Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của các đô thị hiện đại kéo theo sự gia tăng theo cấp số nhân của các phương tiện giao thông cá nhân như ô tô, xe máy và xe máy điện. Tình trạng này tạo ra áp lực nặng nề không chỉ đối với giao thông động mà còn trực tiếp tác động lên cơ sở hạ tầng giao thông tĩnh. Các bãi giữ xe truyền thống vận hành bằng phương thức thủ công bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng: thời gian kiểm soát phương tiện kéo dài gây ùn tắc tại lối vào/ra trong giờ cao điểm, tốn kém nhân lực điều tiết, thiếu thông tin tức thời về vị trí đỗ còn trống khiến người điều khiển phương tiện phải chạy lòng vòng gây lãng phí nhiên liệu, tăng nguy cơ va chạm và thất thoát dữ liệu doanh thu cũng như an ninh tài sản.

Trước thực trạng đó, đề tài đồ án môn học "Nghiên cứu, thiết kế hệ thống bãi đỗ xe thông minh" được thực hiện tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội nhằm nghiên cứu giải pháp tự động hóa toàn diện quy trình kiểm soát bãi đỗ xe thông qua sự kết hợp giữa kỹ thuật điều khiển lập trình PLC và xử lý thị giác máy tính.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

  1. Nhiệm vụ điều khiển phương tiện:

    • Xây dựng trạm kiểm soát cho phép đảo chiều luồng xe linh hoạt giữa luồng vào và luồng ra.
    • Tự động hóa quá trình nhận dạng biển số xe bằng camera và đối chiếu dữ liệu thẻ từ mà không cần sự can thiệp trực tiếp của nhân viên bảo vệ.
    • Điều khiển đóng/mở tự động hệ thống thanh chắn (barrier) khi có tín hiệu phát hiện xe và tự động dừng/cảnh báo nếu phát sinh sự cố hành trình.
    • Phát tín hiệu cảnh báo tức thì khi dữ liệu biển số xe lúc ra không trùng khớp với dữ liệu lúc vào.

  2. Nhiệm vụ quản lý và kiểm soát:

    • Quản lý chính xác số lượng phương tiện thực tế trong bãi, thống kê lưu lượng xe vào/ra theo ngày.
    • Cung cấp giao diện trực quan hiển thị số ô đỗ còn trống và trạng thái chi tiết của từng vị trí đỗ (báo xanh khi trống, báo đỏ khi đã có xe).
    • Xuất dữ liệu thống kê phục vụ công tác kiểm soát an ninh và quản lý doanh thu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống quản lý bãi đỗ xe tự động, cấu trúc điều khiển logic khả trình (PLC), cơ cấu chấp hành nâng hạ barrier bằng động cơ bước, thuật toán nhận dạng biển số xe quang học (OCR) và các loại cảm biến công nghiệp (cảm biến từ tính, cảm biến tiệm cận điện dung, công nghệ RFID).
  • Phạm vi thực hiện: Do giới hạn về thời gian, kinh phí và tính toán mô phỏng, nhóm tác giả tập trung xây dựng mô hình bãi đỗ xe quy mô 9 vị trí đỗ (chia làm 3 khu vực, mỗi khu vực 3 vị trí) được lập trình và mô phỏng trên phần mềm TIA Portal V15.1 kết hợp thuật toán xử lý ảnh trên nền tảng Python - OpenCV.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật cơ điện tử, tích hợp liên ngành giữa cơ khí chính xác, điều khiển tự động và công nghệ thông tin.

1. Khung lý thuyết và mô hình toán học

  • Mô hình hóa động cơ bước: Động cơ bước hai pha được nhóm tác giả lựa chọn để dẫn động thanh chắn barrier nhờ khả năng điều khiển vị trí chính xác ở chế độ vi bước (micro-stepping), momen giữ lớn và khả năng tự hãm khi mất điện. Mô hình toán học của động cơ bước được biểu diễn qua hệ phương trình vi phân phi tuyến:

$$\begin{cases} V_a = R \cdot i_a + L \frac{d i_a}{dt} - K_m \cdot W_m \cdot \sin(N_r \theta_m) \ V_b = R \cdot i_b + L \frac{d i_b}{dt} - K_m \cdot W_m \cdot \sin(N_r \theta_m + 90^\circ) \end{cases}$$

