Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của đời sống kinh tế - xã hội, các chuỗi siêu thị và cửa hàng tiện lợi tại Việt Nam mọc lên ngày càng nhiều nhằm cung ứng khối lượng lớn mặt hàng tiêu dùng thiết yếu, thực phẩm khô và hàng gia dụng. Sự gia tăng quy mô kinh doanh đặt ra thách thức lớn đối với công tác điều hành và quản lý vận hành. Theo phân tích thực trạng của nhóm tác giả, mô hình quản lý thủ công truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào con người (nhân viên bán hàng, bảo vệ) bộc lộ nhiều điểm hạn chế:

  • Nguy cơ an ninh và thất thoát: Dễ xảy ra tình trạng trộm cắp, thất thoát hàng hóa; công tác kiểm tra kệ trưng bày tốn kém thời gian và nhân lực. Tác giả đưa ra ví dụ định lượng: nếu một nhân viên phụ trách giám sát tối thiểu 2 dãy hàng thì một siêu thị quy mô 50 dãy hàng cần tới ít nhất 25 nhân viên túc trực liên tục để kiểm tra hàng hóa trên kệ. Trong khi đó, việc áp dụng hệ thống kiểm tra tự động trạng thái sản phẩm có thể giảm số lượng nhân sự trực tiếp xuống chỉ còn 1 đến 2 người quản lý toàn bộ 50 dãy hàng.
  • Bất cập trong quản trị nhân sự: Việc quản lý chấm công, điểm danh bằng sổ sách hoặc thẻ từ truyền thống cồng kềnh, dễ gian lận và khó kiểm soát chính xác thời gian làm việc thực tế.
  • Rủi ro cháy nổ: Nguy cơ hỏa hoạn tại các cơ sở tập trung đông người và lưu trữ nhiều hàng hóa đòi hỏi quy trình giám sát an toàn và phòng cháy chữa cháy phải hoạt động liên tục, tự động phát tín hiệu báo động tại chỗ và từ xa mà không phụ thuộc vào phản xạ tức thời của con người.

Trước thực tế đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống quản lý siêu thị" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết kế và chế tạo phần cứng hệ thống quản lý nhân viên sử dụng nhận dạng sinh trắc học vân tay, bàn phím điều khiển và màn hình hiển thị.
  2. Xây dựng phân hệ giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường và tự động điều khiển cơ cấu quạt làm mát nhằm mô phỏng cơ chế ổn định vi khí hậu trong siêu thị.
  3. Thiết kế phân hệ giám sát tình trạng sản phẩm (còn hay hết) trên các kệ hàng bằng cảm biến quang học.
  4. Tích hợp hệ thống cảnh báo cháy khẩn cấp thông qua cảm biến khí gas/khói, kích hoạt còi đèn tại chỗ và thực hiện cuộc gọi, gửi tin nhắn SMS cảnh báo qua mạng di động đến người quản lý.
  5. Xây dựng giao diện web server ứng dụng các phương thức truyền nhận dữ liệu HTTP (POST/GET) qua mạng không dây, kết hợp hệ quản trị cơ sở dữ liệu để giám sát thông số và quản lý hồ sơ nhân sự tập trung.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình hệ thống nhúng quản lý đa chức năng ứng dụng công nghệ mạng không dây kết nối vạn vật (IoT). Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian tập trung vào mô hình kỹ thuật thu nhỏ mô phỏng các phân khu chức năng của một siêu thị (kệ hàng, trạm chấm công, khu vực làm mát, trạm cảnh báo hỏa hoạn). Phạm vi thời gian thực hiện nghiên cứu và chế tạo được tiến hành từ ngày 06/03/2018 đến ngày 19/07/2018 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của các nền tảng lý thuyết và công nghệ kỹ thuật điện tử, viễn thông và công nghệ thông tin:

  • Lý thuyết mạng không dây WiFi và IoT: Ứng dụng chuẩn giao tiếp không dây IEEE 802.11 (đặc biệt là chuẩn 802.11b/g/n hoạt động ở băng tần 2.4 GHz) kết hợp ngăn xếp giao thức mạng TCP/IP, tạo đường truyền dẫn không dây tầm xa giữa các vi điều khiển và máy chủ web.
  • Công nghệ nhận dạng vân tay sinh trắc học: Dựa trên cơ sở tính độc nhất và bất biến của dấu vân tay con người. Tác giả phân tích hai phương pháp quét vân tay chính: quét quang học (sử dụng mảng diode nhạy sáng CCD và bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC để chụp ảnh đường vân 2D) và quét điện dung (sử dụng mảng tụ điện siêu nhỏ để phát hiện sự thay đổi điện tích giữa đỉnh và thung lũng của đường vân). Thuật toán phân tích dấu vân tay dựa trên việc đo đạc tọa độ và vị trí tương đối của các điểm đặc trưng (minutiae), gồm điểm kết thúc đường vân và điểm rẽ nhánh.
  • Chuẩn giao tiếp phần cứng:
    • Chuẩn giao tiếp 1 dây (1-Wire): Giao thức truyền dữ liệu không đồng bộ, bán song công (half-duplex) do hãng Dallas phát triển, thực hiện kết nối chủ - tớ (master-slave) qua một đường dây tín hiệu kéo lên nguồn thông qua điện trở. Quá trình giao tiếp tuân thủ nghiêm ngặt các chu kỳ định thời (time slots 60 µs, xung Reset tối thiểu 480 µs, xung Presence 60 µs).
    • Chuẩn truyền thông nối tiếp UART/USART: Giao thức truyền bất đồng bộ sử dụng hai đường truyền nhận độc lập (TXD và RXD) cùng mức điện áp tham chiếu đất (GND), đồng bộ tốc độ thông qua tốc độ baud (baud rate).
  • Nền tảng ứng dụng Web và cơ sở dữ liệu: Kiến trúc web động phía máy chủ sử dụng ngôn ngữ lập trình kịch bản PHP (Hypertext Preprocessor), hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL hoạt động theo mô hình Client/Server truy vấn bằng SQL, kết hợp ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản HTML và tập tin định kiểu theo tầng CSS để xây dựng giao diện tương tác người dùng.

Phương pháp nghiên cứu

Nhóm tác giả đã vận dụng kết hợp ba phương pháp nghiên cứu chính:

  • Phương pháp tham khảo tài liệu: Tổng hợp và nghiên cứu các giáo trình chuyên ngành (Vi điều khiển, Mạch điện, Điện tử cơ bản, Kỹ thuật số, lập trình C/C#), tài liệu kỹ thuật (datasheet) của các dòng vi điều khiển và module cảm biến, tài liệu chuẩn kết nối mạng IEEE và lập trình web mã nguồn mở.
  • Phương pháp khảo sát thực tế: Khảo sát quy trình quản lý thực tế, thiết bị chấm công và hệ thống an ninh tại các hệ thống siêu thị và cửa hàng tiện ích đang vận hành tại Việt Nam (như BigC, Co.opmart, FamilyMart) cũng như tham khảo mô hình bán tự động tại Nhật Bản và Châu Âu (quầy tính tiền tự động, kiểm kê hàng hóa bằng mã vạch/RFID).
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử, tính toán dòng áp và công suất tiêu thụ của các linh kiện; thi công mạch in (PCB) cho 02 board điều khiển độc lập; lập trình nhúng phần cứng bằng C/C++; thiết kế cơ sở dữ liệu và kịch bản web; tiến hành lắp ráp mô hình hoàn chỉnh và chạy thử nghiệm kiểm tra tính đáp ứng của từng module chức năng.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm: dữ liệu tham số kỹ thuật chuẩn từ nhà sản xuất linh kiện điện tử; dữ liệu tín hiệu thu thập trực tiếp trong thời gian thực từ các module cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas, khoảng cách hồng ngoại); dữ liệu mã hóa mẫu vân tay của người dùng; và dữ liệu điểm danh, quản lý nhân viên được lưu trữ trong bảng cơ sở dữ liệu MySQL.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tầng, kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng xử lý nhúng và phần mềm quản trị máy chủ web.

