Nghiên cứu hệ thống phát hiện và xử lý điểm kẹt xe tại các nút giao thông

TỔNG QUAN

Tổng quan đề tài trong và ngoài nước

Vấn đề kẹt xe tại các thành phố lớn như Hồ Chí Minh và Hà Nội đang ngày càng nghiêm trọng do dân số tăng nhanh và sự tập trung của các khu công nghiệp Để giảm thiểu ùn tắc giao thông, nhà nước đã áp dụng nhiều biện pháp như mở rộng đường, xây dựng các nhánh đường mới, thu phí đường bộ và khuyến khích sử dụng phương tiện công cộng Đồng thời, các nhà nghiên cứu trên thế giới cũng đang nỗ lực tìm ra các giải pháp hiệu quả nhằm giảm thiểu tình trạng kẹt xe hiện nay.

Trong bài báo của tác giả Sun Ye từ trường đại học Shandong Jiaotong, Trung Quốc, đề xuất giải pháp thu phí tham gia giao thông nhằm giảm lượng xe lưu thông và giảm thiểu ùn tắc Mức phí áp dụng cho từng đoạn đường sẽ được xác định dựa trên các yếu tố như mục tiêu, chi phí, phạm vi, phương pháp và tình trạng đông đúc của phương tiện trên đoạn đường đó.

Trong bài báo của Vipin Jain và Ashlesh Sharma, các tác giả đã phân tích những tổn thất do ùn tắc giao thông gây ra, bao gồm việc tiêu tốn nhiên liệu, thời gian và tiền bạc, cũng như sự chậm trễ trong di chuyển của người tham gia giao thông Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ùn tắc này là do quy hoạch mạng lưới giao thông chưa hiệu quả và hạ tầng đường xá xung quanh các điểm nóng chưa được triển khai hợp lý.

Nghiên cứu đề xuất giải pháp sử dụng camera gắn sẵn tại các giao lộ để thu thập hình ảnh, nhận dạng và xác định số lượng xe tại những điểm nóng Việc này nhằm điều hướng lưu thông và giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn cục bộ.

Trong nghiên cứu của Z Wadud và cộng sự, hệ thống giao thông thông minh được phát triển nhằm phát hiện phương tiện và phân loại các tuyến đường dựa trên mật độ xe Hệ thống này giúp tài xế tìm ra lộ trình ít kẹt xe nhất, cải thiện trải nghiệm di chuyển Các kỹ thuật xử lý ảnh được áp dụng liên tục từ camera tại các điểm giao thông.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN đó, kết quả xử lý được cập nhật lên ứng dụng Android giúp tài xế dễ dàng lựa chọn tuyến đường đi ít kẹt xe nhất

Trong nghiên cứu của Chandana K K và cộng sự, các công nghệ IoT được áp dụng để xác định số lượng xe lưu thông qua các khu vực cần theo dõi Bộ phát sóng RF được lắp đặt trên các phương tiện giao thông giúp phát hiện và đếm số lượng xe khi chúng chạy qua bộ thu sóng RF.

Trong bài báo của Ayesha Atta và cộng sự, công nghệ RFID được ứng dụng để nhận dạng phương tiện giao thông Bằng cách gắn thẻ RFID lên các phương tiện, hệ thống máy quét RFID tại các giao lộ có khả năng nhận diện phương tiện khi chúng đi qua, từ đó giúp tổng hợp thông tin về mật độ xe trong khu vực giám sát.

Trong nghiên cứu của Sandor Dornbush và Anupam Joshi, hệ thống GPS được sử dụng để xác định vị trí phương tiện giao thông tại các điểm lắp đặt Các phương tiện được trang bị thiết bị phát GPS, và khi di chuyển đến các giao lộ cần đo lường, thiết bị này kết nối với bộ phát Wifi để gửi tọa độ về máy tính trung tâm Quá trình này giúp xác định mật độ xe và ước tính tốc độ di chuyển qua khu vực phân tích.

Nhiều nghiên cứu đã sử dụng camera tại các giao lộ để nhận diện số lượng xe, nhưng phương pháp này gặp khó khăn trong môi trường có nhiễu như trời mưa hoặc tối, đồng thời cần máy tính chủ với cấu hình mạnh để xử lý dữ liệu hình ảnh Trong khi đó, công nghệ sóng không dây RF và RFID giúp tránh ảnh hưởng của môi trường, nhưng việc xây dựng trụ thu sóng trên tất cả các tuyến đường lại tốn kém Một nghiên cứu khác đã khai thác GPS có sẵn trên thiết bị di động Android và các module trên xe hơi để định vị chính xác số lượng xe, nhưng mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu thuật toán định vị mà chưa phát triển ứng dụng hỗ trợ tài xế.

Tính cấp thiết của đề tài

Xã hội phát triển và dân số gia tăng dẫn đến số lượng phương tiện giao thông tăng lên, đặc biệt tại các thành phố lớn như Hà Nội và Hồ Chí Minh Sự tập trung đông đúc của công nhân và nhân viên tại các khu công nghiệp gặp khó khăn do cơ sở hạ tầng giao thông chưa được đầu tư nâng cấp đầy đủ Tình trạng kẹt xe trở nên nghiêm trọng, đặc biệt vào giờ cao điểm tại các giao lộ và khu vực đang sửa chữa Người tham gia giao thông khó nắm bắt tình hình đường đi, dẫn đến việc xác định lộ trình thuận lợi trở nên khó khăn và làm trầm trọng thêm tình trạng kẹt xe.

Với mục tiêu giải quyết vấn đề giao thông thực tế, tác giả đã nghiên cứu các phương pháp từ các bài báo và quyết định phát triển một ứng dụng phần mềm hỗ trợ tài xế trong việc di chuyển Ứng dụng này được thiết kế để dễ dàng cài đặt trên các thiết bị di động hiện có, giúp tiết kiệm chi phí cho việc xây dựng và triển khai hệ thống Phần mềm có nhiều tính năng hữu ích cho người dùng.

