Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và sự phát triển của các giải pháp nhà thông minh (Smarthome) cùng Internet vạn vật (IoT), việc ứng dụng công nghệ tự động hóa vào môi trường giáo dục trở thành nhu cầu thực tế. Các hệ thống quản lý phòng học thông minh hỗ trợ công tác giảng dạy, kiểm soát tình trạng thiết bị và giảm thiểu hư hỏng không đáng có.

Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đề tài nghiên cứu trước đây mang tên "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển các thiết bị trong phòng học" đã thực hiện việc đóng ngắt thiết bị qua mạng Internet. Tuy nhiên, hệ thống đó tồn tại hai hạn chế lớn: chưa thể điều chỉnh tốc độ quạt theo nhu cầu và chưa có cơ chế nhận diện tự động tắt thiết bị khi phòng trống, dẫn đến lãng phí điện năng tiêu thụ khi người sử dụng quên tắt thiết bị. Nhằm giải quyết các hạn chế này, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị trong phòng học" được triển khai thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh một hệ thống phần cứng và phần mềm có khả năng giám sát, điều khiển và tự động hóa các thiết bị điện trong phòng học. Để đạt được mục tiêu đó, nhóm tác giả xác định 8 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Thực hiện mô phỏng và kiểm tra các linh kiện điện tử trong hệ thống.
  2. Thiết kế giải pháp và mạch điều khiển tốc độ quay của quạt.
  3. Thiết kế, thi công mô hình phần cứng của hệ thống.
  4. Thực hiện phân quyền truy cập cho người dùng thông qua công nghệ thẻ RFID.
  5. Giải mã và điều khiển phát tín hiệu hồng ngoại cho các loại tivi khác nhau.
  6. Xây dựng chương trình điều khiển và giám sát thiết bị bằng ngôn ngữ Python với giao diện người dùng.
  7. Xây dựng chương trình quản lý thiết bị trên nền tảng Website.
  8. Lập trình chế độ tự động tắt các thiết bị khi không có người trong phòng thông qua xử lý ảnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các thiết bị điện cơ bản trong phòng học bao gồm hệ thống chiếu sáng (đèn), làm mát (quạt, máy điều hòa không khí), thiết bị trình chiếu/nghe nhìn (tivi), và mô hình thị giác máy tính nhận diện người phục vụ chế độ tự động ngắt nguồn.
  • Phạm vi và quy mô mô hình: Mô hình thực nghiệm được tính toán dựa trên phòng học A303 thuộc tòa nhà trung tâm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; kích thước mô hình quản lý và điều khiển phần cứng thi công thực tế là 435 x 305 x 100 mm.
  • Giới hạn đề tài: Do hạn chế về thời gian, kinh phí và kinh nghiệm thực tế, hệ thống được thiết kế thử nghiệm ở quy mô mô hình, chưa có cơ sở thực nghiệm đánh giá độ ổn định khi vận hành liên tục trong thời gian dài; phạm vi điều khiển tập trung vào các tải cơ bản gồm đèn, quạt, tivi và máy điều hòa nhiệt độ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài tổng hợp và áp dụng các cơ sở lý thuyết về truyền thông nối tiếp, giao thức mạng, công nghệ nhận dạng sinh trắc học và xử lý ảnh thông minh:

  • Các chuẩn giao tiếp truyền thông phần cứng:
    • UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Giao thức truyền nối tiếp không đồng bộ 2 dây (TX, RX), hỗ trợ các tốc độ baud thông dụng từ 9600 đến 115200 baud. Cấu trúc gói dữ liệu gồm Start bit, 5 đến 9 bit dữ liệu (LSB truyền trước), bit kiểm tra chẵn lẻ (Parity bit) và 1 hoặc 2 Stop bit.
    • SPI (Serial Peripheral Interface): Giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ 4 dây (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) hoạt động theo kiến trúc Master-Slave song công toàn phần (Full-duplex), tốc độ truyền cao, định thời bằng xung clock và thiết lập thông qua các thông số CPOL (Clock Polarity) và CPHA (Clock Phase).
    • I2C (Inter-Integrated Circuit): Chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây gồm đường dữ liệu nối tiếp (SDA) và đường xung nhịp (SCL). Hỗ trợ định địa chỉ 7-bit (tối đa 127 thiết bị Slave) hoặc 10-bit (tối đa 1023 thiết bị Slave) kèm cơ chế phản hồi ACK/NACK. Hoạt động ở các chế độ: Standard mode (100 kbit/s), Fast mode (400 kbit/s), Fast mode plus (1 Mbit/s) và High-speed mode (3,4 Mbit/s).
  • Giao thức truyền phát và mạng:
    • RTSP (Real-Time Streaming Protocol) và HTTP (HyperText Transfer Protocol): RTSP hoạt động theo thời gian thực để truyền tải luồng video/audio với độ trễ thấp thông qua các lệnh điều khiển như Options, Describe, Setup, Play, Pause, Teardown. Trong khi đó, HTTP hoạt động theo mô hình Client-Server dạng Request-Response qua cổng TCP 80/443, phù hợp cho việc truyền dữ liệu web và giao tiếp dữ liệu điều khiển.
  • Công nghệ nhận dạng và xác thực:
    • Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification): Nhận dạng đối tượng qua tần số vô tuyến. Cấu trúc gồm thẻ RFID (IC tích hợp, ăng-ten, bộ nhớ lưu trữ dưới 2000 kb, phân loại thành thẻ chủ động, thẻ thụ động và bán chủ động) và đầu đọc RFID.
    • Công nghệ sinh trắc học vân tay: Xác thực người dùng dựa trên đặc trưng các đường xoắn ốc và vòng lặp sinh trắc. Các dạng cảm biến vân tay gồm cảm biến quang học, cảm biến siêu âm (3D), cảm biến điện dung, cảm biến quang điện và cảm biến dẫn nhiệt.
  • Thị giác máy tính và trí tuệ nhân tạo:
    • Hệ thống nhận diện đối tượng (Object Detection): Thuật toán YOLO (You Only Look Once), so sánh giữa các thế hệ YOLOv3 và YOLOv8 để trích xuất khung nhận diện người từ camera nhằm phục vụ tính năng tự động ngắt tải.
    • Nền tảng tính toán nhúng: Máy tính nhúng Jetson Nano chạy hệ điều hành Linux for Tegra, hỗ trợ bộ công cụ NVIDIA DeepStream SDK và NVIDIA Isaac SDK cho các tác vụ suy luận thị giác máy tính.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng mạch điện, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm nhúng và kiểm thử thực nghiệm:

  • Thiết kế và mô phỏng: Sử dụng phần mềm Proteus 8 để mô phỏng nguyên lý mạch, Altium Designer để vẽ sơ đồ nguyên lý (Schematic) và layout mạch in 2 lớp (PCB).
  • Phát triển phần mềm: Sử dụng ngôn ngữ Python trên môi trường Visual Studio Code kết hợp thư viện Qt Designer để thiết kế giao diện HMI; sử dụng Arduino IDE để lập trình vi điều khiển Arduino Mega 2560 và module ESP32-CAM; sử dụng phần mềm Hercules để kiểm tra truyền nhận dữ liệu qua cổng COM/UART.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu giải mã mã lệnh hồng ngoại (IR raw code) thu thập từ remote tivi thực tế qua mắt thu hồng ngoại VS1838B; dữ liệu luồng video thời gian thực từ camera phục vụ kiểm thử mô hình nhận diện.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tầng, chia tách rõ ràng giữa tầng xử lý trung tâm, tầng giao tiếp người máy (HMI), tầng điều khiển chấp hành và tầng giám sát thị giác.

