Thiết kế và thi công hệ thống nhà kho thông qua IoT và GSM

Đồ án thiết kế và thi công hệ thống nhà kho thông qua IoT và GSM - Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Huỳnh Thái Hảo
• Người hướng dẫn: ThS. Trương Quang Phúc
• 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 và thi công hệ thống nhà kho thông qua IoT và GSM
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống nhà kho thông qua IoT và GSM tại ĐH SPKT

Mô hình quản lý lưu trữ truyền thống đối mặt nhiều áp lực lớn. Quy trình thủ công gây tiêu tốn nhân lực và phát sinh sai số. Sự bùng nổ của chuỗi cung ứng đòi hỏi giải pháp thông minh hơn. Nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mang đến bước đột phá mới. Đề tài tập trung thiết kế và thi công hệ thống nhà kho thông qua IoT và GSM hiện đại. Đồ án kết hợp hài hòa giữa phần cứng chuyên dụng và nền tảng đám mây linh hoạt. Hệ thống cho phép người quản lý theo dõi dữ liệu kho bãi liên tục theo thời gian thực. Cảm biến thu thập trạng thái hàng hóa và các yếu tố môi trường xung quanh. Mọi tín hiệu được chuyển đổi và xử lý tại máy tính nhúng trung tâm. Công nghệ Internet vạn vật giúp đồng bộ hóa dữ liệu trực tuyến. Mạng di động GSM đảm bảo truyền phát thông tin khẩn cấp ngay cả khi mất kết nối mạng cục bộ. Kiến trúc này tạo nên lớp bảo vệ toàn diện cho tài sản kho vận. Năng suất lao động tăng cao đồng thời chi phí vận hành giảm đi đáng kể. Đây là tiền đề kỹ thuật vững chắc cho tự động hóa kho hàng công nghiệp.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Cách mạng công nghiệp đặt ra yêu cầu hiện đại hóa hạ tầng kho vận. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn đi đầu trong đào tạo ứng dụng kỹ thuật cao. Ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông chú trọng phát triển sản phẩm thực nghiệm. Sinh viên thực hiện đề tài nhằm giải quyết bài toán tự động hóa thực tế. Hệ thống quản lý truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn về tốc độ và chi phí giám sát. Do đó, việc ứng dụng IoT kết hợp GSM trở thành hướng đi tất yếu. Dự án hướng tới xây dựng mô hình kho thông minh có chi phí hợp lý. Nghiên cứu cung cấp tài liệu giá trị cho sinh viên và kỹ sư điện tử.

1.2. Khái niệm cơ bản về kiến trúc Internet vạn vật

Internet vạn vật là mạng lưới kết nối các thiết bị thông minh qua môi trường mạng. Mỗi thiết bị trong mạng sở hữu định danh duy nhất để giao tiếp độc lập. Cấu trúc chuẩn của một hệ thống IoT bao gồm bốn tầng chức năng chính. Tầng cảm biến đảm nhiệm thu thập thông số môi trường từ kho hàng. Tầng kết nối mạng chuyển tiếp dữ liệu qua sóng không dây hoặc cáp mạng. Tầng nền tảng đám mây chịu trách nhiệm lưu trữ và xử lý thuật toán phân tích. Tầng ứng dụng hiển thị bảng điều khiển trực quan cho quản trị viên. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa bốn tầng giúp tự động hóa toàn bộ luồng thông tin vận hành kho bãi.

II. Thách thức vận hành hệ thống nhà kho thông qua IoT và GSM hiện nay

Vận hành kho hàng công nghiệp đối mặt với nhiều nguy cơ tiềm ẩn nghiêm trọng. Cháy nổ và chập điện thường phát sinh từ sự biến đổi nhiệt độ bất thường. Hiện tượng rò rỉ khí gas nguy hại dễ gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Công tác kiểm đếm hàng hóa truyền thống phụ thuộc nặng nề vào con người. Nhân viên phải ghi chép sổ sách thủ công nên dễ mắc sai lầm nghiêm trọng. Tình trạng thất thoát hàng hóa hoặc nhầm lẫn vị trí lưu kho xảy ra phổ biến. Ngoài ra, việc ngắt kết nối Internet đột ngột khiến nhiều hệ thống IoT bị tê liệt hoàn toàn. Khi mạng Wi-Fi gặp sự cố, thông tin cảnh báo không thể truyền đến máy chủ. Người phụ trách kho không nhận được tín hiệu báo động kịp thời. Hậu quả dẫn đến sự cố lan rộng trước khi có biện pháp ứng cứu. Chi phí lắp đặt các thiết bị giám sát thương mại nhập ngoại lại quá đắt đỏ. Nhiều doanh nghiệp nhỏ không đủ ngân sách đầu tư đồng bộ. Do đó, việc xây dựng giải pháp cảnh báo kép độc lập trở nên vô cùng cấp thiết.

2.1. Nguy cơ cháy nổ và rò rỉ khí gas trong môi trường kho

Kho hàng chứa số lượng lớn vật liệu dễ bắt lửa và hàng hóa đóng gói. Sự gia tăng nhiệt độ đột ngột tạo điều kiện kích hoạt hỏa hoạn. Các sự cố rò rỉ khí gas công nghiệp đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người. Thiết bị báo khói thông thường chỉ phát tín hiệu âm thanh tại chỗ. Khi kho hàng vắng bóng người trực đêm, chuông báo động không mang lại hiệu quả cao. Khói lửa nhanh chóng thiêu rụi tài sản giá trị trước khi lực lượng cứu hỏa tiếp cận hiện trường. Việc thiếu cơ chế giám sát từ xa tạo ra lỗ hổng an toàn nghiêm trọng cho toàn bộ hệ thống kho bãi lưu trữ hàng hóa.

2.2. Hạn chế đường truyền Internet và sự cần thiết của GSM

Mạng Internet cục bộ thường gặp tình trạng mất kết nối hoặc suy giảm băng thông. Sự cố đường truyền khiến máy chủ không thể gửi thông báo qua ứng dụng đám mây. Nếu chỉ dựa vào mạng Wi-Fi, hệ thống giám sát kho sẽ rơi vào trạng thái tê liệt. Module GSM đóng vai trò cứu cánh dự phòng thiết yếu trong trường hợp này. Sóng viễn thông di động sở hữu độ phủ rộng và hoạt động độc lập hoàn toàn với cáp mạng. Tín hiệu cảnh báo được chuyển hóa trực tiếp thành tin nhắn SMS khẩn cấp tới điện thoại quản lý. Giải pháp truyền tin song song đảm bảo cảnh báo nguy cơ luôn tiếp cận mục tiêu kịp thời.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống nhà kho thông qua IoT và GSM toàn diện

Giải pháp kỹ thuật của nhóm nghiên cứu xây dựng dựa trên kiến trúc phân tầng khoa học. Trung tâm điều phối chính sử dụng bo mạch máy tính nhúng Raspberry Pi 4 mạnh mẽ. Thiết bị sở hữu CPU bốn nhân cùng dung lượng RAM lớn đáp ứng xử lý đa nhiệm mượt mà. Hệ thống tích hợp các cảm biến hồng ngoại chuyên dụng để kiểm tra hiện diện hàng hóa tại từng vị trí kệ. Khi có kiện hàng được xếp đặt, cảm biến truyền tín hiệu qua chân GPIO và bật đèn LED hiển thị. Cảm biến nhiệt độ và khí gas liên tục đo lường môi trường xung quanh. Nền tảng Firebase Realtime Database đảm nhận lưu trữ và đồng bộ hóa trạng thái kho bãi theo thời gian thực. Bảng điều khiển giao diện web cập nhật số liệu liên tục cho quản trị viên. Đồng thời, module SIMCom A7680C kết nối qua giao tiếp UART đảm nhiệm truyền thông GSM. Khi nhiệt độ vượt ngưỡng hoặc phát hiện rò rỉ khí độc, vi xử lý tự động gửi lệnh AT để kích hoạt cuộc gọi và tin nhắn SMS cảnh báo. Hệ thống còn trang bị còi báo động tại chỗ nhằm kích hoạt ứng phó tức thì.