- Thêm/bớt được các điểm giao lộ cần theo dõi

- Cập nhật vị trí của tài xế lên hệ thống để đồng bộ

- Theo dõi được các điểm ngã tư đang xảy ra kẹt xe, xác định được lượng xe tại các điểm giao lộ đông nhiều hay ít

- Cấu hình được các ngưỡng báo động (phạm vi báo động, mật độ báo động, )

Hệ thống cảnh báo cho tài xế khi xe gần đến khu vực đông đúc, đồng thời hỗ trợ mở Google Maps để tìm kiếm lộ trình thay thế hợp lý.

Mục tiêu

Tác giả nhằm mục tiêu nghiên cứu và phát triển phần mềm ứng dụng trên thiết bị Android, hỗ trợ tài xế trong việc tham gia giao thông, giúp giảm thiểu tình trạng kẹt xe trong giờ cao điểm tại các điểm giao thông quan trọng.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội dung có liên quan đến đề tài

Thiết kế giao diện và tính năng cho ứng dụng

Viết chương trình xử lý các tính năng: định vị vị trí, tính toán khoảng cách trong tọa độ cầu, cấu hình server,

Kết hợp các tính năng

Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống Viết quyển báo cáo đề tài

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm các bài báo và ứng dụng liên quan đến vấn đề kẹt xe tại các ngã tư, cùng với các giải pháp nhằm hỗ trợ tài xế trong quá trình tham gia giao thông.

Với phạm vi nghiên cứu là ứng dụng phần mềm Android, định vị vệ tinh GPS, các giao lộ ngã tư.

Nội dung nghiên cứu

Chương 1 trình bày các vấn đề bao gồm đặt vấn đề, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đề tài.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mô tả quy trình hoạt động mô hình

Hệ thống hoạt động thông qua ứng dụng cài đặt trên điện thoại của tài xế, yêu cầu bật GPS và 4G khi tham gia giao thông Tài xế cấu hình để cập nhật các điểm giao lộ cần cảnh báo trên lộ trình Sau khi bật chế độ cảnh báo, họ có thể di chuyển bình thường, thậm chí tắt màn hình điện thoại Khi gần đến các điểm giao lộ đông đúc, hệ thống sẽ phát âm thanh thông báo và bật sáng màn hình, giúp tài xế dễ dàng mở ứng dụng và chọn đường đi phù hợp.

Tổng quan về Internet of Things (IoT)

Ngày nay, nhu cầu phát triển các ứng dụng liên quan đến Internet ngày càng cao

IoT (Internet of Things) là một công nghệ quan trọng, cho phép phát triển nhiều ứng dụng đa dạng phục vụ hầu hết các lĩnh vực trong đời sống.

IoT, hay Internet of Things, là một hệ thống mạng kết nối các thiết bị và đối tượng qua mạng Internet, cho phép điều khiển từ xa thông qua các thiết bị mạng và bộ định tuyến Công nghệ này giúp tự động hóa việc điều khiển thiết bị, giảm thiểu công sức vận hành của con người Ứng dụng của IoT rất đa dạng và không còn mới mẻ, nhưng vẫn là tâm điểm của sự phát triển công nghệ thông minh, đặc biệt trong các lĩnh vực như y tế, giao thông, cao ốc và thành phố.

Hình 2.1: Ứng dụng của IoT

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nhà thông minh (Smart Home) đã trở thành một trong những xu hướng công nghệ được ưa chuộng trong những năm gần đây Với hệ thống này, người dùng có thể giám sát và điều khiển ngôi nhà của mình một cách tự động, như bật tắt đèn qua ứng dụng điện thoại Nếu quên tắt tivi khi rời khỏi nhà, bạn có thể dễ dàng tắt nó từ xa thông qua kết nối Internet Ngoài ra, điều hòa cũng tự động điều chỉnh nhiệt độ theo sự thay đổi của môi trường bên ngoài, mang lại sự tiện lợi và tiết kiệm năng lượng cho người sử dụng.

Hình 2.2: Ứng dụng nhà thông minh

Giao thông vận tải là lĩnh vực đầu tiên mà IoT ảnh hưởng đến an toàn Tai nạn giao thông luôn là vấn đề nghiêm trọng trong cuộc sống hàng ngày, vì vậy việc sử dụng cảm biến và các phương tiện như ô tô, xe buýt để cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn trên đường và tình trạng ùn tắc là rất cần thiết Ngoài ra, IoT còn giúp cải thiện dịch vụ vận chuyển hàng hóa, tối ưu hóa mức tiêu thụ nhiên liệu của phương tiện giao hàng và giám sát tốc độ lái xe, từ đó mang lại lợi ích kinh tế và nâng cao sự hài lòng của khách hàng.

Hình 2.3: Ứng dụng IoT trong giao thông vận tải

Y tế là một lĩnh vực rất quan trọng việc quản lý tình hình sức khỏe của chúng ta

Thiết bị cảnh báo tình trạng và theo dõi sức khỏe đóng vai trò quan trọng trong y tế, cho phép thu thập thông số về nhịp tim, huyết áp và phân tích chúng để đưa ra chẩn đoán về sức khỏe hiện tại Qua đó, thiết bị có khả năng dự đoán nguy cơ mắc bệnh, giúp người dùng có biện pháp phòng ngừa kịp thời.

