Hệ thống IoT quan trắc chất lượng không khí

Đồ án hệ thống IoT quan trắc chất lượng không khí - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (2026)

• Tác giả: Lê Nguyễn Nhật Trường
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Ngọc Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Máy tính
• Đề tài: Hệ thống IoT quan trắc chất lượng không khí
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2026
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống IoT quan trắc chất lượng không khí

Ô nhiễm không khí đang là thách thức nghiêm trọng tại các đô thị lớn. Khói bụi giao thông và khí thải công nghiệp suy giảm nghiêm trọng môi trường sống. Phương pháp đo đạc thủ công trước đây bộc lộ nhiều điểm hạn chế. Thiết bị đo truyền thống thường cồng kềnh và đắt đỏ. Thời gian lấy mẫu ngắt quãng khiến dữ liệu thiếu tính liên tục. Mô hình quan trắc dựa trên Internet vạn vật mở ra hướng tiếp cận hoàn toàn mới. Hệ thống IoT kết nối mạng lưới các trạm cảm biến nhỏ gọn. Thiết bị hoạt động tự động tại hiện trường suốt ngày đêm. Các thông số như bụi mịn PM2.5, khí độc CO, nhiệt độ và độ ẩm được ghi nhận theo thời gian thực. Vi điều khiển thu nhận tín hiệu từ cảm biến và truyền về bộ xử lý trung tâm. Dữ liệu sau đó lưu trữ trực tiếp trên nền tảng đám mây. Người quản lý dễ dàng tra cứu thông tin môi trường ở mọi thời điểm. Giải pháp này giúp tiết kiệm tối đa chi phí đầu tư và vận hành. Đồng thời, độ phủ giám sát được mở rộng linh hoạt trên diện tích lớn.

1.1. Vai trò của công nghệ IoT trong quan trắc môi trường

Công nghệ IoT đóng vai trò cốt lõi trong hiện đại hóa hạ tầng giám sát sinh thái. Các cảm biến chuyên dụng thay thế con người đo đạc tại các khu vực nguy hiểm. Hệ thống thiết lập quy trình thu thập dữ liệu khép kín và tự động. Mọi biến động nhỏ về chất lượng không khí đều được ghi nhận ngay lập tức. Khả năng kết nối không dây cho phép triển khai hàng loạt trạm đo độc lập. Dữ liệu từ các điểm đo tập trung về một máy chủ duy nhất. Nhờ đó, việc đánh giá hiện trạng ô nhiễm trở nên khách quan và chính xác hơn. Cơ quan quản lý có thể đưa ra quyết định ứng phó kịp thời dựa trên số liệu thực tế.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đồ án tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung nghiên cứu giải pháp phần cứng và phần mềm hoàn chỉnh. Mục tiêu đề ra là chế tạo trạm đo không khí thông minh chi phí thấp. Thiết bị cần vận hành bền bỉ ngoài trời và tiêu hao ít năng lượng. Nghiên cứu khai thác sức mạnh của vi điều khiển thế hệ mới và giao thức truyền tin tầm xa. Đề tài cũng hoàn thiện hệ thống cơ sở dữ liệu và giao diện giám sát trực quan. Kết quả thực nghiệm hướng đến việc ứng dụng trực tiếp tại các khuôn viên trường học và đô thị. Công trình khẳng định năng lực ứng dụng công nghệ viễn thông vào đời sống thực tiễn.

II. Phân tích thách thức quan trắc ô nhiễm không khí đô thị

Quan trắc không khí đô thị đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp. Hạ tầng đô thị có mật độ nhà cao tầng dày đặc. Sóng vô tuyến thông thường như Wi-Fi hay Bluetooth bị suy giảm nhanh chóng khi gặp vật cản. Phạm vi kết nối ngắn cản trở việc truyền dữ liệu từ các vị trí xa. Ngoài ra, việc duy trì nguồn điện ổn định cho trạm đo là vấn đề nan giải. Các điểm đo thường đặt trên cao hoặc nơi công cộng thiếu nguồn điện lưới trực tiếp. Thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng sẽ nhanh chóng cạn kiệt pin dự phòng. Chi phí bảo trì trạm đo phân tán tạo thêm gánh nặng tài chính. Sự sai lệch của cảm biến theo thời gian cũng ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của phép đo. Bụi bẩn bám dính làm giảm độ nhạy đầu dò khí và hạt bụi. Môi trường nhiệt ẩm khắc nghiệt dễ gây hỏng hóc linh kiện điện tử. Nếu không có thuật toán xử lý và truyền tin tối ưu, dữ liệu thu thập sẽ bị gián đoạn. Việc thiết kế một hệ thống cân bằng giữa tiêu thụ điện, tầm phủ sóng và độ chính xác đòi hỏi sự tính toán kỹ lưỡng.

2.1. Giới hạn của mạng không dây truyền thống Wi Fi và ZigBee

Các công nghệ truyền thông không dây tầm gần bộc lộ nhiều điểm yếu khi ứng dụng diện rộng. Sóng Wi-Fi cung cấp băng thông cao nhưng tiêu hao năng lượng rất lớn. Vùng phủ sóng của bộ phát Wi-Fi chỉ giới hạn trong bán kính vài chục mét. Việc thiết lập mạng Wi-Fi tại các trục đường giao thông ngoài trời gần như bất khả thi. Mạng ZigBee mở rộng khoảng cách bằng cấu trúc lưới nhưng cấu hình phức tạp. Độ trễ mạng tăng lên khi dữ liệu phải truyền qua nhiều nút trung gian. Các nút ZigBee nằm ngoài tầm liên kết dễ gây mất gói tin. Những rào cản này buộc các kỹ sư phải tìm kiếm giao thức truyền thông tầm xa chuyên biệt.

