Thiết kế hệ thống quản lý thông minh cho các thiết bị điện trong trường Maya – Dự án cộng đồng của học sinh Trung học Maya tại Rio Automation Lab

THÔNG TIN CHUNG

Trong năm học 2024 – 2025, Dự án cộng đồng thuộc chương trình học tập thực tế của học sinh Trung học Maya tại Rio Automation Lab lấy chủ đề “Thiết kế hệ thống quản lý thông minh cho các thiết bị điện trong trường Maya”.

Theo đó, hướng đến mục đích giúp nhà trường sử dụng điện năng hiệu quả, tiết kiệm, từ đó vừa đáp ứng được đủ nhu cầu về điện, vừa giảm bớt những tác động đến môi trường, nhóm học sinh mong muốn:

• Xây dựng một hệ thống quản lý hiệu quả các thiết bị điện
• Cải tiến một số thiết bị có sẵn để tiết kiệm điện năng hiệu quả hơn

HÀNH TRÌNH DỰ ÁN

I. Khởi tạo dự án

Xác định và phân tích vấn đề

Bắt đầu từ những quan sát hàng ngày, nhóm học sinh tại Rio Automation Lab nhận ra thực trạng sử dụng điện năng chưa thật sự tối ưu tại trường Maya. Theo đó, ở nhiều khu vực, có nhiều thiết bị vẫn hoạt động ngay cả khi không được dùng đến hoặc đang tiêu tốn lượng điện năng nhiều hơn mức cần thiết, dẫn đến lãng phí điện.

Những quan sát ban đầu này thúc đẩy nhóm dự án tiến hành những nghiên cứu và phân tích sâu hơn để hiểu rõ thực trạng đang diễn ra tại nhà trường.

Ở giai đoạn này, để thu được những thông tin thực tế về hiện trạng và nhu cầu tại từng bộ phận/ khu vực nhà trường, nhóm dự án đã thống nhất tiến hành phỏng vấn bộ phận kĩ thuật và các thầy cô, cô chú cán bộ nhân viên tại trường Maya.

Sau khi trò chuyện với các thầy/cô giáo đại diện cho khối Tiểu học và Trung học, nhóm thu được nhiều thông tin giá trị về tình hình và những vấn đề khi sử dụng điện trong các lớp học. Ví dụ, các em nhỏ tại các lớp Tiểu học thường xuyên quên tắt đèn trong khu vệ sinh mặc dù đã được nhắc nhở nhiều lần. Hoặc tại khu vực nhà ăn, sau giờ ăn trưa, các thiết bị quạt vẫn để mở nhiều và các cô tạp vụ phải thường xuyên kiểm tra, tắt từng thiết bị.

Nhóm dự án cũng liên hệ phỏng vấn với chú Sức – phụ trách Bộ phận Kĩ thuật của nhà trường để thu thập thông tin về lượng điện tiêu thụ, cách đấu dây, đường truyền, lắp đặt công tắc,… Đặc biệt, nhóm đã đặt ra câu hỏi về nguyên nhân nhà trường chưa triển khai rộng rãi các thiết bị tiết kiệm năng lượng và được lắng nghe chú chia sẻ về những khó khăn trong việc lắp đặt và đảm bảo đường truyền trên diện tích trường học lớn. Từ đó, nhóm ý thức hơn về tầm quan trọng của việc đưa ra những giải pháp có tính phù hợp với điều kiện thực tế tại từng khu vực.

Ở giai đoạn phỏng vấn này, nhóm cũng lắng nghe chia sẻ từ của các cô chú cán bộ nhân viên tại các bộ phận khác trong trường Maya. Khi phỏng vấn chú Hưng – bảo vệ nhà trường, nhóm nhận thấy nhu cầu về hệ thống quản lý, thông báo để chú có thể kiểm soát vận hành của các thiết bị điện trong khuôn viên, từ đó kịp thời nắm bắt thông tin và xử lý.

Cuối cùng, nhóm tổng hợp và hệ thống lại các thông tin thu được để xây dựng Cây Vấn Đề cho dự án. Theo đó, các vấn đề hiện tại bao gồm:

• Hệ thống quản lý điện năng chưa tối ưu
• Nhiều thiết bị điện chưa phù hợp
• Nhu cầu sử dụng điện cao
• Ý thức sử dụng điện chưa cao
• Diện tích triển khai lớn

Những vấn đề này có thể dẫn đến những hậu quả sâu xa hơn như:

• Lãng phí điện năng
• Ảnh hưởng xấu đến môi trường
• Tiêu tốn thời gian và nhân lực
• Tốn kinh phí
• Thiết bị điện nhanh hỏng
• Ảnh hưởng đến uy tín và hình ảnh của nhà trường

Xác định mục đích và mục tiêu

Việc tìm hiểu thực trạng và xây dựng cây vấn đề là nền tảng để nhóm dự án tiếp tục xây dựng Cây Mục Tiêu, với những giải pháp thiết thực để giải quyết vấn đề.