Hình 2.4: Ứng dụng IoT trong y tế

Nông nghiệp thông minh (Smart Farming) là một ứng dụng tiêu biểu của công nghệ IoT trong lĩnh vực nông nghiệp với mô hình nhà kín Trong hệ thống này, cây trồng được cách ly hoàn toàn với điều kiện thời tiết bên ngoài, và quá trình điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng hoàn toàn tự động hóa Hệ thống cũng cho phép theo dõi tình trạng phát triển của cây trồng, xác định thời gian thu hoạch, từ đó giảm thiểu công suất tối đa.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT người lao động

Hình 2.5: IoT trong nông nghiệp

Công nghệ Wifi

Wifi là một mạng không dây thay thế cho mạng có dây truyền thống, cho phép kết nối các thiết bị thông qua công nghệ sóng vô tuyến.

Dữ liệu được truyền qua sóng vô tuyến cho phép các thiết bị truyền nhận thông tin với tốc độ cao trong mạng Wifi, kết nối máy tính với nhau và với Internet Wifi, viết tắt của Wireless Fidelity, là thuật ngữ chỉ tiêu chuẩn IEEE802.11 cho mạng cục bộ không dây (WLANs) Về tính bảo mật, hai tiêu chuẩn phổ biến là Wireless Equivalent Privacy (WEP) và Wifi Protected Access (WPA).

Thành phần của mạng Wifi

Access Point (AP) là thiết bị thu phát không dây trong mạng LAN (Local Area Network), cho phép kết nối đồng thời nhiều thiết bị không dây với Internet.

Wifi Card cho phép chấp nhận tín hiệu không dây và thông tin chuyển tiếp

Safeguards với khả năng bảo vệ là tường lửa và phần mềm chống virus giúp giữ an toàn thông tin cho người dùng

Peer to peer là cấu trúc mạng ngang hàng, cho phép các thiết bị giao tiếp trực tiếp mà không cần thông qua điểm truy cập (AP) Cấu trúc này rất thích hợp để thiết lập mạng không dây một cách nhanh chóng và dễ dàng.

Hình 2.6: Cấu trúc liên kết ngang hàng

Cấu trúc Infrastructure Mode dựa trên Access Point (AP) cho phép các thiết bị di động như máy tính và điện thoại giao tiếp với nhau thông qua AP Tất cả thông tin truy cập đều phải được gửi đến AP trước, sau đó AP sẽ chuyển tiếp thông tin đến thiết bị đích.

Hình 2.7: Cấu trúc liên kết dựa trên AP

Trao đổi dữ liệu trong Wifi được chia làm 3 giai đoạn:

Trong giai đoạn đầu, dữ liệu được chuẩn bị để truyền và được mã hóa thành tín hiệu số Tần số truyền dữ liệu cũng được chọn lựa dựa trên kỹ thuật sử dụng để gửi tín hiệu không dây.

 Giai đoạn 2 Dữ liệu được truyền thông qua sóng vô tuyến

 Giai đoạn 3 Dữ liệu được nhận sau đó tiến hành giải mã tín hiệu số, xác nhận và cuối cùng là sử dụng

Hình 2.8: Cách thức giao tiếp trong mạng Wifi

Google Firebase

Firebase là nền tảng phát triển ứng dụng cho mobile và web, nổi bật với tính năng realtime database, cho phép đồng bộ hóa dữ liệu trên mọi thiết bị trong thời gian thực Nó cung cấp thư viện khách hàng cho các ứng dụng Android, iOS, JavaScript, Java, Objective-C và Node.js Dữ liệu trên Firebase được lưu trữ dưới dạng JSON, khác biệt so với các cơ sở dữ liệu như MySQL hay SQL Server, do đó việc thiết kế cấu trúc JSON trước khi xây dựng ứng dụng là rất quan trọng để tối ưu hóa thao tác.

Dữ liệu trong database được lưu trữ dưới dạng JSON và đồng bộ hóa theo thời gian thực tới tất cả các client Điều này cho phép xây dựng các client đa nền tảng (cross-platform) sử dụng chung một database từ Firebase, tự động cập nhật khi có thay đổi hoặc bổ sung dữ liệu Hơn nữa, Firebase áp dụng NoSQL, mang lại sự linh hoạt cho cấu trúc dữ liệu.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT theo cấu trúc của riêng Cho phép phân quyền một cách đơn giản bằng cú pháp tương tự như javascript Khi muốn phát triển ứng dụng, chúng ta không cần lo lắng về việc nâng cấp máy chủ Firebase sẽ xử lý việc tự động Các máy chủ của Firebase quản lý hàng triệu kết nối đồng thời và hàng tỉ lượt truy vấn mỗi tháng

 Các tính năng bảo mật

Firebase hoạt động trên nền tảng đám mây và sử dụng giao thức bảo mật SSL, giúp giảm lo ngại về bảo mật dữ liệu và kết nối giữa client và server Hơn nữa, việc phân quyền người dùng database thông qua cú pháp JavaScript nâng cao độ bảo mật cho ứng dụng, chỉ cho phép những người dùng được ủy quyền mới có quyền chỉnh sửa cơ sở dữ liệu.

Ứng dụng Firebase hỗ trợ làm việc offline bằng cách duy trì tương tác ngay cả khi gặp sự cố về Internet Tất cả dữ liệu sẽ được ghi vào cơ sở dữ liệu Firebase cục bộ trước khi được gửi lên server Khi kết nối được phục hồi, client sẽ nhận các thay đổi bị thiếu và đồng bộ hóa với trạng thái hiện tại của server.

Với Firebase, việc xác thực người dùng trên các ứng dụng Android, iOS và JavaScript trở nên đơn giản chỉ với một vài đoạn mã Firebase hỗ trợ xác thực qua nhiều nền tảng như Email, Facebook, Twitter, GitHub và Google Ngoài ra, nó cho phép tích hợp xác thực người dùng với các chức năng backend thông qua custom auth tokens Dữ liệu được lưu trữ an toàn trên đám mây và bảo vệ bằng giao thức SSL Người dùng sẽ được cấp tên miền dạng *.firebaseio.com, hoặc có thể trả phí để sử dụng tên miền riêng.