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống phần cứng bao gồm các khối chức năng chính:

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng máy tính nhúng NVIDIA Jetson Nano, chịu trách nhiệm nhận luồng video từ camera, chạy mô hình phát hiện người (YOLO), xử lý logic thời gian thực và vận hành giao diện người dùng.
  • Khối điều khiển chấp hành: Sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 để nhận lệnh từ Jetson Nano qua giao tiếp nối tiếp, trực tiếp điều khiển các mạch công suất và cảm biến.
  • Khối thu nhận hình ảnh: Module ESP32-CAM kèm đế nạp chương trình, truyền luồng video về bộ xử lý trung tâm thông qua giao thức truyền phát mạng.
  • Khối xác thực và kiểm soát cửa:
    • Module RFID MFRC522: Giao tiếp với Arduino Mega 2560 qua chuẩn SPI, dùng để quét thẻ xác thực phân quyền người dùng.
    • Cảm biến vân tay AS608: Sử dụng công nghệ cảm biến quang học, kết nối qua giao tiếp UART để lưu trữ và so khớp vân tay khi mở cửa.
  • Khối hiển thị:
    • Màn hình LCD 7 inch IPS (độ phân giải 1024x600 pixels) tích hợp cảm ứng, kết nối với Jetson Nano qua cổng HDMI và Jack 3.5mm/USB.
    • Màn hình ký tự LCD 16x2 tích hợp mạch chuyển đổi giao tiếp I2C kết nối với Arduino để hiển thị trạng thái cửa và chế độ hoạt động.
  • Khối điều khiển công suất và thiết bị ngoại vi:
    • Mạch điều khiển đèn: Sử dụng các relay 5V được kích đóng ngắt thông qua transistor BJT 2SC1815 SMD để điều khiển 2 line đèn độc lập.
    • Mạch điều khiển tốc độ quạt (Dimmer AC): Sử dụng mạch phát hiện điểm không (Zero-crossing detector) với IC cách ly quang PC814, kết hợp Opto-Triac MOC3021 và van công suất TRIAC BTA12-600BRG để cắt góc pha điện áp xoay chiều, cho phép điều chỉnh quạt theo các cấp tốc độ.
    • Mạch điều khiển tivi và máy điều hòa: Sử dụng LED phát hồng ngoại TSAL6200 phát các mã tín hiệu hồng ngoại đã được giải mã từ mắt thu VS1838B.
  • Khối nguồn: Nguồn xung tổ ong Q-60W-12V chuyển đổi điện lưới AC sang 12VDC, kết hợp module hạ áp DC-DC XL4015 để cấp nguồn ổn định 5V cho Jetson Nano, Arduino Mega và các cảm biến/relay.

Kiến trúc phần mềm và giải thuật

Phần mềm hệ thống được tổ chức thành các luồng xử lý độc lập và đồng bộ:

  • Chương trình điều khiển nhúng (Arduino Mega 2560): Phân chia trạng thái hoạt động của hệ thống thành hai kịch bản chính:
    • Trong giờ hoạt động: Cho phép mở quyền điều khiển trực tiếp trên giao diện màn hình cảm ứng, tiếp nhận lệnh đóng ngắt đèn, đổi cấp tốc độ quạt và gửi tín hiệu hồng ngoại.
    • Ngoài giờ hoạt động: Khóa giao diện điều khiển, yêu cầu người dùng phải xác thực đúng vân tay qua cảm biến AS608 hoặc quét thẻ RFID hợp lệ qua module MFRC522 mới được phép truy cập và kích hoạt hệ thống.
  • Chương trình xử lý trung tâm (Jetson Nano / Python PyQt):
    • Luồng giao diện đồ họa (GUI): Xây dựng bằng PyQt gồm màn hình chính (Home), màn hình điều khiển 2 line đèn, màn hình điều khiển 3 cấp tốc độ quạt, màn hình điều khiển chức năng tivi, màn hình điều khiển máy điều hòa, màn hình hiển thị trực tiếp camera và màn hình cảnh báo không đủ quyền truy cập.
    • Luồng đọc và xử lý thời gian thực: Đồng bộ thời gian hệ thống để tự động chuyển đổi giữa chế độ trong giờ và ngoài giờ hoạt động.
    • Luồng nhận diện người bằng camera: Tiếp nhận khung hình từ ESP32-CAM, áp dụng mô hình nhận diện để đếm số lượng người trong phòng. Khi phát hiện phòng học không có người trong một khoảng thời gian xác định, hệ thống gửi lệnh xuống khối điều khiển để tự động ngắt toàn bộ đèn, quạt, tivi và máy điều hòa nhằm tiết kiệm năng lượng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh chung của xu hướng phòng học thông minh trong thời đại công nghệ 4.0. Tác giả khảo sát các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, chỉ ra mặt hạn chế của đề tài tiền nhiệm tại trường (không chỉnh được tốc độ quạt, thiếu chế độ tự ngắt khi vắng người). Từ đó, chương này xác định tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu, 8 nhiệm vụ cụ thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tại phòng A303 (tòa nhà trung tâm ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM), cùng bố cục 5 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động, cấu trúc khung truyền, ưu nhược điểm và ứng dụng của các giao tiếp truyền thông nối tiếp gồm UART, SPI và I2C. Chương này cũng phân tích hai giao thức truyền dữ liệu mạng là RTSP và HTTP, đồng thời lập bảng so sánh chi tiết giữa hai giao thức này:

Tiêu chí HTTP RTSP
Hiệu suất Phù hợp cho các video có dung lượng nhỏ hoặc độ phân giải thấp Thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp và thời gian thực cao như video streaming
Băng thông Sử dụng băng thông hiệu quả với video kích thước nhỏ lưu trong bộ nhớ đệm Yêu cầu băng thông mạng ổn định và đủ lớn để truyền tải video liên tục, tránh giật lag
Bảo mật Hỗ trợ HTTPS để mã hóa dữ liệu, đảm bảo tính bảo mật trong quá trình truyền tải Hỗ trợ mã hóa dữ liệu nhưng cấu hình và triển khai phức tạp hơn
Độ phức tạp triển khai Hỗ trợ rộng rãi trên nhiều nền tảng, triển khai đơn giản Đòi hỏi kiến thức kỹ thuật cao và cấu hình phức tạp hơn

Bên cạnh đó, chương 2 làm rõ cấu tạo và nguyên lý của hệ thống RFID (thẻ chủ động/bị động/bán chủ động, đầu đọc tần số vô tuyến), cung cấp bảng so sánh đối chuẩn giữa RFID và công nghệ mã vạch:

Đặc tính so sánh Công nghệ RFID Công nghệ mã vạch
Tầm nhìn quét Xác định thẻ không cần tầm nhìn trực tiếp Bắt buộc phải có tầm nhìn trực tiếp
Khoảng cách quét Khoảng cách quét xa (đặc biệt với thẻ chủ động) Khoảng cách quét gần
Cập nhật dữ liệu Dữ liệu trên thẻ có thể đọc và ghi/cập nhật lại Dữ liệu in cố định, chỉ ghi một lần
Yêu cầu nguồn điện Thẻ chủ động/đầu đọc yêu cầu nguồn điện Mã vạch in không cần nguồn điện
Thời gian đọc Rất ngắn (< 100 ms cho mỗi thẻ) Thời gian đọc lâu hơn (từ 500 ms trở lên)
Độ bền vật lý Cảm biến gắn ăng-ten bọc vỏ nhựa bảo vệ, độ bền cao In bên ngoài bề mặt, dễ bị mòn, rách theo thời gian
Chi phí Chi phí đầu tư cao hơn Chi phí in ấn thấp

Nội dung chương 2 cũng trình bày chi tiết về nguyên lý nhận dạng sinh trắc học vân tay, phân loại 5 dạng cảm biến vân tay (quang học, siêu âm, điện dung, quang điện, dẫn nhiệt), tổng quan hệ điều hành và SDK trên Jetson Nano (Linux for Tegra, NVIDIA Isaac SDK, NVIDIA DeepStream SDK), cùng lý thuyết về mô hình phát hiện đối tượng YOLO (lịch sử phát triển, so sánh YOLOv3 và YOLOv8).