Với mục tiêu trọng tâm là “Giảm lãng phí điện năng tại trường Maya”, nhóm đưa ra hai hướng giải quyết chính:

• Xây dựng hệ thống quản lý các thiết bị điện thông minh trong trường Maya. Ví dụ: ổ cắm thông minh hẹn giờ, điều khiển từ xa,…
• Chế tạo hoặc cải tiến các thiết bị điện hoạt động chưa tối ưu điện năng và hiệu quả trong trường. Ví dụ: chế tạo và lắp đặt cảm biến hiện diện con người cho đèn, quạt,…

Với hai mục tiêu này, nhóm kì vọng có thể quản lý hiệu quả, đảm bảo nhu cầu sử dụng, hệ thống hoạt động ổn định trong khi tiết kiệm lượng điện năng đáng kể cho nhà trường.

II. Lập kế hoạch

Xây dựng Timeline dự án

Với mục tiêu cụ thể, nhóm học sinh Rio Automation Lab bắt tay xây dựng Timeline của dự án, với các giai đoạn cụ thể:

• Giai đoạn I: nghiên cứu, chế tạo và lắp đặt hệ thống quản lý và các thiết bị điện trong phạm vi Rio Automation Lab
• Giai đoạn II: áp dụng hệ thống quản lý và lắp đặt các thiết bị điện trên các khu vực trong trường Maya

Song song với đó, nhóm sẽ liên tục kiểm tra, đo đạc, đánh giá hoạt động của hệ thống và các thiết bị để có những điều chỉnh cho phù hợp với tình hình thực tế.

Kế hoạch nhân sự

Trong dự án cộng đồng năm nay, hầu hết học sinh tham gia Rio Automation Lab là các bạn học sinh mới, chưa có nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong lĩnh vực Tự động hoá. Vì vậy, trước khi thành lập và phân công các nhóm chức năng với đầu công việc cụ thể, nhóm dự án thống nhất rằng toàn bộ thành viên trong nhóm sẽ cùng học tập và phối hợp làm việc để trợ giúp nhau hiệu quả nhất trong giai đoạn đầu.

Đây cũng là cơ hội để mỗi thành viên xác định được thế mạnh và sở thích của mình, làm cơ sở để đăng ký vào nhóm chuyên môn phù hợp nhất với khả năng trong giai đoạn tới, sau khi đã nắm vững nền tảng vể kĩ thuật.

Kế hoạch tài chính

Để xây dựng được kế hoạch tài chính cụ thể cho dự án, trước mắt, nhóm học sinh Rio Automation Lab phải nghiên cứu, thử nghiệm và thống nhất phương án xây dựng hệ thống và giải pháp cải tiến các thiết bị điện. Từ đó, nhóm sẽ tính toán chi phí mua linh kiện, thử nghiệm, lắp đặt cụ thể và thiết kế thành một bản kế hoạch tài chính cụ thể.

III. Thực hiện

Học và thực hành kiến thức về Tự động hoá tại Rio Automation Lab

Với cơ cấu thành viên dự án năm nay gồm nhiều bạn học sinh lớp 6, chưa có kiến thức nền tảng về Tự động hoá, ở giai đoạn đầu của dự án, song song với việc nghiên cứu vấn đề và mục tiêu, toàn bộ học sinh tại Xưởng đã và đang cùng nhau học kiến thức và thực hành trên các thiết bị có sẵn tại Xưởng.

