Đồ án giám sát vết nứt địa chất và cảnh báo sạt lở qua LoRa - ĐHBK Hà Nội

Tổng quan đồ án thiết kế hệ thống giám sát vết nứt địa chất và cảnh báo sạt lở sử dụng công nghệ không dây. Giải pháp quan trắc địa kỹ thuật thông minh và an

• Tác giả: Nguyễn Đình Giỏi
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Mạnh Cường
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát vết nứt địa chất và cảnh báo sạt lở sử dụng công nghệ không dây
• Loại tài liệu: Đồ án thiết kế
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát vết nứt địa chất

Hệ thống giám sát vết nứt địa chất kết hợp công nghệ không dây là giải pháp tiên tiến nhằm theo dõi sự dịch chuyển bề mặt Trái Đất, đặc biệt hữu ích trong cảnh báo sạt lở đất. Hệ thống sử dụng cảm biến đo độ giãn nở (strain gauge) để phát hiện vết nứt, sau đó truyền dữ liệu qua mạng LoRaWAN đến trung tâm xử lý. Ưu điểm nổi bật gồm độ chính xác cao, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng phủ sóng rộng. Mục tiêu chính là cung cấp cảnh báo sớm cho cộng đồng dân cư sinh sống tại vùng nguy hiểm, giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Hệ thống hoạt động liên tục 24/7, tích hợp tính năng cảnh báo bằng âm thanh, ánh sáng khi phát hiện nguy cơ sạt lở.

1.1. Vai trò của công nghệ không dây trong giám sát địa chất

Công nghệ không dây đóng vai trò nền tảng trong hệ thống giám sát vết nứt nhờ khả năng truyền dữ liệu xa không cần hạ tầng dây dẫn. LoRaWAN, một giao thức LPWAN tiêu chuẩn hóa, cho phép truyền dữ liệu lên đến 15km trong điều kiện lý tưởng với mức tiêu thụ năng lượng thấp (dưới 100mW). Đặc biệt, công nghệ này hoạt động hiệu quả trong môi trường đồi núi, nơi hạ tầng mạng truyền thống khó triển khai. Bên cạnh đó, các module cảm biến không dây có thể hoạt động bằng pin mặt trời, đảm bảo hoạt động liên tục trong điều kiện khắc nghiệt. Việc loại bỏ dây dẫn cũng giảm thiểu chi phí lắp đặt và bảo trì.

1.2. Ứng dụng trong cảnh báo sạt lở đất

Sạt lở đất là hiện tượng nguy hiểm gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản, đặc biệt tại các vùng núi cao. Hệ thống giám sát vết nứt địa chất giúp phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường như sự dịch chuyển đất đá, thay đổi độ ẩm đất thông qua cảm biến. Dữ liệu thu thập được phân tích bằng thuật toán học máy để dự đoán nguy cơ sạt lở. Khi phát hiện nguy cơ, hệ thống kích hoạt cảnh báo tức thời qua loa, đèn hoặc tin nhắn SMS tới người dân. Tại Việt Nam, các tỉnh miền núi như Lào Cai, Yên Bái đã ứng dụng thành công các hệ thống tương tự, giảm thiểu 30% thiệt hại so với phương pháp truyền thống.

II. Phân tích vấn đề sạt lở đất và thách thức giám sát

Sạt lở đất là hiện tượng địa chất phức tạp, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như mưa lớn, địa hình dốc, sự suy yếu của lớp đất đá. Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường, Việt Nam ghi nhận hơn 200 trận sạt lở mỗi năm, gây thiệt hại trung bình 1.000 tỷ đồng. Việc giám sát thủ công bằng mắt thường không thể theo dõi liên tục 24/7, dẫn đến nguy cơ cảnh báo chậm. Hơn nữa, các phương pháp truyền thống như đo đạc bằng máy toàn đạc điện tử tốn nhiều nhân lực và thời gian. Thách thức lớn nhất là thiếu hệ thống cảnh báo sớm tự động, tích hợp đa cảm biến và khả năng truyền dữ liệu ổn định trong điều kiện khắc nghiệt. Ngoài ra, chi phí đầu tư ban đầu cao cũng là rào cản đối với các địa phương khó khăn.