Chuyển đổi sang miền tần số phức Laplace để xác định hàm dòng điện pha:

$$I_a(s) = \frac{V_a(s) + K_m \cdot S \cdot \theta(s) \cdot \frac{K_m \cdot W_m \cdot \theta(s)}{S^2 + (K_m \cdot W_m \cdot \theta(s))^2}}{R + L \cdot S}$$

$$I_b(s) = \frac{V_b(s) + K_m \cdot S \cdot \theta(s) \cdot \frac{K_m \cdot W_m \cdot \theta(s)}{S^2 + (K_m \cdot W_m \cdot \theta(s))^2}}{R + L \cdot S}$$

Trong đó: $i_a, i_b$ là dòng điện pha ($A$); $V_a, V_b$ là điện áp pha ($V$); $R$ là điện trở cuộn dây pha ($\Omega$); $L$ là điện cảm ($H$); $N_r$ là số cực rotor; $K_m$ là hệ số momen xoắn; $W_m$ là tốc độ góc rotor ($rad/s$); $\theta_m$ là góc quay rotor ($rad$).

  • Lý thuyết điều khiển PLC: Ứng dụng cấu trúc điều khiển quét chu kỳ (scan cycle) của bộ điều khiển logic khả trình, quản lý bus dữ liệu (Data Bus), bus địa chỉ (Address Bus) và bus điều khiển (Control Bus), hoạt động ở xung nhịp CPU 1.8 MHz để xử lý các tín hiệu I/O số (Digital Input/Output).

  • Lý thuyết nhận dạng ký tự quang học (OCR) và xử lý ảnh: Áp dụng xử lý ảnh kỹ thuật số ma trận đa chiều, chuyển đổi không gian màu, lọc phi tuyến tính và trích xuất đường biên hình học để khoanh vùng và nhận diện biển số xe.

  • Nguyên lý cảm biến công nghiệp và RFID:

    • Cảm biến từ tính (Magnetic Sensor): Hoạt động dựa trên sự biến thiên từ thông trong cuộn cảm khi có khối kim loại (phương tiện) đi qua vùng từ trường, ứng dụng nhận biết xe vào/ra tại cổng.
    • Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor): Hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung của bản cực cảm biến khi vật thể tiến vào vùng điện trường (dải đo $0 - 50\text{ mm}$), ứng dụng phát hiện phương tiện chiếm chỗ tại từng khoang đỗ.
    • Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification): Nhận dạng không dây qua sóng vô tuyến (tần số $125\text{ kHz}$ và $900\text{ kHz}$), thẻ chip 32-bit cung cấp tới 4 tỷ mã số định danh không trùng lặp.

2. Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp tổng hợp và phân tích tài liệu: Khảo sát các mô hình bãi đỗ xe tự động trên thế giới (dạng tháp, dạng xếp hình, xoay vòng đứng/ngang) và phân tích giải pháp kỹ thuật bãi đỗ xe tầng hầm tại Việt Nam.
  • Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí và điện: Tính toán momen tải của cánh tay đòn barrier dựa trên công thức cân bằng lực tĩnh, tính toán số xung phát điều khiển góc quay động cơ bước.
  • Phương pháp lập trình và mô phỏng trên máy tính: Lập trình thuật toán điều khiển tuần tự bằng ngôn ngữ Ladder (LAD) trên phần mềm Siemens TIA Portal V15.1; mô phỏng trạng thái hoạt động của bãi đỗ bằng công cụ PLC-SIM kết hợp thiết kế xử lý ảnh trên nền tảng ngôn ngữ Python.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module cơ điện tử đồng bộ, phân chia thành phân hệ điều khiển phần cứng, phân hệ thị giác máy tính và phân hệ mô phỏng giám sát.

