I. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1. Lý do chọn đề tài

Trong bối cảnh chuyển đổi số và tự động hóa ngày càng phát triển, các siêu thị đang hướng đến việc nâng cao trải nghiệm mua sắm, giảm thời gian chờ thanh toán và tối ưu hóa hoạt động quản lý hàng hóa.

Xe đẩy mua hàng truyền thống chủ yếu phục vụ việc chứa và vận chuyển sản phẩm, chưa hỗ trợ hiệu quả các chức năng như nhận diện hàng hóa, theo dõi tổng chi phí mua sắm, cảnh báo ngân sách hoặc hỗ trợ thanh toán.

Việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống xe đẩy thông minh có thể mang lại một số lợi ích:

• Giúp khách hàng nhận biết sản phẩm và cập nhật giá tiền ngay trong quá trình mua sắm.
• Tự động tính tổng giá trị hàng hóa, hạn chế sai sót trong quá trình tính toán.
• Hỗ trợ khách hàng kiểm soát ngân sách mua sắm.
• Góp phần giảm tải cho khu vực thanh toán và nâng cao hiệu quả vận hành siêu thị.
• Tạo môi trường nghiên cứu, học tập thực tiễn cho sinh viên về thiết kế cơ khí, cảm biến, vi điều khiển, lập trình và truyền thông dữ liệu.

Từ những yêu cầu trên, đề tài “Thiết kế hệ thống xe đẩy thông minh trong siêu thị” được đề xuất nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thử nghiệm với chi phí phù hợp, có khả năng mở rộng trong tương lai.

2. Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài có ý nghĩa thực tiễn trong việc ứng dụng các công nghệ tự động hóa vào hoạt động bán lẻ. Đối với nghiên cứu khoa học sinh viên, đề tài còn có tính liên ngành, cho phép sinh viên vận dụng kiến thức chuyên môn để giải quyết một bài toán thực tế.

Đặc biệt, việc xây dựng mô hình thử nghiệm với các linh kiện phổ biến có thể giúp đánh giá tính khả thi của giải pháp trước khi phát triển thành sản phẩm hoàn chỉnh.

3. Tổng quan các hướng công nghệ liên quan

Một số hướng công nghệ có thể được nghiên cứu và ứng dụng gồm:

• RFID: Nhận diện sản phẩm thông qua thẻ RFID gắn trên hàng hóa.
• Mã vạch hoặc QR code: Xác định sản phẩm bằng cách quét mã.
• Cảm biến khối lượng: Đo khối lượng hàng hóa trong xe.
• Vi điều khiển và IoT: Xử lý dữ liệu, quản lý danh sách sản phẩm và truyền dữ liệu đến hệ thống giám sát.
• Màn hình hiển thị: Cung cấp thông tin sản phẩm, giá tiền và tổng hóa đơn.
• Ứng dụng quản lý: Hỗ trợ quản lý danh mục sản phẩm, đơn hàng và dữ liệu thử nghiệm.

Đối với mô hình sinh viên, có thể lựa chọn RFID hoặc quét mã vạch làm công nghệ nhận diện chính. Việc lựa chọn cần căn cứ vào chi phí, độ chính xác, khả năng triển khai và điều kiện thử nghiệm.

II. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1. Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống xe đẩy thông minh phục vụ hoạt động mua sắm trong siêu thị, có khả năng nhận diện sản phẩm, quản lý danh sách hàng hóa và tính toán tổng chi phí theo thời gian thực.

2. Mục tiêu cụ thể

1. Khảo sát nguyên lý hoạt động của xe đẩy truyền thống và các công nghệ nhận diện hàng hóa hiện nay.
2. Xây dựng phương án thiết kế tổng thể cho hệ thống xe đẩy thông minh.
3. Thiết kế kết cấu cơ khí, bố trí thiết bị điện tử và lựa chọn linh kiện phù hợp.
4. Xây dựng thuật toán nhận diện sản phẩm, cập nhật danh sách hàng hóa và tính tổng giá tiền.
5. Thiết kế giao diện hiển thị thông tin sản phẩm và tổng chi phí mua sắm.
6. Chế tạo mô hình thực nghiệm và xây dựng quy trình kiểm thử.
7. Đánh giá hiệu quả hoạt động, độ chính xác, thời gian xử lý và chi phí chế tạo của mô hình.

III. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1. Đối tượng nghiên cứu

• Kết cấu xe đẩy mua hàng.
• Hệ thống nhận diện sản phẩm.
• Bộ điều khiển và các cảm biến.
• Thuật toán quản lý danh sách sản phẩm, tính tiền và hiển thị thông tin.
• Giao diện tương tác giữa người dùng và xe đẩy.
• Phương pháp kiểm thử và đánh giá hiệu quả hệ thống.

2. Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung vào việc chế tạo mô hình xe đẩy thông minh quy mô nhỏ hoặc cải tiến xe đẩy có sẵn, hoạt động trong môi trường siêu thị mô phỏng.

Các chức năng dự kiến bao gồm:

• Nhận diện sản phẩm bằng RFID hoặc mã vạch.
• Hiển thị tên, đơn giá và số lượng sản phẩm.
• Tự động tính tổng giá trị hàng hóa.
• Cho phép thêm hoặc xóa sản phẩm khỏi danh sách mua sắm.
• Cảnh báo khi tổng tiền vượt ngân sách thiết lập.
• Lưu hoặc xuất danh sách hàng hóa để phục vụ kiểm thử.

Các chức năng như thanh toán trực tuyến thực tế, định vị trong siêu thị, tự hành tránh vật cản và kết nối hệ thống quản lý bán hàng thương mại có thể được xem xét ở giai đoạn mở rộng, không nhất thiết phải triển khai trong phiên bản đầu tiên.

IV. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Đây là phần trọng tâm của đề tài, có thể chia thành sáu nội dung chính.

Nội dung 1. Khảo sát và phân tích yêu cầu hệ thống

• Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của xe đẩy mua hàng truyền thống.
• Khảo sát nhu cầu sử dụng xe đẩy thông minh.
• Phân tích các mô hình xe đẩy thông minh đã được nghiên cứu hoặc ứng dụng.
• Xác định yêu cầu chức năng và yêu cầu kỹ thuật.
• Xây dựng sơ đồ khối và phương án thiết kế tổng thể.

Sản phẩm dự kiến: Báo cáo khảo sát, bảng yêu cầu kỹ thuật và sơ đồ khối hệ thống.

Nội dung 2. Thiết kế kết cấu cơ khí xe đẩy

• Xây dựng phương án thiết kế khung xe và giỏ đựng hàng.
• Bố trí vị trí lắp đặt bộ điều khiển, cảm biến, màn hình và nguồn điện.
• Tính toán sơ bộ tải trọng, độ ổn định và khả năng di chuyển.
• Thiết kế bản vẽ 2D, mô hình 3D bằng phần mềm CAD phù hợp.
• Đề xuất phương án lắp ráp, bảo trì và bảo vệ thiết bị điện tử.

Sản phẩm dự kiến: Bộ bản vẽ cơ khí, mô hình 3D và phương án lắp ráp xe đẩy.

Nội dung 3. Thiết kế hệ thống điện tử và lựa chọn thiết bị

Các thành phần dự kiến được lựa chọn như sau:

 

Bộ điều khiển trung tâm

ESP32 hoặc Arduino, thực hiện xử lý dữ liệu từ thiết bị nhận diện và điều khiển giao diện.

 

Thiết bị nhận diện sản phẩm

Đầu đọc RFID và thẻ RFID, hoặc đầu đọc mã vạch tùy phương án thiết kế.

 

Thiết bị hiển thị

Màn hình LCD hoặc TFT hiển thị tên hàng hóa, số lượng, đơn giá và tổng tiền.

 

Cảm biến khối lượng (tùy chọn)

Load cell kết hợp mạch HX711 để đo khối lượng hàng hóa, phục vụ kiểm tra hoặc đối chiếu dữ liệu.

Các công việc chính:

• Xây dựng sơ đồ nguyên lý và sơ đồ kết nối phần cứng.
• Lựa chọn nguồn điện, phương án cấp nguồn và bảo vệ mạch.
• Thiết kế vị trí lắp đặt thiết bị.
• Lập trình thu thập và xử lý dữ liệu.
• Kiểm tra khả năng giao tiếp giữa các mô-đun.

