Hệ thống thông minh giám sát và quản lý hoạt động dạy học và áp dụng các lớp dạy học thí nghiệm của khoa công nghệ điện tử

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Hệ thống thông minh giám sát quản lý hoạt động dạy-học áp dụng lớp dạy-học thí nghiệm Khoa cơng nghệ điện tử Mã số đề tài: 21.2CNDT Chủ nhiệm đề tài: Trần Ngọc Anh Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Điện tử LỜI CÁM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh tài trợ kinh phí cho đề tài nghiên cứu Phịng quản lý Khoa học Hợp tác quốc tế tận tình hướng dẫn thủ tục suốt trình thực đề tài Chúng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô hội đồng đánh giá xét duyệt, nghiệm thu đề tài có ý kiến phản biện góp ý thật sâu sắc giúp chúng tơi hồn thành đề tài tiến độ Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Khoa Công nghệ Điện tử tạo điều kiện tốt thời gian, phịng nghiên cứu có sách hỗ trợ tốt cho nghiên cứu thực đề tài MỤC LỤC PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát II Kết nghiên cứu III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo IV Tình hình sử dụng kinh phí V Kiến nghị VI Phụ lục sản phẩm PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Nội dung phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SẢN PHẨM 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 IoT (Internet of Things) 2.1.2 Mạng truyền thông IoT Zigbee Mesh 2.1.3 Công nghệ nhận dạng RFID 2.2 Thiết kế thi cơng 2.2.1 Khảo sát phân tích yêu cầu thiết kế 2.2.2 Cấu trúc khối hệ thống 2.2.3 Chọn lựa mạng IoT 2.2.4 Thẻ RFID Mifare classic 1K 2.2.5 Frame truyền liệu cho hệ thống 2.2.6 Bộ quản lý phòng học (IoT-End-Device) 2.2.7 Bộ điều khiển trung tâm (IoT-Coordinator) 2.2.8 Phần mềm quản lý 2.3 Kiểm chứng 2.3.1 Kiểm tra phần cứng firmware 2.3.2 Thực nghiệm kiểm thử Khoa công nghệ điện tử CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG THỰC TẾ CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN 3: PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM Hợp đồng thực đề tài nghiên cứu khoa học Thuyết minh đề tài phê duyệt Quyết định nghiệm thu Hồ sơ nghiệm thu (biên họp, phiếu đánh giá, bảng tổng hợp điểm, giải trình, phiếu phản biện) Sản phẩm nghiên cứu (bài báo, vẽ, mô hình ) PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Hệ thống thông minh giám sát quản lý hoạt động dạy-học áp dụng lớp dạy-học thí nhiệm Khoa cơng nghệ điện tử 1.2 Mã số: 21.2CNDT 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài Họ tên Đơn vị cơng tác Vai trị thực đề tài ThS Trần Ngọc Anh Khoa CNĐT Chủ nhiệm PGS.TS Nguyễn Ngọc Sơn Khoa CNĐT Thành viên ThS Phạm Quang Trí Khoa CNĐT Thành viên ThS Nguyễn Thị Hồng Hà Khoa CNĐT Thư ký TT (học hàm, học vị) 1.4 Đơn vị chủ trì: 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: 12 tháng từ tháng năm 2022 đến tháng năm 2023 1.5.2 Gia hạn (nếu có): tháng đến tháng năm 2023 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng năm 2022 đến tháng năm 2023 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 60 