát bãi xe thực tế: Tham khảo nguyên lý hoạt động của giải pháp thương mại Viva Parking sử dụng cảm biến siêu âm chuyên dụng VIVA-UD-01 (tầm đo 2,7 – 3m, tích hợp bù nhiệt độ, bộ lọc chống nhiễu và giao tiếp đường truyền RS485 kéo dài tới 1200m).
• Công nghệ IoTs và giao thức Wi-Fi: Khái niệm IoT (thuật ngữ do Kevin Ashton đưa ra năm 1999 tại Trung tâm Auto-ID, Học viện Công nghệ Massachusetts - MIT). Hệ thống sử dụng giao thức Wi-Fi chuẩn IEEE 802.11n hoạt động trên dải tần 2.4 GHz để truyền dữ liệu không dây từ trạm xử lý trung tâm lên mạng diện rộng.
• Chuẩn truyền thông RS485 và giao thức Modbus: Chuẩn truyền dẫn cân bằng vi sai được Hiệp hội Công nghiệp Điện tử (EIA) phê duyệt năm 1983. RS485 sử dụng hai dây tín hiệu xoắn A và B, xác định mức logic dựa trên độ lệch điện áp $V_{AB}$ ($V_A - V_B > 200\text{ mV}$ tương ứng mức 1; $V_B - V_A > 200\text{ mV}$ tương ứng mức 0; vùng bất định từ $-200\text{ mV}$ đến $+200\text{ mV}$). Chuẩn này cho phép nối mạng tối đa 32 trạm thu phát trên cùng đường truyền ở khoảng cách lên tới 1200m với tốc độ truyền lý thuyết đạt 115.200 bps hoặc tối đa 2 Mbps ở cự ly ngắn. Cấu trúc khung truyền Modbus RTU gồm: 1 byte địa chỉ thiết bị (từ 0 đến 254), 1 byte mã hàm chức năng, $n$ byte dữ liệu trao đổi và 2 byte kiểm tra lỗi CRC-16.
• Phần mềm ứng dụng: Môi trường lập trình nhúng Arduino IDE phiên bản 1.8.19 hỗ trợ cấu trúc lệnh C/C++ (setup() và loop()); phần mềm Proteus 8.12 (mô-đun ISIS để thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện và ARES để thiết kế layout mạch in PCB hai lớp, mô phỏng không gian 3D); nền tảng IoT Blynk (bao gồm Blynk Web Dashboard và Blynk App trên hệ điều hành Android/iOS) quản lý thông qua luồng dữ liệu chân ảo (Virtual Pin/Datastreams) và mã xác thực Auth_Token.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật được áp dụng xuyên suốt đồ án:

• Phương pháp thiết kế phần cứng: Phân tích yêu cầu kỹ thuật từng khối chức năng, tính toán công suất tiêu thụ điện, lựa chọn linh kiện tương thích logic TTL và vẽ mạch in PCB chuyên dụng.
• Phương pháp ghép nối và xây dựng mạng truyền thông: Triển khai cấu trúc Master - Slave thông qua vi mạch MAX485 chuyển đổi tín hiệu UART sang vi sai RS485, đảm bảo khả năng triệt tiêu nhiễu đồng pha trên đường truyền vật lý kéo dài.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Đặt các vật thể mô phỏng xe cơ giới với kích thước và chất liệu vỏ hộp khác nhau tại từng ô đỗ, đo đạc khoảng cách phát hiện của cảm biến siêu âm, kiểm tra tốc độ phản hồi của đèn chỉ thị LED RGB và ghi nhận độ trễ cập nhật dữ liệu trên giao diện ứng dụng Blynk.

Dưới đây là bảng tổng hợp thông số kỹ thuật của các phần cứng cốt lõi được sử dụng trong hệ thống:

Thiết bị / Linh kiện	Vi điều khiển / Vi mạch chính	Điện áp hoạt động	Dòng điện / Công suất tiêu thụ	Thông số kỹ thuật đặc trưng
Arduino Nano	ATmega328P (kiến trúc AVR, 16 MHz)	5V DC (ngõ vào 7 – 12V)	Dòng I/O: 40 mA; Tiêu thụ: 19 mA	22 chân Digital I/O, 8 chân Analog ADC, 6 ngõ PWM, bộ nhớ Flash 32 KB, SRAM 2 KB, EEPROM 1 KB
Cảm biến US-015	Đầu phát/thu sóng siêu âm	5V DC	Dòng hoạt động: 10 ~ 40 mA	Tần số 40 kHz, góc quét $<15^\circ$, tầm đo 2 ~ 700 cm (chính xác nhất ở khoảng cách $<100$ cm)
Module TTL RS-485	Chip MAX485	5V DC	Dòng: 300 $\mu$A; Công suất: 830 mW	Tốc độ truyền tối đa 2 Mbps, cự ly truyền thực tế ~900 m (tối đa 1200 m), chân giao tiếp: RO, RE, DE, DI
NodeMCU ESP8266	Tensilica L106 32-bit MCU (ESP-12)	3.3V DC (ngõ vào Micro-USB / Vin)	Chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n (2.4 GHz)	16 chân GPIO, 1 kênh ADC (A0: 0 – 3.3V), tích hợp các giao diện UART0, UART1, SPI, I2C
Nguồn xung tổ ong	Mạch chuyển đổi AC-DC	110V – 240V AC (dải 85 ~ 264V AC)	Dòng tải ngõ ra 5A; Công suất 25W	Ngõ ra 5V DC ($\pm 10%$), dòng rò $<1\text{ mA}$, cơ chế bảo vệ quá tải, quá áp, chống sốc 10 ~ 500 Hz
LED RGB chỉ thị	Đi-ốt phát quang 3 màu (10mm)	1.8 – 2.8V DC	Dòng hoạt động: 20 mA	Loại cắm xuyên lỗ, tích hợp 3 kênh màu Đỏ (Red), Xanh lá (Green), Xanh dương (Blue)

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được tổ chức theo kiến trúc phân tán dựa trên mạng bus RS485 liên kết giữa trạm điều khiển trung tâm (Master) và các trạm thứ cấp (Slave) nhận diện tại từng vị trí đậu xe, kết hợp đường truyền không dây Internet lên máy chủ đám mây.