Sản phẩm dự kiến: Sơ đồ mạch điện, danh mục linh kiện và hệ thống điện tử hoạt động thử nghiệm.

Nội dung 4. Xây dựng phần mềm và thuật toán xử lý

Các chức năng phần mềm dự kiến:

• Quản lý danh mục sản phẩm gồm mã hàng, tên hàng và đơn giá.
• Nhận dữ liệu từ đầu đọc RFID hoặc máy quét mã vạch.
• Tra cứu thông tin sản phẩm từ cơ sở dữ liệu.
• Cập nhật số lượng và tính thành tiền từng sản phẩm.
• Tự động tính tổng hóa đơn.
• Xử lý thao tác thêm, xóa hoặc điều chỉnh số lượng.
• Hiển thị cảnh báo khi vượt ngân sách.
• Lưu dữ liệu mua sắm để phục vụ kiểm thử và thống kê.

Công thức tính tổng tiền:

T=i=1nqipi
 

Trong đó:

• T: Tổng giá trị hàng hóa.
• n: Số loại sản phẩm trong giỏ.
• qi: Số lượng sản phẩm loại i.
• pi: Đơn giá của sản phẩm loại i.

Nếu áp dụng chức năng cảnh báo ngân sách, hệ thống so sánh Tvới mức ngân sách Bdo người dùng thiết lập. Khi T>B, hệ thống hiển thị thông báo phù hợp.

Sản phẩm dự kiến: Chương trình điều khiển, thuật toán xử lý sản phẩm và giao diện hiển thị.

Nội dung 5. Tích hợp và chế tạo mô hình

• Lắp đặt các thiết bị điện tử lên xe đẩy.
• Tích hợp phần cứng và phần mềm.
• Xây dựng cơ sở dữ liệu sản phẩm mẫu.
• Kiểm tra hoạt động của từng mô-đun.
• Hiệu chỉnh hệ thống và khắc phục lỗi phát sinh.
• Hoàn thiện mô hình để phục vụ thực nghiệm.

Sản phẩm dự kiến: Một mô hình xe đẩy thông minh có khả năng vận hành và trình diễn các chức năng chính.

Nội dung 6. Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Tiến hành kiểm thử mô hình với các tình huống mô phỏng hoạt động mua sắm:

• Nhận diện nhiều sản phẩm liên tiếp.
• Quét lặp một sản phẩm.
• Thêm và xóa sản phẩm khỏi giỏ hàng.
• Kiểm tra khả năng tính tổng tiền.
• Đánh giá thời gian phản hồi của hệ thống.
• Kiểm tra khả năng hoạt động liên tục.
• Đánh giá độ ổn định của kết cấu và nguồn điện.

Các chỉ tiêu đánh giá cần được xác định trước khi thử nghiệm, với giá trị mục tiêu phù hợp khả năng chế tạo của nhóm.

V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài sử dụng kết hợp các phương pháp sau:

1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Thu thập và phân tích các tài liệu về xe đẩy thông minh, RFID, IoT, hệ thống nhúng và tự động hóa.
2. Phương pháp phân tích – thiết kế: Phân tích yêu cầu, xây dựng sơ đồ khối, lựa chọn linh kiện và thiết kế hệ thống.
3. Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm CAD để thiết kế cơ khí; sử dụng công cụ mô phỏng điện tử hoặc phần mềm lập trình phù hợp để kiểm tra từng phần.
4. Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình, xây dựng các kịch bản kiểm thử và thu thập số liệu.
5. Phương pháp thống kê – đánh giá: Tổng hợp kết quả thử nghiệm, so sánh với chỉ tiêu mục tiêu và đề xuất hướng cải tiến.

VI. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT

Khối nhận diện sản phẩm

RFID hoặc máy quét mã vạch

Bộ điều khiển trung tâm

ESP32 / Arduino

Khối xử lý dữ liệu

Tra cứu sản phẩm, quản lý giỏ hàng, tính tổng tiền

Khối hiển thị

Tên hàng, số lượng, giá tiền

Khối kết nối

Wi-Fi, lưu dữ liệu hoặc giám sát (tùy chọn)

Ngoài các khối trên, hệ thống có thể tích hợp cảm biến khối lượng để đối chiếu hàng hóa. Tuy nhiên, cảm biến khối lượng không tự xác định được chính xác loại sản phẩm nếu không có cơ chế nhận diện hoặc dữ liệu đối chiếu phù hợp.