1. Thông số kỹ thuật bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200

Thông số kỹ thuật Giá trị cấu hình
Dòng CPU CPU 1212C DC/DC/DC
Kích thước phần cứng $90 \times 100 \times 75\text{ mm}$
Nguồn cấp vận hành $24\text{ VDC}$
Cấu hình I/O tích hợp 8 Digital Inputs (DI) / 6 Digital Outputs (DO) $24\text{ VDC}$, 2 Analog Inputs (AI) $0 - 10\text{ VDC}$
Bộ nhớ chương trình (Program Memory) $75\text{ KB}$
Bộ nhớ dữ liệu (Data Memory) $75\text{ KB}$
Chức năng điều khiển tích hợp Hỗ trợ thuật toán điều khiển PID
Ngôn ngữ lập trình Ladder Diagram (LAD)
Độ phân giải Analog 10-bit
Phần mềm lập trình Siemens TIA Portal V15.1

2. Tính toán động cơ bước dẫn động Barrier

  • Tính toán momen lực cánh tay đòn:

$$\sum M = F \cdot d$$

Với thanh chắn barrier có chiều dài $L = 500\text{ mm} = 0.5\text{ m}$, khối lượng $m = 1\text{ kg}$, tổng momen yêu cầu xác định là $\sum M = 5\text{ N}\cdot\text{m}$.

  • Lựa chọn động cơ bước: Nhóm chọn động cơ bước mã hiệu 57HS11230A4 có góc bước cơ bản $1.8^\circ/\text{bước}$. Động cơ được cấu hình chạy ở chế độ vi bước $1/4$ (quarter-step), tương ứng góc quay mỗi xung:

$$\theta_{\text{xung}} = \frac{1.8^\circ}{4} = 0.45^\circ/\text{xung}$$

  • Số xung điều khiển mở góc $90^\circ$:

$$N_{\text{xung}} = \frac{90^\circ}{0.45^\circ} = 200\text{ xung}$$

  • Cấu hình mạch phụ trợ: Kết nối vi điều khiển Arduino Nano với module RFID RC522, động cơ servo/bước và màn hình hiển thị LCD phục vụ xác thực thẻ vào/ra.

3. Bảng phân công địa chỉ vào/ra (I/O Mapping) trên PLC S7-1200

Nhóm tín hiệu Tên ký hiệu (Symbol) Địa chỉ Bit Ký hiệu bản vẽ Chức năng chi tiết
Đầu vào (Digital Inputs) BI_START I0.0 B1 Nút nhấn khởi động hệ thống
BI_STOP I0.1 B2 Nút nhấn dừng hệ thống
I_CB_IN I0.2 CB_IN Cảm biến từ tính phát hiện xe vào bãi
I_CB_OUT I0.3 CB_OUT Cảm biến từ tính phát hiện xe ra bãi
I_CB1 I0.4 CB1 Cảm biến tiệm cận vị trí đỗ số 1
I_CB2 I0.5 CB2 Cảm biến tiệm cận vị trí đỗ số 2
I_CB3 I0.6 CB3 Cảm biến tiệm cận vị trí đỗ số 3
I_CB4 I0.7 CB4 Cảm biến tiệm cận vị trí đỗ số 4
I_CB5 I1.0 CB5 Cảm biến tiệm cận vị trí đỗ số 5
I_CB6 I1.1 CB6 Cảm biến tiệm cận vị trí đỗ số 6
I_CB7 I1.2 CB7 Cảm biến tiệm cận vị trí đỗ số 7
I_CB8 I1.3 CB8 Cảm biến tiệm cận vị trí đỗ số 8
I_CB9 I1.4 CB9 Cảm biến tiệm cận vị trí đỗ số 9
Đầu ra (Digital Outputs) Q_DEN_LV Q0.0 Đ1 Đèn báo trạng thái hệ thống đang làm việc
Q_DEN_XANH Q0.1 Đ2 Đèn báo bãi còn chỗ trống (cho phép vào)
Q_DEN_DO Q0.2 Đ3 Đèn báo bãi đã đầy xe (không cho vào)
Q_CUA_VAO Q0.3 A1 Tín hiệu điều khiển mở barrier lối vào
Q_CUA_RA Q0.4 A2 Tín hiệu điều khiển mở barrier lối ra
Ô nhớ nội (Memory Words) DEM_XE MW100 - Biến lưu số lượng xe hiện tại trong bãi
SIMU_VAO MW102 - Biến kích hoạt mô phỏng xe vào bãi
SIMU_RA MW104 - Biến kích hoạt mô phỏng xe ra khỏi bãi