[Máy chủ Blynk / Ứng dụng Web & Mobile]
   [Trạm điều khiển trung tâm (Master)]
    - NodeMCU ESP8266
    - Module chuyển đổi UART-RS485 (MAX485)
[Module Cảm biến 1 (Slave 1)]    [Module Cảm biến n (Slave n)]   [Bảng LED chỉ đường]
 - Arduino Nano                   - Arduino Nano                  - Arduino Nano
 - Cảm biến siêu âm US-015        - Cảm biến siêu âm US-015       - Module RS485 (MAX485)
 - Module RS485 (MAX485)          - Module RS485 (MAX485)         - Cụm hiển thị LED RGB
 - LED RGB báo trạng thái chỗ     - LED RGB báo trạng thái chỗ

1. Phân chia các khối chức năng phần cứng

• Trạm điều khiển trung tâm: Sử dụng NodeMCU ESP8266 đóng vai trò vi xử lý Master. Khối giao tiếp RS485 trung tâm sử dụng chip MAX485 kết nối với chân UART của ESP8266 để gửi lệnh thăm dò (polling) tới các địa chỉ trạm con. ESP8266 sử dụng sóng Wi-Fi 2.4 GHz kết nối tới điểm truy cập Internet để đồng bộ trạng thái bãi xe với máy chủ Blynk.
• Module cảm biến nhận diện vị trí đỗ: Mỗi vị trí đỗ xe trang bị một bo mạch độc lập gồm vi điều khiển Arduino Nano kết nối với cảm biến siêu âm US-015 và module MAX485 mang một mã địa chỉ Slave xác định (từ 1 đến 4). Arduino Nano phát xung kích hoạt (Trigger) 40 kHz và đo độ rộng xung phản xạ (Echo) để tính khoảng cách từ trần bãi xe tới nóc phương tiện. Nếu khoảng cách đo được nhỏ hơn ngưỡng quy định (có xe vào vị trí), Arduino điều khiển khối đèn LED RGB hiển thị màu Đỏ; ngược lại, khi ô đỗ trống, LED RGB chuyển sang màu Xanh lá. Dữ liệu trạng thái này được lưu giữ và truyền về trạm trung tâm khi nhận đúng khung truyền truy vấn địa chỉ. Đèn LED RGB được bố trí sau một tấm mica khuếch tán ánh sáng giúp người điều khiển phương tiện dễ dàng quan sát từ xa trong không gian bãi giữ xe.
• Bảng LED chỉ đường: Đặt tại lối vào các luồng giao thông của bãi xe, gồm vi điều khiển nhận lệnh từ Master qua mạng RS485 để điều khiển các cụm LED hiển thị mũi tên chỉ dẫn, thông báo tình trạng còn chỗ ở các làn bên trái hoặc bên phải.
• Khối nguồn toàn hệ thống: Cung cấp bởi bộ nguồn xung tổ ong 5V - 5A (công suất định mức 25W). Nguồn 5V DC được dẫn song song dọc theo hệ thống khung bãi đỗ để cấp nguồn đồng thời cho NodeMCU ESP8266, các mạch Arduino Nano, cụm cảm biến US-015, vi mạch MAX485 và toàn bộ hệ thống đèn LED RGB báo hiệu.

2. Thiết kế mạch in và lắp ráp kết cấu cơ khí

Toàn bộ sơ đồ nguyên lý và bản vẽ mạch in PCB (Printed Circuit Board) được thiết kế bằng phần mềm Proteus 8.12. Tác giả đã hoàn thiện 3 bản vẽ mạch in chuyên biệt:

1. Bo mạch trung tâm (Board Trung Tâm): tích hợp đế cắm NodeMCU ESP8266, module MAX485, cổng kết nối nguồn và khối lọc nhiễu.
2. Bo mạch module cảm biến nhận diện chỗ trống (Board Cảm biến): thiết kế nhỏ gọn, tích hợp chân cắm Arduino Nano, cổng kết nối cảm biến US-015, cổng xuất tín hiệu cho LED RGB và mạch giao tiếp MAX485.
3. Bo mạch bảng chỉ đường (Board Chỉ Đường): mạch điều khiển các dãy LED định hướng luồng di chuyển.

Về kết cấu mô hình thực tế, khung chịu lực và giá treo của mô hình bãi xe được chế tạo bằng hệ thống khung ống luồn dây điện bằng nhựa PVC. Vật liệu này giúp bảo vệ các tuyến cáp truyền thông RS485 và cáp cấp nguồn 5V đi ngầm bên trong ống, tăng độ bền cơ học và thuận tiện cho việc tháo lắp thử nghiệm.

