Thực tế cho thấy hiện nay số lượng học sinh ngày càng tăng lên, có những giờ học giáo viên quên lên lớp, không kịp thời năm bắt sĩ số học sinh, trống ra vào lớp còn đánh chưa đúng thời điểm lúc sớm, lúc muộn. Nhà trường và đặc biệt là phụ huynh học sinh ngày càng quan tâm đến con em mình hơn trong việc học tập, cũng như chất lượng giờ dạy... Nhóm tác giả đã xây dựng nên công cụ quản lý quá trình dạy và học ở trường nhanh chóng, thuận tiện, trực quan cũng như xử lý những vấn đề phát sinh một cách kịp thời bằng phần mềm “Hệ thống quản lý giờ học thông minh”.

Hệ thống quản lý giờ học thông minh có những ưu điểm sau:

Thứ nhất: các thông tin được xử lý từ xa qua mạng Internet một cách nhanh chóng, hiệu quả.

Thứ hai: thiết bị đảm bảo đủ tính năng để xử lý các thông tin của giáo viên, giờ dạy của giáo viên và sĩ số học sinh, kiểm soát được những hiện tượng bất thường có thể xảy ra.

Thứ ba: có thể phát triển thành một chương trình quản lý trực tuyến đa dạng.

Thứ tư: thuận tiện, đơn giản trong việc thực hiện thông tin cho phụ huynh và nhà trường để quản lý học sinh và sự phối hợp chặt chẽ giữa nhà trường và gia đình.

Thứ năm: phát triển theo xu thế cuộc cách mạng công nghệ 4.8 kết nối vạn vật, có thể đăng nhập chương trình quản lý bầng máy tính, điện thoại thông minh.

Thứ sáu: các thiết bị để xây dựng hệ thống quản lý có giá thành hợp lý, đơn giản, tiết kiệm do tận dụng được mạng Internet sẵn có.

Hệ thống quản lý giờ học thông minh có các khối chức năng để giải quyết các yêu cầu đặt ra:

Khối 1: Khối tiếp nhận và hiển thị thông tin tại lớp

- Nhận thông tin từ giáo viên dạy: giáo viên vào lớp sẽ nhập mã số đã đăng ký tiết dạy, nếu sai tiết hoặc sai lớp thì khối này sẽ phản hồi ngay cho giáo viên, nhập sĩ số của lớp.

- Nhận thông tin của học sinh khi học sinh tự kiểm diện, có thể sử dụng thẻ hoặc mã số học sinh.

Khối 2: Khối xử lý thông tin và đấy thông tin lên mạng, cập nhật thời gian thực

- Xử lý thông tin đăng nhập của giáo viên và phần thông tin về sĩ số lớp mà giáo viên kiểm diện cũng như học sinh tự kiểm diện để gửi lên mạng tới cơ sở dữ liệu tự tạo.

- Cập nhật liên tục thời gian thực từ trên mạng Internet để có được giờ đúng với múi giờ quốc tế cung cấp cho thiết bị thông báo giờ ra vào lớp như chuông, trống máy.

Khối 3: Khối thông báo giờ ra vào lớp

Có thể là chuông điện hay trống máy được điều khiển qua khối 2 bằng rơ le.

Khối 4: Khối cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin và có tính năng truy xuất dữ liệu tức thời đến các thiết bị

Khối này phải là một hệ cơ sở dữ liệu có khả năng lưu trữ thông tin được đẩy lên từ khối 2, đồng thời có thể truy xuất dữ liệu ở bất cứ đâu có mạng Internet một cách tức thời, hiệu quả và kinh tế.

Khối 5: Khối phần mềm quản lý

Khối này có nhiệm vụ là một chương trình có thể truy xuất thông tin từ cơ sở dữ liệu mà khối 2 gửi lên, có giao diện để tương tác với người trực, đáp ứng cho người dùng những thông tin về sĩ số học sinh, giáo viên đang dạy, tiết theo phân phối của giáo viên...

Các thiết bị phần cứng và phần mềm sử dụng trong hệ thống:

- Màn hình cảm ứng HMI - Nextion 7 inch: dùng để hiển thị và xử lý thông tin;

- Thẻ học sinh loại RFID, tần số làm việc 125 KHz, kích thước 71x117x31mm, khoảng cách đọc lên tới 6cm, hỗ trợ các loại thẻ EM4305, EM4205, CT5200 hoặc T5577.

- Bo mạch ESP32 là vi mạch có khả năng lưu trữ chương trình và xử lý giống bo mạch Arduino, đặc biệt có chức năng wifi để kết nối dữ liệu với mạng Internet. Tốc độ kết nối mạng theo chuẩn 802.11n up to 150 Mbps, Ram 520 KByte SRAM, điện áp hoạt động 2.2-3.6V. Dùng để kết nối dữ liệu từ lớp học lên Firebase, xuất ra tín hiệu điều khiển chuông ra vào lớp theo thời gian thực trên mạng.