2.2. Vấn đề suy hao năng lượng và độ bền của nút cảm biến

Nút cảm biến lắp đặt phân tán ngoài hiện trường phụ thuộc hoàn toàn vào pin nguồn. Cảm biến nung nhiệt đo khí và quạt hút bụi tiêu thụ dòng điện đáng kể. Nếu thiết bị luôn duy trì trạng thái đo liên tục, nguồn năng lượng sẽ cạn kiệt rất nhanh. Kỹ sư phải áp dụng các chế độ ngủ sâu để bảo toàn dung lượng pin. Bên cạnh đó, thời tiết nhiệt đới ẩm tại Việt Nam tạo thách thức cơ học lớn. Độ ẩm cao và mưa nắng thất thường dễ gây oxy hóa chân linh kiện. Vỏ bọc bảo vệ cần thiết kế chống nước nhưng vẫn đảm bảo lưu thông không khí. Việc cân bằng giữa tản nhiệt, chống ẩm và tiết kiệm điện là bài toán khó.

III. Giải pháp hệ thống IoT quan trắc môi trường dùng LoRa

Đồ án tốt nghiệp đề xuất mô hình phân tầng hiệu quả gồm khối Node cảm biến và khối Gateway trung tâm. Khối Node đặt tại hiện trường sử dụng vi điều khiển ESP32-WROVER kết hợp module LoRa RA-02. Cấu hình này cho phép truyền tín hiệu xa tới hàng cây số với mức công suất cực thấp. Cảm biến đo nồng độ khí CO cùng cảm biến bụi mịn thu thập dữ liệu chu kỳ. Vi điều khiển xử lý tín hiệu tương tự, chuyển đổi thành giá trị số chuẩn xác. Gói tin sau đó được mã hóa và phát sóng vô tuyến LoRa về trạm thu. Khối Gateway đóng vai trò làm cầu nối chuyển tiếp thông minh. Thiết bị tiếp nhận tín hiệu LoRa từ các Node lân cận. Sau khi giải mã và kiểm tra lỗi, Gateway kết nối Wi-Fi để đưa dữ liệu lên máy chủ Firebase. Cơ sở dữ liệu đám mây cập nhật thông số môi trường tức thì. Khi phát hiện chỉ số ô nhiễm vượt ngưỡng an toàn, hệ thống tự động kích hoạt tiến trình gửi thư điện tử cảnh báo. Nhờ kiến trúc phân tán này, mạng lưới đo đạc luôn duy trì sự ổn định, linh hoạt và tiết kiệm chi phí.

3.1. Thiết kế phần cứng vi điều khiển ESP32 và module LoRa

Module ESP32-WROVER là trung tâm điều khiển của khối Node và Gateway. Dòng chip này tích hợp bộ nhớ PSRAM lớn, hỗ trợ xử lý luồng dữ liệu mượt mà. Khả năng tương thích các chuẩn giao tiếp SPI, I2C giúp kết nối cảm biến dễ dàng. Module LoRa RA-02 tích hợp chip Semtech SX1278 sử dụng dải tần 433MHz. Công nghệ điều chế tần số LoRa mang lại khả năng chống nhiễu vượt trội trong môi trường đô thị. Khoảng cách truyền sóng thực tế đạt từ một đến vài kilomet. Mạch điện tử được thiết kế tối ưu hóa diện tích và tích hợp bộ ổn áp nguồn bảo vệ vi mạch.

3.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu Firebase và hệ thống cảnh báo

Nền tảng Firebase Realtime Database được chọn để đồng bộ dữ liệu quan trắc trực tuyến. Gateway đẩy dữ liệu định dạng JSON lên máy chủ thông qua kết nối mạng an toàn. Giao thức truyền tin gọn nhẹ giúp giảm thiểu độ trễ mạng. Trang web quản trị hiển thị biểu đồ biến thiên chất lượng không khí trực quan theo thời gian. Khi phát hiện nồng độ khí độc hoặc bụi mịn vượt quy chuẩn, hệ thống tự động kích hoạt dịch vụ cảnh báo. Thư điện tử khẩn cấp lập tức gửi đến tài khoản phụ trách môi trường. Người dân và người quản lý có thể truy cập hệ thống để chủ động phòng tránh ô nhiễm.

IV. Ứng dụng thực tiễn hệ thống IoT quan trắc không khí HCM

Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi cao của hệ thống trong thực tế đời sống. Mô hình vận hành ổn định trong các điều kiện thời tiết ngoài trời tại TP. Hồ Chí Minh. Các gói tin cảm biến được truyền nhận nguyên vẹn với tỷ lệ mất mát dữ liệu rất thấp. Nền tảng web cho phép theo dõi sát sao chỉ số chất lượng không khí từng giờ. Đây là bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ viễn thông vào đời sống đô thị. Hệ thống có tiềm năng triển khai diện rộng tại các trường học, khu công nghiệp và bệnh viện. Việc nhân rộng các điểm đo tạo nên bản đồ nhiệt về ô nhiễm chi tiết cho từng khu dân cư. Cơ quan quản lý môi trường nhận được nguồn dữ liệu dồi dào để hoạch định chính sách giao thông và xây dựng. Người dân có căn cứ khoa học để lựa chọn lộ trình di chuyển an toàn cho sức khỏe. Đồ án tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các giải pháp thành phố thông minh trong tương lai.

4.1. Hiệu quả triển khai thực tế tại các đô thị thông minh

Hệ thống chứng tỏ tính ứng dụng thực tiễn vượt bậc trong điều kiện đô thị hiện đại. Thiết bị vận hành bền bỉ trước các tác động thời tiết khắc nghiệt. Các trạm đo cung cấp dữ liệu liên tục về bụi mịn và khí thải giao thông tại các ngã tư trọng điểm. Chi phí vận hành thấp tạo điều kiện mở rộng quy mô lắp đặt mà không gây áp lực ngân sách. Dữ liệu tập trung giúp ban quản lý đô thị nhận diện các điểm nóng ô nhiễm theo khung giờ cao điểm. Những cảnh báo tự động gửi qua thư điện tử hỗ trợ lực lượng chức năng can thiệp xử lý kịp thời.