3. Giải thuật phần mềm và triển khai hệ thống IoT

Phần mềm hệ thống được lập trình nhúng bằng ngôn ngữ C/C++ trên nền tảng Arduino IDE:

• Giải thuật trạm điều khiển trung tâm: Sau khi khởi tạo thông số chân và kết nối mạng Wi-Fi thành công, chương trình chính bước vào vòng lặp tuần tự gửi khung dữ liệu yêu cầu trạng thái (Request Frame) tới từng module cảm biến Slave $1, 2, 3, 4$ thông qua bus RS485. Khi nhận được phản hồi (Response Frame), vi điều khiển Master giải mã dữ liệu, tổng hợp số chỗ trống hiện tại trong bãi, phát lệnh cập nhật trạng thái ra bảng LED chỉ đường và đẩy dữ liệu lên máy chủ Blynk thông qua các chân ảo (Virtual Pins).
• Giải thuật module cảm biến nhận diện: Vi điều khiển Arduino Nano liên tục đo đạc khoảng cách từ cảm biến siêu âm US-015. Khi có sự thay đổi giữa trạng thái có xe và không có xe, biến cờ trạng thái được cập nhật, đồng thời đổi màu hiển thị của LED RGB tại chỗ. Khi nhận được tín hiệu ngắt UART từ đường truyền RS485, module kiểm tra byte địa chỉ; nếu trùng khớp với địa chỉ của mình, nó lập tức đóng gói byte dữ liệu trạng thái và gửi về trạm trung tâm.
• Cấu hình bảng điều khiển Blynk:
  • Thiết lập Template trên Blynk Online Dashboard, định nghĩa các luồng dữ liệu (Datastreams) dạng số nguyên (Integer) tương ứng với từng ô đỗ và tổng số chỗ trống.
  • Thiết kế giao diện đồ họa trên Web Dashboard và ứng dụng di động Blynk App: kéo thả các tiện ích (Widgets) hiển thị nhãn số lượng xe (Label), biểu tượng báo trạng thái từng vị trí (màu sắc trực quan).
  • Phân quyền truy cập người dùng: Cung cấp mã QR Code dẫn tới biểu mẫu để khách hàng đăng ký thông tin nhận tài khoản truy cập vào dự án trên Blynk; hệ thống gửi email xác thực và tài khoản quản trị (Admin) thực hiện cấp quyền cho người dùng theo dõi số chỗ trống trước khi đưa xe vào bãi.

---

Nội dung chính theo từng chương

Báo cáo đồ án tốt nghiệp được tổ chức thành 6 chương với các nội dung chi tiết:

Chương 1. Tổng quan đề tài

Trình bày tính cấp thiết của nghiên cứu xuất phát từ thực trạng gia tăng phương tiện ô tô cá nhân tại Việt Nam (dẫn chứng số liệu từ Tổng cục Thống kê và UBND Thành phố Hà Nội); phân tích bất cập của các bãi đỗ xe truyền thống khi không có tính năng thông báo vị trí trống từ xa. Đưa ra mục tiêu thiết kế, chế tạo module cảm biến siêu âm nhận diện ô tô và xây dựng mạng cảm biến giám sát vị trí đậu xe thông qua Web và ứng dụng điện thoại. Liệt kê 8 nội dung nghiên cứu thực hiện, xác định giới hạn đề tài ở mô hình thực nghiệm 4 vị trí đỗ xe và phác thảo bố cục cấu trúc 6 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp tổng quan về các hệ thống quản lý bãi đỗ xe thông minh trong thực tế, đi sâu phân tích hệ thống Viva Parking và cảm biến siêu âm VIVA-UD-01. Trình bày các khái niệm nền tảng về công nghệ Mạng vạn vật kết nối (IoTs), giao thức truyền thông mạng không dây Wi-Fi chuẩn IEEE 802.11n hoạt động ở dải tần 2.4 GHz. Phân tích chi tiết nguyên lý chuẩn truyền thông nối tiếp công nghiệp RS485, kỹ thuật truyền dẫn vi sai trên cặp dây xoắn, cấu trúc khung truyền dữ liệu Modbus RTU (byte địa chỉ, byte mã hàm, khối dữ liệu và 2 byte kiểm tra lỗi CRC 16-bit). Trình bày thông số kỹ thuật, cấu hình sơ đồ chân và chức năng của các phần cứng chính: Arduino Nano (ATmega328P), cảm biến siêu âm US-015, module chuyển đổi tín hiệu TTL-RS485 (chip MAX485), vi điều khiển NodeMCU ESP8266, đèn LED RGB 10mm và nguồn xung tổ ong 5V - 5A (25W). Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE 1.8.19 (cấu trúc setup, loop, quy trình cài đặt gói thư viện ESP8266 qua Board Manager URL), phần mềm thiết kế mạch điện và layout PCB Proteus 8.12 (công cụ Schematic ISIS và Layout ARES), cùng quy trình đăng ký tài khoản, cấu hình thiết bị, tạo Datastreams và thiết kế giao diện trên nền tảng Blynk (Web Dashboard và ứng dụng Blynk di động).

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Trình bày sơ đồ khối toàn hệ thống và các tính toán kỹ thuật để lựa chọn linh kiện, phương án thiết kế cho từng khối chức năng:

• Thiết kế trạm điều khiển trung tâm: khối xử lý trung tâm (NodeMCU ESP8266), khối giao tiếp RS485 và khối truyền thông giám sát qua mạng Internet.
• Thiết kế module cảm biến nhận diện chỗ trống: khối vi xử lý (Arduino Nano), khối giao tiếp RS485, khối cảm biến khoảng cách US-015 và khối đèn báo hiệu LED RGB gắn mica khuếch tán ánh sáng.
• Thiết kế bảng LED chỉ đường: khối vi xử lý, khối giao tiếp RS485 và các cụm LED hiển thị mũi tên định hướng.
• Tính toán khối nguồn: lập bảng tính công suất và dòng điện tiêu thụ toàn hệ thống nhằm đảm bảo nguồn xung 5V - 5A hoạt động ổn định, an toàn.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý chi tiết cho toàn bộ các mạch điện thành phần; đưa ra các yêu cầu kỹ thuật đối với mô hình bãi xe và lựa chọn kết cấu khung xương bằng ống nhựa PVC.

