1. Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, tốc độ đô thị hóa và số lượng phương tiện giao thông tăng nhanh đã tạo áp lực lớn lên hệ thống giao thông tại các thành phố. Tình trạng ùn tắc, tai nạn giao thông và các hành vi vi phạm như vượt đèn đỏ diễn ra ngày càng phổ biến, gây ảnh hưởng đến an toàn giao thông cũng như hiệu quả lưu thông.

Trong khi đó, các hệ thống đèn tín hiệu truyền thống thường hoạt động theo chu kỳ cố định nên chưa thể đáp ứng được sự thay đổi liên tục của mật độ phương tiện tại từng thời điểm. Bên cạnh đó, việc giám sát và xử lý vi phạm chủ yếu vẫn phụ thuộc vào lực lượng chức năng, làm tăng chi phí quản lý và chưa đạt hiệu quả cao.

Sự phát triển của các công nghệ như thị giác máy tính (Computer Vision), trí tuệ nhân tạo (AI), Internet vạn vật (IoT) và các hệ thống điều khiển nhúng đã mở ra khả năng xây dựng các hệ thống giao thông thông minh có khả năng tự động giám sát, phân tích tình hình giao thông và điều chỉnh tín hiệu đèn theo lưu lượng phương tiện thực tế.

Xuất phát từ những yêu cầu trên, đề tài "Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát giao thông thông minh" được lựa chọn nhằm xây dựng một mô hình có khả năng điều khiển đèn giao thông linh hoạt theo mật độ xe, đồng thời phát hiện và lưu trữ thông tin các phương tiện vượt đèn đỏ. Đề tài góp phần nâng cao hiệu quả quản lý giao thông, giảm ùn tắc, tăng cường an toàn và tạo tiền đề cho việc phát triển các hệ thống giao thông thông minh trong tương lai.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài hướng đến các mục tiêu sau:

• Xây dựng hệ thống điều khiển đèn giao thông có khả năng tự động thay đổi thời gian tín hiệu dựa trên lưu lượng phương tiện của từng tuyến đường.
• Thiết kế hệ thống giám sát sử dụng camera kết hợp xử lý ảnh để phát hiện phương tiện vượt đèn đỏ.
• Nhận dạng và lưu trữ các thông tin của phương tiện vi phạm như biển số xe, hình ảnh và thời gian xảy ra vi phạm.
• Xây dựng giao diện giám sát giúp người quản lý theo dõi trạng thái hoạt động của hệ thống theo thời gian thực.
• Thiết kế và thi công mô hình giao thông thông minh phục vụ mục đích nghiên cứu, thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống.

3. Các tiêu chí kỹ thuật

Để hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu thực tế, đề tài đặt ra các tiêu chí kỹ thuật như sau:

3.1. Tiêu chí về chức năng

• Điều chỉnh thời gian đèn xanh dựa trên lưu lượng phương tiện.
• Phát hiện chính xác phương tiện vượt đèn đỏ.
• Nhận dạng và lưu trữ biển số xe vi phạm.
• Giám sát hệ thống theo thời gian thực thông qua Webserver.
• Lưu trữ dữ liệu phục vụ thống kê và quản lý.

3.2. Tiêu chí về phần cứng

• Bộ điều khiển Arduino Mega 2560 có đủ số lượng chân I/O và khả năng xử lý.
• Camera có độ phân giải đủ cao để nhận dạng phương tiện và biển số.
• Hệ thống đèn tín hiệu và LED hiển thị hoạt động ổn định.
• Nguồn cấp bảo đảm cung cấp điện liên tục cho toàn bộ hệ thống.

3.3. Tiêu chí về phần mềm

• Chương trình điều khiển hoạt động ổn định trên Arduino IDE.
• Chương trình xử lý ảnh được xây dựng bằng Python và OpenCV.
• Giao diện Webserver trực quan, dễ sử dụng.
• Dữ liệu được lưu trữ tự động và có khả năng truy xuất nhanh.

3.4. Tiêu chí về hiệu năng

• Điều chỉnh chu kỳ đèn theo sự thay đổi của mật độ giao thông.
• Phát hiện phương tiện vi phạm với độ chính xác cao.
• Thời gian xử lý và phản hồi nhanh.
• Hoạt động ổn định trong thời gian dài.

3.5. Tiêu chí về khả năng mở rộng

• Dễ dàng tích hợp thêm camera hoặc các cảm biến khác.
• Có thể mở rộng sang nhiều nút giao thông.
• Thuận lợi trong việc nâng cấp phần cứng và phần mềm.
• Hỗ trợ tích hợp các công nghệ AI và IoT trong tương lai.

4. Sơ đồ hệ thống

Chức năng các khối của hệ thống

+ Khối thu thập dữ liệu

Khối thu thập dữ liệu có nhiệm vụ ghi nhận hình ảnh giao thông tại khu vực ngã tư thông qua camera IP hoặc camera USB. Camera liên tục truyền video theo thời gian thực về máy tính để phục vụ quá trình xử lý ảnh. Chất lượng hình ảnh của camera ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phát hiện phương tiện, đếm lưu lượng xe và nhận dạng biển số.

Chức năng chính:

• Thu nhận hình ảnh giao thông theo thời gian thực.
• Truyền dữ liệu video đến máy tính thông qua cổng USB hoặc mạng LAN/WiFi.
• Cung cấp dữ liệu đầu vào cho hệ thống xử lý ảnh.