VII. CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT DỰ KIẾN

Bảng dưới đây là các chỉ tiêu mục tiêu đề xuất để nhóm nghiên cứu tham khảo, không phải kết quả đã được kiểm chứng.

STT	Chỉ tiêu	Mục tiêu đề xuất
1	Số loại sản phẩm thử nghiệm	10–30 loại
2	Tỷ lệ nhận diện đúng trong điều kiện thử nghiệm	Từ 95% trở lên
3	Độ chính xác tính tổng tiền	100% với dữ liệu đầu vào hợp lệ
4	Thời gian phản hồi sau thao tác nhận diện	Không quá 1 giây trong điều kiện thử nghiệm phù hợp
5	Chức năng thêm/xóa sản phẩm	Hoạt động đúng theo kịch bản kiểm thử
6	Chức năng cảnh báo ngân sách	Hoạt động đúng theo ngưỡng cài đặt
7	Thời gian hoạt động liên tục	Mục tiêu từ 2 giờ
8	Chi phí chế tạo	Theo dự toán và điều kiện thực tế của nhóm

Độ chính xác nhận diện cần được đánh giá trên nhiều lần thử, với số lượng sản phẩm, khoảng cách đọc và điều kiện môi trường được ghi nhận cụ thể.

VIII. TÍNH MỚI VÀ Ý NGHĨA KHOA HỌC, THỰC TIỄN

1. Tính mới của đề tài

Đề tài hướng đến việc thiết kế và tích hợp các thành phần phần cứng, phần mềm vào một mô hình xe đẩy có khả năng hỗ trợ mua sắm. Điểm đóng góp của nhóm có thể tập trung vào:

• Phương án tích hợp hệ thống nhận diện sản phẩm với chức năng quản lý giỏ hàng.
• Thiết kế kết cấu gọn nhẹ, thuận tiện lắp đặt và bảo trì.
• Thuật toán xử lý thao tác quét lặp, xóa sản phẩm và cập nhật hóa đơn.
• Đánh giá định lượng hiệu quả vận hành trên mô hình thực nghiệm.

Lưu ý: Xe đẩy thông minh đã có nhiều sản phẩm và nghiên cứu trên thế giới. Vì vậy, khi hoàn thiện thuyết minh, nhóm cần khảo sát tài liệu và sản phẩm hiện có để xác định chính xác điểm mới của đề tài, thay vì khẳng định đây là công nghệ hoàn toàn mới.

2. Ý nghĩa khoa học

• Vận dụng kiến thức về thiết kế cơ khí, hệ thống nhúng, cảm biến và lập trình.
• Xây dựng quy trình thiết kế, tích hợp và đánh giá một hệ thống cơ điện tử.
• Tạo cơ sở thực nghiệm để nghiên cứu các phương án nhận diện và quản lý hàng hóa.

3. Ý nghĩa thực tiễn

• Hỗ trợ khách hàng theo dõi chi phí mua sắm.
• Tạo tiền đề nghiên cứu giải pháp giảm thời gian thanh toán.
• Cung cấp mô hình thực hành cho sinh viên.
• Có thể phát triển thêm chức năng kết nối cơ sở dữ liệu, định vị hoặc thanh toán ở các giai đoạn sau.

IX. SẢN PHẨM DỰ KIẾN CỦA ĐỀ TÀI

Kết thúc đề tài, nhóm dự kiến hoàn thành:

1. Một mô hình xe đẩy thông minh có khả năng hoạt động thử nghiệm.
2. Bộ bản vẽ thiết kế cơ khí 2D và mô hình 3D.
3. Sơ đồ nguyên lý điện và tài liệu kết nối linh kiện.
4. Chương trình điều khiển và thuật toán xử lý dữ liệu.
5. Cơ sở dữ liệu sản phẩm mẫu.
6. Bộ kịch bản kiểm thử và bảng kết quả thực nghiệm.
7. Báo cáo tổng kết đề tài NCKH sinh viên.
8. Bài trình chiếu và video minh họa quá trình hoạt động của mô hình.