Chương 4: Thi công hệ thống

Mô tả toàn bộ tiến trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ lý thuyết sang sản phẩm vật lý:

• Gia công mạch in PCB bằng phần mềm Proteus cho 3 khối: Bo mạch trung tâm, Bo mạch module cảm biến nhận diện và Bo mạch bảng LED chỉ đường; hiển thị hình ảnh mạch in 2D và mô hình 3D thực tế trước và sau khi hàn linh kiện.
• Lắp ráp hoàn thiện kết cấu mô hình bãi xe vật lý: luồn dây tín hiệu và dây nguồn trong khung ống nhựa PVC, bố trí các bo mạch cảm biến và đèn báo LED RGB ngay phía trên từng ô đỗ xe.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật chi tiết cho từng thành phần phần mềm: lưu đồ chương trình điều khiển trung tâm (Master), chương trình con yêu cầu nhận dữ liệu từ các Slave, chương trình con gửi tín hiệu điều khiển ra bảng chỉ đường, lưu đồ giải thuật chương trình module cảm biến nhận diện chỗ trống và lưu đồ cho bảng chỉ đường.
• Biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng hệ thống: hướng dẫn quét mã QR Code để điền biểu mẫu thông tin khách hàng, quy trình xác thực qua email từ hệ thống Blynk, cách thức người dùng truy cập giao diện giám sát và quy trình người quản trị (Admin) thêm người dùng mới.

Chương 5: Kết quả thực hiện

Trình bày kết quả thử nghiệm thực tế đối với cả phần cứng và phần mềm qua 5 kịch bản đỗ xe mô phỏng:

• Bãi xe còn trống 4 vị trí: cả 4 đèn LED tại các ô đỗ đều sáng màu Xanh, ứng dụng trên điện thoại cập nhật hiển thị số chỗ trống là 4.
• Bãi xe còn 3 vị trí trống (1 xe vào đỗ): đèn tại vị trí có xe chuyển sang màu Đỏ, 3 vị trí còn lại giữ màu Xanh, ứng dụng điện thoại hiển thị số chỗ trống là 3.
• Bãi xe còn 2 vị trí trống (2 xe vào đỗ): 2 đèn đỏ, 2 đèn xanh, ứng dụng hiển thị số chỗ trống là 2.
• Kiểm thử điều hướng luồng giao thông: khi hết chỗ tại một dãy đỗ bên trái hoặc bên phải, bảng LED chỉ đường lập tức hiển thị mũi tên điều hướng phương tiện sang dãy còn lại.
• Bãi xe còn 1 vị trí trống và bãi xe đã đủ chỗ (cả 4 vị trí đều có xe): các đèn LED chuyển toàn bộ sang màu Đỏ, giao diện điện thoại cập nhật chính xác số chỗ trống là 1 và 0.
• Thực nghiệm kiểm tra độ nhạy cảm biến: sử dụng các loại vỏ hộp có kích thước và hình dáng khác nhau đại diện cho các dòng xe thực tế nhằm kiểm tra khả năng phản hồi khoảng cách của cảm biến US-015.
• Thực hiện so sánh đối chiếu giải pháp của nhóm với các phần mềm thương mại đỗ xe thông minh trên thị trường hiện nay như I-Parking và My-Parking.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu ban đầu đề ra: hệ thống vận hành đồng bộ, nhận diện chính xác trạng thái có xe và truyền dữ liệu ổn định về trung tâm cũng như cập nhật lên ứng dụng Blynk. Phân tích thẳng thắn các nhược điểm còn tồn tại của mô hình thử nghiệm và đề xuất các phương hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo nhằm hoàn thiện giải pháp kỹ thuật.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm phần cứng và phần mềm

Hệ thống mạng cảm biến đã được chế tạo hoàn chỉnh và vận hành ổn định trong điều kiện thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. Dữ liệu trạng thái thu nhận từ cảm biến siêu âm US-015 được xử lý và truyền tải qua mạng bus RS485 với độ tin cậy cao, không xảy ra hiện tượng xung đột dữ liệu giữa các trạm con nhờ cơ chế Master truy vấn tuần tự. Dưới đây là bảng tổng hợp các trạng thái thử nghiệm thực tế của mô hình:

Kịch bản thử nghiệm	Số xe đỗ trong bãi	Trạng thái đèn LED tại 4 vị trí đỗ	Chỉ thị bảng LED chỉ đường	Số chỗ trống hiển thị trên ứng dụng Blynk	Đánh giá độ chính xác
Kịch bản 1	0 xe	4 đèn đều màu Xanh lá	Chỉ hướng vào cả 2 làn	4 chỗ	Chính xác 100%
Kịch bản 2	1 xe	1 đèn Đỏ, 3 đèn Xanh lá	Chỉ hướng vào cả 2 làn	3 chỗ	Chính xác 100%
Kịch bản 3	2 xe	2 đèn Đỏ, 2 đèn Xanh lá	Điều hướng sang làn còn trống	2 chỗ	Chính xác 100%
Kịch bản 4	3 xe	3 đèn Đỏ, 1 đèn Xanh lá	Chỉ hướng vào đúng vị trí trống duy nhất	1 chỗ	Chính xác 100%
Kịch bản 5	4 xe (đủ chỗ)	4 đèn đều chuyển màu Đỏ	Báo hiệu hết chỗ	0 chỗ	Chính xác 100%

Thử nghiệm cảm biến US-015 với nhiều loại vỏ hộp có hình dạng và kích thước khác nhau (đại diện cho các dòng xe sedan, SUV, hatchback) khẳng định cảm biến hoạt động chính xác trong phạm vi khoảng cách dưới 100 cm, không bị nhầm lẫn giữa các vị trí liền kề nhờ góc quét hẹp dưới 15 độ.