+ Khối xử lý hình ảnh (Máy tính)

Đây là khối quan trọng nhất của hệ thống, thực hiện việc phân tích hình ảnh bằng phần mềm Python kết hợp thư viện OpenCV và các mô hình trí tuệ nhân tạo (AI). Hệ thống xử lý hình ảnh sẽ xác định số lượng phương tiện trên từng tuyến đường, tính toán mật độ giao thông, phát hiện các trường hợp vượt đèn đỏ và nhận dạng biển số xe vi phạm.

Sau khi phân tích, máy tính sẽ gửi lệnh điều khiển đến Arduino Mega 2560 để thay đổi chu kỳ đèn giao thông, đồng thời truyền dữ liệu về Web Server và cơ sở dữ liệu để lưu trữ.

Chức năng chính:

• Nhận dữ liệu hình ảnh từ camera.
• Phát hiện và nhận dạng phương tiện giao thông.
• Đếm số lượng xe trên từng làn đường.
• Tính toán mật độ giao thông.
• Phát hiện phương tiện vượt đèn đỏ.
• Nhận dạng biển số xe vi phạm bằng OCR.
• Tính toán thời gian đèn xanh tối ưu.
• Gửi lệnh điều khiển đến Arduino.
• Gửi dữ liệu lên Web Server.
• + Khối điều khiển trung tâm (Arduino Mega 2560)

Arduino Mega 2560 đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm của hệ thống. Sau khi nhận lệnh từ máy tính thông qua giao tiếp USB Serial, Arduino sẽ điều khiển các thiết bị ngoại vi như đèn giao thông, LED đếm ngược và còi cảnh báo.

Arduino cũng giám sát trạng thái hoạt động của các thiết bị và phản hồi về máy tính khi cần thiết nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

Chức năng chính:

• Nhận dữ liệu điều khiển từ máy tính.
• Điều khiển hệ thống đèn giao thông.
• Điều khiển LED hiển thị thời gian đếm ngược.
• Điều khiển còi hoặc buzzer cảnh báo (nếu có).
• Giao tiếp hai chiều với máy tính.
• +Khối chấp hành

Khối chấp hành là nơi thực hiện các lệnh điều khiển từ Arduino để điều tiết giao thông tại nút giao.

Các thiết bị trong khối gồm đèn tín hiệu giao thông ba màu, LED bảy đoạn hiển thị thời gian còn lại của từng pha đèn và còi cảnh báo khi phát hiện các tình huống đặc biệt.

Chức năng chính:

• Hiển thị tín hiệu đèn xanh, vàng và đỏ.
• Hiển thị thời gian đếm ngược bằng LED 7 đoạn.
• Phát tín hiệu cảnh báo bằng buzzer khi cần thiết.
• Thực hiện trực tiếp các lệnh điều khiển từ Arduino.

• + Khối giám sát và lưu trữ

Khối này bao gồm Web Server và cơ sở dữ liệu (Google Sheets hoặc Database). Sau khi hệ thống xử lý ảnh hoàn thành việc phân tích, toàn bộ thông tin về lưu lượng xe, trạng thái đèn giao thông và các trường hợp vi phạm sẽ được truyền đến Web Server để hiển thị theo thời gian thực và lưu vào cơ sở dữ liệu.

Việc lưu trữ dữ liệu giúp người quản lý dễ dàng thống kê, tra cứu lịch sử vi phạm và đánh giá tình trạng giao thông.

Chức năng chính:

• Hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống theo thời gian thực.
• Hiển thị số lượng phương tiện.
• Hiển thị thông tin phương tiện vi phạm.
• Lưu biển số xe, thời gian và hình ảnh vi phạm.
• Quản lý và truy xuất dữ liệu lịch sử.

• + Người quản lý hệ thống

Người quản lý sử dụng máy tính hoặc thiết bị di động để truy cập Web Server, theo dõi trạng thái hoạt động của hệ thống và khai thác các dữ liệu đã lưu trữ.

Thông qua giao diện giám sát, người quản lý có thể kiểm tra tình trạng giao thông, xem thông tin các phương tiện vi phạm và xuất báo cáo khi cần thiết.

Chức năng chính:

• Theo dõi hệ thống từ xa.
• Quan sát lưu lượng giao thông theo thời gian thực.
• Tra cứu thông tin phương tiện vi phạm.
• Quản lý dữ liệu và xuất báo cáo thống kê.
• Hỗ trợ công tác quản lý và điều hành giao thông.

Mô tả luồng hoạt động của hệ thống

1. Camera thu nhận hình ảnh giao thông và truyền video đến máy tính.
2. Máy tính sử dụng Python, OpenCV và AI để phát hiện phương tiện, đếm số lượng xe, tính mật độ giao thông, phát hiện xe vượt đèn đỏ và nhận dạng biển số.
3. Kết quả xử lý được gửi đến Arduino Mega 2560 để điều khiển chu kỳ đèn giao thông và LED đếm ngược.
4. Đồng thời, dữ liệu về lưu lượng xe và các trường hợp vi phạm được truyền lên Web Server và lưu vào Google Sheets hoặc cơ sở dữ liệu.
5. Người quản lý truy cập Web Server để giám sát hệ thống, tra cứu dữ liệu và xuất báo cáo phục vụ công tác quản lý giao thông.