3.1. Khối xử lý trung tâm Raspberry Pi 4 và mạng cảm biến

Bo mạch Raspberry Pi 4 giữ vai trò đầu não tiếp nhận mọi dữ liệu vật lý trong kho. Thiết bị tích hợp 40 chân GPIO cho phép liên kết trực tiếp với các cảm biến ngoại vi. Các cảm biến hồng ngoại đặt tại kệ kho liên tục phát xạ chùm tia để nhận diện kiện hàng. Mỗi cảm biến đi kèm một đèn LED tín hiệu để trực quan hóa trạng thái lưu kho tại chỗ. Khi phát hiện vật cản, tín hiệu mức logic lập tức gửi về vi xử lý. Thiết bị tính toán số lượng tồn kho chính xác và kích hoạt thiết bị cảnh báo khi có xâm nhập trái phép. Cấu hình phần cứng tối ưu giúp bo mạch hoạt động bền bỉ, tiết kiệm điện năng và ổn định lâu dài.

3.2. Module SIMCom A7680C và cơ chế cảnh báo thời gian thực

Module viễn thông SIMCom A7680C hỗ trợ mạng truyền thông di động tốc độ cao. Thiết bị kết nối với Raspberry Pi qua cổng UART để trao đổi tập lệnh AT tiêu chuẩn. Khi cảm biến môi trường đo được mức nhiệt cao hoặc nồng độ khí gas nguy hiểm, hệ thống tự động soạn tin nhắn cảnh báo. Cấu trúc tin nhắn chứa chi tiết thời gian và loại sự cố đang diễn ra. SIMCom A7680C gửi tin nhắn SMS trực tiếp đến số điện thoại khẩn cấp đã đăng ký trước. Quy trình gửi tin nhắn diễn ra trong vài giây, loại bỏ hoàn toàn độ trễ của mạng Internet. Nhờ vậy, người quản lý dễ dàng nắm bắt sự cố và chỉ đạo dập tắt hiểm họa ngay lập tức.

IV. Đánh giá ứng dụng hệ thống nhà kho thông qua IoT và GSM thực tiễn

Mô hình nghiên cứu đem lại giá trị thực tiễn to lớn cho ngành logistics hiện đại. Quá trình thử nghiệm thực tế chứng minh hệ thống vận hành ổn định và chính xác. Khả năng phát hiện vật cản và cập nhật dữ liệu tồn kho đạt độ tin cậy tuyệt đối. Tín hiệu cảnh báo nhiệt độ và khí gas kích hoạt còi báo cùng tin nhắn SMS gần như ngay lập tức. Giải pháp kết hợp giữa IoT và GSM giải quyết triệt để bài toán an ninh kho bãi trong điều kiện mạng chập chờn. Chi phí phần cứng rẻ hơn đáng kể so với các hệ thống SCADA công nghiệp nhập ngoại. Doanh nghiệp vừa và nhỏ hoàn toàn có thể tiếp cận và triển khai trên diện rộng. Hơn nữa, kiến trúc module mở cho phép nâng cấp thêm cảm biến RFID hoặc mã QR dễ dàng. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính đúng đắn và tư duy sáng tạo của sinh viên ĐH SPKT TP.HCM. Đề tài mở ra tiềm năng lớn để thương mại hóa thành sản phẩm quản trị kho hàng chuyên nghiệp trong thời kỳ chuyển đổi số.

4.1. Khả năng mở rộng và tích hợp công nghệ tương lai

Hệ thống sở hữu kiến trúc phần cứng và phần mềm linh hoạt cao. Nhà kho có thể tích hợp thêm các công nghệ nhận dạng tiên tiến như RFID và mã phản hồi nhanh QR. Các cảm biến hình ảnh kết hợp trí tuệ nhân tạo sẽ giúp phân loại hàng hóa hoàn toàn tự động. Nền tảng điện toán đám mây hỗ trợ kết nối đồng thời hàng trăm module trạm con phân tán. Khả năng đồng bộ cơ sở dữ liệu lớn tạo điều kiện xây dựng báo cáo phân tích thông minh cho doanh nghiệp. Việc tối ưu hóa thuật toán xử lý dữ liệu giúp mở rộng quy mô kho bãi mà không cần thay đổi phần cứng trung tâm ban đầu.

4.2. Ý nghĩa kinh tế và chuyển đổi số cho doanh nghiệp kho vận

Ứng dụng công nghệ mang lại giải pháp giảm thiểu chi phí vận hành kho hàng lâu dài. Doanh nghiệp cắt giảm đáng kể chi phí thuê nhân công kiểm kê hàng hóa định kỳ. Sai số xuất nhập kho giảm thiểu triệt để nhờ hệ thống cảm biến quang học theo dõi 24/7. Rủi ro hỏa hoạn và thất thoát hàng hóa được ngăn chặn ngay từ giai đoạn khởi phát. Năng suất luân chuyển hàng hóa tăng vọt nhờ thông tin vị trí lưu trữ luôn chính xác. Sự kết hợp giữa IoT và GSM chứng minh tính hiệu quả vượt trội trong hiện đại hóa logistics. Đây là bước đệm then chốt thúc đẩy toàn diện tiến trình chuyển đổi số công nghiệp kho vận.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, công nghệ truyền thông di động GSM và Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) đang trở thành những giải pháp then chốt cho các hệ thống tự động hóa và quản lý giám sát từ xa. Tại các mô hình nhà kho truyền thống, việc theo dõi các điều kiện môi trường lưu trữ và công tác kiểm kê hàng hóa định kỳ phần lớn vẫn phụ thuộc vào thao tác thủ công của con người. Điều này tiềm ẩn nhiều rủi ro về sai sót dữ liệu, thời gian phản hồi chậm khi phát sinh sự cố hỏa hoạn, rò rỉ khí độc, cũng như gia tăng chi phí vận hành kho bãi. Việc ứng dụng công nghệ IoT kết hợp mạng thông tin di động GSM cho phép thiết lập một cơ chế quản lý kho liên tục, tự động ghi nhận các biến động vật lý của môi trường và kịp thời phát tín hiệu cảnh báo đến người phụ trách bất kể khoảng cách địa lý.

Nhằm giải quyết các yêu cầu thực tiễn trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã triển khai đề tài: "Thiết kế và thi công hệ thống nhà kho thông qua IoT và GSM".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

1. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh một mô hình nhà kho thông minh tích hợp công nghệ IoT và mạng GSM nhằm tối ưu hóa công tác giám sát, bảo quản hàng hóa từ xa.
2. Tích hợp hệ thống cảm biến môi trường gồm cảm biến nhiệt độ - độ ẩm (DHT11) và cảm biến khí gas (MQ-2) để liên tục kiểm soát các thông số an toàn trong kho, kích hoạt cảnh báo khi vượt ngưỡng thiết lập.
3. Ứng dụng công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến RFID kết hợp hệ thống xe robot dò line tự động nhằm thực hiện công tác kiểm kê, xác định trạng thái hàng hóa tại các kệ hàng.
4. Xây dựng giải pháp cảnh báo tức thời thông qua tin nhắn SMS sử dụng module GSM/4G SIMCOM 7680C đến số điện thoại của người quản lý khi xảy ra các tình huống bất thường (nhiệt độ tăng cao, rò rỉ khí gas).
5. Phát triển hệ thống máy chủ cơ sở dữ liệu đám mây Firebase và giao diện web quản trị đa nền tảng (hỗ trợ máy tính cá nhân và điện thoại thông minh) để giám sát dữ liệu thời gian thực và tra cứu tình trạng hàng hóa.