2. So sánh với các giải pháp thương mại

Khi đặt trong sự đối sánh với các ứng dụng bãi đỗ xe thông minh thương mại trên thị trường như I-Parking và My-Parking, hệ thống của đồ án đạt được các điểm tương đồng và khác biệt cụ thể:

• Điểm tương đồng: Đều cho phép người dùng giám sát trạng thái chỗ trống của bãi đỗ xe từ xa qua ứng dụng di động; cung cấp tín hiệu chỉ thị trực quan tại chỗ giúp tài xế tìm vị trí đỗ nhanh chóng.
• Điểm khác biệt: Các ứng dụng thương mại (I-Parking, My-Parking) là hệ sinh thái hoàn chỉnh tích hợp thanh toán không tiền mặt, nhận diện biển số xe qua camera và đặt chỗ trước. Trong khi đó, giải pháp của đồ án tập trung vào tính tự chủ trong thiết kế phần cứng: tự thiết kế module cảm biến và mạng truyền thông vi sai RS485 nội bộ với chi phí chế tạo thấp, cấu trúc phần cứng linh hoạt, dễ dàng thay thế, sửa chữa hoặc tái cấu hình theo quy mô bãi xe thực tế.

3. Đóng góp kỹ thuật của đề tài

• Chế tạo thành công module cảm biến nhận diện chỗ đỗ xe tích hợp vi điều khiển ATmega328P, cảm biến siêu âm US-015 và mạch giao tiếp RS485 trên một bo mạch PCB nhỏ gọn, hoạt động ổn định.
• Ứng dụng thành công chuẩn truyền thông công nghiệp RS485 trong việc giải quyết bài toán suy hao và nhiễu tín hiệu khi truyền dữ liệu khoảng cách xa trong môi trường bãi giữ xe nhiều cấu trúc kim loại và bê tông.
• Xây dựng giải pháp IoT hoàn chỉnh kết hợp giữa mạng bus có dây (RS485) đảm bảo độ tin cậy nội bộ và mạng không dây (Wi-Fi ESP8266 / Blynk Cloud) phục vụ giám sát đa nền tảng cho người dùng cuối.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Bên cạnh những kết quả đạt được, tác giả chỉ ra các hạn chế mang tính kỹ thuật của đồ án do giới hạn về thời gian và nguồn lực nghiên cứu:

• Quy mô thử nghiệm hạn chế: Hệ thống mới chỉ dừng lại ở việc thiết kế và thử nghiệm trên mô hình bãi xe mô phỏng 4 vị trí đỗ, chưa được kiểm chứng thực tế tại các bãi giữ xe có quy mô lớn với hàng trăm phương tiện.
• Tính độc lập của hệ thống: Đồ án chưa tích hợp với các hệ thống quản lý giữ xe hoàn chỉnh đang vận hành (chưa có phân hệ đọc thẻ từ RFID, rào chắn barie tự động, hệ thống camera nhận diện biển số ANPR và module quản lý thu phí).
• Phụ thuộc hạ tầng trung gian: Hệ thống phụ thuộc trực tiếp vào đường truyền Internet Wi-Fi và máy chủ trung gian đám mây của Blynk; khi mất kết nối Internet hoặc máy chủ Blynk gặp sự cố, tính năng giám sát từ xa qua điện thoại sẽ bị gián đoạn (mặc dù hệ thống đèn báo tại chỗ vẫn hoạt động độc lập qua RS485).
• Điều kiện môi trường hoạt động: Cảm biến siêu âm US-015 và mô hình chưa được trang bị vỏ bảo vệ chống nước, chống bụi đạt chuẩn công nghiệp (như IP65/IP67), do đó chưa kiểm tra được độ bền và độ chính xác khi vận hành trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, bụi bẩn hoặc độ ẩm cao ngoài trời.

Các hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất bao gồm:

1. Mở rộng số lượng module cảm biến trên cùng một đường bus RS485 để kiểm tra giới hạn chịu tải phần cứng (theo lý thuyết có thể đạt 32 nút mạng hoặc mở rộng hơn khi sử dụng bộ lặp repeater).
2. Tích hợp hệ thống quản lý xe ra - vào toàn diện: bổ sung rào chắn barie, đầu đọc thẻ thông minh RFID và camera ứng dụng xử lý ảnh để nhận diện biển số xe tự động.
3. Xây dựng máy chủ dữ liệu nội bộ (Local Server) độc lập, giảm thiểu sự phụ thuộc vào nền tảng đám mây của bên thứ ba, nâng cao tính bảo mật và đảm bảo tốc độ phản hồi thời gian thực trong mạng nội bộ.
4. Nâng cấp cảm biến siêu âm lên các dòng cảm biến chống nước chuyên dụng, bổ sung thuật toán bù trừ nhiệt độ môi trường và tối ưu hóa giải thuật định tuyến luồng xe thông minh trong bãi đỗ.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với các nhóm đối tượng cụ thể sau:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ IoT: Tài liệu cung cấp quy trình thiết kế và chế tạo sản phẩm kỹ thuật hoàn chỉnh, từ việc tính toán chọn linh kiện, thiết kế schematic, vẽ mạch in PCB trên Proteus, đến phương pháp lập trình nhúng C/C++ kết hợp giữa Arduino và ESP8266.
• Người nghiên cứu các đề tài mạng cảm biến công nghiệp: Phần nội dung phân tích chuẩn truyền thông RS485 vi sai, cấu trúc khung truyền Modbus RTU và kỹ thuật chống nhiễu trên đường truyền cáp xoắn đôi là tài liệu đối sánh thực tế giá trị cho các bài toán truyền dữ liệu khoảng cách xa trong môi trường nhiều nhiễu điện từ.
• Kỹ sư phát triển ứng dụng IoT giám sát: Các bước cấu hình, thiết lập Virtual Pins, thiết kế giao diện Web Dashboard và Blynk App trên điện thoại thông minh cùng cơ chế phân quyền người dùng qua mã QR Code có thể được tái sử dụng trực tiếp cho các hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA/IoT) tương tự trong nhà xưởng hoặc tòa nhà thông minh.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống lại lựa chọn chuẩn truyền thông RS485 thay vì các chuẩn không dây như ZigBee, BLE hay Wi-Fi cho các module cảm biến tại ô đỗ?