Phân hệ / Khối chức năng Linh kiện / Công nghệ sử dụng Thông số kỹ thuật & Vai trò trong hệ thống
Khối xử lý trung tâm Board Arduino Mega 2560 (Vi điều khiển ATmega2560) Xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB; 54 chân I/O số, 16 ngõ vào analog, 4 cổng UART phần cứng. Tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thuật toán và điều phối thiết bị ngoại vi.
Khối cảm biến vân tay Module FPM10A Cảm biến quang học, điện áp 3.0V - 3.6VDC, dòng điện < 120 mA, thời gian nhận dạng < 1s, dung lượng template 512 bytes; giao tiếp UART TTL tốc độ mặc định 57600 bps. Thực hiện quét, trích xuất đặc trưng và đối chiếu mã vân tay.
Khối cảm biến vi khí hậu Module DHT11 Điện áp 3 - 5VDC; dải đo nhiệt độ 0 - 50°C (sai số ±2°C), dải đo độ ẩm 20 - 80% RH (sai số ±5%); tần số lấy mẫu 1 Hz. Giao tiếp vi điều khiển qua chuẩn 1-Wire, gửi gói dữ liệu 40-bit gồm nhiệt độ, độ ẩm và byte kiểm tra Checksum.
Khối cảm biến phát hiện hàng Module hồng ngoại IR (IC LM393) Cặp LED thu - phát hồng ngoại, góc hoạt động 35°, khoảng cách phát hiện 2 ~ 30 cm điều chỉnh bằng chiết áp; ngõ ra mức 0V (có vật cản/còn hàng) và 5V (không có vật cản/hết hàng). Giám sát trạng thái sản phẩm trên kệ.
Khối cảm biến khói/khí gas Module khí gas MQ-2 Cảm biến vật liệu SnO2, điện áp 5VDC, dòng 150 mA, công suất tiêu thụ < 800 mW; ngõ ra cả dạng tương tự (AOUT) và số (DOUT); nhạy với LPG, Propane, Hydrogen, Methane. Giám sát nguy cơ cháy nổ.
Khối cảnh báo di động Module SIM900A Hoạt động ở hai băng tần EGSM 900MHz và DCS 1800MHz; điện áp 3.5V - 4.5V (nguồn yêu cầu đáp ứng dòng tức thời đến 2A); giao tiếp UART điều khiển bằng tập lệnh AT. Thực hiện cuộc gọi và gửi SMS báo cháy.
Khối giao tiếp không dây Module WiFi ESP8266 V1 Chuẩn WiFi 802.11 b/g/n (2.4 GHz), bộ nhớ Flash 1 MB, hỗ trợ WPA/WPA2, tích hợp ngăn xếp TCP/IP; giao tiếp UART tốc độ 115200 bps. Gửi yêu cầu HTTP POST/GET dữ liệu cảm biến và nhân viên lên máy chủ web.
Khối điều khiển công suất Module mạch cầu H L298N & Rơ le 5V L298N điện áp điều khiển 5V ~ 35V, dòng đỉnh 2A mỗi cầu, tích hợp IC ổn áp 78M05, nhận tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) để điều chỉnh tốc độ quạt làm mát; Module Rơ le 5V cách ly quang đóng ngắt còi đèn cảnh báo.
Khối hiển thị & Nhập liệu LCD 20x4 (HD44780) & Ma trận phím 4x4 LCD 20 ký tự x 4 dòng hiển thị hướng dẫn và ID nhân viên; Ma trận 16 phím quét theo 4 hàng x 4 cột (sử dụng 8 đường I/O số), gán các chức năng: phím 0-9 nhập ID, phím A quét ID, phím B thêm ID, phím C xóa ID, phím # thực thi lệnh, phím * xóa ký tự vừa nhập.
Khối hạ áp nguồn Module LM2596 Mạch giảm áp DC-DC nguyên lý Buck, điện áp vào 3V - 30V, điện áp ra điều chỉnh 1.5V - 30V, hiệu suất 92%, dòng tải danh định 3A, công suất 15W. Ổn định nguồn cấp cho hệ thống.

Sơ đồ kết nối phần cứng và phân vùng xử lý

Hệ thống được chia thành 02 khối mạch phần cứng hoạt động đồng bộ:

  1. Board mạch quản lý nhân viên: Tích hợp bộ xử lý Arduino Mega kết nối trực tiếp với module cảm biến vân tay FPM10A (qua cổng UART), ma trận phím 4x4 (hàng H0-H3 nối chân số 13, 12, 11, 10; cột C0-C3 nối chân số 7, 6, 5, 4 của Arduino) và màn hình LCD 20x4 qua bus dữ liệu và chân điều khiển (RS, E, D4-D7). Khối này xử lý các tác vụ cục bộ: thêm mẫu vân tay mới vào bộ nhớ, đối chiếu vân tay khi nhân viên điểm danh, hiển thị mã ID và thời gian lên màn hình LCD, đồng thời gửi chuỗi dữ liệu định danh qua module WiFi ESP8266.
  2. Board mạch quản lý hệ thống: Nhận tín hiệu liên tục từ module cảm biến nhiệt độ DHT11, module phát hiện vật cản hồng ngoại IR trên kệ hàng, và cảm biến khí gas MQ-2. Board mạch xử lý tính toán chu kỳ phát xung PWM đưa tới chân Enable của module cầu H L298N để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ quạt làm mát tương ứng với nhiệt độ đo được. Khi giá trị đọc từ MQ-2 vượt ngưỡng quy định, board mạch kích hoạt rơ le đóng mạch chuông còi báo động, đồng thời gửi tập lệnh AT chuẩn (ATD, AT+CMGS) qua cổng nối tiếp điều khiển module SIM900A thực hiện cuộc gọi khẩn cấp và gửi tin nhắn cảnh báo tới thuê bao di động của người quản lý.

Kiến trúc phần mềm và quy trình thuật toán

Phần mềm hệ thống được xây dựng trên hai môi trường: chương trình điều khiển nhúng trên vi điều khiển và ứng dụng web quản trị cơ sở dữ liệu.

