I. Giới thiệu hệ thống giám sát võng thông minh cho trẻ em tại HCMUTE
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát võng cho trẻ em" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) ứng dụng công nghệ Internet vạn vật (IoT) nhằm giải quyết vấn đề chăm sóc trẻ em trong bối cảnh xã hội hiện đại. Hệ thống tích hợp nhiều tính năng ưu việt, bao gồm điều khiển từ xa, giám sát video thời gian thực, và phát nhạc ru ngủ, hướng đến mục tiêu nâng cao hiệu quả chăm sóc và an toàn cho trẻ nhỏ. Đồ án tập trung vào việc thiết kế và triển khai một hệ thống giám sát võng cho trẻ em dựa trên nền tảng vi điều khiển, ứng dụng di động, và kết nối mạng không dây (wireless sensor network - WSN). Hệ thống này được thiết kế với mục tiêu đảm bảo sự an toàn và tiện lợi cho người sử dụng, đặc biệt là các bậc phụ huynh.
1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và xây dựng một hệ thống điều khiển và giám sát võng cho trẻ em, cho phép điều khiển từ xa tốc độ đưa võng, giám sát tình trạng của trẻ thông qua camera tích hợp, và phát nhạc ru ngủ. Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP8266 kết nối với mạng Wi-Fi, cho phép điều khiển và giám sát thông qua ứng dụng di động trên nền tảng Android. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế phần cứng, bao gồm lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch điện, và lắp ráp hệ thống. Phần mềm bao gồm lập trình vi điều khiển và phát triển ứng dụng Android. Hệ thống hướng đến khả năng giám sát thời gian thực, an toàn và dễ sử dụng. Các vấn đề về an ninh mạng cho hệ thống cũng được xem xét. Thiết kế database và quản trị cơ sở dữ liệu được tối ưu để đảm bảo hiệu quả hoạt động. Đồ án không đề cập đến các vấn đề liên quan đến thực tế ảo (virtual reality) hay thực tế tăng cường (augmented reality).
1.2. Công nghệ và phương pháp nghiên cứu
Đồ án áp dụng các công nghệ hiện đại trong lĩnh vực công nghệ thông tin (IT) và IoT. Vi điều khiển ESP8266 đóng vai trò trung tâm trong việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị ngoại vi. Mạng lưới cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) được sử dụng để truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển. Ứng dụng di động được phát triển trên nền tảng Android sử dụng Firebase làm cơ sở dữ liệu trực tuyến, đảm bảo tính thời gian thực và khả năng chia sẻ dữ liệu. Phương pháp nghiên cứu bao gồm khảo sát, thiết kế, triển khai và thử nghiệm. Việc lựa chọn linh kiện và thiết kế hệ thống được thực hiện dựa trên các tiêu chí về hiệu suất, độ tin cậy và chi phí. Quá trình lập trình sử dụng ngôn ngữ Arduino C cho vi điều khiển và Java/Kotlin cho ứng dụng di động. Lập trình nhúng và phát triển phần mềm được kết hợp chặt chẽ để tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh. Đồ án có sự tham khảo từ các luận văn tốt nghiệp và dự án tốt nghiệp có liên quan.
II. Phân tích thiết kế hệ thống
Phần này tập trung vào chi tiết thiết kế của hệ thống giám sát võng cho trẻ em. Nó bao gồm việc lựa chọn vi điều khiển phù hợp, thiết kế mạch điện, và phát triển phần mềm cho cả vi điều khiển và ứng dụng di động. Hệ thống sử dụng cảm biến để thu thập dữ liệu về tốc độ đưa võng, trạng thái của trẻ, và các thông số khác. Phần mềm giám sát trên ứng dụng di động cung cấp giao diện người dùng thân thiện (UI/UX), cho phép người dùng dễ dàng điều khiển từ xa và giám sát tình trạng của trẻ. An toàn thông tin được ưu tiên hàng đầu, với các biện pháp bảo mật được tích hợp vào hệ thống. Hệ thống cũng được thiết kế để dễ dàng mở rộng và tích hợp thêm các tính năng mới trong tương lai.