Trong môi trường bãi giữ xe ngầm hoặc nhà để xe nhiều tầng, cấu trúc bê tông cốt thép dày đặc và sự hiện diện của khối lượng lớn khung kim loại xe cơ giới gây suy hao và phản xạ sóng điện từ rất nghiêm trọng, khiến các kết nối không dây tầm ngắn dễ mất ổn định hoặc mất kết nối. Chuẩn RS485 sử dụng phương thức truyền dẫn vi sai cân bằng trên cặp dây xoắn, mang lại khả năng triệt tiêu nhiễu đồng pha vượt trội, hỗ trợ khoảng cách truyền xa lên tới 1200m và kết nối tối đa 32 trạm thu phát trên cùng đường truyền, đảm bảo độ tin cậy dữ liệu công nghiệp với chi phí linh kiện thấp.

2. Cảm biến siêu âm US-015 có ưu điểm gì so với các loại cảm biến siêu âm thông dụng khác như HC-SR04 hay HY-SRF05?

Theo kết quả khảo sát và thử nghiệm của nhóm tác giả, cảm biến siêu âm US-015 cho độ ổn định và độ chính xác cao hơn hẳn so với HC-SR04 và HY-SRF05 trong cùng điều kiện thực tế. Mặc dù ở điều kiện lý tưởng cảm biến có thể đo từ 2 cm đến 700 cm, nhưng trong điều kiện hoạt động tiêu chuẩn của bãi đỗ, US-015 duy trì độ chính xác cao nhất ở khoảng cách dưới 100 cm với góc quét hẹp dưới 15 độ, tương thích hoàn toàn với các thư viện code mẫu của Arduino mà không cần mạch khuếch đại bổ sung.

3. Trạm điều khiển trung tâm đảm nhiệm các chức năng gì và sử dụng vi điều khiển nào?

Trạm điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển NodeMCU ESP8266 (tích hợp nhân Tensilica L106 32-bit). Thiết bị này đóng vai trò Master trên mạng bus RS485: liên tục phát lệnh thăm dò tuần tự tới các module cảm biến Slave (Arduino Nano), giải mã khung dữ liệu phản hồi, tổng hợp số chỗ trống, truyền lệnh điều khiển ra bảng LED chỉ đường và sử dụng chip Wi-Fi tích hợp để truyền dữ liệu trạng thái lên đám mây Blynk qua mạng Internet.

4. Khối nguồn toàn hệ thống được tính toán với thông số kỹ thuật nào để đáp ứng tải hoạt động?

Hệ thống sử dụng bộ nguồn xung 5V - 5A với công suất định mức 25W, nhận điện áp xoay chiều ngõ vào từ 110V đến 240V AC. Mức công suất 25W và dòng 5A được tính toán để đáp ứng dư tải cho toàn bộ vi điều khiển (NodeMCU ESP8266 tiêu thụ cổng 3.3V/5V, các mạch Arduino Nano tiêu thụ ~19 mA mỗi mạch, dòng I/O tối đa 40 mA), các module MAX485 (dòng hoạt động 300 $\mu$A), cụm cảm biến US-015 (10 ~ 40 mA) và hệ thống các cụm đèn LED RGB (khoảng 20 mA mỗi kênh màu) cùng bảng LED chỉ đường hoạt động liên tục.

5. Người dùng theo dõi tình trạng bãi xe thông qua những phương thức nào?

Người dùng có hai phương thức tiếp cận thông tin:

1. Tại chỗ: Quan sát trực tiếp đèn chỉ thị LED RGB gắn trên tấm mica khuếch tán tại từng ô đỗ (màu Xanh lá là còn trống, màu Đỏ là có xe) và bảng LED chỉ đường đặt tại lối vào bãi xe để biết hướng đi tới khu vực còn chỗ.
2. Từ xa: Truy cập ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh (hoặc giao diện Web Dashboard). Khách hàng quét mã QR Code để đăng ký thông tin, nhận tài khoản qua email và theo dõi trực quan số lượng vị trí còn trống theo thời gian thực trước khi tiến vào bãi đỗ.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công module cảm biến và ứng dụng xây dựng mô hình mạng giám sát vị trí đậu xe" của hai sinh viên Nguyễn Minh Đức và Nguyễn Trần Lợi đã giải quyết thành công bài toán quản lý vị trí đỗ xe tự động bằng giải pháp tích hợp giữa mạng truyền thông công nghiệp và công nghệ IoT. Bằng việc kết hợp vi điều khiển ATmega328P, cảm biến siêu âm US-015, chuẩn truyền dẫn vi sai RS485 chống nhiễu và chip điều khiển NodeMCU ESP8266 đồng bộ dữ liệu lên nền tảng Blynk, hệ thống đảm bảo khả năng nhận diện phương tiện chính xác và hiển thị trạng thái chỗ trống linh hoạt cả tại chỗ lẫn từ xa qua thiết bị di động. Mặc dù còn giới hạn ở quy mô mô hình 4 vị trí đỗ và chưa tích hợp phân hệ kiểm soát thẻ xe hay thanh toán tự động, công trình đã xây dựng được một nền tảng phần cứng - phần mềm hoàn chỉnh, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao trong quá trình phát triển các bãi đỗ xe thông minh phục vụ hạ tầng đô thị hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - Nội dung 1: Nghiên cứu về công nghệ của chuẩn truyền thông giao tiếp Modbus RS485. - Nội dung 2: Tìm hiểu chuẩn truyền thông giao tiếp RS485 với Arduino và Node MCU, tìm hiểu về cảm biến siêu âm. - Nội dung 3: Lập trình, thiết kế giao diện hiển thị và thao tác với phần mềm Blynk được thiết lập bởi ESP8266. - Nội dung 4: Nghiên cứu lập trình nhúng với Arduino Nano và ESP8266.

- Nội dung 5: Xây dựng mô hình hệ thống gồm một thiết bị điều khiển trung tâm và các thiết bị nhận diện chỗ trống ở vị trí đậu xe. - Nội dung 6: Chạy thử nghiệm mô hình, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống. - Nội dung 7: Tiến hành viết báo cáo đồ án. - Nội dung 8: Báo cáo đồ án tốt nghiệp.

GIỚI HẠN ĐỀ TÀI - Đề tài thiết kế một mô hình bãi xe gồm 4 chỗ đậu xe. - Xây dựng một hệ thống mạng cảm biến giúp xác định số chỗ trống còn trong bãi. - Giám sát được số chỗ trên web và điện thoại. - Không tích hợp với các hệ thống giữ xe hiện tại.

BỐ CỤC CỦA ĐỒ ÁN Bố cục của đề tài thiết kế, thi công module cảm biến và ứng dụng xây dựng mô hình mạng giám sát vị trí đậu xe được thể hiện qua 6 chương như sau: - Chương 1: Tổng Quan Đề Tài. Chương này trình bày, đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, đưa ra mục tiêu, giới hạn và nội dung của đề tài. - Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về các chuẩn truyền thông, giao thức truyền dữ liệu nhằm phục vụ cho mục đích thiết kế ở các chương sau.

- Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Các tính toán, thiết kế sơ đồ khối cũng như đưa ra lựa chọn về phương án hay linh kiện sử dụng cho từng khối sẽ được trình bày trong chương này. - Chương 4: Thi công hệ thống. Quá trình, thi công và kết quả sau khi thi công, xây dựng lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển, cũng như thực nghiệm của hệ thống sẽ được thể hiện trong chương này.

- Chương 5: Kết Quả, Nhận xét, Đánh giá. Trong chương này, nhóm sẽ đưa ra kết quả mà nhóm đạt được, số liệu, hình ảnh hệ thống sau khi thi công đưa ra nhận xét và đánh giá về hệ thống. - Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Đề Tài. Sau khi thể hiện kết quả của đề tài, chương 6 trình bày những kết luận, đánh giá nhận xét về mức độ hoàn thành mục tiêu của đề tài.

Cuối cùng, thảo luận hướng phát triển nhằm tiếp tục hoàn thiện đề tài BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. GIỚI THIỆU VỀ MỘT SỐ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ BÃI GIỮ XE TRONG THỰC TẾ Trong cuộc sống hiện nay, với mức thu nhập và nhu cầu của người dân tăng cao, đồng thời cũng là lúc người dân muốn có cho mình một phương tiện đi lại dễ dàng trong thời tiết khắc nghiệt cũng như thuận tiện hơn. Trong đó, quan trọng nhất vẫn là một bãi giữ xe ở khu dân cư hay trung tâm thương mại. Lái xe xung quanh tìm kiếm một điểm đậu xe có sẵn mất khoảng 240 giờ/năm và 700 ngày trong cuộc sống của bạn.

Bên cạnh đó, nó lãng phí nhiên liệu và tạo ra sự lo lắng, và làm tăng ô nhiễm. Do đó, việc lắp đặt một hệ thống giám sát bãi giữ xe ở các trung tâm thương mại hay bãi đậu xe sẽ giúp các doanh nghiệp cũng như người điều khiển phương tiện: - Giám sát và quản lý số lượng xe ra vào một cách chính xác, từ đó biết được các vị trí còn trống - Thường xuyên cập nhật thông tin dữ liệu tiêu thụ của doanh nghiệp. - Cảnh báo sớm sự cố kịp thời, hạn chế việc hư hỏng thiết bị toàn hệ thống. - Có thể giảm tải được việc trực tiếp kiểm tra, mà có thể kiểm soát từ xa.

- Kéo dài tuổi thọ các thiết bị trong hệ thống một cách tối ưu.2 GIỚI THIỆU VỀ MỘT SỐ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ QUẢN LÝ BÃI GIỮ XE TRONG THỰC TẾ - Đây là một hệ thống bãi giữ xe thông minh sử dụng cảm biến siêu âm và gửi dữ liệu về máy chủ để thông báo xem số chỗ trống còn sót lại ở bãi giữ xe. - Đây được xem như là một hệ thống hoàn chỉnh giải quyết rất nhiều vấn đề gặp phải hiện nay, bãi giữ xe hoạt động như sơ đồ bên dưới. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 1 Sơ đồ hoạt động của bãi giữ xe thông minh Viva Parking Viva Parking sử dụng cảm biến siêu âm kết hợp với cảm biến nhiệt độ.Với môi trường bên ngoài, nhiệt độ bao nhiêu, tính tốc độ của sóng siêu âm, âm thanh, ở đó bằng cách xác định khoảng cách chính xác nhất.