4.2. Hướng phát triển và tích hợp trí tuệ nhân tạo dự đoán

Nghiên cứu mở ra nhiều hướng phát triển tiềm năng trong giai đoạn tiếp theo. Hệ thống có thể tích hợp thêm các cảm biến đo khí độc hại như lưu huỳnh dioxit và ozon. Việc áp dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo giúp phân tích sâu các xu hướng biến động chất lượng không khí. Máy học có khả năng dự đoán nồng độ bụi mịn trước nhiều giờ dựa trên dữ liệu khí tượng. Ngoài ra, việc bổ sung pin năng lượng mặt trời sẽ biến mỗi nút cảm biến thành một trạm quan sát hoàn toàn tự trị. Mạng lưới quan trắc thông minh này sẽ trở thành thành phần quan trọng của hệ sinh thái chuyển đổi số quốc gia.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng dân số, đô thị hóa nhanh chóng cùng với việc mở rộng quy mô các khu công nghiệp đã và đang tạo ra áp lực lớn đối với môi trường sống, đặc biệt là chất lượng không khí. Sự suy giảm chất lượng không khí tác động trực tiếp và tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng, gia tăng tỷ lệ mắc các bệnh lý về hô hấp, tim mạch và nguy cơ tử vong sớm. Tại các đô thị lớn, những đợt ô nhiễm không khí cục bộ xuất hiện ngày càng thường xuyên, đặt ra nhu cầu cấp thiết về việc xây dựng các công cụ đo lường, quản lý và cảnh báo môi trường tự động, liên tục nhằm thay thế các phương thức đo đạc thủ công vốn tốn kém nhân lực, độ trễ cao và thiếu tính tức thời.

Trong bối cảnh công nghệ thông tin phát triển, Internet vạn vật (IoT) kết hợp cùng công nghệ truyền thông không dây tầm xa LoRa đã tạo tiền đề kỹ thuật cho việc xây dựng các trạm quan trắc môi trường thông minh với chi phí thấp và vùng phủ sóng rộng. Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống IoT quan trắc chất lượng không khí" do sinh viên Lê Nguyễn Nhật Trường thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật Máy tính - Viễn thông tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

1. Thiết kế và chế tạo phần cứng khối trạm đo phân tán (NODE) có khả năng thu thập liên tục các chỉ số môi trường gồm nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi mịn (PM2.5, PM10) và khí độc carbon monoxide (CO).
2. Xây dựng khối thu nhận và điều phối trung tâm (GATEWAY) kết nối không dây tầm xa với khối NODE bằng công nghệ LoRa trên dải tần 433 MHz, đảm bảo khả năng truyền dữ liệu tin cậy qua khoảng cách lớn với mức tiêu thụ năng lượng thấp.
3. Thiết lập hạ tầng truyền thông và cơ sở dữ liệu trên nền tảng đám mây Firebase Realtime Database thông qua kết nối Wi-Fi từ trạm GATEWAY.
4. Phát triển giao diện phần mềm giám sát trên nền tảng Website tương thích với máy tính và thiết bị di động, cung cấp khả năng trực quan hóa dữ liệu theo thời gian thực.
5. Hiện thực hóa cơ chế cảnh báo tự động bằng còi báo tại trạm và thông báo qua thư điện tử (email) thông qua dịch vụ EmailJS khi các chỉ số môi trường vượt ngưỡng an toàn quy định.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phần cứng và phần mềm nhúng IoT phục vụ giám sát chất lượng không khí, bao gồm vi điều khiển ESP32-WROVER, các module cảm biến môi trường (SHT31, MQ-7, PMS7003), module vô tuyến LoRa Ra-02, cơ sở dữ liệu đám mây Firebase và giao diện website quản lý. Phạm vi không gian của mô hình hướng đến triển khai tại các hộ gia đình, khu dân cư, phòng kín, nhà xưởng quy mô vừa và nhỏ; phạm vi truyền dẫn không dây giữa NODE và GATEWAY đạt tối đa 5 km trong điều kiện lý tưởng. Báo cáo đồ án được hoàn thiện vào tháng 01 năm 2026.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý luận và công nghệ nền tảng, đồ án xây dựng dựa trên kiến trúc hệ thống IoT tiêu chuẩn gồm 8 thành phần chức năng: tính kết nối và đồng bộ hóa, quản lý thiết bị, cơ sở dữ liệu, quản lý và xử lý hoạt động, phân tích dữ liệu, giao diện hiển thị dữ liệu, công cụ hỗ trợ phát triển, và các giao thức kết nối với hệ thống bên ngoài. Hệ thống ứng dụng các nguyên lý đo lường vật lý và hóa học của linh kiện bán dẫn:

• Nguyên lý cảm biến nhiệt độ - độ ẩm điện dung và mạch tích hợp số của cảm biến SHT31.
• Nguyên lý tán xạ ánh sáng laser quang học của cảm biến PMS7003 để định lượng các hạt bụi lơ lửng trong không khí.
• Nguyên lý biến thiên điện trở của chất bán dẫn oxit kim loại khi tiếp xúc với khí khử CO trên bề mặt cảm biến MQ-7.
• Chuẩn truyền thông vô tuyến trải phổ LoRa (Long Range) điều chế bởi chip vô tuyến Semtech SX1278 trên tần số sóng vô tuyến Sub-1GHz (433 MHz).
• Chuẩn mạng không dây IEEE 802.11 b/g/n, ngăn xếp giao thức mạng TCP/IP, cùng các chuẩn giao tiếp phần cứng nhúng: I2C (Inter-Integrated Circuit), SPI (Serial Peripheral Interface), UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) và ADC (Analog-to-Digital Converter).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả triển khai bao gồm:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và tài liệu: Tổng hợp, phân tích các tài liệu khoa học, bài báo chuyên ngành và tài liệu kỹ thuật (datasheet) từ các nhà sản xuất bán dẫn (Sensirion, Plantower, Ai-Thinker, Espressif Systems).
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng: Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống, xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điện tử (schematic) cho hai khối NODE và GATE, thiết kế mạch in PCB 2D và mô hình không gian 3D.
• Phương pháp xây dựng thuật toán và lập trình hệ thống nhúng: Xây dựng lưu đồ giải thuật đọc cảm biến, định dạng khung dữ liệu truyền LoRa, xử lý phân luồng kết nối mạng Wi-Fi và cập nhật dữ liệu đám mây trên vi điều khiển ESP32.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm thử: Chế tạo mạch thực tế, hàn lắp linh kiện, vận hành thử nghiệm hệ thống trong môi trường thực để thu thập dữ liệu, đánh giá độ ổn định kết nối mạng LoRa và Wi-Fi, kiểm tra chức năng kích hoạt email cảnh báo và hiển thị website.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu gồm dữ liệu thứ cấp từ tài liệu thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của linh kiện và dữ liệu sơ cấp được đo đạc, ghi nhận trực tiếp từ hệ thống cảm biến môi trường truyền về máy chủ Firebase Realtime Database.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được tổ chức theo kiến trúc hai tầng phần cứng phân tán kết nối với hạ tầng điện toán đám mây:

1. Khối trạm đo (NODE): Thành phần trung tâm là vi điều khiển ESP32-WROVER kết nối với ba cụm cảm biến môi trường và một module truyền thông vô tuyến:

   • Cảm biến SHT31 kết nối qua bus I2C (2 chân SDA, SCL), chu kỳ lấy mẫu 2 giây/lần.
   • Cảm biến bụi PMS7003 kết nối qua chuẩn UART (chân TX, RX), sử dụng quạt hút tích hợp và buồng laser để đếm hạt bụi, chu kỳ lấy mẫu 1 giây/lần.
   • Cảm biến khí MQ-7 kết nối qua kênh ADC tương tự 12-bit để đo điện áp biến thiên trên mạch cầu điện trở tương ứng với nồng độ CO (dải đo 20 - 2000 ppm), sử dụng nguồn cấp nhiệt xung nhịp.
   • Module LoRa Ra-02 (chip SX1278) kết nối với ESP32 qua bus ngoại vi SPI tốc độ cao (MISO, MOSI, SCK, NSS) và chân ngắt DIO0 để truyền gói tin môi trường về cổng trung tâm.

2. Khối trạm cổng (GATEWAY): Sử dụng vi điều khiển ESP32-WROVER tích hợp module LoRa Ra-02 để lắng nghe tín hiệu từ NODE. GATEWAY kích hoạt bộ thu Wi-Fi nội vi (chuẩn 802.11 b/g/n) ở chế độ Station (STA) để kết nối vào mạng Internet cục bộ, đồng thời quản lý còi cảnh báo âm thanh tại chỗ.

Thông số / Thiết bị	ESP32-WROVER	SHT31	MQ-7	PMS7003	Module Ra-02 (LoRa)
Chip / Cảm biến chính	Tensilica Xtensa LX6 (2 lõi, 240 MHz)	Cảm biến số Sensirion	Cảm biến bán dẫn bề mặt phẳng	Cảm biến laser quang học	Semtech SX1278
Điện áp hoạt động	3.3V DC (tối đa 3.6V)	2.5V - 5V DC	0.1V - 5V DC	4.5V - 5V DC	1.7V - 3.6V DC
Giao tiếp phần cứng	SPI, I2C, UART, ADC, PWM	I2C	Tín hiệu tương tự (Analog)	UART	SPI (tối đa 10 MHz)
Dải đo / Tần số	Wi-Fi 2.4 GHz, BT 4.2	-40 đến +125°C; 0-100% RH	20 đến 2000 ppm CO	0 đến 500 µg/m³	Băng tần 433 MHz
Độ chính xác / Sai số	12-bit ADC	±0.3°C; ±2% RH	Tỷ lệ R0/Rs ≥ 5	±10 µg/m³ (dải 0-100)	Tầm xa tối đa 5 km
Bộ nhớ / Dòng tiêu thụ	520 KB SRAM, 4 MB PSRAM	1.5 mA (đo), 2 µA (chờ)	Công suất mạch sấy	100 mA hoạt động	Dòng thấp, ngắt DIO0

3. Phần mềm và nền tảng dịch vụ:
   • Firmware: Xây dựng trên môi trường Arduino IDE / ESP-IDF, hiện thực hóa lưu đồ thuật toán đọc dữ liệu tuần tự từ các cảm biến, đóng gói dữ liệu LoRa tại NODE; thuật toán nhận diện gói tin LoRa, phân tách chuỗi, kết nối mạng Wi-Fi và đẩy dữ liệu lên dịch vụ đám mây tại GATEWAY.
   • Cơ sở dữ liệu: Sử dụng Firebase Realtime Database để lưu trữ dữ liệu dạng JSON, phân quyền đọc/ghi bảo mật qua cấu hình Rules.
   • Giao diện người dùng: Website hiển thị các thông số thời gian thực (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO, nồng độ bụi), hiển thị cảnh báo trạng thái mạng khi ESP32 mất kết nối Wi-Fi, hỗ trợ giao diện responsive trên máy tính và điện thoại.
   • Dịch vụ cảnh báo: Tích hợp thư viện EmailJS trên giao diện hệ thống; khi dữ liệu trên Firebase chạm hoặc vượt ngưỡng ô nhiễm định trước, hệ thống tự động biên dịch mẫu thông báo và kích hoạt API gửi email trực tiếp tới hộp thư của người quản trị.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này phác thảo bối cảnh ô nhiễm không khí tại các khu đô thị và khu công nghiệp, nêu rõ sự cần thiết của các hệ thống quan trắc tự động liên tục. Tác giả xác định mục tiêu tổng thể của đồ án là xây dựng hệ thống IoT đo lường các chỉ số nhiệt độ, độ ẩm, CO, bụi mịn (PM2.5, PM10) và tích hợp cảnh báo ô nhiễm. Chương 1 cũng trình bày 6 bước phương pháp nghiên cứu (tìm hiểu tài liệu, tổng hợp lý thuyết, thiết kế mô hình, phân tích công thức/mô phỏng, thực nghiệm hệ thống, đánh giá kết quả) và tóm tắt cấu trúc báo cáo gồm 5 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chi tiết về:

• Quan trắc chất lượng không khí hiện đại và vai trò của IoT trong giám sát môi trường.
• Định nghĩa, kiến trúc 8 thành phần, đặc điểm công nghệ và các ứng dụng điển hình của IoT trong thực tế đời sống.
• Nguyên lý hoạt động của công nghệ vô tuyến tầm xa LoRa trên băng tần không cấp phép.
• Đặc tính kỹ thuật, sơ đồ chân và phân tích ưu - nhược điểm của các thiết bị phần cứng cốt lõi: vi điều khiển ESP32-WROVER (tích hợp 4 MB PSRAM, Wi-Fi, Bluetooth), cảm biến SHT31, cảm biến khí CO MQ-7, cảm biến bụi tán xạ laser PMS7003 và module LoRa Ra-02 sử dụng chip Semtech SX1278.

Chương 3: Thiết kế và thi công

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế và chế tạo sản phẩm kỹ thuật:

• Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống với hai thành phần trung tâm là NODE và GATEWAY.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử và layout mạch in PCB cho cả bo mạch GATE và bo mạch NODE.
• Dựng mô hình thiết kế PCB 3D và hiện thực hóa quá trình lắp ráp, thi công phần cứng hoàn chỉnh.
• Thiết kế phần mềm hệ thống: xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể, lập trình thu nhận tín hiệu từ các bus ngoại vi, cấu hình kết nối không dây LoRa, truyền thông Wi-Fi, lưu trữ đám mây Firebase và tích hợp giao thức gửi thư cảnh báo qua EmailJS.

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương 4 ghi nhận và minh chứng kết quả vận hành thực tế của mô hình:

• Trình bày kết quả lưu trữ dữ liệu môi trường dạng chuỗi thời gian thực tế trên cơ sở dữ liệu Firebase.
• Minh họa giao diện website giám sát ở các trạng thái: trang đăng nhập, giao diện trang chính khi trạm GATE kết nối Wi-Fi thành công, giao diện thông báo trạng thái khi mất kết nối Wi-Fi, và giao diện website hiển thị trên thiết bị di động.
• Thử nghiệm chức năng cảnh báo: ghi nhận sự kiện website tự động kích hoạt gửi email cảnh báo thông qua dịch vụ EmailJS và hình ảnh email cảnh báo được chuyển giao thành công đến hộp thư người dùng.
• Thực hiện đánh giá chức năng phần cứng, mức độ phản hồi của cảm biến và sự ổn định vận hành của hệ thống thông qua bảng kiểm nghiệm thực nghiệm.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Chương cuối cùng tổng kết các nhiệm vụ kỹ thuật đã hoàn thành, chỉ ra những điểm còn hạn chế của sản phẩm thực nghiệm và đề xuất các phương hướng nghiên cứu, cải tiến mô hình trong giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Hệ thống đã được chế tạo và kiểm nghiệm vận hành thực tế với các kết quả cụ thể:

• Chế tạo thành công 02 khối phần cứng chuyên dụng (NODE và GATE) sử dụng vi điều khiển ESP32-WROVER và module truyền thông LoRa Ra-02 hoạt động ở tần số 433 MHz, đảm bảo truyền dữ liệu ổn định dạng điểm-điểm.
• Tích hợp và vận hành đồng bộ các cảm biến: SHT31 đo nhiệt độ (sai số ±0.3°C) và độ ẩm (sai số ±2% RH); MQ-7 phát hiện nồng độ khí CO trong dải 20 - 2000 ppm; PMS7003 đo nồng độ bụi mịn PM1.0, PM2.5, PM10 trong phạm vi 0 - 500 µg/m³ với độ chính xác ±10 µg/m³ ở dải nồng độ thấp.
• Xây dựng thành công kênh đồng bộ dữ liệu tự động giữa GATEWAY và cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database qua mạng Wi-Fi 802.11 b/g/n.
• Thiết kế giao diện web responsive, hỗ trợ người dùng theo dõi các chỉ số môi trường theo thời gian thực trên cả máy tính lẫn điện thoại thông minh, hiển thị cảnh báo ngắt kết nối khi thiết bị mất sóng Wi-Fi.
• Kích hoạt thành công cơ chế cảnh báo kép: còi báo động tại chỗ và gửi thư điện tử tự động qua nền tảng EmailJS khi nồng độ bụi hoặc khí độc vượt ngưỡng quy định.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc xây dựng một giải pháp phần cứng mở, kết hợp linh hoạt giữa mạng không dây tầm xa công suất thấp LoRa và nền tảng điện toán đám mây Firebase. Mô hình có chi phí sản xuất thấp, thiết kế nhỏ gọn, dễ chế tạo và lắp đặt, phù hợp cho việc ứng dụng giám sát chất lượng không khí tại các hộ dân, xưởng sản xuất nhỏ, hoặc phục vụ nghiên cứu và giảng dạy chuyên ngành Kỹ thuật Máy tính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích và đánh giá từ văn bản đồ án, hệ thống còn tồn tại các hạn chế kỹ thuật:

• Module truyền thông LoRa Ra-02 có tốc độ truyền dữ liệu thấp và khả năng truyền sóng suy giảm khi hoạt động trong môi trường có nhiều vật cản dày đặc.
• Vi điều khiển ESP32-WROVER có mức tiêu thụ năng lượng tương đối cao, đặc biệt khi duy trì kích hoạt bộ nhớ mở rộng PSRAM và xử lý tác vụ mạng liên tục, gây hạn chế cho các kịch bản cấp nguồn độc lập bằng pin dài ngày.
• Cảm biến khí MQ-7 đòi hỏi quy trình cấp nhiệt (heater) xung nhịp để làm nóng bề mặt bán dẫn, đồng thời độ nhạy của cảm biến chịu ảnh hưởng đáng kể bởi sự thay đổi của nhiệt độ và độ ẩm môi trường.
• Kích thước module ESP32-WROVER lớn hơn các phiên bản DevKit thông thường, làm tăng kích thước bao của bo mạch.
• Mục tiêu ban đầu có đề cập đến việc tích hợp các dữ liệu sinh trắc học liên quan đến hô hấp nhưng trong nội dung thiết kế và kết quả phần cứng chưa ghi nhận việc gắn thêm module cảm biến sinh trắc học thực tế trên cơ thể người.

Các hướng phát triển tiếp theo được tác giả định hướng:

• Tối ưu hóa thuật toán quản lý năng lượng cho khối NODE, khai thác chế độ ngủ sâu (Deep-sleep) của ESP32 và tích hợp nguồn năng lượng tái tạo (pin mặt trời).
• Nâng cấp mạng LoRa điểm-điểm lên mô hình mạng LoRaWAN hoặc mạng hình sao đa điểm (multi-node) để giám sát trên diện tích rộng lớn với nhiều trạm NODE phân tán.
• Mở rộng thêm các module cảm biến khí độc hại khác như CO2, SO2, NO2 để đánh giá toàn diện chỉ số chất lượng không khí (AQI).
• Phát triển ứng dụng di động chuyên biệt (mobile app) trên các hệ điều hành iOS và Android thay vì chỉ sử dụng giao diện web.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Hệ thống Nhúng, Kỹ thuật IoT và Công nghệ Môi trường. Tài liệu cung cấp giá trị ứng dụng cụ thể ở các phần:

• Kỹ thuật tích hợp đồng thời nhiều chuẩn giao tiếp ngoại vi khác nhau (I2C, SPI, UART, ADC) trên một vi điều khiển ESP32-WROVER.
• Thiết kế mạch in PCB cho các hệ thống nhúng giao tiếp vô tuyến và quy trình bố trí chân vi điều khiển, tụ lọc và bus truyền thông.
• Phương pháp xây dựng hệ thống IoT hoàn chỉnh từ tầng thiết bị phần cứng, tầng truyền thông trung gian (LoRa), tầng dịch vụ đám mây (Firebase Realtime Database) đến tầng giao diện web và dịch vụ webhook gửi email (EmailJS).

Câu hỏi thường gặp

1. Khối trạm đo NODE giao tiếp với khối trạm trung tâm GATEWAY bằng công nghệ nào và có cự ly truyền tối đa bao nhiêu?
Hai khối giao tiếp với nhau bằng công nghệ truyền thông không dây LoRa (Long Range) thông qua module Ra-02 tích hợp chip Semtech SX1278 trên băng tần 433 MHz. Cự ly truyền dẫn tối đa theo thiết kế đạt 5 km trong điều kiện môi trường lý tưởng.

2. Các chỉ số môi trường nào được hệ thống thu thập và bởi những cảm biến cụ thể nào?
Hệ thống thu thập 4 nhóm chỉ số: nhiệt độ và độ ẩm không khí (cảm biến số SHT31 qua giao tiếp I2C); nồng độ khí carbon monoxide - CO (cảm biến bán dẫn MQ-7 qua ngõ đọc tương tự ADC); và nồng độ bụi mịn PM1.0, PM2.5, PM10 (cảm biến quang học laser PMS7003 qua giao tiếp UART).

3. Vì sao hệ thống lựa chọn vi điều khiển ESP32-WROVER thay vì các vi điều khiển thông thường?
ESP32-WROVER sở hữu vi xử lý lõi kép Tensilica Xtensa LX6 tốc độ 240 MHz, tích hợp sẵn Wi-Fi 802.11 b/g/n và Bluetooth 4.2, đặc biệt được trang bị bộ nhớ ngoài PSRAM dung lượng 4 MB giúp mở rộng bộ đệm lưu trữ và xử lý dữ liệu ổn định, hỗ trợ đa dạng các giao tiếp phần cứng (I2C, SPI, UART, ADC).

4. Dữ liệu sau khi thu thập được quản lý và cảnh báo cho người dùng bằng cách nào?
Dữ liệu từ trạm GATEWAY được gửi lên cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database qua mạng Wi-Fi và hiển thị trực quan trên giao diện Website. Khi các chỉ số môi trường vượt ngưỡng an toàn, hệ thống kích hoạt còi cảnh báo tại chỗ và thông qua thư viện EmailJS tự động gửi email thông báo trực tiếp đến người dùng.