4. Thuật toán nhận dạng biển số xe bằng Python và OpenCV

Quy trình nhận dạng biển số tự động được xây dựng qua 4 giai đoạn xử lý thị giác máy tính:

  1. Giai đoạn 1 - Tiền xử lý ảnh: Chuẩn hóa kích thước ảnh đầu vào về độ phân giải $640 \times 480\text{ pixel}$, chuyển đổi sang ảnh mức xám (Grayscale - 256 mức xám). Sử dụng bộ lọc song phương bilateralFilter để triệt tiêu nhiễu hạt nhưng vẫn duy trì độ sắc nét của các đường biên cạnh.
  2. Giai đoạn 2 - Phân ngưỡng và dò biên: Nhận diện vùng biển số bằng thuật toán lặp phân ngưỡng với vòng lặp for chạy trong dải ngưỡng giá trị xám từ 100 đến 200 (điểm dừng tối ưu trong khoảng $100 - 120$ nhằm giảm thiểu chi phí tính toán), tạo ra ảnh nhị phân 8-bit đơn kênh.
  3. Giai đoạn 3 - Trích xuất đường bao đối tượng: Ứng dụng hàm findContours trong thư viện OpenCV trên ảnh nhị phân để truy xuất các đối tượng hình học độc lập, lấy thông số tọa độ đỉnh và diện tích bề mặt.
  4. Giai đoạn 4 - Khoanh vùng và cắt ảnh ký tự: Áp dụng bộ lọc hình học với tiêu chí tỷ lệ khung hình chuẩn xấp xỉ 3:4 và giới hạn diện tích vùng bao trong khoảng $1.500 - 25.000\text{ pixel}$ trên khung ảnh chuẩn $640 \times 480$. Cắt ảnh vùng biển số và đưa vào module OCR (Optical Character Recognition) để giải mã ký tự chữ và số trước khi lưu trữ vào cơ sở dữ liệu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan hệ thống

Chương này trình bày lịch sử phát triển của các công trình đỗ xe trên thế giới và phân loại các công nghệ bãi đỗ xe tự động:

  • Lịch sử hình thành: Bãi đỗ xe có đồng hồ tính giờ đầu tiên được lắp đặt ngày 16/07/1935 tại thành phố Oklahoma (Mỹ) do Holger George Thuessen và Gerald A. Hale thiết kế theo dự án của Carl Magee. Hệ thống đỗ xe tự động APS (Automatic Parking Systems) nhiều tầng đầu tiên được xây dựng tại Paris (Pháp) năm 1905 sử dụng cơ cấu thang nâng.
  • Phân tích các mô hình bãi đỗ xe hiện đại:
    • Hệ thống đỗ xe cao tầng dạng tháp: Vận hành tự động hoàn toàn, gia tăng sức chứa gấp $20 - 30$ lần so với bãi đỗ thông thường trên cùng diện tích mặt đất.
    • Hệ thống đỗ xe tự động dạng xếp hình (Puzzle Parking): Tối ưu cho quy mô $2 - 5$ tầng và $3 - 7$ dãy cho mỗi block, hoạt động theo nguyên lý chuyển động kết hợp nâng hạ pallet (các tầng trên) và dịch chuyển ngang (tầng dưới), bắt buộc duy trì $n-1$ vị trí trống trong hệ thống ($n$ là số tầng).
    • Hệ thống đỗ xe tự động xoay vòng đứng: Tiết kiệm diện tích sàn tối đa, diện tích tương đương 2 vị trí đỗ mặt đất có thể chứa từ 12 đến 16 ô tô (tùy cấu hình xe sedan hoặc SUV).
  • Phân tích mục tiêu kỹ thuật, phương pháp nghiên cứu, phạm vi mô hình hóa và ý nghĩa thực tiễn của đề tài trong việc tối ưu hóa quản lý giao thông tĩnh tại các đô thị lớn như Hà Nội.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương II tập trung vào các nguyên lý vật lý, toán học và kỹ thuật điều khiển nền tảng:

  • Thuyết minh sơ đồ nguyên lý vận hành hai chiều của bãi đỗ xe (quy trình xe vào: cảm biến hồng ngoại/từ tính phát hiện $\rightarrow$ quét thẻ RFID/chụp camera $\rightarrow$ PLC điều khiển rơ-le kích driver động cơ bước nâng barrier $\rightarrow$ bộ đếm tăng 1 $\rightarrow$ vị trí tương ứng chuyển đèn đỏ; quy trình xe ra: đối chiếu thẻ từ và camera $\rightarrow$ mở barrier $\rightarrow$ bộ đếm giảm 1 $\rightarrow$ vị trí chuyển đèn xanh).
  • Xây dựng phương trình vi phân và hàm truyền Laplace mô hình hóa động học động cơ bước.
  • Cấu trúc phần cứng PLC, cơ chế giao tiếp Bus (Address Bus, Data Bus, Control Bus) và các loại bộ nhớ công nghiệp (RAM, EPROM, EEPROM kết hợp pin dự phòng duy trì bộ nhớ).
  • Lý thuyết xử lý ảnh số kỹ thuật số bằng Python - OpenCV, thuật toán lọc bilateralFilter, phân ngưỡng nhị phân và hàm trích xuất đường bao findContours.
  • Nguyên lý cảm biến từ tính phát hiện kim loại trong môi trường bụi bẩn/ẩm ướt và cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện vật thể kim loại lẫn phi kim trong phạm vi $0 - 50\text{ mm}$.

Chương III: Thiết kế hệ thống

Chương III là phần thiết kế kỹ thuật chi tiết và triển khai mô phỏng:

  • Thiết kế hệ thống nhận dạng biển số xe quang học OCR tích hợp camera cổng ra/vào.
  • Tính toán cơ khí thanh chắn barrier ($L = 500\text{ mm}, m = 1\text{ kg}$, momen $\sum M = 5\text{ N}\cdot\text{m}$), lựa chọn động cơ bước 57HS11230A4 với chế độ vi bước $1/4$ phát 200 xung cho hành trình mở góc $90^\circ$.
  • Thiết kế mạch ghép nối Arduino Nano với module RFID RC522 và màn hình LCD.
  • Xây dựng bảng gán địa chỉ vào/ra chi tiết gồm 11 đầu vào số ($I0.0 - I1.4$), 5 đầu ra số ($Q0.0 - Q0.4$) và các vùng nhớ nội đếm số lượng xe ($MW100, MW102, MW104$).
  • Thiết lập lưu đồ thuật toán điều khiển bộ đếm và giải thuật an toàn: tự động dừng barrier và phát còi/đèn cảnh báo nếu công tắc hành trình không tác động sau khoảng thời gian định thì 5 giây ($5\text{s}$).
  • Thực thi chương trình Ladder trên TIA Portal V15.1 và mô phỏng hoàn chỉnh các trạng thái vận hành trên PLC-SIM: trạng thái bãi trống toàn bộ (báo xanh 9 vị trí), trạng thái xe vào/ra tăng giảm bộ đếm và trạng thái bãi đầy (báo đỏ toàn bộ, vô hiệu hóa barrier vào).

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Lập trình điều khiển logic hoàn chỉnh: Thiết kế thành công chương trình điều khiển hệ thống bãi đỗ xe tự động bằng ngôn ngữ Ladder (LAD) chạy trên cấu hình phần cứng PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C.
  • Mô phỏng vận hành chính xác: Thực hiện mô phỏng thành công trên phần mềm Siemens TIA Portal V15.1 kết hợp PLC-SIM cho mô hình bãi đỗ xe 9 vị trí chia thành 3 phân khu:
    • Bộ đếm MW100 tăng/giảm chính xác tương ứng khi có xung kích hoạt từ cảm biến vào I0.2 hoặc cảm biến ra I0.3.
    • Hệ thống đèn hiển thị trạng thái chuyển đổi tức thời: đèn xanh Q0.1 bật sáng khi bãi còn vị trí trống; đèn đỏ Q0.2 bật sáng khóa cổng khi cả 9 vị trí đỗ đều có tín hiệu chiếm chỗ từ các cảm biến I0.4 đến I1.4.
    • Tích hợp thành công cơ chế khóa liên động an toàn, tự ngắt động cơ nâng hạ barrier và cảnh báo sự cố nếu công tắc hành trình không phản hồi sau $5\text{s}$.
  • Xây dựng module xử lý ảnh: Thiết lập thành công chuỗi thuật toán xử lý ảnh trên Python - OpenCV giúp lọc nhiễu, quét dải phân ngưỡng $100 - 200$, trích xuất contour tỷ lệ 3:4 và khoanh vùng biển số diện tích $1.500 - 25.000\text{ pixel}$ trên ảnh kích thước $640 \times 480$.

2. Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp một giải pháp thiết kế cơ điện tử tích hợp hoàn chỉnh, kết hợp khả năng điều khiển thời gian thực có độ tin cậy cao của PLC công nghiệp với khả năng xử lý dữ liệu hình ảnh linh hoạt của máy tính.
  • Đưa ra phương án tính toán lựa chọn động cơ bước và cơ cấu truyền động cụ thể cho hệ thống barrier tự động, làm tiền đề cho việc chế tạo mô hình thực nghiệm bãi đỗ xe tự động tầng hầm tại các đô thị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

Theo tự đánh giá của nhóm tác giả trong báo cáo, đồ án còn tồn tại các điểm hạn chế sau:

  • Vào giờ cao điểm khi mật độ phương tiện ra vào liên tục với tần suất cao, hệ thống chỉ dẫn tìm vị trí đỗ có thể phản hồi chậm hoặc hoạt động thiếu chính xác trong một số trường hợp.
  • Khả năng hướng dẫn tìm vị trí đỗ phụ thuộc lớn vào sơ đồ kết cấu hình học của bãi giữ xe, chưa có thuật toán định tuyến động.
  • Chương trình điều khiển chưa tích hợp module tính cước phí tự động dựa trên thời gian lưu xe thực tế của từng khách hàng.
  • Hệ thống mô phỏng chưa hỗ trợ tính năng cho phép chủ xe tự do lựa chọn vị trí đỗ mong muốn khi vào bãi, và quy trình mô phỏng xe ra chưa cho phép chỉ định chính xác vị trí ô đỗ cụ thể đang thoát xe ra ngoài.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Lắp đặt bổ sung mạng lưới cảm biến đa điểm để xác định chính xác tuyệt đối tọa độ từng phương tiện trong không gian bãi đỗ, tối ưu hóa thuật toán chỉ dẫn đỗ xe nhanh chóng.
  • Thiết lập giao thức truyền thông kết nối hệ thống với mạng Internet/IoT, cho phép ban quản lý giám sát, điều hành và trích xuất báo cáo doanh thu từ xa.
  • Nâng cấp bãi đỗ xe thành hệ thống kiểm soát không dừng ứng dụng hoàn toàn công nghệ thẻ giao tiếp tầm xa RFID kết hợp nhận dạng biển số tự động tốc độ cao nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng ùn tắc tại cổng trạm vào giờ cao điểm.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án môn học là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp lập trình điều khiển logic bằng ngôn ngữ Ladder trên nền tảng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C), kỹ thuật phân bổ bảng địa chỉ I/O, thiết lập bộ đếm và kết nối mô phỏng TIA Portal V15.1 với PLC-SIM.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Thông tin: Tham khảo quy trình 4 giai đoạn xử lý ảnh kỹ thuật số trên OpenCV - Python ứng dụng cho bài toán phát hiện, lọc nhiễu và tách vùng biển số xe phục vụ nhận dạng ký tự quang học OCR.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện công trình: Tham khảo quy trình tính toán lực và momen cánh tay đòn barrier, phương pháp điều khiển vi bước cho động cơ bước công nghiệp và giải pháp tích hợp cảm biến từ tính, cảm biến tiệm cận điện dung trong quản lý giao thông tĩnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng bộ điều khiển PLC loại nào và cấu hình I/O ra sao?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển logic khả trình Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC với nguồn cấp $24\text{ VDC}$, bộ nhớ chương trình $75\text{ KB}$, bộ nhớ dữ liệu $75\text{ KB}$ và lập trình trên TIA Portal V15.1 bằng ngôn ngữ LAD. Cấu hình I/O trong đồ án gồm 11 ngõ vào số DI ($I0.0$ đến $I1.4$) tiếp nhận tín hiệu từ nút Start/Stop, 2 cảm biến từ tính và 9 cảm biến tiệm cận vị trí đỗ; 5 ngõ ra số DO ($Q0.0$ đến $Q0.4$) điều khiển đèn làm việc, đèn xanh, đèn đỏ và tín hiệu mở barrier cổng vào/cổng ra.