- Module relay kết nối ESP32 điều khiển chuông điện

Sơ đồ điều khiển cho 1 relay và hình ảnh 1 module relay

Khi muốn chuông hoạt động, ESP32 xuất ra điện áp 0V kích tới chân EN của module rơle. Lúc này rơle hoạt động, cuộn dây hút khóa 1 đóng sang 3 để tiếp điểm 2 nối với 1, khi đó chuông sẽ nối với nguồn điện và hoạt động.

- Phần mềm xử lý thông tin trong bo mạch ESP32: nhóm tác giả sử dụng phần mềm Arduino IDE để viết chương trình xử lý thông tin bằng ngôn ngữ C++, sau đó nạp chương trình vào bo mạch ESP32 qua cáp USB để ESP32 thực thi chương trình. Giao diện của Arduino IDE có các vùng sau:

+ Vùng lệnh: lệnh Menu (File, Edit, Sketch, Tools, Help);

+ Vùng viết chương trình: các chương trình nạp cho Arduino được viết ở đây;

+ Vùng thông báo (debug): những thông báo từ IDE được hiển thị ở vùng này.

- Cơ sở dữ liệu của Firebase được google phát triển và miễn phí sử dụng, đây là một dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực hoạt động trên nền tảng đám mây, nhằm giúp các lập trình viên phát triển nhanh các ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu. Firebase tạo ra một cơ sở dữ liệu để truy và xuất dữ liệu, với tính năng Realtime thì Firebase cập nhật thông tin ngay tức thời, thuận tiện cho việc xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu ngay ra các máy tính hoặc điện thoại thông minh kết nối mạng của nhà trường hoặc của phụ huynh học sinh.

- Phần mềm quản lý giờ học tại phòng trực: chương trình được viết bằng ngôn ngữ Visual studio 2019 hay C#, người trực dùng phần mềm này để cập nhật sự thay đổi về các thông tin của giáo viên, học sinh, lưu dữ liệu sau mỗi buổi học.

Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển và quản lý dữ liệu hoàn chỉnh

- Nguồn nuôi cấp điện 5V cho chíp ESP32, relay, màn hình HMI hoạt động.

- Chíp ESP32 kết nối với màn hình HMI truyền nhận thông tin tại lớp, kết nối với mạng Internet thông qua wifi truy cập vào cơ sở dữ liệu để truy xuất thông tin tới một cơ sở dữ liệu của Firebase do nhóm tác giải tạo ra dùng cho việc lưu trữ thông tin về học sinh, thời khóa biểu, giáo viên, giờ ra vào lớp.

Trên mỗi lớp học sẽ được lắp đặt một hệ thống mạch điện tử, bao gồm: màn hình giao tiếp Nextion HMI, chíp ESP32, đầu đọc thẻ từ RFID. Trước khi vào tiết 1, học sinh vào lớp nhấn nút “Học sinh quẹt thẻ” trên mèn hình, rồi dùng thẻ quẹt qua đầu đọc để kiểm diện, sĩ số do học sinh quẹt thẻ sẽ được đẩy lên cơ sở dữ liệu qua ESP32, đồng thời chỗ ngồi của học sinh trong sơ đồ trên màn hình sẽ chuyển từ màu đỏ sang màu xanh.

Sau đó, cứ mỗi đầu tiết học, giáo viên bộ môn vào lớp quẹt thẻ để đăng ký tiết dạy, đồng thời hệ thống yêu cầu giáo viên nhập sĩ số hiện tại của lớp (giáo viên tự kiểm đếm) rồi xác nhận vào hệ thống để hệ thống phát hiện học sinh vắng mặt, thông báo lên phần mềm quản lý và gửi mail cho phụ huynh học sinh.

Hệ thống sẽ tự động tính giờ cho giáo viên biết kết thúc tiết dạy, đồng thời gửi tín hiệu đến chuông thông báo. Nếu giáo viên quên thời khóa biểu mà vào nhầm lớp hoặc không có tiết, thì sau khi quẹt thẻ màn hình sẽ đưa thông báo để giáo viên biết lớp cần đến hoặc không có tiết của giáo viên.

Trong thời gian tới nhóm tác giả sẽ phát triển thêm một số tính năng nữa trong hệ thống cho hoàn chỉnh, như: phương án điều giáo viên dạy thay trên phần mềm khi có giáo viên xin nghỉ đột xuất một cách nhanh nhất, tự động xếp loại và đánh giá giờ học theo dữ liệu thu thập từ giáo viên và học sinh trong giờ học. Kết nối với một cơ sở dữ liệu dạng như Smas do nhóm tự phát triển mà không phải thuê máy chủ lưu trữ, tiết kiệm kinh phí cho nhà trường đem lại hiệu quả thiết thực nhất.

Đức Minh