Thời gian này, các bạn được học về điều khiển hệ thống đèn, điều hoà, quạt, máy hút mùi tại khu vực máy hàn, cửa ra vào,… Trong quá trình này, các bạn được khuyến khích chủ động tư duy, sáng tạo giải pháp, thử nghiệm và tự rút ra những kinh nghiệm thực tế cho mình. Ví dụ: nên dùng cảm biến gì cho thiết bị, điều khiển loại nào cho từng khu vực để phù hợp với nhu cầu thực tế,…

“Giai đoạn đầu là giai đoạn khá khó khăn đối với thầy trò dự án. Tuy nhiên, khi bắt đầu làm việc các bạn lại vô cùng năng nổ, thể hiện được các thế mạnh khác nhau. Có bạn cho thấy rõ năng lực điều phối dự án, có bạn vô cùng tự tin khi giao tiếp và phỏng vấn, có bạn lại rất mạnh về tính toán,… Trong giai đoạn nghiên cứu này, thay vì cầm tay chỉ việc, các thầy cô tại Xưởng luôn cố gắng kiên nhẫn để các bạn đi từng bước, tự tìm hiểu, tự nhận ra tại sao phương án này hiệu quả và tại sao lại không, tự rút ra bài học cho chính mình. Đó là cách các bạn hiểu sâu và nhớ lâu kiến thức” – Thầy Sơn An – Chuyên gia Tự động hoá tại Rio Automation Lab chia sẻ.

Nhóm dự án bắt đầu từ nhiệm vụ chế tạo chức năng cảm biến cho đèn và quạt hút mùi tại khu vực hàn mạch điện tử tại Xưởng. Theo đó, hệ thống đèn có thể tự động tắt – bật khi phát hiện sự xuất hiện của con người. Trong khi đó, hệ thống hút mùi lại tự động hoạt động khi máy hàn bắt đầu khởi động. Sau khi chế tạo, nhóm dành thời gian quan sát, dùng thử và tiếp tục tối ưu phương án.

Lắp đặt và thử nghiệm hệ thống tại Rio Automation Lab

Đầu học kì II, nhóm học sinh bắt đầu lắp đặt hệ thống quản lý thông minh cho các thiết bị điện như đèn trần, điều hòa, cửa ra vào và khu vực bàn hàn mạch điện tử tại không gian của Rio Automation Lab. Không chỉ thực hành lắp đặt, các bạn còn chủ động thu thập dữ liệu để so sánh lượng điện tiêu thụ trước và sau khi có hệ thống, nhằm hoàn thiện và điều chỉnh sao cho tối ưu hiệu quả tiết kiệm điện và công năng.

“Cách thức hoạt động của hệ thống bật tắt điện cho khu vực hàn mạch là chúng con sử dụng phương án cảm biến siêu âm, bot mạch Arduino, và module relay. Cảm biến siêu âm sẽ phát hiện có hay không có người sử dụng khu vực hàn mạch, nếu có người hệ thống được bật, ngược lại hệ thống sẽ tắt sau 10 giây khi không có người’ – Thành viên Bùi Quang Anh – Học sinh lớp 6 chia sẻ.

Bên cạnh chế độ bật – tắt bằng cảm biến, nhóm dự án cũng thành công thiết kế chế độ kiểm soát bật – tắt từ xa để tối ưu tính tiện dụng của hệ thống, giúp các thầy/cô chủ động kiểm soát nguồn điện thay vì dựa hoàn toàn vào hệ thống tự động.

Khảo sát và thiết kế hệ thống cho nhà ăn

Nhà ăn của trường Maya là mục tiêu tiếp theo của dự án. Đây là khu vực lớn, được chia thành ba không gian: Khu vực nhà dài, Khu vực nhà tròn, và Khu vực nhà vệ sinh. Nhóm đã chia thành các đội để khảo sát từng khu vực, chụp ảnh, vẽ sơ đồ 2D và xác định vị trí lắp đặt cảm biến.

Việc thiết kế cho khu vực nhà ăn dạng hình tròn của Maya là một thử thách “khó nhằn” với cả nhóm dự án bởi có nhiều góc khuất. Đèn được chia thành hai dãy theo vòng tròn, điều khiển bằng hai công tắc. Nhóm nhận thấy rằng khi bật công tắc, toàn bộ đèn sáng lên dù không có người ngồi hết các khu vực, gây lãng phí điện. Sau khi phân tích, các bạn đã chia nhà tròn thành ba phần, mỗi phần được giám sát bởi một bộ vi điều khiển ESP, module Relay và cảm biến hiện diện người. Nhờ đó, hệ thống sẽ tự động bật/tắt đèn và quạt theo nhu cầu sử dụng thực tế, tiết kiệm đáng kể năng lượng.

Khi đã có phương án, những tưởng việc bố trí hệ thống đã ổn, nhưng sau lần thử nghiệm đầu tiên, các bạn mới nhận ra phạm vi hoạt động của cảm biến không đủ để bao quát toàn bộ không gian mong muốn. Phải đến lần khảo sát thứ hai, với những điều chỉnh về số lượng cảm biến, góc cảm biến – dựa trên tình hình thực tế, kết quả thu được mới đạt yêu cầu.