Firebase giúp tiết kiệm thời gian viết mã quản lý và đồng bộ cơ sở dữ liệu nhờ vào các API tự động Nó cho phép xây dựng cơ sở dữ liệu nhanh chóng và đơn giản hóa quá trình đăng ký, đăng nhập thông qua hệ thống xác thực mà Firebase cung cấp.

Firebase giúp tiết kiệm thời gian cho việc quản lý và đồng bộ cơ sở dữ liệu nhờ vào các API tự động hóa Ngoài việc nhanh chóng xây dựng database, Google Firebase còn đơn giản hóa quy trình đăng ký và đăng nhập vào ứng dụng thông qua hệ thống xác thực tích hợp sẵn.

 Sự ổn định và giá thành

Firebase là nền tảng Cloud của Google, đảm bảo độ ổn định cao, không lo sập server hay tấn công mạng như DDOS Với nhiều gói dịch vụ đa dạng về dung lượng lưu trữ và băng thông, giá cả dao động từ miễn phí đến 1500 USD, Firebase đáp ứng nhu cầu của mọi đối tượng Điều này cho phép người dùng chọn gói dịch vụ phù hợp, tối ưu hóa vốn đầu tư và vận hành dựa trên số lượng người sử dụng.

Android

Hệ điều hành Android, được phát triển từ năm 2003, là một trong những hệ điều hành di động phổ biến nhất hiện nay, dựa trên nền tảng mã nguồn mở Linux Android chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng, với các ứng dụng được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java Để hỗ trợ phát triển phần mềm, Google đã phát hành bộ công cụ phát triển phần mềm Android SDK vào năm 2007, với phiên bản Beta đầu tiên, và chính thức ra mắt Android 1.0 vào năm 2008.

Hệ điều hành Android ra mắt lần đầu với phiên bản 1.0 vào tháng 9 năm 2008 và phiên bản 1.1 vào tháng 2 năm 2009 mà chưa có tên gọi chính thức Tuy nhiên, từ các phiên bản tiếp theo, Android đã được đặt tên theo các loại kẹo ngọt hoặc món tráng miệng theo thứ tự bảng chữ cái, bắt đầu từ chữ "C" đến "I".

Currently, the main versions of Android include Cupcake (1.5), Donut (1.6), Eclair (2.0), Froyo (2.2), Gingerbread (2.3), Honeycomb (3.0), Ice Cream Sandwich (4.0), Jelly Bean (4.1-4.3.1), KitKat (4.4-4.4.4), Lollipop (5.0-5.1.1), Marshmallow (6.0-6.0.1), Nougat (7.0-7.1), Oreo (8.0-8.1), Pie (9.0), Q (10.0), and the latest version is R (11.0).

Hệ điều hành Android sở hữu nhiều tính năng nổi bật, bao gồm giao diện người dùng đẹp và trực quan, cùng khả năng kết nối qua Bluetooth, Wifi, LTE và NFC Nó hỗ trợ nhiều định dạng truyền thông như MP3, WAV, JPEG, PNG và GIF Trình duyệt Web dựa trên công cụ WebKit nguồn mở kết hợp với JavaScript V8, cung cấp trải nghiệm duyệt web mượt mà Android cũng hỗ trợ cảm ứng đa điểm, nhiều ngôn ngữ và cho phép đa tác vụ, giúp người dùng thực hiện nhiều nhiệm vụ đồng thời Đặc biệt, Google Cloud Messaging (GCM) cho phép các nhà phát triển gửi tin nhắn đến người dùng mà không cần đồng bộ hóa, trong khi Wifi Direct cho phép khám phá và kết nối trực tiếp giữa các ứng dụng.

Hệ điều hành Android không chỉ sở hữu những tính năng cơ bản mà còn vượt trội hơn iOS với việc tiên phong áp dụng các cấu hình mới, hỗ trợ điện thoại 5G đầu tiên, tính năng sạc không dây và khả năng điều khiển bằng giọng nói.

- Android cung cấp một mã nguồn mở, mọi người đều có thể sử dụng và phát triển ứng dụng một cách dễ dàng

- Tính đa nhiệm, người dùng có thể trải nghiệm nhiều tác vụ song song

- Cập nhật các phiên bản mới liên tục

- Số lượng thiết bị sử dụng được hệ điều hành Android rất lớn

- Thuộc sở hữu của Google, cung cấp sự tin tưởng cho người sử dụng

- Các thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng hơn khi sử dụng hệ điều hành này do chạy song song nhiều chương trình nền

- Nhiều ứng dụng chứa virus và phần mềm độc hại

- Thông tin người dùng có thể bị đánh cắp bởi một vài ứng dụng giả mạo.

XML

1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội dung có liên quan đến đề tài

Thiết kế giao diện và tính năng cho ứng dụng

Viết chương trình xử lý các tính năng: định vị vị trí, tính toán khoảng cách trong tọa độ cầu, cấu hình server,

Kết hợp các tính năng

Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống Viết quyển báo cáo đề tài

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các bài báo, ứng dụng về vấn đề cũng như giải pháp để giải quyết việc kẹt xe tại các ngã tư và hỗ trợ tài xế trong lúc tham gia giao thông

Với phạm vi nghiên cứu là ứng dụng phần mềm Android, định vị vệ tinh GPS, các giao lộ ngã tư

Chương 1 trình bày các vấn đề bao gồm đặt vấn đề, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đề tài

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2 giới thiệu ứng dụng Android, ngôn ngữ lập trình Java, ngôn ngữ thiết kế giao diện XML, thuật toán tính toán khoảng cách giữa 2 điểm trong tọa độ cầu, máy chủ Firebase ứng dụng trong hệ thống IoT

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế

Chương 3 trình bày tóm tắt chức năng toàn bộ hệ thống, sơ đồ khối của hệ thống, giải thích các khối, quy trình hoạt động và tính toán các thông số cần thiết của hệ thống Trình bày và giải thích sơ đồ nguyên lí