2. Thuật toán trích xuất vùng biển số xe bằng OpenCV được cấu hình với các tham số nào?

Ảnh đầu vào được chuyển về kích thước chuẩn $640 \times 480\text{ pixel}$ và ảnh xám 256 mức độ, sau đó lọc nhiễu bằng bilateralFilter. Quá trình phân ngưỡng nhị phân sử dụng vòng lặp quét giá trị ngưỡng từ 100 đến 200 (dừng tối ưu ở $100 - 120$). Đối tượng biển số được lọc qua hàm findContours dựa trên tiêu chí tỷ lệ khung hình đạt 3:4 và diện tích vùng bao nằm trong khoảng từ $1.500$ đến $25.000\text{ pixel}$.

3. Động cơ bước điều khiển barrier được tính toán và lựa chọn theo các thông số kỹ thuật nào?

Thanh chắn barrier có chiều dài $500\text{ mm}$ và khối lượng $1\text{ kg}$, tạo ra tổng momen lực yêu cầu $\sum M = 5\text{ N}\cdot\text{m}$. Nhóm tác giả chọn động cơ bước mã hiệu 57HS11230A4 có góc bước cơ bản $1.8^\circ$, cấu hình ở chế độ vi bước $1/4$ (quarter-step tương ứng $0.45^\circ/\text{xung}$). Để điều khiển barrier mở một góc vuông $90^\circ$, hệ thống cần cấp đúng 200 xung điều khiển.

4. Quy mô bãi đỗ xe mô phỏng trên TIA Portal được bố trí như thế nào?

Do giới hạn của môi trường mô phỏng, đồ án thiết kế bãi đỗ xe gồm 9 vị trí đỗ chia thành 3 khu vực (mỗi khu vực 3 vị trí). Trạng thái các vị trí được giám sát bởi 9 cảm biến tiệm cận điện dung ký hiệu từ CB1 đến CB9 (ứng với $I0.4 - I1.4$). Khi bãi còn chỗ trống, đèn xanh ($Q0.1$) sáng và cho phép xe vào; khi cả 9 ô đều đầy, đèn đỏ ($Q0.2$) kích hoạt và hệ thống tự động khóa cổng vào.

5. Cơ chế an toàn trong quá trình đóng mở barrier được thiết kế như thế nào?

Mỗi cơ cấu barrier lối vào/ra được trang bị 2 công tắc hành trình tại vị trí nâng thẳng đứng và hạ nằm ngang nhằm phản hồi trạng thái về PLC. Chương trình điều khiển thiết lập bộ định thời: nếu tín hiệu kích mở barrier phát đi nhưng sau khoảng thời gian định mức 5 giây ($5\text{s}$) mà công tắc hành trình không được tác động, PLC sẽ tự động ngắt lệnh điều khiển động cơ và kích hoạt tín hiệu cảnh báo sự cố kẹt cơ khí hoặc lỗi hành trình.

Kết luận

Đồ án môn học đã nghiên cứu và xây dựng thành công giải pháp bãi đỗ xe thông minh thông qua việc tích hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 với thuật toán xử lý ảnh nhận dạng biển số trên nền tảng Python - OpenCV. Toàn bộ logic kiểm soát phương tiện vào/ra, cơ cấu truyền động barrier dùng động cơ bước và chức năng giám sát 9 vị trí đỗ đã được mô phỏng hoàn chỉnh, chứng minh tính khả thi trên phần mềm TIA Portal V15.1. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình kỹ thuật phục vụ việc phát triển các hệ thống quản lý đỗ xe tự động quy mô lớn trong hạ tầng đô thị thông minh.