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Cuộc cách mạng cơng nghiệp 4.0 diễn khía cạnh đời sống với đột phá công nghệ nhiều lĩnh vực với tốc độ nhanh Với phát triển nhanh chóng cơng nghệ, hoạt động quản lý-giám sát có tác động trực tiếp người ngày thay hệ thống thông minh hay phần mềm tự động Nổi bật lên việc ứng dụng tảng IoT (Internet of Things) AI (Artificial intelligence) vào giải tốn thực tiễn để làm tăng tính thơng minh hệ thống xu hướng công nghệ phát triển vượt bậc Các từ khóa nhà thông minh, thành phố thông minh, nông nghiệp thông minh, giao thông thông minh, trường học thông minh, nhà máy sản xuất thông minh, quản lý điện thông minh … gần xuất xung quanh chúng ta, dần trở nên quen thuộc, người ngày muốn trải nghiệm, sử dụng để tăng tính tiện lợi, giảm chi phí … cho họ Đặc biệt, việc tích hợp cơng nghệ vào lĩnh vực quản lý, số hóa hoạt động dạy-học điều kiện quan tâm lớn, nhiều tạp chí chuyên ngành mở số đặc biệt dành riêng cho chủ đề để nhà Khoa học bàn luận [1-2] Việc xây dựng cấu trúc mơ hình có ứng dụng IoT tùy vào quy mơ tốn thực tiễn, tùy thuộc ứng dụng Chẳng hạn như, báo [3] phân tích giải pháp IoT thiết kế đặc biệt cho trường học để cung cấp hệ thống thơng minh an tồn cho mơi trường giáo dục (Internet of School Things (S-IoST)) dựa hệ thống mạng 5-G, công nghệ cảm biến, hệ thống giao thông thông minh mạng IoT Hệ thống đề xuất cung cấp chế cảnh báo an toàn tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng trường trình di chuyển đến trường nhà Bài báo [4-5] phân tích việc áp dụng IoT để xây dựng hệ thống quản lý giáo dục thách thức gặp phải Các báo [68] áp dụng IoT RFID việc thiết kế hệ thống điểm danh sinh viên Với hướng tiếp cận sinh viên bỏ quên thẻ, hay sinh viên đổi thẻ hệ thống điểm danh Nhưng ưu điểm điểm danh số lượng lớn sinh viên Bài báo [9-10] áp dụng nhận dạng khuôn mặt để giám sát, điểm danh Cách tiếp cận giải nhược điểm báo [6-8] số lượng sinh viên đông, camera bị che khuất, sinh viên mang mũ/nón … hệ thống khó khả thi điểm nhận dạng khuôn mặt Bài báo [11-13] giới thiệu việc áp dụng IoT vào thiết kế hệ thống quản lý lượng cho tòa nhà, văn phịng Ngồi ứng dụng IoT AI cịn áp dụng vào trường học để giải toán thực tiễn khác khác hệ thống giám sát xe bus trường học thông minh [14], thư viện thông minh [15], bãi giữ xe thông minh [16] nhiều ứng dụng khác Các tác giả nghiên cứu đưa giải thuật, giải pháp ứng dụng công nghệ nhận diện RFID, nhận diện khuôn mặt kết hợp IoT để nhận diện, giám sát quản lý người dùng Tuy nhiên việc thiết kế thiết bị phần cứng phần mềm quản lý mơi trường thực tế cịn quan tâm nhiều Đề tài đề xuất thiết kế “Hệ thống thông minh giám sát quản lý hoạt động dạy-học áp dụng lớp dạy-học thí nghiệm Khoa công nghệ điện tử” Ý tưởng thiết kế sử dụng tài nguyên có sẵn thẻ RFID giảng viên sinh viên nhà trường cấp để xây dựng hệ thống tự động chấm giảng cho giảng viên điểm danh sinh viên Cơ sở xây dựng hệ thống dựa tảng IoT, kết hợp phần mềm, phần cứng để thu thập xử lý liệu Hệ thống: Phần cứng gồm Coordinator End-Device sử