Theo văn bản giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp, các nhiệm vụ cụ thể được đánh số bao gồm:

1. Thiết kế hệ thống.
2. Mô phỏng mạch trên phần mềm.
3. Lập trình cho hệ thống.
4. Chỉnh sửa và kiểm tra mạch.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống phần cứng và phần mềm quản lý kho hàng tự động, bao gồm vi điều khiển xử lý trung tâm, các khối cảm biến môi trường, hệ thống xe tự hành dò đường quét thẻ RFID, module viễn thông di động GSM và hệ thống phần mềm giám sát trên nền tảng đám mây.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn như sau:

• Phạm vi không gian: Hệ thống mô hình nhà kho thực nghiệm bao gồm 4 kệ chứa hàng hóa, đường dẫn cố định (đường line) cho xe robot tự hành di chuyển, cùng hệ thống giám sát môi trường khép kín.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 16 tháng 09 năm 2024 và hoàn thành nghiệm thu vào ngày 20 tháng 12 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết chuyên ngành về mạng truyền thông không dây, các chuẩn giao tiếp phần cứng nhúng và kiến trúc dịch vụ đám mây:

• Công nghệ mạng không dây Wi-Fi: Sử dụng các chuẩn kết nối mạng không dây IEEE 802.11. Trong đó, chuẩn 802.11n (băng thông lý thuyết tối đa 300 Mbps, hoạt động trên hai dải tần 2,4 GHz và 5 GHz) được chú trọng ứng dụng nhằm truyền tải dữ liệu từ khối xử lý trung tâm lên máy chủ cơ sở dữ liệu.
• Các chuẩn giao tiếp dữ liệu nối tiếp:
  • I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp nối tiếp hai dây gồm đường dữ liệu nối tiếp (SDA) và đường xung nhịp đồng bộ (SCL), vận hành theo mô hình Master-Slave với cơ chế định địa chỉ thiết bị Slave 7-bit và kiểm tra phản hồi thông qua bit ACK/NACK.
  • UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Chuẩn truyền thông nối tiếp không đồng bộ sử dụng hai đường dẫn tín hiệu thu (RX) và phát (TX). Khung truyền bao gồm bit bắt đầu (Start bit), các bit dữ liệu (5 đến 8 bit), và bit dừng (Stop bit) với các tốc độ baud định sẵn (2400, 4800, 9600 baud).
  • SPI (Serial Peripheral Interface): Giao tiếp truyền dữ liệu nối tiếp đồng bộ bốn dây hoạt động ở chế độ song công toàn phần (Full-Duplex) tốc độ cao, gồm các tín hiệu SCK (Serial Clock), MOSI (Master Out Slave In), MISO (Master In Slave Out) và CS/SS (Chip Select).
• Kiến trúc Internet of Things (IoT): Hệ thống được phân tầng thành 4 thành phần cơ bản gồm: Thiết bị cảm biến và thiết bị đầu cuối thu thập tín hiệu; Hạ tầng kết nối mạng (Wi-Fi, GSM); Nền tảng xử lý dữ liệu đám mây; Ứng dụng giao diện tương tác người dùng. Quy trình xử lý IoT tuân theo chu trình 4 bước: Thu thập thông tin, chia sẻ thông tin, xử lý dữ liệu và đưa ra quyết định cảnh báo/điều khiển.
• Dịch vụ tin nhắn ngắn (SMS): Phương thức truyền thông văn bản qua hạ tầng mạng viễn thông di động GSM thông qua Trung tâm Dịch vụ Tin nhắn (SMSC), giới hạn tối đa 160 ký tự, đảm bảo tính độc lập hoàn toàn với kết nối mạng Internet.
• Nền tảng đám mây Firebase (Google): Ứng dụng mô hình Backend-as-a-Service (BaaS) với cơ sở dữ liệu thời gian thực (Realtime Database), dịch vụ xác thực người dùng (Authentication), lưu trữ tệp (Storage) và lưu trữ trang web (Firebase Hosting).
• Công cụ lập trình và thiết kế: Ngôn ngữ lập trình Python chạy trên hệ điều hành Linux của Raspberry Pi; các ngôn ngữ thiết kế web HTML, CSS, JavaScript; phần mềm soạn thảo mã nguồn Visual Studio Code; môi trường Arduino IDE; phần mềm điều khiển từ xa RealVNC Viewer và công cụ mô phỏng mạch điện tử Proteus.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai tuần tự theo 4 giai đoạn kỹ thuật:

1. Phân tích yêu cầu kỹ thuật: Khảo sát các thông số vận hành của nhà kho (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí cháy, nhận diện vị trí hàng hóa) để thiết lập thông số kỹ thuật đầu vào.
2. Thiết kế hệ thống: Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống, lựa chọn linh kiện bán dẫn và cảm biến dựa trên bảng đối sánh thông số kỹ thuật; tính toán phối ghép mạch nguyên lý và mô phỏng trên phần mềm Proteus.
3. Phát triển phần mềm: Xây dựng các thuật toán đọc dữ liệu cảm biến, giải thuật điều khiển xe dò line, lập trình giao tiếp nối tiếp UART với module GSM và tích hợp thư viện API Firebase trên nền tảng Python; thiết kế giao diện frontend cho website.
4. Thi công và đánh giá thực nghiệm: Lắp ráp mô hình vật lý hoàn chỉnh, nạp phần mềm điều khiển, đo đạc sai số cảm biến, kiểm tra độ nhạy của hệ thống báo động qua còi và tin nhắn SMS, cũng như đánh giá tốc độ cập nhật dữ liệu trên web.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm:

• Tín hiệu vật lý thu thập trực tiếp từ các cảm biến DHT11, MQ-2, cảm biến hồng ngoại phản xạ và module RFID RC522.
• Tài liệu thông số kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện: Raspberry Pi 4, Arduino Uno R3, ESP32, SIMCOM 7680C, L298N.
• Dữ liệu khảo cứu từ các công trình nghiên cứu quản lý kho trong nước (nghiên cứu của Dương Anh Tuấn, Nguyễn Phúc Minh - Phạm Hải Duy, Trịnh Thị Trà My) và quốc tế (nghiên cứu của Jarašūnienė cùng cộng sự tại Đại học Kỹ thuật Vilnius Gediminas; dự án triển khai IoT của tập đoàn Walmart).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa, kết nối chặt chẽ giữa các khối chức năng phần cứng và phần mềm máy chủ đám mây.