Chương 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương 4 trình bày kết quả đã đạt được, nhận xét đánh giá về hệ thống, về mức độ đáp ứng và độ ổn định của hệ thống

Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương 5 trình bày những kết luận rút ra được sau quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, kết luận về khả năng hoạt động của thiết bị trên thực tế Qua đó đưa ra những kiến nghị và đề xuất hướng phát triển của đề tài

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mô tả quy trình hoạt động mô hình

Hệ thống hoạt động bằng cách yêu cầu tài xế cài đặt ứng dụng phát triển trên điện thoại Khi tham gia giao thông, tài xế mở ứng dụng với GPS và 4G được kích hoạt để cập nhật các điểm giao lộ cần cảnh báo Sau đó, họ bật chế độ cảnh báo và có thể di chuyển bình thường, thậm chí tắt màn hình điện thoại Khi gần đến các điểm giao lộ đông đúc, hệ thống sẽ phát âm thanh thông báo và bật sáng màn hình, giúp tài xế dễ dàng mở ứng dụng và lựa chọn lộ trình phù hợp.

2.2 Tổng quan về Internet of Things (IoT)

Ngày nay, nhu cầu phát triển các ứng dụng liên quan đến Internet ngày càng cao

IoT (Internet of Things) là một công nghệ quan trọng, cho phép phát triển nhiều ứng dụng đa dạng phục vụ hầu hết các lĩnh vực trong đời sống.

IoT, hay Internet of Things, là một hệ thống mạng lưới kết nối các thiết bị và đối tượng qua mạng Internet thông qua các thiết bị mạng và bộ định tuyến Công nghệ này cho phép điều khiển từ xa các thiết bị, giảm thiểu công sức vận hành của con người nhờ vào khả năng tự động hóa IoT có nhiều ứng dụng đa dạng, đặc biệt trong các lĩnh vực như y tế, giao thông, cao ốc và thành phố thông minh, và đang trở thành tâm điểm của sự phát triển công nghệ hiện đại.

Hình 2.1: Ứng dụng của IoT

Nhà thông minh (Smart Home) đã trở thành một trong những ứng dụng phổ biến trong những năm gần đây Với công nghệ hiện đại, ngôi nhà thông minh cho phép người dùng giám sát và điều khiển các thiết bị tự động, như bật tắt đèn qua ứng dụng điện thoại Nếu bạn quên tắt tivi khi rời khỏi nhà, bạn có thể dễ dàng tắt nó từ xa qua Internet Ngoài ra, hệ thống điều hòa không khí cũng tự động điều chỉnh nhiệt độ khi có sự thay đổi từ môi trường bên ngoài.

Hình 2.2: Ứng dụng nhà thông minh

Giao thông vận tải là một trong những lĩnh vực đầu tiên được IoT tác động mạnh mẽ, đặc biệt là trong việc nâng cao an toàn Tai nạn giao thông luôn là vấn đề nhức nhối trong cuộc sống, vì vậy việc sử dụng cảm biến và các phương tiện như ô tô, xe buýt để cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn và tình trạng ùn tắc là rất cần thiết Hơn nữa, IoT cũng giúp cải thiện dịch vụ vận chuyển hàng hóa, tối ưu hóa mức tiêu thụ nhiên liệu và giám sát tốc độ lái xe, từ đó mang lại lợi ích kinh tế và nâng cao sự hài lòng của khách hàng.

Hình 2.3: Ứng dụng IoT trong giao thông vận tải

Y tế là một lĩnh vực rất quan trọng việc quản lý tình hình sức khỏe của chúng ta

Thiết bị cảnh báo tình trạng và theo dõi sức khỏe đóng vai trò quan trọng trong y tế, giúp thu thập các thông số như nhịp tim và huyết áp Những dữ liệu này được phân tích để đưa ra chẩn đoán về sức khỏe hiện tại và dự đoán nguy cơ mắc bệnh, từ đó cho phép thực hiện các biện pháp phòng ngừa kịp thời.

Hình 2.4: Ứng dụng IoT trong y tế

Nông nghiệp thông minh (Smart Farming) là ứng dụng tiêu biểu của công nghệ IoT trong lĩnh vực nông nghiệp, với mô hình nhà kín giúp cây trồng cách ly hoàn toàn khỏi điều kiện thời tiết bên ngoài Hệ thống này tự động điều khiển nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng, đồng thời theo dõi tình trạng phát triển của cây trồng, xác định thời gian thu hoạch và giảm thiểu công sức lao động tối đa.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT người lao động

Hình 2.5: IoT trong nông nghiệp

Wifi là một giải pháp kết nối không dây thay thế cho mạng có dây truyền thống, cho phép các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua công nghệ sóng vô tuyến.

Dữ liệu được truyền qua sóng vô tuyến cho phép thiết bị truyền nhận thông tin với tốc độ cao trong mạng Wifi, kết nối máy tính với nhau, Internet và mạng có dây Wifi, hay Wireless Fidelity, là thuật ngữ chỉ tiêu chuẩn IEEE802.11 cho mạng cục bộ không dây (WLANs) Về tính bảo mật, hai tiêu chuẩn phổ biến là Wireless Equivalent Privacy (WEP) và Wifi Protected Access (WPA).

Thành phần của mạng Wifi

Access Point (AP) là thiết bị thu phát không dây trong mạng LAN (Mạng cục bộ), cho phép kết nối đồng thời nhiều thiết bị không dây với Internet.

Wifi Card cho phép chấp nhận tín hiệu không dây và thông tin chuyển tiếp

Safeguards với khả năng bảo vệ là tường lửa và phần mềm chống virus giúp giữ an toàn thông tin cho người dùng

Mạng peer to peer là cấu trúc kết nối ngang hàng, cho phép các thiết bị giao tiếp trực tiếp mà không cần thông qua điểm truy cập (AP) Điều này giúp thiết lập mạng không dây một cách nhanh chóng và dễ dàng.