dụng công nghệ nhận dạng RFID, công tắc tơ công nghệ mạng không dây Zigbee làm tảng để thu thập trao đổi liệu toàn hệ thống; Phần mềm dùng để quản lý lịch giảng dạy giảng viên, danh sách sinh viên, điểm danh cho giảng viên sinh viên, trích xuất báo cáo; Nhận diện người dùng thẻ RFID giảng viên sinh viên Các chức thông minh hệ thống bao gồm quản lý đóng/mở điện phịng LAB theo lịch dạy từ phần mềm, chấm giảng giảng viên điểm danh sinh viên qua mã RFID, giám sát chất lượng giảng dạy giảng viên Hệ thống giúp số hóa cơng việc quản lý dạy học, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy, giúp tăng cường lực giám sát phận quản lý gồm Phịng Cơng tác HSSV (Học sinh sinh viên), Khoa, Bộ môn, thay cho cách quản lý, giám sát thủ công nay, đồng thời tối ưu hóa chi phí nhân tiêu thụ lượng Mục tiêu a Mục tiêu tổng quát: Thiết kế hệ thống thông minh quản lý, giám sát hoạt động dạy-học hoàn toàn tự động áp dụng triển khai quản lý phịng thí nghiệm thực hành Khoa Công nghệ điện tử b Mục tiêu cụ thể: Hệ thống xây dựng dựa tảng công nghệ IoT – Internet of Things bao gồm phần cứng nhúng IoT-End-Device, thiết bị trung tâm IoT Coordinator phần mềm ứng dụng ✓ Phần cứng thu thập liệu “IoT-End-Device” đặt phịng LAB để giám sát trạng thái đóng/mở điện phòng LAB, đọc mã RFID từ thẻ sinh viên để điểm danh, đọc mã RFID từ thẻ giảng viên để chấm công, lưu trữ thông tin tạm thời, trao đổi liệu đồng liệu với phần mềm máy chủ ✓ Phần cứng thiết bị điều khiển trung tâm “IoT-Coordinator” nhằm thu thập thông tin từ “IoT-End-Device” qua mạng Zigbee gửi liệu lên “Software server” ✓ Phần mềm ứng dụng “Software Server” thiết kế để liên kết với sở liệu thời khóa biểu PMT, giám sát lịch dạy LAB theo thời khóa biểu, lưu trữ thơng tin điểm danh sinh viên, giảng viên thiết kế để chạy tảng Windows ✓ Hệ thống dự kiến triển khai cho 25 phịng Lab Khoa cơng nghệ điện tử ✓ Tính mở hệ thống để tùy biến vào ứng dụng thực tế trường khác Phương pháp nghiên cứu TT Các nội dung, công việc Phương pháp Cách tiếp cận Kết cần đạt chủ yếu cần thực nghiên cứu Nghiên cứu kiến trúc IoT Nghiên cứu lý Nghiên cứu lý thuyết, Phác thảo phác thảo sơ đồ khối thuyết, phân tích phân tích đánh giá sơ đồ khối hệ thống thông minh giám đánh giá ưu ưu nhược điểm thành phần sát quản lý hoạt động nhược điểm giải pháp hệ thống; dạy-học giải pháp Thiết kế phần cứng IoT Thực nghiệm; Tìm hiểu, tra cứu Phần cứng IoT End Device thực đọc thiết kế mạch thiết bị IoT, chọn lựa Gateway, IoT mã RFID, kiểm soát điện nguyên lý PCB linh kiện phần cứng, End Device hoạt năng, truyền nhận bo mạch điện tử; cảm biến phù hợp; động ổn định, đầy thông tin qua mạng lập trình nhúng chọn lựa mơ đun đủ chức Zigbee kiểm chứng mạng Thiết kế hệ thống hoàn Thực nghiệm xây Thiết lập cấu hình Hệ thống hoạt chỉnh gồm thành phần dựng hệ thống mạng cho toàn hệ động với đầy đủ 25 IoT End Device, 01 thống kết nối 01 IoT tính theo IoT Coordinator 01 Coordinator với 25 yêu cầu đề tài IoT End Device kết nối với software Software server Thiết kế giao diện người Thực nghiệm thiết