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ khối

Hệ thống nhà kho thông minh bao gồm 13 khối chức năng liên kết:

• Khối xử lý trung tâm 1 (Raspberry Pi 4): Đóng vai trò là máy tính điều khiển trung tâm của nhà kho, chịu trách nhiệm đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, cảm biến hồng ngoại; xử lý logic cảnh báo; điều khiển còi chip (buzzer), kích hoạt module GSM và truyền dữ liệu lên Firebase qua kết nối Wi-Fi.
• Khối xử lý trung tâm 2 (Arduino / ESP32): Điều khiển động cơ xe robot dò line, xử lý thuật toán nhận dạng thẻ RFID từ module quét và phối hợp dữ liệu với khối điều khiển trung tâm 1.
• Khối nhiệt độ - độ ẩm: Sử dụng cảm biến số DHT11 đo đạc trạng thái môi trường.
• Khối khí gas: Sử dụng cảm biến khí MQ-2 nhằm phát hiện rò rỉ khí đốt và khói cháy.
• Khối hồng ngoại: Gồm 4 cảm biến hồng ngoại bố trí tại 4 kệ hàng để kiểm tra sự hiện diện vật lý của kiện hàng.
• Khối nhận dạng: Module RFID RC522 NFC đọc thông tin định danh gắn trên các kiện hàng.
• Khối điều khiển động cơ: Mạch cầu H L298N nhận tín hiệu điều khiển độ rộng xung (PWM) và hướng quay từ vi điều khiển để dẫn động động cơ DC xe dò line.
• Khối báo động: Còi báo (buzzer) và hệ thống đèn LED chỉ thị trạng thái.
• Khối giao tiếp SMS/GSM: Module SIMCOM 7680C thực hiện chức năng gửi/nhận tin nhắn văn bản SMS qua mạng di động.
• Khối Internet (Wi-Fi): Module truyền thông mạng không dây kết nối Raspberry Pi với Internet.
• Khối Firebase: Cơ sở dữ liệu đám mây Realtime Database lưu trữ trạng thái hệ thống.
• Khối nguồn: Mạch nguồn DC hạ áp cung cấp các mức điện áp danh định (5V, 3.3V) cho vi điều khiển và linh kiện ngoại vi.
• Nút nhấn: Cơ cấu cơ điện phục vụ thao tác vận hành và kiểm tra thủ công.

Thông số kỹ thuật và so sánh lựa chọn linh kiện

Bảng 1: So sánh thông số kỹ thuật các dòng cảm biến nhiệt độ - độ ẩm

Thông số kỹ thuật	DHT11	DHT22	BME280
Khoảng đo nhiệt độ (°C)	0 – 50	-40 – 80	-40 – 85
Độ chính xác nhiệt độ (°C)	±2	±0.5	±1
Khoảng đo độ ẩm (%)	20 – 90	0 – 100	0 – 100
Độ chính xác độ ẩm (%)	±5	±2 – 5	±3
Tốc độ lấy mẫu	1 Hz	0.5 Hz	2 Hz
Chuẩn giao tiếp	Digital (1 dây)	Digital (1 dây)	I2C, SPI
Điện áp hoạt động (V)	3 – 5.6	3.3 – 6	1.8 – 3.6
Chi phí	Thấp	Trung bình	Cao

Bảng 2: So sánh thông số kỹ thuật các dòng cảm biến khí gas

Thông số kỹ thuật	MQ-02	MQ-05	MQ-135
Khí phát hiện đặc trưng	LPG, Methane, CO, khói	LPG, Hydrogen	NH3, CO2, Benzen
Phạm vi đo (ppm)	200 – 10.000	300 – 10.000	10 – 1.000
Điện áp hoạt động (V)	5V	5V	5V
Đầu ra tín hiệu	Analog / Digital	Analog / Digital	Analog / Digital
Thời gian phản hồi	≤ 10 giây	≤ 10 giây	≤ 30 giây
Nhiệt độ vận hành (°C)	-10 – 50	-10 – 50	-10 – 50

Bảng 3: So sánh thông số kỹ thuật các dòng cảm biến phát hiện vật cản

Tiêu chí	Cảm biến hồng ngoại (IR)	Cảm biến ánh sáng	Cảm biến siêu âm
Nguyên lý hoạt động	Phản xạ tia hồng ngoại	Đo cường độ ánh sáng	Phản xạ sóng siêu âm
Phạm vi phát hiện hiệu dụng	~10 cm	Cường độ ánh sáng môi trường	~1 m
Độ ổn định	Trung bình	Trung bình	Cao
Chi phí linh kiện	8.000 VNĐ	Rất thấp	Cao

Bảng 4: So sánh thông số kỹ thuật các phiên bản máy tính nhúng Raspberry Pi

Thông số	Raspberry Pi 0	Raspberry Pi 2	Raspberry Pi 4
Bộ xử lý (CPU)	1 lõi, 1 GHz	4 lõi, 900 MHz	4 lõi, 1.5 GHz
Dung lượng RAM	512 MB	1 GB	2 GB / 4 GB / 8 GB
Cổng xuất hình ảnh	Mini HDMI	1 cổng HDMI tiêu chuẩn	2 cổng Micro HDMI (hỗ trợ 4K)
Kết nối mạng	Không tích hợp sẵn	Cổng Ethernet 10/100	Gigabit Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth
Số chân giao tiếp GPIO	40 chân	40 chân	40 chân
Cổng cấp nguồn	Micro-USB (5V)	Micro-USB (5V)	USB-C (5V)

Kết nối chân giao tiếp phần cứng

Bảng 5: Sơ đồ nối dây giữa Raspberry Pi 4 và các module ngoại vi

Thiết bị ngoại vi	Chân tín hiệu module	Chân kết nối trên Raspberry Pi 4	Ghi chú kỹ thuật
Cảm biến DHT11	VCC	3.3V	Sử dụng điện trở kéo lên
	OUT	GPIO 17	(Pull-up) từ 4.7kΩ đến 10kΩ
	GND	GND	Cấp nguồn 3.3V ổn định
Cảm biến MQ-02	VCC	5V / 3.3V	Sử dụng điện trở kéo xuống
	OUT	GPIO 13	(Pull-down) ổn định tín hiệu
	GND	GND	Nhận tín hiệu cảnh báo khí
Module hồng ngoại 1	OUT	GPIO 18	Giám sát kệ hàng 1
Module hồng ngoại 2	OUT	GPIO 23	Giám sát kệ hàng 2
Module hồng ngoại 3	OUT	GPIO 24	Giám sát kệ hàng 3
Module hồng ngoại 4	OUT	GPIO 25	Giám sát kệ hàng 4
Module IR (Nguồn)	VCC / GND	3.3V / GND	Cấp nguồn chung cho cụm IR
SIMCOM 7680C	TXD, RXD	UART pins (GPIO 14, 15)	Truyền nhận tập lệnh AT Command
Còi báo (Buzzer)	Tín hiệu kích	Chân GPIO số	Kích hoạt báo động âm thanh

Quy trình vận hành và kiểm thử

1. Quy trình giám sát môi trường: Hệ thống Raspberry Pi 4 đọc liên tục các giá trị nhiệt độ và độ ẩm qua chân GPIO 17 và nồng độ khí gas qua chân GPIO 13. Ngưỡng nhiệt độ an toàn của nhà kho được cài đặt từ 15°C đến 30°C; độ ẩm tiêu chuẩn duy trì trong khoảng 30% đến 50%. Khi các thông số vượt ra ngoài phạm vi này hoặc khi nồng độ khí gas vượt ngưỡng cho phép (khoảng đo cảm biến từ 200 đến 10.000 ppm), hệ thống lập tức kích hoạt còi báo, gửi lệnh qua tập lệnh AT tới module SIMCOM 7680C để truyền tin nhắn SMS cảnh báo tới điện thoại người quản trị, đồng thời đẩy dữ liệu bất thường lên Firebase Realtime Database.
2. Quy trình kiểm kê của xe dò line: Xe robot tự hành di chuyển dọc theo tuyến đường line cố định nhờ cảm biến dò line hồng ngoại. Khi tiếp cận từng vị trí trong số 4 kệ hàng, xe dừng lại và kích hoạt module RFID RC522 để đọc mã định danh thẻ RFID gắn trên sản phẩm. Trạng thái hàng hóa trên kệ được đối soát và truyền dữ liệu đồng bộ lên hệ thống.
3. Quy trình hiển thị và giám sát qua Web: Ứng dụng web viết bằng HTML, CSS và JavaScript tự động cập nhật dữ liệu từ Firebase theo cơ chế thời gian thực, trực quan hóa biểu đồ môi trường, hiển thị trạng thái tồn kho của từng kệ hàng và cung cấp thanh công cụ tìm kiếm vị trí kiện hàng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên sự phát triển của công nghệ IoT, GSM và yêu cầu cấp thiết về tự động hóa nhà kho trong cách mạng công nghiệp 4.0. Tác giả tổng thuật chi tiết tình hình nghiên cứu liên quan:

• Trong nước: Các đề tài của Dương Anh Tuấn (hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm nhưng thiếu giao diện web); Nguyễn Phúc Minh và Phạm Hải Duy (hệ thống kho cảng IoT có giao diện web nhưng thiếu tính năng điều khiển và cảnh báo qua smartphone); Trịnh Thị Trà My (hệ thống quản lý kho và hàng tồn kho có web nhưng khâu kiểm kê còn hoàn toàn phụ thuộc vào con người).
• Ngoài nước: Nghiên cứu của nhóm tác giả Jarašūnienė tại Đại học Kỹ thuật Vilnius Gediminas (Lithuania) về ứng dụng RFID, GPS và quét laser trong quản lý chuỗi cung ứng; dự án của tập đoàn bán lẻ Walmart ứng dụng cảm biến IoT giám sát môi trường trung tâm phân phối giúp giảm thiểu 20% lượng thực phẩm hư hỏng.