Hình 2.6: Cấu trúc liên kết ngang hàng

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Giới thiệu

Sau khi phân tích nhiều bài báo, tác giả quyết định nghiên cứu và xây dựng một hệ thống tận dụng ưu điểm của các phương pháp trước đây, với ứng dụng chạy trên thiết bị Android dành cho tài xế Hệ thống không sử dụng camera, chỉ cần tài xế cài đặt phần mềm để định vị vị trí khi tham gia giao thông Ứng dụng này có nhiều đặc điểm chính nổi bật.

- Sử dụng GPS để định vị phương tiện tham gia giao thông

- Số lượng phương tiện được tổng hợp và theo dõi tại Web Server có tên là Firebase

- Phát triển ứng dụng quản lý các điểm, khu vực có giao thông thức tạp

Theo dõi và cảnh báo cho tài xế về các điểm nóng và tình trạng kẹt xe gần lộ trình di chuyển, giúp họ có thể tham khảo bản đồ và lựa chọn tuyến đường khác phù hợp hơn.

Ứng dụng được phát triển hoàn toàn trên các thiết bị di động sử dụng hệ điều hành Android, bao gồm cả các khối phần cứng Android trên xe hơi Trong nghiên cứu này, tác giả đã thực hiện các thử nghiệm trên thiết bị di động chạy Android.

Quy trình xử lý phần mềm ứng dụng được tác giả trình bày theo các bước như trong Hình 3.1

Hình 3.1: Quy trình xử lý phần mềm ứng dụng

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Mục tiêu của bài viết là xây dựng hệ thống thu thập tọa độ từ phương tiện giao thông và phát triển ứng dụng trên nền tảng Android Tác giả đã phân tích vấn đề và triển khai hệ thống với hai khối chính: khối server sử dụng Firebase và khối phần mềm ứng dụng cài đặt trên điện thoại Android của tài xế.

Các nội dung thiết kế sẽ được trình bày bao gồm:

- Thiết kế sơ đồ khối

- Phân tích thuật toán, giải thuật để tính toán khoảng cách và xác định mật độ xe tại các điểm giao lộ cần theo dõi

- Thiết kế và lập trình giải thuật cho phần mềm ứng dụng.

Tính toán và thiết kế hệ thống

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối hoàn chỉnh của hệ thống được thể hiện qua hình sau:

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối của toàn hệ thống bao gồm:

Khối máy chủ đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ và cập nhật thông tin vị trí của tất cả các tài xế tham gia giao thông sử dụng ứng dụng Nó cũng có khả năng gửi dữ liệu cảnh báo tức thì khi có sự thay đổi về thông tin vị trí.

Khối phần mềm ứng dụng có chức năng xác định tọa độ hiện tại của tài xế và liên tục cập nhật mật độ xe cộ tại các điểm giao lộ quan trọng Hệ thống cũng cung cấp cảnh báo cho tài xế nhằm đảm bảo an toàn và tối ưu hóa lộ trình di chuyển.

3.2.2 Lựa chọn và thiết kế hệ thống

Khối máy chủ đóng vai trò quan trọng nhất trong hệ thống IoT Máy chủ có chức năng là trung tâm:

- Trung chuyển dữ liệu giữa các thiết bị trong toàn hệ thống một cách realtime (thời gian thực)

- Lưu trữ dữ liệu từ các thiết bị gửi đến

Máy chủ có cấu hình mạnh sẽ xử lý lượng dữ liệu lớn từ các thiết bị gửi đến, sau đó dựa trên kết quả xử lý để gửi các chỉ thị lệnh tới cơ cấu chấp hành.

Máy chủ là một hệ thống máy tính mạnh mẽ, có khả năng thực thi và hoạt động liên tục với tốc độ cao Hiện nay, có nhiều giải pháp để xây dựng máy chủ, và việc lựa chọn giải pháp phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu, ngân sách và khả năng xử lý của hệ thống Một số nền tảng có thể được sử dụng để xây dựng máy chủ bao gồm ThingSpeak, Blynk, website thông thường, Websocket, và các dịch vụ của Google như Firebase.

ThingSpeak là nền tảng phân tích dữ liệu IoT, cho phép tổng hợp và hiển thị dữ liệu từ các thiết bị thông qua giao diện và biểu đồ Nền tảng này hỗ trợ phân tích dữ liệu theo thời gian thực và liên tục trực tuyến Người dùng chỉ cần kết nối phần cứng với máy chủ và theo dõi dữ liệu trực tuyến, đồng thời có thể cấu hình báo động khi cần thiết.

Hình 3.3: Website quản lý của ThingSpeak

Giao diện quản lý của máy chủ Thingspeak, như hình 3.3, cho phép người dùng dễ dàng đăng nhập, tạo tài khoản và cấu hình, từ đó kết nối phần cứng với hệ thống một cách hiệu quả.

Blynk là một nền tảng máy chủ IoT tương tự như ThingSpeak, nhưng được đầu tư mạnh mẽ hơn về thiết kế giao diện điều khiển thiết bị Thay vì chỉ sử dụng giao diện theo dõi trên website, Blynk cung cấp ứng dụng di động, cho phép người dùng dễ dàng cài đặt và kéo thả các đối tượng điều khiển vào giao diện Ứng dụng Blynk có giao diện dễ cấu hình và thân thiện, phù hợp cho người mới bắt đầu.