Giao diện có khả Phần mềm cài đặt dùng windows kế ứng dụng tùy biến cao máy tính thiết bị máy tính, hoạt động ổn đơn giản, linh hoạt định, trải nghiệm dễ sử dụng mượt mà Chạy thử nghiệm hệ Kiểm thử, phân Kiểm thử hệ thống, Hệ thống hoạt thống, báo cáo tổng kết tích, đánh giá, phân tích đánh giá động ổn định tổng hợp chất lượng hệ thống; 30 thu thập liệu ngày với đầy đủ viết báo cáo phân số liệu để phân tích, tổng kết tích, đánh giá Tổng kết kết nghiên cứu 4.1 Phần cứng thiết bị thu thập liệu IoT-End-Device Thiết bị đầu cuối IoT-End-Device thiết kế để quản lý phòng học (phòng LAB) đề xuất Hình Chức IoT-End-Device gồm thu thập thơng tin sử dụng phịng LAB giảng viên điểm danh sinh viên mã thẻ RFID thông qua module nhận dạng thẻ RFID MFRC522 (RC522), Các thông tin hợp lệ thu thập lưu trữ trực tiếp nhớ thiết bị để tránh bị liệu hệ thống truyền dẫn gặp vấn đề, đồng thời truyền máy chủ để thực giám sát theo thời gian thực Hình 1: Bộ thu thập liệu IoT-End-Device NCKHi ]2 Coi'rc TI-{L|O}.]G TRUoNG DAr Hoc coxc NGHrE,p THANH PHo Ho cni MINH tsQ nAxH crA xcuIENI THU DE TAr xcHlpx ctlu KHoA nob cAp rRU'oNG PHrEU a J tdi: HQ ttriing th6ng minh gi6m sit vir quin ly ho4t rlQng d4y-hgc vir rlp dgng cric l6'p day-fq" thi nghiQm cria Khoa COng nghe iliQn tir Chir nhiQm d6 tdi: TrAn Nggc Anh Don vi chir qu6n cia chu nhiQm AA tai: Khoa Cdng nghe DiQn tfr TOn d6 H9 va tOn thdnh vi€n hQi ddng {kint lrcc t'i1 JrCS 1.: I.ia,.,.:,.- , i"'.,',,, Don vi cong t6c: ;l!cE.:;.*.r r-lt i*' * 1:; -.t,.1',v ,.-,ii .i-,rlr,,l.,;j.sr.' .:.? ::{.'t7 Chuc danh Hdi d6ng (ddnh x vdo o thictx h.opl: aChu tich (Phan biqn lU,v vi€n I/ EANH GIA TONG QUAT TT i -) NQi dung tl6nh Di6m gii tiSi aa M*c ctQ ddp ftng mqc fiAu, nQi dung, phrong plttip fiAp cQn vd ryghiAn crbu so r,6'i dd dine k.i trons Thuv6t minh d6 tdi 3i6 tri khoa hgc.(Tinh m6'i tinh s6ng tao, 4,rd i*'" \/,L ,h.; /uri' E ttu c) Drinh gi{ v6 Uyz) { bfo c{o khoa hgc t6ng f6t l,/ I l-' h,, d_r,tr l/' Oi: b,r tai 4-eF b) Mric c) dQ "i:::: vc air 1i6u, s5 1i0u: Tinh logic: d) Mric dQ x6c e) Muc dQ fu',rl h; '5e .4r; thirc vC tdi liQu tham kh6o: l',: :',:: l: ::": :::':*W*I*' ru V KrEN vE Nr{Lrl.{G ToN TAr vA prilJONG pHAp crAr @, euyBt @Ar auec) b^, A Z;t il, ild-"'il;= ;4L | ;I ,' /., , , .r /h) IV KET LIJAN: THANH VIEN HOI DONG (lry rd ghi rd hq ftn) *or) / /4a,'rry"Y NCKH/I2 eo cONc rHrJoNG rnUoNc DAr Hec coxc NGHTB,P THANH PHo uo cui MrNH PHIEU DANH GIA NGHIBM THU KHOA HQC cAp rnUoxc ral Ncnmx ctlu Bn T0n dC tdi: HQ ttr6ng th6ng minh gi{m srit vi qu:in lf ho4t ilQng d4y-hoc vir 6p dgng c{c l6'p d+y-Iqc thi nghi$m cria Khoa Cdng nghQ rliQn tti, Chu nhi€m dC tdi: Trin Ngoc Anh Don vi chr-r quan cua chu nhiQm dd tdi: Khoa C6ng nghQ DiQn tfr : Ho vd t€n thdnh vi6n hQi d6ng (kim hoc vi) T3.TL[" ]ilrA l\:c,,* Donvic6ngt6c: K"!t,r.o Lt\,: fitc*" }'i' ,:lo;0",,1 OAi t* {*, n+lu,if Tf,.Lt.