Chương này cũng xác định rõ 5 mục tiêu nghiên cứu, 4 bước phương pháp luận và bố cục 5 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chi tiết cho toàn bộ đồ án:

• Phân tích nguyên lý truyền sóng và cấu trúc hoạt động của công nghệ Wi-Fi, lược sử phát triển các chuẩn IEEE 802.11 (từ chuẩn 802.11 năm 1997 tốc độ 2 Mbps, chuẩn 802.11g tốc độ 54 Mbps đến chuẩn 802.11n hỗ trợ 300 Mbps trên hai băng tần 2,4 GHz và 5 GHz).
• Phân tích cơ chế hoạt động, cấu trúc khung truyền và giản đồ xung của 3 chuẩn truyền thông nối tiếp thông dụng: I2C (giao tiếp 2 dây Master-Slave), UART (truyền nhận nối tiếp không đồng bộ với các tốc độ baud 2400, 4800, 9600), và SPI (truyền nhận đồng bộ 4 dây Full-Duplex gồm SCK, MOSI, MISO, CS).
• Trình bày kiến trúc dịch vụ Backend-as-a-Service của Google Firebase, phân tích ưu điểm (dễ tích hợp, tính sẵn sàng cao, bảo mật) và nhược điểm (phụ thuộc hạ tầng Google, chi phí mở rộng quy mô lớn).
• Giới thiệu khái niệm, cấu trúc 4 lớp và quy trình 4 giai đoạn của hệ thống IoT; tổng quan về dịch vụ SMS trên nền mạng GSM, cơ chế trung tâm tin nhắn SMSC với ưu điểm hoạt động độc lập khi mất mạng Internet.
• Giới thiệu các ngôn ngữ lập trình Python, HTML, CSS, JavaScript và các công cụ hỗ trợ: Visual Studio Code, Arduino IDE, RealVNC Viewer và Proteus.

Chương 3: Thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết quá trình tính toán, thiết kế và sơ đồ phối ghép toàn mạch:

• Phân tích 5 yêu cầu kỹ thuật: Giám sát tự động, cảnh báo qua GSM, hỗ trợ quản lý hàng hóa bằng xe dò line quét RFID, tích hợp IoT với Firebase/Web, và tính ổn định liên tục trong môi trường công nghiệp.
• Xây dựng sơ đồ khối tổng thể gồm 13 khối chức năng và làm rõ mối quan hệ truyền nhận tín hiệu giữa các khối.
• Trình bày các bảng thông số kỹ thuật và luận chứng kỹ thuật lựa chọn linh kiện: chọn cảm biến DHT11 (đo dải nhiệt độ 0-50°C, sai số ±2°C; độ ẩm 20-90%, sai số ±5%), cảm biến MQ-2 (phát hiện khí LPG, metan, CO, khói với dải đo 200-10.000 ppm), module cảm biến hồng ngoại 4 kênh (khoảng cách 10 cm, chi phí 8.000 VNĐ), bo mạch xử lý trung tâm Raspberry Pi 4 (CPU 4 nhân 1.5 GHz, RAM lớn, hỗ trợ Wi-Fi và Gigabit Ethernet), module viễn thông SIMCOM 7680C, driver L298N và đầu đọc RFID RC522.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch, định nghĩa chi tiết chân kết nối GPIO giữa Raspberry Pi 4 và các cảm biến.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật cho toàn bộ hệ thống và các lưu đồ chương trình con: lưu đồ giải thuật đo nhiệt độ - độ ẩm, lưu đồ đo nồng độ khí gas, lưu đồ cảm biến hồng ngoại, lưu đồ điều khiển xe dò line và lưu đồ nhận dạng thẻ RFID.

Chương 4: Kết quả

Chương 4 mô tả kết quả thi công phần cứng và thử nghiệm thực tế của mô hình:

• Chế tạo hoàn thiện mô hình cơ khí và phần cứng nhà kho vật lý, bao gồm các hình ảnh thực tế: mô hình mặt trước, mặt sau và mặt trên của nhà kho; hệ thống 4 kệ hàng hóa tích hợp cụm cảm biến hồng ngoại và đèn LED hiển thị trạng thái; khối còi báo động.
• Thi công hoàn thiện robot xe dò line với hệ thống bánh xe dẫn động, driver L298N, cảm biến hồng ngoại bám line và module quét thẻ RFID RC522.
• Kết quả thu thập và đồng bộ dữ liệu: hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ khí gas ổn định lên hệ thống Firebase Realtime Database.
• Kết quả truyền thông GSM: module SIMCOM 7680C gửi tin nhắn SMS cảnh báo chính xác về số điện thoại quản trị viên khi kích hoạt nồng độ khí gas hoặc nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn.
• Kết quả giao diện Web: Trang web hiển thị đầy đủ thông số môi trường thời gian thực, bảng trạng thái tồn tại của sản phẩm trên 4 kệ hàng kho, chức năng tìm kiếm sản phẩm hoạt động chính xác và tương thích hiển thị trên giao diện Smartphone.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các hạng mục kỹ thuật đã đạt được trong đề tài, chỉ ra các hạn chế tồn tại của hệ thống phần cứng cũng như đề xuất các hướng mở rộng, nâng cấp cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình thực nghiệm và đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Thi công phần cứng hoàn chỉnh: Xây dựng mô hình nhà kho vật lý gồm 4 kệ chứa hàng, tích hợp đầy đủ hệ thống cảm biến môi trường (DHT11, MQ-2), cụm 4 cảm biến hồng ngoại kiểm tra kiện hàng, hệ thống còi báo động và máy tính nhúng điều khiển trung tâm Raspberry Pi 4.
• Chế tạo xe robot dò line tự động: Robot bám đường line cố định chính xác, di chuyển tuần tự qua 4 kệ hàng và đọc thành công mã thẻ RFID của từng sản phẩm thông qua module RFID RC522, gửi dữ liệu đối soát về hệ thống điều khiển.
• Cơ chế cảnh báo kép qua GSM và Đám mây: Hệ thống thiết lập thành công dải nhiệt độ giám sát từ 15°C đến 30°C và độ ẩm từ 30% đến 50%. Khi có rò rỉ khí gas (phát hiện trong dải 200 – 10.000 ppm của cảm biến MQ-2) hoặc nhiệt độ vượt mức, còi báo kích hoạt tức thời, module SIMCOM 7680C gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến điện thoại người quản lý và dữ liệu được đẩy lên máy chủ đám mây Firebase.
• Xây dựng giao diện web giám sát thời gian thực: Trang web quản trị hiển thị trực quan các thông số môi trường, trạng thái 4 kệ hàng, hỗ trợ chức năng tìm kiếm vị trí hàng hóa và tương thích tốt trên các thiết bị di động (Smartphone).