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế và thi công hệ thống. Tác giả xây dựng sơ đồ khối chi tiết và phân tích chức năng từng khối linh kiện:

  • Lựa chọn máy tính nhúng Jetson Nano, bo mạch Arduino Mega 2560, module ESP32-CAM, đầu đọc thẻ RFID-RC522 (MFRC522), cảm biến vân tay AS608, màn hình cảm ứng 7 inch LCD IPS (1024x600), màn hình LCD 16x2 I2C.
  • Thiết kế mạch công suất relay 5V với transistor đệm BJT 2SC1815.
  • Thiết kế mạch điều khiển quạt AC ứng dụng nguyên lý Dimmer cắt pha: mạch nhận biết điểm không dùng IC PC814, mạch kích đóng ngắt dùng Opto MOC3021 và TRIAC BTA12-600BRG.
  • Thiết kế mạch phát hồng ngoại dùng LED TSAL6200 và mắt thu VS1838B để học lệnh remote.
  • Thiết kế hệ thống cấp nguồn gồm nguồn xung tổ ong Q-60W-12V và mạch giảm áp DC-DC XL4015.
  • Thiết kế schematic và layout PCB 2 lớp trên phần mềm Altium Designer cho khối trung tâm và khối mạch cửa; mô phỏng trên Proteus 8.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho khối điều khiển Arduino Mega (xử lý chế độ trong giờ / ngoài giờ) và khối xử lý trung tâm Jetson Nano (luồng GUI PyQt, luồng thời gian thực, luồng nhận diện người từ camera).

Chương 4: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 4 công bố toàn bộ kết quả chế tạo thực tế của đề tài:

  • Kết quả phần cứng: Thi công hoàn chỉnh bo mạch PCB 2 lớp cho mạch trung tâm và mạch cửa; lắp ráp hoàn thiện mô hình hệ thống điều khiển phòng học kích thước 435 x 305 x 100 mm.
  • Kết quả điều khiển công suất: Đóng ngắt chính xác 2 line đèn độc lập qua relay; điều chỉnh điện áp ngõ ra của Dimmer quạt tương ứng với 3 mức tốc độ; đọc và phát thành công mã hồng ngoại điều khiển các tính năng của tivi LG và máy điều hòa qua phần mềm Hercules và vi điều khiển.
  • Kết quả xác thực cửa: Mạch cửa ngoài giờ hoạt động phản hồi chính xác trạng thái khi chưa quét vân tay, khi quét vân tay sai (báo từ chối) và khi nhận diện đúng vân tay (mở cửa).
  • Kết quả phần mềm và xử lý ảnh: Giao diện Python PyQt trên màn hình cảm ứng 7 inch vận hành ổn định các màn hình chức năng (Home, Đèn, Quạt, Tivi, Điều hòa, Camera, Màn hình báo khóa quyền truy cập); mô hình nhận diện người trên khung hình camera hiển thị chính xác bounding box và kích hoạt chế độ tự động ngắt tải khi phòng không có người.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết mức độ hoàn thành các mục tiêu đã đề ra ở Chương 1, đánh giá những ưu điểm đạt được của hệ thống và thẳng thắn chỉ ra các hạn chế về độ ổn định lâu dài. Đồng thời, chương này đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo để nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  • Về mặt phần cứng:
    • Hoàn thiện mô hình thực nghiệm với kích thước vật lý 435 x 305 x 100 mm.
    • Chế tạo thành công 02 bo mạch PCB 2 lớp (mạch xử lý trung tâm và mạch điều khiển cửa) hoạt động ổn định với nguồn cấp từ nguồn tổ ong Q-60W-12V hạ áp qua module XL4015.
    • Mạch công suất điều khiển chính xác 2 line đèn; mạch Dimmer cắt góc pha (sử dụng PC814, MOC3021, BTA12-600BRG) điều chỉnh thành công 3 cấp điện áp tương ứng 3 mức tốc độ quạt AC.
    • Thu thập, giải mã và phát lại chính xác tập mã lệnh hồng ngoại điều khiển tivi LG và máy điều hòa nhiệt độ thông qua cặp linh kiện TSAL6200 và VS1838B.
    • Tích hợp thành công khối bảo mật cửa hai lớp sử dụng cảm biến vân tay AS608 và đầu đọc thẻ RFID MFRC522.
  • Về mặt phần mềm và thuật toán:
    • Thiết kế hoàn chỉnh ứng dụng HMI bằng ngôn ngữ Python (PyQt) trên màn hình cảm ứng LCD 7 inch IPS (1024x600), cung cấp giao diện trực quan cho việc giám sát và điều khiển từng thiết bị.
    • Tích hợp luồng truyền hình ảnh từ ESP32-CAM và thuật toán nhận diện người (YOLO), thực hiện tự động ngắt toàn bộ thiết bị điện khi xác định không có người trong phòng.
    • Xây dựng giải thuật phân chia trạng thái thông minh theo khung giờ hoạt động, tự động khóa hoặc mở quyền can thiệp hệ thống.