(s:'l Chirc danh HQi d6ng (ddnh x vdo o rhirh hqi: ,JCh, ti.f, lifrail biQn WUy vi€n t'/ ^ I/ EANH GIA TONG QUAT TT I J NQi dung tI6nh gi6 Mr?c iIQ ildp *ng mqrc fiAu, nQi dung, pltu'o'ng plrtip ti€p cQn vii nghi€n cfi'u so v6i dd ddne kf trons Thuv6t minh dC tdi Girl tri khoa hgc (Tinh m6i, tinh s6ng tao, kha rrlns ph6t tri6n, ) Giti tri il'ng dung (Phdt tri6n khoa hoc:6ng ngh6: tao san phArn rno^i; cldo tao rhdn lLrc; pham vi v2r mfrc d6 fmg dung, v.v ) Sdn phdm nghiAn crhu, thdng tin khga hpc (56 luong vd chAt lucrng san phdm lang 1, dqng2, dpng 3, bdi b6o; bdi gi6ng, Di6m tor oa t0 15 a'ir,u65 @ E")" tr^] A{"l fu^J flute khoa hgc t0 o Chiit tryng btio crio khou hgc ting kdt 5A h{ 'Jau trilc bdo cao theo quy dlnh J Tdng quon 4 ^rloi tlung rhu'c hian t0 L Ki0n nghi phcit trien clA Trich (kir:trl, t0 - xd hQi; ii , ( l,ii chinh to J di tdi (, -) din Hinh tltirt rrinh Cf -i(5 d6'l 10 Tai liAu tham khao 04 / aiy {ry fu1 b' - c6ng ngh6; th6ng tin; ddo tao b6i du6ng nhdn lqc; n6ng cao nlng lgc khoa hoc - c6ng nghQ, v.v ) ,1 [luo'c @ (,4 Y ki6n nh6n x6t , @ Higu qud ngltiAn cftu dat t5 siSptrinh, s6ch chuyOn khAo;) Di6m hcr.v vu Chiit lwqng bdo crio tdm tiit Dang ky so'hfru tri tuQ Vrjrc d6 tl-ruc hi6r-r ciic qr"ry dinh vC qLran ly vd qlry6t toiir-r tdi chinh c0ng Ghi chrt: (o @ 100 80 ai^u Aaq , hLd d2:: NC]KH/12 bai (theo diAtn rrung binh t'tr6i cilng); Tot tir 86 tlin 100 diAnt, Kha; n)r ,0 Jett ,.lu.rti d6 ,liint,Dat; ti'50 dAn dtroi a0 iliem; Khong tiqt; < 50 cliAnt - DiAm cua thdnh vi\n lx)i ctong ciOnh t€ch 20 di€nt so vo'i di€m rrung hinh bcm tlau csi ltt JiAnt XAp khong hqp lQ vd kh6ng daoc tlnh vdo r6ng sti ai\* hep /€ IIl EANH GIA SAN PHAM a) VG s6 lugng sin phim, khiii lugng sfrn ph6m xvdo thich hqp) 56 luqng, kh6i lucrng sin phAm TT @dnh driu Theo thuy6t TOn sin.phAm Theo thuc te minh Hi m,( (n^.iibt ''f: g)ui ,t6.^:6 ,ra Kh6ng Eat Nhfln x6t Dat *e;) {k-l eft.b- 1-f" D6nl gla X hsc PLfi "ail f ,."^{ -) tsd c,6 dJ f\r"id : l^^ta.l J-I viAc"o gA b6 *i.5 b) VO ch6t luqng TT 4-."p sin n 4, t, L x L L X trnn{ (rh,{ cl{ a\*} L L X h phim qw,-,* A er.^ q Theo thuy6t 'Iheo minh te thttc ,rr,u; -i,^ ) i Jyy,-h+ f!6 r,.i; {^^J" q p-) ! - o D6nh gi6 Kh6ng Dat Eat x I 1 x m (ddnh dtiu x vds th{ch h.op) 56 luqng, kh6i luqng sfln phflm TOn sf,n Fhf ,1, ^ x L x Cd.; bi'4( tn"/hGs (ai ct^; Nfyc Nhfln x6t NCKH/12 6 "ilrt* x r vicG !,.,,(l A# et ba{ ,t 1d6- c) Ddnh gi:{ vd b6o c{o khoa hgc t6ng X6t a) Sg trung l6p t6n dC tai: Aiitei Cl-* pIft [',t" , :p]G,r d"ii a: *t;J;{ t.;;^l; J6i b) Mric c) x &r, cKzua, dQ x6c ti"l.ia k mr.n* thuc vC dfi liQu, s5liqu: Tinh logic: d) 7d.,(q /.tq"t, e) Mric rhi f ffi f.+ r c{dht n/r,)l d6 x6c thgc vC trich ddn tdi liQu tham kh6o: **;^, ii : d{.k* * rd":;.}d ;i- .- G;.&i*h h$t b;{ a{ dk thnt , t6 si*, ytn ), di : - df 247 x"f{ ?trih \J p"al^ifr- 66.,1 a{a^ f.( , ;; d,il t.hi Au r{ n h+ d,i W;;d')' ;f ;Ar;, i'.^" ;*a ;6 (^,^ 33 THANH VI6N HOI EONG (lry rd ghi rd hp ftn) T,*E^ co E 'ri Mh0 (J4 !tc t* zbo :i co C) d I (o r\ rlr rJ:,! ZE- o5.6 1tJ.:n E 14 6l =i F6F.^- (o €'r l FA ALr v v IU c) lcr\4 :o \J -g Hlt' I a UEr ;ld p r\ q-A v(] Za l-r t6 s o q) !r\ lcr o o b (t\ tr\ o {t (frl Z,A O 5H B fr> IE h F