Bảng 6: Tổng hợp trạng thái và kết quả vận hành các phân hệ trong hệ thống

Phân hệ chức năng	Thiết bị / Nền tảng	Trạng thái kỹ thuật đạt được
Giám sát nhiệt độ - độ ẩm	Cảm biến DHT11	Đo dải 0 – 50°C, cập nhật dữ liệu thời gian thực
Phát hiện rò rỉ khí gas	Cảm biến MQ-02	Phát hiện khí dễ cháy (200 – 10.000 ppm), độ trễ ≤ 10s
Kiểm tra vật cản trên kệ	4 module hồng ngoại IR	Nhận diện sự hiện diện của hàng hóa tại 4 kệ kho
Kiểm kê hàng hóa tự động	Xe dò line + RFID RC522	Di chuyển bám line, đọc thẻ RFID và đối soát 4 kệ
Cảnh báo sự cố khẩn cấp	Module SIMCOM 7680C	Gửi tin nhắn SMS cảnh báo sự cố đến người quản lý
Báo động tại chỗ	Còi chip (Buzzer) + LED	Kích hoạt âm thanh và đèn chỉ thị khi vượt ngưỡng
Cơ sở dữ liệu đám mây	Google Firebase	Đồng bộ và lưu trữ dữ liệu môi trường, trạng thái kệ
Giao diện người dùng	Web (HTML/CSS/JS)	Giám sát thời gian thực, tìm kiếm hàng, hỗ trợ Smartphone

Đóng góp kỹ thuật của đề tài:

• Khắc phục hạn chế của các đề tài trong nước đi trước: Bổ sung tính năng cảnh báo qua SMS và tương thích Smartphone mà hệ thống của Nguyễn Phúc Minh và Phạm Hải Duy chưa hoàn thiện; tích hợp xe robot tự hành quét thẻ RFID để tự động hóa công tác kiểm kê, khắc phục việc phụ thuộc vào nhân lực thủ công trong nghiên cứu của Trịnh Thị Trà My.
• Đảm bảo tính liên tục của hệ thống cảnh báo an toàn kho bãi: Kết hợp song song kênh truyền dữ liệu qua Internet (Firebase/Web) và kênh truyền viễn thông GSM (SMS), đảm bảo người quản lý luôn nhận được cảnh báo ngay cả khi mạng Internet tại nhà kho gặp sự cố mất kết nối.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên kết quả thực nghiệm tại mô hình và phạm vi nghiên cứu được công bố trong tài liệu, các hạn chế và hướng phát triển được xác định như sau:

Hạn chế của hệ thống:

• Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 có dải đo và độ chính xác ở mức cơ bản (sai số nhiệt độ ±2°C, độ ẩm ±5%), chưa đáp ứng tối ưu cho các môi trường kho bãi yêu cầu kiểm soát vi khí hậu đặc biệt khắt khe (như kho lạnh dược phẩm hoặc kho linh kiện quang học chính xác).
• Xe robot kiểm kê di chuyển hoàn toàn phụ thuộc vào đường line cố định vẽ sẵn trên sàn, chưa được trang bị thuật toán lập bản đồ tự hành (SLAM) hoặc cảm biến lidar/khoảng cách để tự động tránh né các vật cản động phát sinh đột xuất trên đường đi.
• Quy mô thử nghiệm dừng lại ở mô hình thực nghiệm với 4 kệ hàng hóa; số lượng thẻ RFID và dữ liệu quản lý còn hạn chế, chưa trải qua kiểm nghiệm tải lớn trong môi trường kho công nghiệp thực tế.
• Khối nguồn cung cấp cho các module và động cơ trên xe robot tự hành cần được tối ưu hóa về mặt dung lượng pin để duy trì thời gian hoạt động độc lập liên tục trong thời gian dài.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

• Nâng cấp phần cứng cảm biến môi trường lên các dòng cao cấp hơn như DHT22 hoặc BME280 (hỗ trợ đo cả áp suất khí quyển với độ chính xác cao hơn) cho các kho chuyên dụng.
• Nâng cấp xe dò line thành robot tự hành AGV/AMR không cần đường line dẫn hướng, tích hợp các thuật toán điều hướng thông minh, cảm biến tránh vật cản hoặc camera xử lý ảnh nhằm nhận diện mã QR/mã vạch song song với thẻ RFID.
• Mở rộng cấu trúc cơ sở dữ liệu trên máy chủ để quản lý số lượng lớn kệ hàng, tích hợp các thuật toán phân tích xu hướng biến đổi môi trường và quản trị hàng tồn kho chuyên sâu.
• Phát triển ứng dụng di động riêng biệt (Mobile App gốc trên Android/iOS) hỗ trợ nhận thông báo đẩy trực tiếp (Push Notification), song song với giải pháp tin nhắn SMS truyền thống.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng thực tiễn cao:

• Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Điện tử tự động hóa hoặc Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án tốt nghiệp, đề tài nghiên cứu về hệ thống nhúng, Internet of Things và các hệ thống điều khiển tự động hóa quy mô nhỏ.
• Giá trị nội dung:
  • Cung cấp phương pháp phối ghép phần cứng toàn diện giữa máy tính nhúng Raspberry Pi 4 với nhiều chủng loại cảm biến (số, tương tự) và module truyền thông GSM (SIMCOM 7680C) thông qua các giao thức GPIO, UART, SPI.
  • Cung cấp hệ thống bảng đối kháng kỹ thuật chi tiết giúp người học nắm bắt cơ sở luận chứng để lựa chọn cảm biến môi trường (DHT, MQ, IR) và bo mạch điều khiển phù hợp với yêu cầu kinh tế - kỹ thuật của đề tài.
  • Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về mô hình xe tự hành bám line kết hợp đầu đọc RFID ứng dụng trong chuỗi logistics và kiểm kê kho vận.
  • Là tài liệu hữu ích về phương pháp lập trình hệ thống kết hợp giữa ngôn ngữ Python trên môi trường Linux nhúng, cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase và công nghệ lập trình web front-end.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn cảm biến DHT11 và MQ-2 thay vì các dòng cảm biến có độ chính xác cao hơn như DHT22 hay MQ-135?
Dựa trên bảng đối sánh thông số kỹ thuật ở Chương 3, cảm biến DHT11 có chi phí thấp, giao tiếp số đơn giản qua chân GPIO và đáp ứng tốt dải nhiệt độ giám sát thông thường trong kho (15°C – 30°C với sai số ±2°C). Cảm biến MQ-2 được chọn vì chuyên biệt phát hiện các loại khí dễ cháy và khí độc liên quan trực tiếp đến nguy cơ cháy nổ nhà kho (LPG, Methane, Butane, CO, khói) với dải đo từ 200 đến 10.000 ppm và thời gian phản hồi nhanh dưới 10 giây, trong khi MQ-135 chủ yếu dùng để đo chất lượng không khí tổng quát (NH3, CO2).

2. Khối xử lý trung tâm 1 sử dụng loại vi xử lý nào và kết nối với các cảm biến qua những chân GPIO cụ thể nào?
Khối xử lý trung tâm 1 sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 4 (CPU 4 lõi 1.5 GHz). Các kết nối chân vật lý cụ thể bao gồm: chân tín hiệu OUT của DHT11 nối với chân GPIO 17 (nguồn 3.3V, có điện trở kéo lên 4.7kΩ – 10kΩ); chân OUT của MQ-2 nối với GPIO 13 (nguồn 5V, có điện trở kéo xuống); bốn cảm biến hồng ngoại tại 4 kệ hàng nối lần lượt vào các chân GPIO 18, GPIO 23, GPIO 24 và GPIO 25 (nguồn 3.3V).