Đóng góp của đề tài

So với đề tài nghiên cứu trước đây tại trường ("Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển các thiết bị trong phòng học"), công trình này có 3 đóng góp kỹ thuật rõ rệt:

  1. Nâng cấp bộ điều khiển quạt từ chế độ đóng/ngắt đơn thuần sang điều khiển thay đổi tốc độ quay nhiều mức bằng giải pháp Dimmer Triac kết hợp phát hiện điểm không (Zero-crossing).
  2. Tích hợp giải pháp thị giác máy tính nhận diện người để tự động ngắt thiết bị khi không có người, giải quyết triệt để bài toán lãng phí điện năng do quên tắt thiết bị.
  3. Bổ sung cơ chế bảo mật và phân quyền truy cập đa phương thức thông qua việc kết hợp công nghệ sinh trắc học vân tay (AS608) và thẻ từ RFID (MFRC522) theo khung thời gian vận hành thực tế của phòng học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung tự đánh giá trong báo cáo đồ án, các hạn chế và hướng phát triển được xác định như sau:

  • Hạn chế:
    • Hệ thống do nhóm sinh viên tự thiết kế và thi công ở quy mô mô hình, chưa trải qua quá trình vận hành thực tế dài ngày nên chưa đủ cơ sở dữ liệu để đánh giá độ bền và độ ổn định của linh kiện bán dẫn (Triac, Opto, Relay) khi hoạt động liên tục trong môi trường công nghiệp hoặc trường học thực tế.
    • Danh mục và chủng loại thiết bị được điều khiển còn giới hạn ở các thiết bị cơ bản (2 line đèn, quạt AC, tivi LG, máy điều hòa nhiệt độ).
  • Hướng phát triển:
    • Tối ưu hóa mô hình nhận diện đối tượng để tăng tốc độ xử lý khung hình và độ chính xác trong các điều kiện ánh sáng phòng học phức tạp.
    • Nâng cao độ bền và độ ổn định của các mạch phần cứng công suất để đáp ứng khả năng vận hành liên tục dài hạn.
    • Mở rộng phạm vi điều khiển cho nhiều chủng loại thiết bị và các hãng sản xuất tivi, điều hòa khác nhau.
    • Hoàn thiện và nâng cấp giao diện quản trị cơ sở dữ liệu trên nền tảng Website để theo dõi lịch trình sử dụng và thời gian bảo trì thiết bị từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Sinh viên và học viên: Thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính, Công nghệ Thông tin và Hệ thống Nhúng & IoT.
  • Người làm đề tài kỹ thuật liên quan:
    • Tham khảo phương pháp thiết kế mạch Dimmer AC cách ly quang học điều khiển tải cảm/quạt (Zero-crossing detector dùng PC814 kết hợp MOC3021 và TRIAC BTA12-600BRG).
    • Tham khảo giải pháp giao tiếp đa vi điều khiển và máy tính nhúng (kết nối Jetson Nano với Arduino Mega 2560 và ESP32-CAM qua UART, SPI, I2C, RTSP).
    • Tham khảo quy trình xây dựng giao diện điều khiển nhúng HMI bằng Python (PyQt / Qt Designer) kết hợp thuật toán thị giác máy tính nhận diện người (YOLO) để tự động hóa hệ thống điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạch điều khiển tốc độ quạt AC trong đồ án sử dụng nguyên lý và những linh kiện bán dẫn then chốt nào?
Hệ thống sử dụng phương pháp Dimmer cắt góc pha điện áp xoay chiều. Mạch bao gồm IC cách ly quang PC814 để nhận biết tín hiệu điểm không (Zero-crossing), Opto-Triac MOC3021 để cách ly tín hiệu kích, và van công suất TRIAC BTA12-600BRG để trực tiếp đóng ngắt dòng điện xoay chiều cấp cho quạt theo 3 mức điện áp tương ứng 3 cấp tốc độ.