Website thông thường là giao diện trang web mà ta hay truy cập vào hằng

Người dùng có thể truy cập và thao tác trên các giao diện web, trong khi website cung cấp nhiều gói thư viện cho lập trình viên quản lý, hiển thị và theo dõi dữ liệu từ thiết bị phần cứng trong mô hình IoT Việc triển khai máy chủ web trong hệ thống IoT diễn ra đơn giản nhờ vào các gói thư viện như HTTP, giao thức GET/POST và cơ sở dữ liệu SQL Tuy nhiên, với mô hình website, việc đáp ứng thời gian thực gặp khó khăn và không linh hoạt như các loại máy chủ khác Hình 3.5 minh họa một website được thiết kế theo hướng bảng điều khiển thiết bị phần cứng.

Hình 3.5: Giao diện Website tối ưu theo hướng IoT

Websocket là một giao thức mạnh mẽ, lý tưởng cho việc xây dựng và quản lý luồng dữ liệu trong hệ thống IoT Khác với giao thức HTTP một chiều, Websocket cho phép giao tiếp hai chiều, cho phép cả người dùng và máy chủ đều có thể khởi xướng quá trình truyền nhận dữ liệu Kết nối Websocket được duy trì liên tục cho đến khi một bên xác nhận kết thúc, giúp cải thiện tốc độ truyền nhận dữ liệu và tăng cường khả năng tương tác giữa các đối tượng trong hệ thống IoT theo thời gian thực.

Hình 3.6: Quá trình khởi tạo, truyền dữ liệu và giữ kết nối của Websocket

Giao thức Websocket, như được minh họa trong Hình 3.6, cho phép kết nối và truyền nhận dữ liệu hai chiều giữa máy chủ và thiết bị hoặc người dùng Websocket được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thực tế, bao gồm web ứng dụng thời gian thực, ứng dụng game, ứng dụng chat và mô hình IoT.

Firebase là một nền tảng máy chủ do Google phát triển, tương tự như ThingSpeak và Blynk, cung cấp nhiều tính năng lý tưởng cho việc xây dựng hệ thống IoT Nền tảng này cho phép người dùng quản lý dữ liệu một cách hiệu quả và cung cấp tài liệu hỗ trợ để tích hợp giao tiếp với các nền tảng khác như website, ứng dụng di động và thiết bị phần cứng.

Hình 3.7: Mô hình giao tiếp giữa các thiết bị với Firebase

Như hình 3.7, Firebase hỗ trợ cho việc xây dựng hệ sinh thái IoT, giao tiếp với

Sau khi phân tích và tổng hợp, tác giả đã đánh giá nhanh ưu, nhược điểm của các dạng máy chủ theo bảng 3.1 Mỗi loại giao thức và máy chủ đều có những điểm mạnh và điểm yếu riêng Tuy nhiên, trong đề tài này, tác giả quyết định lựa chọn Firebase vì những lý do cụ thể sau đây.

- Chi phí sử dụng để triển khai trong dự án này là miễn phí

- Việc cài đặt, thiết lập và lập trình hệ thống khó hơn ThingSpeak, Blynk nhưng đơn giản hơn nhiều so với Websocket

- Đáp ứng được khả năng realtime, đáp ứng tức thì khi có sự kiện mới thay đổi (tính năng mà Website thông thường khó thực hiện được)

- Thư viện hỗ trợ để liên kết với các đối tượng khác trong mô hình IoT đầy đủ, dễ nghiên cứu và triển khai

Bảng 3.1: Ưu và nhược điểm của các loại Server

Website HTTP Websocket Web Server

Web Server khác (ThingSpeak, Blynk)

Chi phí thấp Chi phí cao Chi phí theo dung lượng sử dụng

Chi phí theo dung lượng sử dụng

Khó thiết lập Real-Time

Chi phí xây dựng hệ thống lớn

Chi phí xây dựng hệ thống lớn Được google xây dựng sẵn Được xây dựng sẵn

3.2.2.2 Khối phần mềm ứng dụng

Trong hệ thống IoT, người dùng có thể theo dõi, giám sát và điều khiển các thiết bị từ xa thông qua nhiều nền tảng khác nhau, bao gồm website, ứng dụng di động, ứng dụng máy tính, hoặc các thiết bị phần cứng có giao diện điều khiển.

Trong mỗi dự án, việc lựa chọn linh kiện và thiết bị cần phải phù hợp với nhu cầu và đặc điểm của dự án Để giúp tài xế nhanh chóng giám sát mật độ xe tại các điểm giao lộ, tác giả đã chọn thiết bị di động làm nền tảng phát triển ứng dụng giám sát Lý do cho sự lựa chọn này là vì tính tiện dụng, khi tài xế luôn có điện thoại bên mình, cùng với các tính năng hỗ trợ sẵn có.

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ năng, phần cứng cần thiết như GPS, Wifi, khả năng chạy ngầm, báo động, hỗ trợ triển khai các ứng dụng mới

Hình 3.8: Giao diện hệ điều hành iOS phiên bản 15

Hệ điều hành iOS được coi là một trong những hệ điều hành di động ổn định và hiệu quả nhất Tuy nhiên, việc phát triển và thử nghiệm ứng dụng trên iPhone yêu cầu các nhà phát triển phải có máy tính chạy MacOS để có thể nạp ứng dụng lên thiết bị.

Cấu hình máy chủ Firebase

Máy chủ Firebase của Google cung cấp nhiều tính năng hữu ích như Authentication, Realtime Database, Machine Learning và Events Trong bài viết này, tác giả tập trung vào tính năng Realtime Database, nhằm thu thập dữ liệu tọa độ từ các thiết bị di động và đồng bộ hóa với các thiết bị di động khác.

Hình 3.10: Tính năng Realtime Database

Tại mỗi ngã tư, cần lưu trữ 5 tọa độ điểm để xác định mật độ xe, bao gồm 1 điểm giữa ngã tư và 4 điểm ở 4 hướng vào ngã tư.