3. Module SIMCOM 7680C đóng vai trò gì và giao tiếp với khối xử lý qua chuẩn giao thức nào?
Module SIMCOM 7680C thuộc khối giao tiếp SMS/GSM, đảm nhiệm vai trò gửi tin nhắn SMS cảnh báo tự động đến số điện thoại của người quản lý khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn hoặc phát hiện rò rỉ khí gas, đồng thời có thể nhận tin nhắn lệnh điều khiển. Module này giao tiếp trực tiếp với Raspberry Pi 4 thông qua giao thức truyền thông nối tiếp không đồng bộ UART (chân TX, RX) bằng tập lệnh AT Command.

4. Cơ chế kiểm tra và đối soát hàng hóa của hệ thống xe robot dò line được thực hiện ra sao?
Xe robot sử dụng cảm biến hồng ngoại để bám theo đường line dẫn hướng cố định nối giữa các khu vực. Khi di chuyển tới 4 vị trí kệ hàng, xe dừng lại để module đọc RFID RC522 NFC kích hoạt quét thẻ RFID gắn trên kiện hàng. Dữ liệu mã hàng thu thập được truyền về khối xử lý trung tâm 2 (Arduino/ESP32) để đối chiếu, xác nhận trạng thái có hoặc không có sản phẩm trên từng kệ và cập nhật lên hệ thống.

5. Hệ thống phần mềm giám sát và cơ sở dữ liệu của đề tài được xây dựng trên những công nghệ nào?
Phần mềm điều khiển trên máy tính nhúng Raspberry Pi 4 được viết bằng ngôn ngữ lập trình Python. Cơ sở dữ liệu đám mây sử dụng nền tảng Firebase Realtime Database của Google để đồng bộ dữ liệu cảm biến và trạng thái kệ hàng. Giao diện người dùng phía máy khách (Client) được xây dựng bằng bộ ba công nghệ web gồm HTML, CSS và JavaScript, hỗ trợ hiển thị linh hoạt trên cả trình duyệt máy tính và màn hình điện thoại thông minh (Smartphone).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống nhà kho thông qua IoT và GSM" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu kỹ thuật đề ra, chế tạo thành công mô hình nhà kho thông minh kết hợp đồng thời công nghệ giám sát môi trường IoT và mạng viễn thông GSM. Sự kết hợp giữa máy tính nhúng Raspberry Pi 4, robot xe dò line tích hợp đầu đọc thẻ RFID, module viễn thông SIMCOM 7680C và cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase đã tạo nên một giải pháp quản lý kho bãi tự động, nâng cao tính an toàn phòng chống cháy nổ và hỗ trợ kiểm kê hàng hóa từ xa hiệu quả. Các kết quả thực nghiệm cùng hệ thống sơ đồ mạch, thông số linh kiện và lưu đồ giải thuật được trình bày chi tiết trong đồ án là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông và các ngành kỹ thuật liên quan.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Trình bày về giới thiệu, lý do chọn đề tài, mục tiêu, tình hình và phương pháp nghiên cứu và bố cục đề tài. 3 Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày các lý thuyết liên quan đến đề tài trên, tìm hiểu về các khái niệm, nội dung cần tìm hiểu như chuẩn giao tiếp, điện toán đám mây, SMS. Chương 3: Thiết kế hệ thống Trong chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài cần thiết kế, tính toán xây dựng sơ đồ khối và thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ thống. Chương 4: Thi công hệ thống và đánh giá kết quả Mô tả các yêu cầu của hệ thống, sơ đồ khối hệ thống, các khối chi tiết trong hệ thống và các thiết kế phần mềm liên quan.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Trình bày kết quả tổng quát và hạn chế của hệ thống, đưa ra hướng phát triển của hệ thống. 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Công nghệ truyền thông WiFi 2. Giới thiệu Wireless Fidelity, còn được gọi là Wi-Fi, là một công nghệ cho phép kết nối Internet không dây bằng sóng vô tuyến giống như sóng của điện thoại, truyền hình hoặc radio.

Đây là phương pháp cần thiết để kết nối với các thiết bị hiện đại như điện thoại thông minh, máy tính xách tay và máy tính bảng [6]. Nguyên lý hoạt động Router, hay còn gọi là bộ định tuyến, là thiết bị quan trọng trong việc thiết lập kết nối Wi-Fi. Router hoạt động bằng cách nhận dữ liệu từ kết nối mạng dây, sau đó phát ra sóng tín hiệu không dây. Trong khi đó, mỗi thiết bị di động thường được tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu không dây (Adapter), giúp tiếp nhận sóng vô tuyến từ Router, giải mã và chuyển đổi chúng thành các tín hiệu cần thiết.

Quá trình trao đổi và chuyển đổi tín hiệu giữa Router và Adapter có thể diễn ra theo hai chiều. Adapter không chỉ nhận tín hiệu mà còn có khả năng phát lại tín hiệu tương tự như Router. Ngược lại, Router cũng có thể thực hiện chức năng tiếp nhận và xử lý tín hiệu như Adapter, tạo nên sự tương tác linh hoạt giữa hai thiết bị.1: Sơ đồ hoạt động của Wifi 5 2. Một số chuẩn WIFI ở Việt Nam Hiện nay, tại Việt Nam, hai chuẩn Wi-Fi phổ biến nhất là 802.11n nổi bật hơn nhờ khả năng hoạt động linh hoạt trên hai băng tần 2,4 GHz và 5 GHz.11 Năm 1997, IEEE đã giới thiệu chuẩn mạng không dây đầu tiên mang tên 802.

Ở thời điểm đó, chuẩn này hỗ trợ tốc độ tối đa chỉ 2 Mbps và hoạt động trên băng tần 2,4 GHz.11g So với chuẩn 802.11g có nhiều ưu điểm vượt trội hơn, nhưng vẫn hoạt động ở băng tần 2,4 GHz nên dễ bị nhiễu sóng. Chuẩn này cho phép xử lý tốc độ tối đa lên tới 54 Mbps.11n Ra mắt vào năm 2009, chuẩn 802.11n đã trở thành một trong những lựa chọn phổ biến nhờ hiệu suất cao vượt trội. Chuẩn này hỗ trợ tốc độ lên đến 300 Mbps và có thể hoạt động hiệu quả trên cả hai băng tần 2,4 GHz và 5 GHz.2: Một số chuẩn kết nối Wifi hiện nay 6 2. Các chuẩn giao tiếp 2.

Giao tiếp I2C Giao thức truyền dữ liệu nối tiếp được gọi là I2C hoạt động theo mô hình chủ- tớ và cho phép nhiều thiết bị tớ kết nối và trao đổi dữ liệu với nhau. Để thực hiện giao tiếp, thiết bị chủ phải gửi địa chỉ chính xác của thiết bị tớ để tôi có thể đọc hoặc ghi dữ liệu [7]. Phương thức hoạt động: Hình 2.3: Giản đồ xung I2C Khi bắt đầu quá trình truyền dữ liệu, trình điều khiển sẽ gửi tín hiệu khởi động bằng cách kéo các đường SDA và SCL từ cao xuống thấp. Sau đó, master gửi 7 bit địa chỉ cho các Slave.

Slave so sánh địa chỉ vừa gửi đến nó. Nếu tìm thấy kết quả khớp, thiết bị phụ sẽ xác nhận bằng cách kéo đường SDA xuống mức thấp và đặt bit ACK thành "0". Nếu không tìm thấy kết quả khớp, bit SDA và ACK mặc định là 1. Máy chủ gửi hoặc nhận khung bit dữ liệu bằng cách gửi bit đọc/ghi.