5. Điểm hạn chế chính của module cảm biến khí MQ-7 trong đề tài là gì?
Cảm biến MQ-7 hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở lớp bán dẫn oxit kim loại khi nung nóng, đòi hỏi chu kỳ cấp nhiệt xen kẽ (VH) và giá trị điện trở nhạy khí Rs bị ảnh hưởng bởi sự dao động của nhiệt độ và độ ẩm môi trường, đòi hỏi kỹ thuật hiệu chuẩn phức tạp để duy trì độ chính xác lâu dài.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống IoT quan trắc chất lượng không khí" của sinh viên Lê Nguyễn Nhật Trường đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình giám sát môi trường tự động kết hợp giữa vi điều khiển ESP32-WROVER, cụm cảm biến môi trường (SHT31, MQ-7, PMS7003) và truyền thông vô tuyến tầm xa LoRa 433 MHz. Toàn bộ chu trình từ thu thập dữ liệu tại trạm đo phân tán, chuyển tiếp qua trạm trung tâm, đồng bộ lên máy chủ đám mây Firebase đến trực quan hóa trên website và kích hoạt email cảnh báo đều đã vận hành ổn định trên thực tế. Mặc dù còn một số hạn chế về mức tiêu thụ năng lượng và sự phụ thuộc môi trường của cảm biến khí, công trình đã đề xuất một giải pháp kỹ thuật khả thi, chi phí thấp, có giá trị ứng dụng thực tiễn trong công tác theo dõi chất lượng không khí tại các khu dân cư và cơ sở sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu – Trình bày tổng quan đề tài, mục tiêu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết – Giới thiệu các kiến thức nền tảng phục vụ cho việc thiết kế và triển khai hệ thống. Chương 3: Thiết kế và thi công – Trình bày quá trình thiết kế, xây dựng phần cứng, phần mềm và nguyên lý hoạt động của hệ thống. Chương 4: Kết quả thực hiện – Trình bày và đánh giá các kết quả đạt được sau khi triển khai hệ thống.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển – Tổng kết nội dung đề tài, nêu ưu nhược điểm và đề xuất hướng phát triển trong tương lai.1 Tổng quan quan trắc học không khí Quan trắc chất lượng không khí hiện nay đang là vấn đề được xã hội quan tâm, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa nhanh và ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. Trên thực tế, khi quy mô khu dân cư, khu công nghiệp và các đô thị ngày càng mở rộng thì công tác giám sát và kiểm soát chất lượng không khí trở nên khó khăn hơn. Do đó, để khắc phục những hạn chế của các phương pháp đo thủ công truyền thống, việc xây dựng hệ thống quan trắc không khí hiện đại là xu hướng tất yếu hiện nay [2]. Các hệ thống quan trắc chất lượng không khí hiện đại ứng dụng nhiều công nghệ tiên tiến, cho phép tự động thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu môi trường một cách liên tục và chính xác.

Hệ thống có khả năng theo dõi các thông số quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi mịn, các khí độc hại và một số chỉ số liên quan đến sinh trắc học, từ đó hỗ trợ đánh giá mức độ ảnh hưởng của không khí đến sức khỏe con người. Việc ứng dụng công nghệ Internet vạn vật (IoT) trong quan trắc không khí giúp kết nối các cảm biến môi trường với hệ thống giám sát trung tâm, cho phép theo dõi dữ liệu theo thời gian thực và truy cập từ xa thông qua nền tảng web hoặc ứng dụng di động. Phần mềm quản lý đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu, đồng thời hỗ trợ cảnh báo khi các chỉ số vượt quá ngưỡng an toàn. Hiện nay, nhiều quốc gia và tổ chức đã triển khai các hệ thống quan trắc không khí thông minh nhằm phục vụ công tác quản lý môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Việc quản lý dựa trên dữ liệu thu thập được giúp giảm sự phụ thuộc vào nhân lực, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả trong công tác giám sát chất lượng không khí.2 Sơ lược về IoT 2.1 Giới thiệu về IoT Hình 2.1 Giới thiệu Internet of Things Internet vạn vật (IoT) là khái niệm mô tả việc mở rộng khả năng kết nối của Internet đến các thiết bị vật lý, cho phép chúng thu thập, trao đổi và xử lý dữ liệu mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người. Nhờ sự kết hợp giữa cảm biến và bộ điều khiển, các thiết bị trong đời sống hằng ngày có thể hoạt động tự động và tương tác hiệu quả trong môi trường mạng. IoT được đánh giá là một trong những công nghệ có tiềm năng ứng dụng rộng rãi và tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong tương lai [3]. Những lợi ích nổi bật của IoT bao gồm:  Tự động hóa và đồng bộ hệ thống: IoT giúp các thiết bị kết nối và phối hợp hoạt động với nhau một cách tự động, giảm sự can thiệp thủ công và tiết kiệm thời gian cho người sử dụng.

Người dùng có thể điều khiển các thiết bị trong gia đình như đèn chiếu sáng, quạt hay máy lạnh từ xa thông qua điện thoại thông minh. 5  Giám sát và điều khiển từ xa: Công nghệ IoT cho phép theo dõi và điều khiển các thiết bị mọi lúc, mọi nơi thông qua kết nối Internet với độ trễ thấp. Người dùng có thể kiểm tra trạng thái của các cảm biến, hệ thống an ninh và thực hiện điều chỉnh khi cần thiết.  Tiết kiệm và tối ưu năng lượng: Nhờ khả năng thu thập và phân tích dữ liệu, các hệ thống IoT có thể tự động điều chỉnh chế độ hoạt động của thiết bị nhằm giảm tiêu thụ năng lượng, ví dụ như điều chỉnh nhiệt độ trong nhà một cách hợp lý.

 Nâng cao an ninh và an toàn: IoT hỗ trợ giám sát an ninh thông qua camera, cảm biến và các hệ thống cảnh báo. Khi phát hiện sự cố như cháy hoặc xâm nhập trái phép, hệ thống có thể gửi thông báo kịp thời đến người dùng để xử lý.  Cải thiện chất lượng cuộc sống: Các ứng dụng IoT được triển khai trong nhiều lĩnh vực như nhà thông minh, y tế, giao thông và nông nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và mang lại nhiều tiện ích cho con người. Một số đặc điểm công nghệ tiêu biểu của hệ thống IoT gồm:  Khả năng kết nối: Các thiết bị trong hệ thống IoT có thể liên kết và trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng Internet, tạo thành một hệ thống liên thông.