2. Khối xử lý trung tâm và khối điều khiển chấp hành của hệ thống sử dụng các vi mạch/bo mạch nào?
Khối xử lý trung tâm sử dụng máy tính nhúng NVIDIA Jetson Nano chạy hệ điều hành Linux for Tegra để xử lý giao diện HMI và mô hình nhận diện người. Khối điều khiển chấp hành sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 để trực tiếp nhận lệnh và điều khiển các mạch relay, dimmer quạt, mạch phát hồng ngoại và cảm biến.

3. Khối kiểm soát cửa phòng học sử dụng những công nghệ nhận dạng nào để xác thực người dùng?
Hệ thống tích hợp hai công nghệ xác thực độc lập: đầu đọc thẻ RFID MFRC522 (giao tiếp qua chuẩn SPI) để quét thẻ từ phân quyền và cảm biến vân tay quang học AS608 (giao tiếp qua chuẩn UART) để nhận diện sinh trắc học vân tay, đặc biệt được kích hoạt trong chế độ ngoài giờ hoạt động.

4. Điểm cải tiến then chốt của đồ án này so với đề tài điều khiển phòng học trước đây tại trường là gì?
Đề tài đã khắc phục được hai nhược điểm lớn của nghiên cứu trước: bổ sung khả năng điều chỉnh tốc độ quạt AC nhiều mức (thay vì chỉ bật/tắt) và tích hợp mô hình nhận diện người qua camera để tự động ngắt nguồn toàn bộ thiết bị khi không có người trong phòng, giúp chống lãng phí điện năng.

5. Giao diện người dùng (HMI) của hệ thống được lập trình bằng ngôn ngữ và công cụ nào, hiển thị trên thiết bị gì?
Giao diện điều khiển HMI được lập trình bằng ngôn ngữ Python sử dụng thư viện PyQt và thiết kế trên phần mềm Qt Designer. Ứng dụng được biên dịch và hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD 7 inch cảm ứng IPS độ phân giải 1024x600 kết nối với Jetson Nano.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị trong phòng học" của sinh viên Đỗ Ngọc Thoại và Lê Văn Khang đã giải quyết trọn vẹn các yêu cầu kỹ thuật đặt ra từ thực tiễn. Đề tài đã thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng kích thước 435 x 305 x 100 mm, tích hợp thành công máy tính nhúng Jetson Nano, vi điều khiển Arduino Mega 2560, màn hình cảm ứng 7 inch cùng các module nhận dạng RFID và cảm biến vân tay. Hệ thống vận hành chính xác các chức năng điều khiển đèn, điều chỉnh tốc độ quạt, phát lệnh hồng ngoại cho tivi/điều hòa và tự động tắt thiết bị khi phòng trống thông qua xử lý ảnh, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các giải pháp phòng học thông minh hoàn chỉnh trong tương lai.