Khi master truyền tới Slave, giá trị của bit đọc ghi là "0" và ngược lại, giá trị của bit này là "1" khi master nhận dữ liệu. Nếu gói được gửi thành công, bit ACK được đặt thành 0 để báo hiệu cho máy chủ tiếp tục. Sau khi gửi thành công tất cả dữ liệu đến máy phụ, máy chủ gửi tín hiệu dừng để thông báo cho máy phụ quá trình truyền đã hoàn tất bằng cách thay đổi SCL và SDA. Giao tiếp UART UART là một giao thức truyền dữ liệu nối tiếp không đồng bộ.

Chuyển đổi giữa dữ liệu nối tiếp và song song có thể được thực hiện với giao thức này. Cụ thể, UART chuyển dữ liệu song song từ bus hệ thống thành dữ liệu nối tiếp để truyền đi và biến dữ liệu nối tiếp được nhận thành dữ liệu song song để CPU có thể xử lý chúng qua bus hệ thống. Tốc độ baud, chẳng hạn như 2400 baud, 4800 baud hoặc 9600 baud, được sử dụng bởi cả thiết bị phát và thiết bị nhận để đảm bảo rằng dữ liệu được truyền đúng cách. UART hỗ trợ hai kiểu giao tiếp đồng thời và không đồng thời trên máy tính.

UART cho phép truyền và nhận dữ liệu cùng lúc trong giao tiếp đồng thời. Giao tiếp không đồng thời, hoặc không song công, chỉ cho phép một thiết bị truyền dữ liệu một lần. Các tín hiệu điều khiển hoặc mã lệnh sẽ được sử dụng để xác định quyền truyền dữ liệu. Khi hai chiều sử dụng một đường truyền chung hoặc khi chỉ một thiết bị hoạt động trên mỗi đường truyền một lúc, kiểu giao tiếp không đồng thời thường được sử dụng [8].4: Giản đồ xung UART 8 Khi không có dữ liệu để truyền, tín hiệu TX (Truyền) thường ở mức cao (high).

Khi một byte dữ liệu sẽ được truyền, tín hiệu TX bắt đầu với một bit bắt đầu (start bit) ở mức thấp (low). Điều này làm cho thiết bị nhận có thể nhận ra sự bắt đầu của một byte dữ liệu. Sau start bit, các bit dữ liệu sẽ được truyền từ bit thấp đến bit cao theo thứ tự. Số lượng bit dữ liệu này có thể là 5, 6, 7 hoặc 8, tùy thuộc vào cài đặt của người sử dụng.

Mỗi bit dữ liệu sẽ có thời gian giữa các xung, được đo bằng baud rate. Thông thường, bit thấp (low) và bit cao (high) tương ứng với các giá trị nhị phân 0 và 1. Sau các bit dữ liệu, một hoặc nhiều bit kết thúc (stop bit) sẽ được thêm vào. Stop bit thường ở mức cao (high) và đánh dấu sự kết thúc của mỗi byte dữ liệu.

Số lượng stop bit thường là 1 hoặc 2, tùy thuộc vào cài đặt. Sau stop bit, tín hiệu TX lại trở lại mức cao (high) để chuẩn bị cho việc truyền byte tiếp theo. Thiết bị nhận sẽ giám sát tín hiệu RX (Nhận) để nhận dữ liệu. Khi RX phát hiện một bit bắt đầu (start bit) ở mức thấp (low), nó sẽ bắt đầu đọc các bit dữ liệu và stop bit.

Giao tiếp SPI Giao thức truyền thông SPI là một phương thức truyền dữ liệu tốc độ cao giữa vi điều khiển và thiết bị ngoại vi bằng cách sử dụng bốn tín hiệu chính: MOSI MISO, SCLK và SS/CS. Tín hiệu đồng hồ SCLK được điều khiển bởi Master và thiết bị Slave được chọn. Đồng bộ và nối tiếp với tín hiệu đồng hồ, dữ liệu cho phép truyền và nhận dữ liệu song song trong chế độ full-duplex và tối ưu hóa tốc độ truyền. Phương thức hoạt động: Hình 2.5: Chuẩn truyền dữ liệu SPI 9 SCK (Serial Clock): Tín hiệu xung nhịp do Master tạo ra để đồng bộ hóa dữ liệu.

MOSI (Master Out Slave In): Đường dữ liệu mà Master gửi đến Slave. MISO (Master In Slave Out): Đường dữ liệu mà Slave gửi về Master. CS (Chip Select): Tín hiệu chọn Slave, đảm bảo một Slave giao tiếp tại một thời điểm. Phương thức hoạt động của SPI (Serial Peripheral Interface) dựa trên mô hình Master-Slave và sử dụng giao tiếp đồng bộ thông qua xung nhịp do Master tạo ra.

Trong quá trình truyền dữ liệu, Master sẽ điều khiển tín hiệu xung nhịp SCK để đồng bộ hóa giao tiếp giữa các thiết bị. Dữ liệu được truyền từ Master đến Slave qua đường MOSI và đồng thời dữ liệu từ Slave sẽ được gửi ngược về Master thông qua đường MISO Để xác định thiết bị Slave cần giao tiếp, Master sẽ kéo chân CS của thiết bị đó xuống mức thấp, kích hoạt nó. Dữ liệu trong SPI được gửi và nhận cùng lúc (giao tiếp song công - Full Duplex), và tốc độ truyền phụ thuộc vào tần số của tín hiệu xung nhịp SCK do Master quy định. Tổng quan về Firebase 2.

Giới thiệu Firebase là một nềnltảng phát triển ứngldụng di động vàlweb dolGoogle phátltriển, cunglcấp mộtlloạt các công cụ và dịchlvụ nhằm hỗ trợ nhà phátltriển xây dựnglvà triểnlkhai ứng dụng một cách dễ dàng và hiệu quả. Với Firebase, các nhà phát triển có thể tận dụng nhiều tính năng hữu ích, chẳng hạn như Realtime Database để đồng bộ dữ liệu thời gian thực giữa các thiết bị, Authentication để quản lý đăng nhập và xác thực người dùng, Cloud Firestore để lưu trữ và truy vấn dữ liệu linh hoạt. Ngoài ra, Firebase Hosting cho phép triển khai các ứng dụng web và tĩnh một cách nhanh chóng, giúp quá trình phát triển trở nên mượt mà và tiện lợi hơn [10].6: Giao diện Firebase Ngoài ra, Firebase cung cấp nhiều tính năng hữu ích, chẳng hạn như Firebase Storage cho phép lưu trữ và quản lý tệp và Cloud Functions cho phép viết và triển khai mã máy chủ mà không cần lo lắng về cơ sở hạ tầng. Ngoài ra, Firebase cung cấp các công cụ phân tích hiệu quả như Analytics để hiểu rõ hơn về hành vi người dùng và Performance Monitoring để theo dõi hiệu suất ứng dụng.

Đồng thời, Firebase Crashlytics hỗ trợ theo dõi và báo cáo lỗi cho các ứng dụng, giúp nhà phát triển tìm ra và khắc phục các vấn đề nhanh chóng. Nguyên lý hoạt động Firebase, một nền tảng Backend-as-a-Service (BaaS), cung cấp cho các ứng dụng hệ thống backend đám mây sẵn có và có khả năng mở rộng. Ưu điểm chính của Firebase là nó cho phép các nhà phát triển tập trung vào việc thiết kế và xây dựng giao diện người dùng trên front-end khi tạo ứng dụng web hoặc di động bằng cách giảm bớt các thủ tục phía máy chủ. Firebase về cơ bản hoạt động như một tập hợp các giao thức phát triển ứng dụng, hoặc API, cho phép nhà phát triển tích hợp các API này trực tiếp vào ứng dụng của họ.