  • Chương trình nhúng: Vận hành theo các lưu đồ thuật toán phân nhánh độc lập:
    • Chương trình chính quản lý hệ thống: Khởi tạo các chân I/O và cổng nối tiếp; gọi chương trình con KT_SP kiểm tra trạng thái các cảm biến hồng ngoại trên kệ hàng; gọi chương trình con BAO_CHAY đọc điện áp ngưỡng từ module MQ-2; đọc dữ liệu chuỗi 40-bit từ DHT11 (tách 16 bit độ ẩm, 16 bit nhiệt độ và kiểm tra 8 bit Checksum); đóng gói chuỗi dữ liệu trạng thái và đẩy sang module ESP8266.
    • Chương trình quản lý nhân viên: Thực hiện quét ma trận phím liên tục thông qua chương trình con QUET_MT_PHIM và KEY 4X4 (đưa tuần tự từng cột xuống mức logic 0 và đọc trạng thái các hàng). Tùy thuộc vào phím chức năng được kích hoạt (A, B hoặc C), hệ thống sẽ gọi các hàm điều khiển cảm biến FPM10A gửi các gói dữ liệu lệnh (mã bắt đầu 0xEF01, địa chỉ thiết bị 0xFFFFFFFF, byte nhận dạng lệnh 0x01 và mã kiểm tra tổng Checksum) để ghi nhận mẫu vân tay mới hoặc đọc mã ID đã lưu.
    • Chương trình giao tiếp mạng trên ESP8266: Thực hiện chương trình con NHAN_DU_LIEU qua cổng nối tiếp từ Arduino, thiết lập phiên kết nối TCP/IP tới địa chỉ IP của máy chủ Apache, tạo chuỗi truy vấn HTTP GET/POST để chuyển tham số dữ liệu lên máy chủ web.
  • Website quản trị: Xây dựng bằng PHP và cơ sở dữ liệu MySQL chạy trên máy chủ Apache:
    • Tiếp nhận các yêu cầu HTTP từ ESP8266, giải mã tham số và thực thi các câu lệnh SQL để cập nhật dữ liệu vào các bảng trong cơ sở dữ liệu.
    • Cung cấp giao diện người dùng đăng nhập phân quyền quản trị viên.
    • Cung cấp các trang chức năng: trang quản lý nhân viên (xem danh sách, thêm, sửa, xóa thông tin cá nhân); bảng theo dõi chấm công theo thời gian thực; tính năng trích xuất báo cáo chấm công của nhân viên theo ngày, tháng ra tệp tin bảng tính Excel; trang giám sát thông số vận hành (nhiệt độ, độ ẩm, trạng thái quạt làm mát) và tình trạng sản phẩm trên từng kệ hàng; bảng cấu hình cập nhật số điện thoại nhận cảnh báo của module SIM900A.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này tập trung trình bày tổng quan về bối cảnh nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài. Tác giả khái quát xu hướng ứng dụng thành tựu của cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư (IoT, Dữ liệu lớn, Trí tuệ nhân tạo) vào quá trình tự động hóa các mô hình dịch vụ đời sống. Nội dung điểm qua tình hình nghiên cứu trong nước, ghi nhận các chuỗi bán lẻ (như BigC, Co.opmart, FamilyMart) đã áp dụng hệ thống an ninh camera, cổng từ, máy chấm công vân tay và hệ thống chữa cháy, song việc kiểm soát hàng hóa trên quầy kệ vẫn phụ thuộc hoàn toàn vào việc đi tuần kiểm tra thủ công của nhân viên. Tại nước ngoài, các công nghệ tiên tiến như nhãn định danh tần số vô tuyến RFID, quầy thanh toán tự động, màn hình tra cứu nguồn gốc sản phẩm qua mã vạch (barcode) đã được triển khai rộng rãi ở Nhật Bản và Châu Âu. Từ đó, tác giả xác định mục tiêu thiết kế một hệ thống quản lý siêu thị tích hợp đa chức năng: điểm danh vân tay, giám sát môi trường và điều hòa nhiệt độ, kiểm soát hàng hóa trên kệ, báo cháy qua mạng viễn thông GSM và giám sát tập trung trên nền tảng Web server.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp hệ thống cơ sở lý thuyết kỹ thuật chi tiết làm tiền đề cho việc thiết kế hệ thống:

  • Trình bày nguyên lý hoạt động của mạng không dây WiFi, cấu trúc phân tầng các chuẩn IEEE 802.11a/b/g/n và bảng so sánh ưu nhược điểm của mạng vô tuyến.
  • Phân tích cấu trúc sinh học của dấu vân tay, so sánh ưu nhược điểm giữa hai công nghệ quét quang học và quét điện dung; giải thích nguyên lý trích xuất điểm đặc trưng (minutiae) để so khớp dữ liệu.
  • Trình bày đặc tả các giao thức truyền dữ liệu: chuẩn giao tiếp 1 dây (1-Wire) của Dallas với giản đồ dạng sóng xung Reset, xung Presence và khe thời gian đọc bit dữ liệu; chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART.
  • Khái quát kiến trúc ứng dụng web hướng dịch vụ (PHP, MySQL, HTML, CSS, máy chủ Apache).
  • Thuyết minh chi tiết thông số kỹ thuật, sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng linh kiện phần cứng được sử dụng: vi điều khiển ATmega2560 trên kit Arduino Mega; cảm biến vân tay quang học FPM10A (cấu trúc khung truyền dữ liệu, bảng gói tin lệnh và dữ liệu xác nhận); màn hình Text LCD 20x4 kết hợp vi mạch điều khiển HD44780 (thứ tự chân và tập lệnh điều khiển); cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 (định dạng 40-bit dữ liệu); module cảm biến hồng ngoại thu - phát IR dùng IC so sánh LM393; module khí gas MQ-2; cấu trúc quét ma trận phím 4x4; module điều khiển động cơ cầu H L298N; module WiFi ESP8266 V1 (tập lệnh AT và cấu hình chân); module viễn thông SIM900A (các tập lệnh AT phục vụ gọi điện, gửi tin nhắn); module giảm áp xung LM2596 và module rơ le cách ly quang 5V.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế phần cứng và phần mềm của đồ án:

  • Xác định cụ thể các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống và xây dựng sơ đồ khối tổng thể bao gồm 12 khối chức năng: Khối cảm biến vân tay, Khối cảm biến nhiệt độ, Khối cảm biến vật cản, Khối cảm biến khói, Khối nút nhấn, Khối hiển thị, Khối cảnh báo, Khối giao tiếp WiFi, Khối giao tiếp GSM, Khối công suất, Khối nguồn và Khối xử lý trung tâm.
  • Thuyết minh trình tự hoạt động liên khối khi hệ thống được cấp nguồn.
  • Thiết kế chi tiết phần cứng từng khối, lập luận lý do lựa chọn linh kiện (sử dụng ma trận phím 4x4 thay cho 13 phím bấm đơn để tiết kiệm số chân I/O từ 13 xuống còn 8; lựa chọn LCD 20x4 thay vì LED 7 đoạn hay màn hình đồ họa TFT để tối ưu chi phí và hiển thị đầy đủ văn bản). Lập các bảng kết nối chân chi tiết giữa Arduino Mega2560 và các ngoại vi: ma trận phím, LCD 20x4, cảm biến FPM10A, DHT11, module IR, module MQ-2, module L298N, module SIM900A, khối còi cảnh báo và module ESP8266.
  • Thiết kế phần mềm: Xây dựng chi tiết lưu đồ thuật toán chương trình chính của board quản lý hệ thống, lưu đồ chương trình con KT_SP, lưu đồ chương trình con BAO_CHAY, lưu đồ chương trình chính của board quản lý nhân viên, lưu đồ chương trình con KEY 4X4 và QUET_MT_PHIM, lưu đồ chương trình chính trên module ESP8266, lưu đồ chương trình con NHAN_DU_LIEU, cùng lưu đồ xử lý của website và cập nhật cơ sở dữ liệu MySQL.

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương này công bố các kết quả thực nghiệm sau quá trình chế tạo và thử nghiệm hệ thống:

  • Kết quả phần cứng: Hoàn thiện 02 board mạch in hoạt động ổn định gồm Board mạch quản lý hệ thống và Board mạch quản lý nhân viên; gia công lắp đặt hoàn chỉnh mô hình siêu thị vật lý thu nhỏ tích hợp các kệ hàng và trạm điều khiển.
  • Kết quả phần mềm và giao diện web: Xây dựng thành công hệ thống các trang web chức năng: trang đăng nhập xác thực quyền quản trị, trang quản lý thông tin nhân viên, trang bảng chấm công trực tuyến, trang giám sát thông số hệ thống và sản phẩm, giao diện cấu hình số điện thoại nhận tin báo cháy.
  • Kết quả vận hành thực tế:
    • Chức năng quản lý nhân viên: Hệ thống khởi động vào trạng thái sẵn sàng; hiển thị thông báo lỗi khi mất kết nối; LCD hiển thị chính xác mã số ID người dùng ngay sau khi đặt ngón tay quét vân tay; thông báo khi không tìm thấy dữ liệu mẫu; chuyển đổi linh hoạt chế độ thêm vân tay mới (nhập ID, đặt tay lấy mẫu 2 lần và báo hoàn tất) hoặc chế độ xóa vân tay theo ID đã nhập từ ma trận phím.
    • Chức năng giám sát và vận hành hệ thống: Module cảm biến hồng ngoại nhận biết chính xác trạng thái có hoặc không có sản phẩm trên kệ để cập nhật lên web; module DHT11 đo đạc vi khí hậu và điều khiển cấp độ quạt quay tương ứng; module MQ-2 phát hiện nồng độ khí gas vượt ngưỡng lập tức kích hoạt rơ le bật đèn còi báo sự cố cháy tại chỗ, đồng thời kích hoạt module SIM900A thực hiện cuộc gọi khẩn cấp và gửi tin nhắn cảnh báo tới số điện thoại cài đặt.
    • Hoạt động web server: Dữ liệu điểm danh được ghi nhận tự động vào cơ sở dữ liệu MySQL; chức năng xuất dữ liệu chấm công sang tệp tin Excel hoạt động chính xác theo tiêu chí ngày, tháng và tên nhân viên.
  • Đưa ra các đánh giá, nhận xét khách quan về độ ổn định và các chỉ tiêu kỹ thuật đã đạt được.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tóm tắt toàn bộ khối lượng công việc nhóm đã hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu; khẳng định việc thiết kế và thi công thành công hệ thống quản lý siêu thị tích hợp đa chức năng trên phần cứng thực tế và máy chủ web. Đồng thời, tác giả chỉ ra các mặt hạn chế còn tồn tại và đề xuất các phương hướng nghiên cứu nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Hệ thống đã được thi công và thử nghiệm thực tế với các kết quả cụ thể ghi nhận trong văn bản:

  • Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh: Đã thiết kế và chế tạo thành công 02 board mạch điều khiển hoạt động độc lập (board quản lý nhân viên và board quản lý hệ thống), tích hợp đầy đủ các khối chức năng nguồn, vi xử lý Arduino Mega 2560, hiển thị LCD 20x4, ma trận phím, cảm biến vân tay quang học FPM10A, cảm biến nhiệt độ DHT11, cảm biến hồng ngoại IR, cảm biến khí gas MQ-2, module công suất L298N, module GSM SIM900A và module truyền thông WiFi ESP8266. Toàn bộ thiết bị được lắp đặt đồng bộ trên một mô hình siêu thị vật lý thu nhỏ.
  • Đáp ứng thời gian thực của các phân hệ:
    • Module FPM10A nhận diện và xác thực vân tay trong thời gian dưới 1 giây.
    • Thao tác trực tiếp trên ma trận phím 4x4 cho phép chuyển đổi chính xác giữa 3 chế độ: chế độ quét điểm danh mặc định (phím A), chế độ thêm vân tay mới (phím B) và chế độ xóa mã vân tay (phím C).
    • Phân hệ làm mát tự động tiếp nhận dữ liệu từ DHT11 và điều khiển vận tốc quạt thông qua xung PWM của mạch cầu H L298N.
    • Phân hệ giám sát kệ hàng bằng cảm biến hồng ngoại phát hiện lập tức trạng thái hết sản phẩm khi đường truyền quang bị ngắt quãng.
    • Phân hệ an toàn cháy nổ phát hiện nồng độ khói/khí gas từ MQ-2, kích hoạt rơ le đóng mạch còi đèn báo cháy tại chỗ, đồng thời điều khiển module SIM900A quay số gọi điện và gửi tin nhắn cảnh báo tới số điện thoại người quản lý.
  • Xây dựng hệ thống phần mềm quản trị: Hoàn thiện website quản trị nội bộ trên nền PHP/MySQL, hỗ trợ theo dõi trực quan thông số nhiệt độ, độ ẩm, tình trạng hàng hóa trên kệ, danh sách nhân sự, bảng chấm công thời gian thực và chức năng trích xuất toàn bộ dữ liệu điểm danh sang định dạng tệp Microsoft Excel.

Đóng góp của đề tài

Theo tự đánh giá của nhóm tác giả trong đồ án, nghiên cứu mang lại những đóng góp thiết thực:

  1. Đã nghiên cứu và hiện thực hóa thành công giải pháp kết hợp giữa phần cứng nhúng vi điều khiển và nền tảng web server thông qua kết nối WiFi không dây, ứng dụng trực tiếp vào bài toán quản lý dịch vụ bán lẻ bán tự động.
  2. Tích hợp đồng bộ nhiều chức năng phân tán (quản lý nhân sự, kiểm soát an ninh cháy nổ, giám sát vi khí hậu và kiểm kê kệ hàng) vào trong một hệ thống điều khiển duy nhất, giúp tối ưu hóa nhân lực giám sát tại các chuỗi siêu thị.
  3. Đưa ra giải pháp phân bổ vi điều khiển thành hai board chức năng riêng biệt, giúp giảm tải thuật toán xử lý ngắt và truyền thông nối tiếp, nâng cao độ tin cậy và khả năng vận hành ổn định của toàn hệ thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

Căn cứ vào nội dung và phạm vi nghiên cứu được công bố trong văn bản:

  • Hệ thống mới dừng lại ở mức độ chế tạo mô hình thực nghiệm thu nhỏ (prototype) trong điều kiện phòng thí nghiệm, chưa được thử nghiệm vận hành liên tục dài ngày trong môi trường siêu thị thực tế với mật độ khách hàng đông và nhiều kệ hàng đa dạng.
  • Phân hệ nhận diện vân tay sử dụng module quang học FPM10A có thể suy giảm độ chính xác nếu bề mặt lăng kính bị bám bụi bẩn hoặc khi ngón tay người dùng bị ướt, trầy xước.
  • Module hồng ngoại IR có cự ly phát hiện ngắn (tối đa 30 cm), dễ chịu ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường xung quanh hoặc màu sắc bề mặt bao bì sản phẩm.
  • Module WiFi ESP8266 V1 có cấu hình phần cứng hạn chế về số chân I/O và dung lượng bộ nhớ.
  • Ứng dụng web được triển khai thử nghiệm trên môi trường máy chủ cục bộ (Localhost/WAMP), chưa được tích hợp các chứng chỉ số mã hóa truyền thông (SSL/HTTPS) để đảm bảo an toàn thông tin trên mạng Internet diện rộng.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp

Nhóm tác giả đề xuất các hướng mở rộng và hoàn thiện hệ thống trong giai đoạn tiếp theo:

  • Nâng cấp và mở rộng quy mô phần cứng để có thể triển khai thử nghiệm trực tiếp tại các chuỗi siêu thị và trung tâm thương mại trong thực tế.
  • Tăng cường các giải pháp bảo mật dữ liệu cho hệ thống phần mềm và website quản lý, thiết lập cơ chế sao lưu dự phòng cho cơ sở dữ liệu MySQL.
  • Nghiên cứu tích hợp thêm các công nghệ quản lý hàng hóa hiện đại như định danh tần số vô tuyến RFID hoặc hệ thống thị giác máy tính quét mã vạch tự động (barcode scanner) để kiểm soát chi tiết chủng loại, số lượng và hạn sử dụng của từng sản phẩm trên kệ.
  • Tối ưu hóa cấu trúc chương trình nhúng và thuật toán truyền nhận dữ liệu qua giao thức WiFi nhằm giảm thiểu tối đa độ trễ truyền dữ liệu từ các cảm biến lên giao diện máy chủ web.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo hữu ích đối với:

  • Đối tượng người đọc: Sinh viên, học viên kỹ thuật chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống nhúng IoT đang chuẩn bị thực hiện đồ án môn học, khóa luận tốt nghiệp hoặc các dự án kỹ thuật liên quan đến nhà thông minh, quản lý tòa nhà, giám sát bán tự động.
  • Các phần nội dung có giá trị ứng dụng cao:
    • Thiết kế giao tiếp phần cứng: Sơ đồ kết nối chi tiết giữa board Arduino Mega 2560 với nhiều loại module ngoại vi chạy các chuẩn giao tiếp khác nhau trên cùng một hệ thống (UART đa cổng, chuẩn 1-Wire, điều khiển ma trận phím, bus dữ liệu màn hình LCD).
    • Tập lệnh AT điều khiển modem GSM: Bảng tra cứu các lệnh AT cơ bản và quy trình gửi tin nhắn, thực hiện cuộc gọi qua module SIM900A.
    • Giải thuật giao tiếp nhúng - Web: Kỹ thuật lập trình cầu nối dữ liệu giữa vi điều khiển và máy chủ thông qua module ESP8266, phương thức đóng gói tham số HTTP GET/POST và kịch bản PHP đọc ghi dữ liệu tự động vào cơ sở dữ liệu MySQL.
    • Tài liệu tham khảo chuyên ngành: Cung cấp hệ thống tài liệu tham khảo phong phú về vi điều khiển, kỹ thuật cảm biến và công nghệ lập trình web được liệt kê trong danh mục cuối văn bản.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng bộ xử lý trung tâm nào và có các thông số kỹ thuật bộ nhớ ra sao?

Hệ thống sử dụng board vi điều khiển Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý trung tâm, trang bị vi điều khiển 8-bit ATmega2560 hoạt động ở tần số thạch anh 16 MHz. Các thông số bộ nhớ bao gồm: bộ nhớ chương trình Flash Memory dung lượng 256 KB, bộ nhớ dữ liệu tạm thời SRAM dung lượng 8 KB, và bộ nhớ dữ liệu không khả biến EEPROM dung lượng 4 KB. Board mạch cung cấp 54 chân I/O số, 16 ngõ vào analog và 4 cổng truyền thông nối tiếp UART phần cứng.