2.1. Thiết kế phần cứng
Thiết kế phần cứng tập trung vào việc lựa chọn các linh kiện phù hợp cho hệ thống, bao gồm vi điều khiển ESP8266, động cơ, mạch điều khiển động cơ, module camera ESP32-CAM, module phát nhạc DFPlayer Mini, và các thành phần khác. Sơ đồ mạch điện được thiết kế sao cho đơn giản, hiệu quả và dễ dàng lắp ráp. Thiết kế database được tối ưu để đảm bảo tốc độ truy xuất dữ liệu và khả năng mở rộng. Việc lựa chọn các linh kiện được dựa trên các yếu tố như giá cả, hiệu năng, khả năng tương thích và độ tin cậy. Kiến trúc hệ thống được thiết kế sao cho đảm bảo tính mô đun, dễ dàng bảo trì và sửa chữa. Cảm biến được sử dụng có độ chính xác cao, đảm bảo khả năng giám sát chính xác. Mạch in PCB được thiết kế để đảm bảo sự ổn định và an toàn của hệ thống. Hệ thống được tích hợp nguồn pin dự phòng để đảm bảo hoạt động liên tục trong trường hợp mất điện.
2.2. Phát triển phần mềm
Phát triển phần mềm bao gồm lập trình cho vi điều khiển ESP8266 và phát triển ứng dụng di động trên nền tảng Android. Phần mềm vi điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Arduino C, thực hiện các chức năng thu thập dữ liệu từ các cảm biến, điều khiển động cơ, và truyền dữ liệu lên ứng dụng di động. Ứng dụng di động được phát triển sử dụng Java/Kotlin, cung cấp giao diện người dùng thân thiện (UI/UX) cho phép người dùng điều khiển từ xa, giám sát tình trạng của trẻ qua camera và phát nhạc ru ngủ. Ứng dụng kết nối với Firebase để lưu trữ và quản lý dữ liệu. Phân tích dữ liệu được thực hiện để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống. An ninh mạng được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình phát triển phần mềm để ngăn chặn truy cập trái phép và bảo vệ dữ liệu cá nhân. Phát triển phần mềm tuân thủ các nguyên tắc lập trình hướng đối tượng và các tiêu chuẩn mã hóa hiện đại. Việc kiểm thử phần mềm được thực hiện kỹ lưỡng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác.
III. Kết quả và đánh giá
Đồ án đã hoàn thành việc thiết kế và triển khai một hệ thống giám sát võng cho trẻ em hoạt động hiệu quả. Hệ thống đáp ứng được các yêu cầu về điều khiển từ xa, giám sát thời gian thực, và phát nhạc ru ngủ. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được cải thiện trong tương lai.
3.1. Kết quả đạt được
Hệ thống giám sát võng cho trẻ em đã được thiết kế và triển khai thành công. Hệ thống hoạt động ổn định và chính xác, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Ứng dụng di động cung cấp giao diện thân thiện, dễ sử dụng. Hệ thống giám sát thời gian thực hoạt động hiệu quả, cho phép người dùng theo dõi tình trạng của trẻ từ xa. Điều khiển từ xa hoạt động trơn tru, cho phép điều chỉnh tốc độ đưa võng và phát nhạc một cách dễ dàng. An ninh mạng được đảm bảo, ngăn chặn truy cập trái phép. Thiết kế database hiệu quả, đảm bảo tốc độ truy xuất dữ liệu nhanh chóng. Hệ thống tích hợp khả năng cảnh báo khi phát hiện sự cố. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống đạt được độ tin cậy cao.
3.2. Hạn chế và hướng phát triển
Mặc dù đạt được nhiều kết quả tích cực, đồ án vẫn còn một số hạn chế cần được cải thiện. Phạm vi giám sát hiện tại chỉ giới hạn trong phạm vi nhà có mạng Wi-Fi. Khả năng chịu tải của hệ thống còn cần được nâng cao. Hệ thống có thể được cải tiến bằng cách tích hợp thêm các tính năng như giám sát sức khỏe của trẻ, cảnh báo khi trẻ thức dậy, hoặc tích hợp với các thiết bị thông minh khác trong nhà. Việc sử dụng machine learning và trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) có thể giúp nâng cao độ chính xác của hệ thống giám sát và khả năng tự động hóa (automation) các tác vụ. Phát triển phần mềm có thể được tối ưu hơn để nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Tích hợp GPS tracking để theo dõi vị trí của võng khi di chuyển cũng là một hướng phát triển khả thi.