Gọi vốn đầu tư

Sau khi hoàn thiện phương án lắp đặt, nhóm đã lập danh sách vật tư, dự toán chi phí và chuẩn bị tài liệu kêu gọi đầu tư. Đầu tháng 5/2025, trong buổi thuyết trình trước Ban Giám Hiệu, các bạn tự tin trình bày từ thực trạng điện năng lãng phí cho đến giải pháp cụ thể và phân tích những lợi ích thiết thực nhằm thuyết phục Ban Giám Hiệu đầu tư.

Nhóm nhấn mạnh vào hiệu quả kinh tế của giải pháp: chỉ riêng nhà ăn dài, hệ thống có thể tiết kiệm 14 số điện mỗi tháng (tương đương 400.000 đồng/năm), giảm thải khoảng 0,1 tấn CO₂ mỗi năm. Đặc biệt, chi phí duy trì hệ thống chỉ từ 87.000 – 287.000 đồng/năm, bằng một phần ba so với các giải pháp thương mại khác, nhờ vào việc tận dụng thiết bị sẵn có của nhà trường.

Bên cạnh đó, các thành viên cũng trình bày chi tiết giải pháp toàn diện cho cả ba khu vực tại nhà ăn Maya, dựa trên những tính toán và khảo sát của mình:

• Đối với khu vực nhà ăn (thiết kế theo dạng nhà dài và nhà tròn): Nếu có cảm biến phát hiện người ở khu vực đó thì mạch sẽ phát tín hiệu để bật đèn và bật quạt. Sau 5 phút hệ thống phát hiện không có người thì tự động tắt. Ngoài ra hệ thống còn có thể bật tắt các thiết bị thông qua app Rio IoT.
• Đối với khu vực nhà vệ sinh: Khi phát hiện người thì cảm biến hiện diện người sẽ gửi tín hiệu cho Rio-board1605 để bật relay rồi bật đèn, khi không phát hiện người thì đèn sẽ tự động tắt.

Sự tự tin, khả năng lập luận chặt chẽ và kiến thức vững vàng đã giúp nhóm chinh phục được các thầy cô Ban Giám Hiệu và nhận số vốn tài trợ để triển khai lắp đặt tại một phần nhà ăn, từ đó rút kinh nghiệm và mở rộng phạm vi trong tương lai.

Triển khai lắp đặt trên phạm vi nhỏ

Sau khi nhận được tài trợ từ Ban Giám Hiệu, nhóm dự án sẽ bắt tay vào lắp đặt hệ thống quản lý điện thông minh trên một nửa khu vực nhà ăn dài để thử nghiệm và thu thập số liệu thực tế. Đây là bước đi quan trọng nhằm đánh giá hiệu quả của hệ thống trước khi tiến hành mở rộng ra toàn bộ nhà ăn.

Dựa trên kết quả thử nghiệm ban đầu, nhóm sẽ tối ưu hóa thiết kế và giải pháp điều khiển để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả nhất. Trong tương lai, không chỉ dừng lại ở nhà ăn, dự án còn hướng tới việc lắp đặt trên toàn bộ các khu vực trong trường Maya, từ đó tiếp tục hoàn thiện mô hình để nhân rộng sang các cộng đồng khác.

“Chúng con đã có thời gian để xây dựng và thử nghiệm hệ thống, vậy nên không có lý do gì để không triển khai rộng rãi hơn. Hiện giờ hệ thống đang được lắp tại các khu vực nhỏ, sau này hệ thống sẽ được mở rộng cho toàn bộ nhà ăn, các nhà học như phòng Lower Elementary, Upper Elementary và phòng ICT. Hơn thế nữa, chúng con cũng rất mong muốn đem dự án ra ngoài khu vực trường Maya, nhưng để làm được điều đó, chúng con sẽ cần cải tiến hệ thống hơn nữa. – Thành viên Kiều Cảnh Phong – Học sinh lớp 7 cho biết.

Những nỗ lực không ngừng của các bạn học sinh Rio Automation Lab đang từng bước góp phần xây dựng một môi trường học tập thông minh, bền vững và lan tỏa ý thức sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả ra ngoài xã hội.

Hành trình dự án của học sinh Rio Automation Lab sẽ tiếp tục được cập nhật trong bài đăng này. Mời cha mẹ cùng theo dõi.