2. Các phím chức năng trên ma trận phím 4x4 được quy định vai trò như thế nào trong hệ thống?

Ma trận phím 4x4 gồm 16 phím bấm được kết nối với Arduino thông qua 8 đường tín hiệu (4 hàng H0-H3 và 4 cột C0-C3), được phân công nhiệm vụ cụ thể:

  • Các phím số từ 0 đến 9: Dùng để nhập mã số ID của nhân viên.
  • Phím A: Chuyển hệ thống sang chức năng quét đối chiếu ID người dùng (chế độ điểm danh mặc định).
  • Phím B: Chuyển hệ thống sang chức năng thêm mới mã ID và lấy mẫu vân tay nhân viên.
  • Phím C: Chuyển hệ thống sang chức năng xóa mã ID và dữ liệu vân tay của nhân viên.
  • Phím #: Phím xác nhận thực thi lệnh sau khi đã nhập xong ID.
  • Phím *: Phím xóa ký tự vừa nhập trong trường hợp người dùng thao tác sai.

3. Module cảm biến vân tay FPM10A sử dụng chuẩn giao tiếp gì và có các đặc tính kỹ thuật nào?

Module FPM10A sử dụng chuẩn giao tiếp nối tiếp UART TTL (kết nối trực tiếp với cổng UART của Arduino Mega hoặc máy tính) với tốc độ truyền dữ liệu mặc định là 57600 bps (có thể cấu hình trong dải 9600 x N bps với N từ 1 đến 12). Cảm biến hoạt động ở điện áp DC 3.0V - 3.6V, dòng tiêu thụ dưới 120 mA, thời gian nhận dạng vân tay dưới 1 giây, dung lượng tệp mẫu (template file) là 512 bytes và kích thước profile là 256 bytes. Cảm biến tự động xử lý hình ảnh quang học bên trong, trích xuất đặc trưng và trả về mã trạng thái qua các gói tin dữ liệu chuẩn mà vi điều khiển không cần phải thực hiện các phép xử lý ảnh phức tạp.

4. Quy trình cảnh báo cháy nổ của hệ thống vận hành như thế nào khi phát hiện sự cố?

Khi nồng độ khói hoặc khí dễ cháy trong không khí tăng cao, độ dẫn điện của phần tử SnO2 trên cảm biến MQ-2 tăng lên, làm điện áp ngõ ra thay đổi vượt quá ngưỡng thiết lập. Khối xử lý trung tâm Arduino phát hiện sự cố thông qua chương trình con BAO_CHAY, lập tức kích hoạt rơ le đóng mạch cấp nguồn cho còi và đèn cảnh báo bật sáng báo động tại chỗ. Đồng thời, Arduino gửi các tập lệnh điều khiển AT (như lệnh ATD để quay số cuộc gọi và lệnh AT+CMGS để gửi tin nhắn văn bản SMS) qua cổng nối tiếp UART tới module SIM900A để thực hiện cuộc gọi khẩn cấp và gửi tin nhắn cảnh báo trực tiếp đến số điện thoại di động của người quản lý đã được lưu trong hệ thống.

5. Dữ liệu từ vi điều khiển được gửi lên máy chủ web bằng module nào và thông qua phương thức gì?

Dữ liệu từ vi điều khiển trung tâm được truyền qua cổng nối tiếp UART sang module WiFi ESP8266 V1. Module ESP8266 được cấu hình kết nối vào mạng WiFi cục bộ của siêu thị theo chuẩn IEEE 802.11b/g/n, khởi tạo kết nối giao thức TCP/IP tới máy chủ web Apache, sau đó sử dụng các phương thức chuẩn của giao thức HTTP (cụ thể là phương thức HTTP POST và GET) để truyền các chuỗi tham số cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, trạng thái kệ hàng) và mã ID điểm danh của nhân viên lên các kịch bản PHP phía máy chủ để tự động cập nhật vào cơ sở dữ liệu MySQL.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống quản lý siêu thị" của sinh viên Lê Đạt và Phan Quỳnh Như (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu và chế tạo hệ thống quản lý bán tự động ứng dụng IoT. Tác giả đã thiết kế và thi công thành công 02 board mạch phần cứng hoạt động đồng bộ với mô hình siêu thị vật lý, tích hợp trơn tru các chức năng điểm danh sinh trắc học vân tay FPM10A, tự động hóa điều hòa vi khí hậu qua DHT11 và mạch cầu H L298N, phát hiện hàng hóa bằng cảm biến hồng ngoại, cùng cơ chế cảnh báo hỏa hoạn tại chỗ và từ xa qua mạng di động GSM SIM900A. Toàn bộ thông số vận hành và dữ liệu nhân sự được đồng bộ hóa ổn định lên máy chủ web PHP/MySQL qua kết nối không dây ESP8266, cho phép trích xuất báo cáo chấm công định dạng Excel một cách khoa học. Đây là một công trình kỹ thuật mang tính thực tiễn cao, phản ánh phương pháp tiếp cận có hệ thống và cung cấp nguồn tư liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu phát triển hệ thống nhúng thông minh trong quản lý dịch vụ thương mại.