Thiết bị giao tiếp với hệ thống thông qua giao tiếp RS485 đúng với tiêu chuẩn ở ngành điện để truyền khoảng cách lên tới 1200 m. Thiết bị sử dụng cảm biến siêu âm Viva-UD-01: Hình 2. 2 Hình ảnh cảm biến siêu âm VIVA-UD-01 Đặc điểm của VIVA-UD-01: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Xác định khoảng cách từ cảm biến đến xe. - Xác định nhiệt độ tự động thông minh.

- Bộ lọc chống can thiệp và ổn định giao tiếp trong RS485. - Khoảng cách cảm biến lên đến 2,7- 3m. - Tiêu thụ điện áp thấp. - Điện áp hoạt động với một phạm vi rộng - Nhấp nháy LED nếu cảm biến bị mất kết nối hoặc lỗi.

- Cài đặt cấu hình cảm biến thông qua phần mềm PC hoặc ứng dụng Android. CÔNG NGHỆ IoTs 2.1 Khái niệm IoTs IoTs hay là Internet of Things được coi thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Đây là một khái niệm mà tất cả mọi thứ sẽ được định dạng kể cả 1 con vật thông qua một mạng lưới mà không cần cho phép sự tương tác giữa người với người hoặc con người với máy tính. IoTs tiến hóa từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và Internet.

Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra trung tâm Auto-ID đại học MIT.2 Giao thức kết nối Wifi WiFi (Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống không dây sử dụng sóng vô tuyến, cũng giống như điện thoại di động, truyền hình và radio. Kết nối Wi Fi thường là sự lựa chọn đầu tiên của các kỹ sư về lập trình hay điện tử bởi tính phổ biến và lợi ích về mặt kinh tế của hệ thống WiFi cùng với đó là mạng Lan với mô hình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn. Các sóng vô tuyến của WiFi gần như tương đồng với các sóng vô tuyến sử dụng cho các thiết bị di động cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác.

Nó có thể chuyển và nhậnsóng vô tuyến, chuyển đậui các mã nhị phân 0 và 1 sang sóng vô tuyến và ngược lại. Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 Hz hoặc 5 Hz. Tần số này cao hơn so BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT với các tần số sử dụng cho điện thoại di đông, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số ở mức cao cho phép tín hiệu gửi được nhiều dữ liệu hơn.11n - Dãy tần số hoạt động: 2.4GHz và 5 GHz bands.

- Tốc độ xử lý tối đa: 600 Mbps 2. GIỚI THIỆU CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS485 2.1 Giới thiệu chung Năm 1983, Hiệp hội công nghiệp điện tử (EIA) đã phê duyệt một tiêu chuẩn truyền cân bằng mới gọi là RS-485. Đã được chấp nhận rộng rãi và sử dụng trong công nghiệp, y tế, và dân dụng. Có thể coi chuẩn RS485 là một phát triển của RS232 trong việc truyền dữ liệu nối tiếp.

Liên kết RS485 được sử dụng cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển các thiết bị. Những đặc điểm nổi trội của RS485 là nó có thể hỗ trợ một mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng một đường truyền, tốc độ baud có thể lên tới 115.200 cho một khoảng cách là 1000m. Với kiểu truyền cân bằng với 2 dây được xoắn lại với nhau nên khi nhiễu xảy ra ở dây này thì cũng xảy ra ở dây kia, tức là hai dây cùng nhiễu giống nhau. Điều này làm cho điện áp sai biệt giữa hai dây thay đổi không đáng kể, nên tại nơi thu vẫn nhận được tín hiệu đúng nhờ tính năng đặc biệt của bộ thu đã loại bỏ nhiễu.

Chuẩn truyền thông RS485 được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nơi mà môi trường nhiễu khá cao nhưng lại cần sự chính xác và ổn định của hệ thống khi đo đạc hoặc điều khiển các thiết bị từ xa.2 Các đặc điểm của RS485 - Truyền dẫn cân bằng. Hệ thống truyền dẫn của RS485 gồm có hai dây tín hiệu là A và B, được gọi là truyền dẫn cân bằng do tín hiệu trên dây này ngược với tín hiệu trên dây kia. Nghĩa là dây này đang phát mức điện áp cao cao thì dây kia phải đang phát mức điện áp thấp và ngược lại. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Với hai dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL được quy định khi áp của dây A lớn hơn dây B tối thiểu là 200mV, tín hiệu mức thấp TTL được quy định khi áp của dây A nhỏ hơn dây B tối thiểu cũng là 200mV.

Nếu điện áp 𝑉𝐴𝐵 mà nằm trong khoảng -200mV < 𝑉𝐴𝐵 < 200mV thì tín hiệu lúc này được xem như là rơi vào vùng bất định. Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm trong khoảng –7V đến +12V. Cặp dây xoắn. Hai dây tín hiệu AB của RS485 khi sử dụng cần phải có chiều dài bằng nhau và được quấn xoắn lại với nhau tạo thành một cọng dây xoắn.

Mục đích của việc làm như vậy là để giảm thiểu được nhiễu, nhất là khi truyền tải với khoảng cách xa và tốc độ cao.