 Tính tự động và linh hoạt: Hệ thống có khả năng hoạt động tự động dựa trên dữ liệu thu thập được, đồng thời dễ dàng điều chỉnh theo điều kiện môi trường.  Khả năng mở rộng: IoT cho phép bổ sung hoặc tích hợp thêm các thiết bị và ứng dụng mới một cách thuận tiện, đáp ứng nhu cầu phát triển trong tương lai.  Trao đổi và xử lý dữ liệu: Dữ liệu được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, sau đó được xử lý để hỗ trợ việc đưa ra quyết định phù hợp.  Bảo mật và quyền riêng tư: Các giải pháp IoT thường áp dụng các cơ chế bảo mật nhằm bảo vệ dữ liệu và thông tin người dùng trong quá trình truyền tải.

 Đa nền tảng và phân tán: Hệ thống IoT có thể hoạt động trên nhiều nền tảng khác nhau như thiết bị di động, máy tính, hệ thống nhúng và các dịch vụ đám mây.2 Cấu trúc của hệ thống IoT Hình 2.2 Thành phần hệ thống IoT Để hoàn thành quy trình trên và tạo thành một mạng lưới hoàn chỉnh, cấu trúc của một hệ thống IoT thường gồm 8 thành phần cơ bản [4], bổ trợ lẫn nhau. Cụ thể, các thành phần hệ thống IoT gồm có:  Tính kết nối và đồng bộ hóa: Hệ thống IoT cung cấp khả năng tích hợp các giao thức và định dạng dữ liệu đa dạng vào một nền tảng phần mềm thống nhất, đảm bảo dữ liệu được truyền tải chính xác và đồng bộ trong toàn bộ hệ thống.  Quản lý thiết bị: Đảm bảo các thiết bị kết nối và hoạt động ổn định, hỗ trợ cập nhật phần mềm, vá lỗi và quản lý các ứng dụng đang chạy trên thiết bị và gateway.  Cơ sở dữ liệu: Thành phần trung tâm dùng để lưu trữ và quản lý dữ liệu của toàn bộ hệ thống.

 Quản lý và xử lý hoạt động: Thu thập dữ liệu từ cảm biến và xử lý để hệ thống có thể tự động thực hiện các chức năng một cách hiệu quả.  Phân tích dữ liệu: Đóng vai trò xử lý và phân tích thông tin, hỗ trợ đánh giá tình trạng hệ thống và đưa ra quyết định phù hợp. 7  Giao diện hiển thị dữ liệu: Cung cấp bảng điều khiển trực quan giúp người dùng theo dõi dữ liệu thông qua biểu đồ và các hình thức minh họa.  Công cụ hỗ trợ phát triển: Cho phép thử nghiệm, mô phỏng và kiểm tra hệ thống trước khi triển khai thực tế, hỗ trợ việc quản lý và điều khiển thiết bị.

 Giao thức kết nối với hệ thống bên ngoài: Hỗ trợ tích hợp với các hệ thống và dịch vụ của bên thứ ba thông qua API, SDK hoặc các nền tảng công nghệ thông tin khác.3 Ứng dụng của IoT  Tiện ích thông minh: Công nghệ IoT cho phép tất cả các thiết bị như cảm biến, camera, công tắc bật tắt từ xa, bộ điều khiển trung tâm phục vụ xử lí được kết nối với nhau qua mạng internet hoặc mạng cục bộ để người dùng giám sát điều khiển từ xa.  Nhúng di động: Các thiết bị nhúng vô cùng nhỏ gọn được tích hợp IoT có mặt khắp mọi nơi, là những mắt xích liên kết vạn vật.  Kiểm soát năng lượng: IoT hỗ trợ giám sát và điều chỉnh mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị như điều hòa, hệ thống chiếu sáng và đồ dùng gia đình thông qua điện thoại thông minh, từ đó giúp sử dụng năng lượng hiệu quả hơn và giảm chi phí vận hành.  Giám sát và bảo mật: hệ thống camera, khoá, cảm biến kết nối với nhau và điều khiển cục bộ qua thiết bị chuyên dụng.

 Theo dõi và điều khiển từ xa: IoT tích hợp trong các bộ định vị xe, vòng đeo thú cưng, móc khoá cá nhân, thiết bị đeo giám sát trẻ nhỏ,. giúp mọi thứ kết nối với nhau tốt hơn.  Chuỗi cung ứng thông minh: Hệ thống nhúng IoT phục vụ cho các chuỗi bán lẻ tự động và đem đến sự kết nối thông tin trong quá trình cung ứng, vận chuyển, kho bãi, giao nhận hàng,… 8  Y tế thông minh từ xa: IoT hỗ trợ các giải pháp như thiết bị đeo, ứng dụng theo dõi sức khỏe và hệ thống quản lý dữ liệu, cho phép cung cấp dịch vụ y tế và giám sát sức khỏe từ xa thông qua Internet.  Nông nghiệp thông minh: Ứng dụng IoT trong nông nghiệp giúp theo dõi môi trường canh tác, tối ưu việc sử dụng tài nguyên và nâng cao hiệu quả sản xuất.

 Thành phố thông minh: IoT đóng vai trò nền tảng trong việc triển khai các giải pháp quản lý đô thị, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và chất lượng cuộc sống.  Quản lí dịch vụ công: Các dịch vụ công như khai báo thủ tục hành chính, thuế, đơn từ khiếu nại, đóng tiền điện nước,… có thể được theo dõi và thực hiện nhanh gọn thuận tiện trên các ứng dụng tích hợp IoT của cơ quan hành chính địa phương.  Mạng công nghiệp: IoT là nền tảng để kết nối các phần cứng công nghiệp hoạt động đồng bộ trên các dây chuyền sản xuất. Tóm lại, Internet vạn vật có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống, được triển khai trên nhiều lĩnh vực khác nhau và phục vụ đa dạng đối tượng từ cá nhân, doanh nghiệp đến các tổ chức và cơ quan quản lý.3 IoT trong thực tế 9 2.