Hình 3.11: Cấu trúc dữ liệu của 1 ngã tư cần theo dõi

Cấu trúc dữ liệu của ngã tư Thủ Đức bao gồm các thông tin quan trọng như tên giao lộ, tổng lượng xe tại giao lộ, cùng với kinh độ và vĩ độ của điểm trung tâm Ngoài ra, còn có 4 cặp kinh độ và vĩ độ tương ứng với 4 hướng di chuyển.

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ đường, số lượng xe tại 4 hướng đường.

Thuật toán xác định mật độ xe ở 4 hướng tại 1 ngã tư bất kì

Trong nghiên cứu này, tác giả xác định mật độ xe tại bốn hướng của các ngã tư cần theo dõi Phương pháp được sử dụng là công nghệ IoT kết hợp với hệ thống định vị GPS để thu thập dữ liệu về số lượng tài xế tham gia giao thông, từ đó thống kê và kiểm soát lưu lượng xe.

Để xác định hướng di chuyển của phương tiện tại ngã tư, bước đầu tiên là kiểm tra vị trí của phương tiện so với ngã tư Tác giả cần áp dụng thuật toán tính khoảng cách giữa điểm giữa ngã tư và vị trí của tài xế trong tọa độ cầu bằng cách sử dụng công thức: a = sin²(Δφ/2) + cos φ1 * cos φ2 * sin²(Δλ/2) Sau đó, tính giá trị c bằng công thức c = 2 * atan2(√𝑎, √(1 − 𝑎)) Cuối cùng, khoảng cách d được tính bằng công thức d = R * c.

Bộ 3 công thức (1), (2), (3) [12] được sử dụng để tính toán khoảng cách giữa 2 tọa độ điểm trên bề mặt Trái Đất Với a là bình phương của nửa độ dài giữa 2 điểm, c là khoảng cách góc tính bằng radian, d là khoảng cách giữa 2 điểm tính bằng đơn vị là mét Giả định gọi 2 điểm A,B có tọa độ là A(lat1, lon1), B(lat2, lon2), với lat là kinh độ, lon là vĩ độ Khi đó, các thông số được tính toán như sau:

- R = 6371.3 Km (bán kính Trái Đất)

Dựa trên công thức (1)(2)(3), tác giả đã xác định khoảng cách giữa vị trí người tham gia giao thông và tọa độ tâm ngã tư, từ đó nhận diện các phương tiện đang bị kẹt tại các điểm giao lộ cần theo dõi.

Dựa trên công thức tính khoảng cách, tác giả phân tích và cấu hình hệ thống nhằm phát triển giải thuật xác định số lượng xe trong giao lộ và hướng đi của chúng tại ngã tư.

Hình 3.12: Tính toán vị trí xe đang thuộc hướng di chuyển nào khi vào giao lộ

Tại 1 điểm ngã tư, tác giả lấy tọa độ của 5 điểm: 1 điểm trung tâm và 4 điểm tại 4 hướng đường đi (Hình 3.11) Dựa trên công thức tính khoảng cách (1), (2), (3), tác giả đưa ra giải thuật xác định xe hiện tại đang thuộc hướng di chuyển nào, như sau:

B1: Nếu xe vào trong bán kính R(100m) của giao lộ:

- Tính khoảng cách giữa vị trí xe với 4 điểm trên 4 hướng đi (kí hiệu: )

- Dựa trên khoảng cách nhỏ nhất tính được, tác giả xác định được xe đang di chuyển trên hướng đi nào

- Từ đó, tăng/giảm số lượng xe tại 4 hướng tương ứng trên Firebase

- Tổng số xe của 4 hướng, được cộng dồn vào điểm trung tâm

B2: Nếu xe ra khỏi bán kính R, thì giảm số lượng xe tại hướng đó và của điểm trung tâm.

Phát triển giải thuật của toàn hệ thống

Bài viết trình bày một giải thuật xử lý đếm số lượng xe hoàn toàn trên thiết bị Android, với ứng dụng có khả năng cập nhật vị trí lên Firebase, tìm kiếm và quản lý các điểm giao lộ cần kiểm soát Ứng dụng cũng theo dõi số lượng xe ở các hướng giao lộ, hỗ trợ chế độ chạy ngầm để duy trì hoạt động ngay cả khi người dùng tắt ứng dụng hoặc khóa máy Ngoài ra, ứng dụng cung cấp cảnh báo liên tục cho tài xế khi xe tiếp cận các khu vực có mật độ xe đông vượt ngưỡng cài đặt.

Thuật toán xử lý được xây dựng theo giải thuật sau:

B1: Khởi tạo biến, dữ liệu

B2: Kết nối và lấy dữ liệu từ Firebase

B3: Sử dụng API của google map để hiển thị bản đồ lên ứng dụng

B4: Duyệt danh sách các khu vực, giao lộ cần theo dõi (Có thể tìm kiếm trên giao diện bản đồ và thêm mới)

B5: Ứng dụng Android xác định vị trí hiện tại và tính toán khoảng cách từ vị trí đó đến các giao lộ theo công thức (1), (2), (3) với chu kỳ xử lý là 7 giây mỗi lần.

Nếu xe di chuyển vào hoặc ra khỏi bán kính R của một giao lộ, ứng dụng sẽ xác định hướng di chuyển của xe dựa trên thuật toán đã trình bày trong mục 3.4.

Và tiến hành cập nhật lại số lượng xe tại các hướng lên Firebase (công thức (4))

Khi xe vào giao lộ và chuyển hướng, hệ thống vẫn liên tục cập nhật số lượng xe ở các hướng khác nhau, theo quy trình đã được mô tả trong giải thuật ở mục 3.4.

- Nếu vị trí xe vẫn ở ngoài bán kính R của các giao lộ, thì hệ thống không cập nhật lại số lượng xe tại các giao lộ

Khi người dùng kích hoạt chế độ chạy ngầm, hệ thống sẽ tự động gửi thông báo khi có giao lộ gần vị trí xe (R

Định dạng
Số trang	50
Dung lượng	4,19 MB