2.1. Nguyên nhân chính gây sạt lở đất tại Việt Nam

Tại Việt Nam, sạt lở đất chủ yếu do ba nguyên nhân chính: yếu tố địa chất (đất đá yếu, đứt gãy), yếu tố khí hậu (mưa lớn kéo dài, bão) và yếu tố con người (khai thác khoáng sản, phá rừng). Theo nghiên cứu của Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản, 70% sạt lở xảy ra trong mùa mưa (tháng 5-10), đặc biệt tại các tỉnh miền núi phía Bắc. Địa hình đồi núi dốc (>25 độ) cũng làm tăng nguy cơ trượt đất. Bên cạnh đó, hoạt động xây dựng trái phép, khai thác đá và phá rừng đã phá vỡ cấu trúc đất, tạo điều kiện thuận lợi cho sạt lở. Việc thiếu quy hoạch sử dụng đất hợp lý càng làm gia tăng rủi ro.

2.2. Hạn chế của phương pháp giám sát truyền thống

Phương pháp giám sát truyền thống như quan sát bằng mắt thường, sử dụng máy toàn đạc điện tử hoặc thiết bị đo rung động thủ công đều có những hạn chế nghiêm trọng. Thứ nhất, chúng không cung cấp dữ liệu liên tục, dẫn đến nguy cơ bỏ sót các dấu hiệu cảnh báo sớm. Thứ hai, chi phí nhân công cao do yêu cầu nhân viên thường xuyên kiểm tra thực địa. Thứ ba, dữ liệu thu thập được thường thiếu tính hệ thống, khó phân tích xu hướng dài hạn. Ngoài ra, các thiết bị truyền thống không tích hợp khả năng cảnh báo tự động, khiến người dân không nhận được thông tin kịp thời. Cuối cùng, chúng không tương thích với môi trường đồi núi hiểm trở, nơi hạ tầng giao thông hạn chế.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống giám sát vết nứt địa chất

Hệ thống giám sát vết nứt địa chất sử dụng công nghệ không dây được thiết kế dựa trên ba thành phần chính: cảm biến đo độ giãn nở, bộ vi điều khiển xử lý dữ liệu và module truyền thông LoRaWAN. Cảm biến (strain gauge) phát hiện sự thay đổi nhỏ nhất trong cấu trúc đất đá, sau đó truyền dữ liệu qua module LoRa SX1278 đến gateway. Gateway, sử dụng module E32-400M30S, tiếp nhận và chuyển tiếp dữ liệu đến máy chủ trung tâm qua mạng Internet. Hệ thống được trang bị pin mặt trời để đảm bảo hoạt động liên tục, với tuổi thọ pin lên đến 5 năm. Phần mềm giám sát hiển thị dữ liệu thời gian thực, phân tích xu hướng và kích hoạt cảnh báo khi phát hiện nguy cơ. Giải pháp này đã được thử nghiệm thành công tại phòng thí nghiệm LIDP, đạt độ chính xác 95% trong việc phát hiện vết nứt.

3.1. Cấu hình mạng LoRaWAN trong hệ thống

Mạng LoRaWAN trong hệ thống giám sát gồm năm thành phần chính: thiết bị đầu cuối (end devices), gateway, máy chủ mạng (network server), máy chủ ứng dụng (application server) và máy chủ kết nối (join server). Thiết bị đầu cuối sử dụng cảm biến đo độ giãn nở kết nối với module LoRa SX1278, truyền dữ liệu lên đến 15km. Gateway nhận dữ liệu từ nhiều thiết bị đầu cuối, sau đó chuyển tiếp đến network server qua giao thức TCP/IP. Network server quản lý kết nối, mã hóa dữ liệu AES-128 bit và điều chỉnh tốc độ truyền. Application server xử lý dữ liệu cảm biến, phân tích nguy cơ sạt lở bằng thuật toán học máy. Join server quản lý đăng ký thiết bị mới vào mạng.

3.2. Lựa chọn cảm biến và module truyền thông

Cảm biến đo độ giãn nở (strain gauge) được chọn do khả năng phát hiện các thay đổi nhỏ trong cấu trúc đất đá, với độ phân giải 0,1mm. Module truyền thông LoRa SX1278 hoạt động ở băng tần 433MHz/868MHz/915MHz, hỗ trợ tốc độ truyền lên đến 300kbps. Gateway sử dụng module E32-400M30S tương thích, đảm bảo nhận dữ liệu từ cảm biến. Vi điều khiển ESP32 được lựa chọn do tích hợp sẵn Wi-Fi, Bluetooth và khả năng xử lý dữ liệu mạnh mẽ. Nguồn điện sử dụng pin lithium-ion 18650, kết hợp tấm pin mặt trời 5W để sạc liên tục. Hệ thống tiêu thụ trung bình 120mA, đảm bảo hoạt động 7 ngày liên tục khi không có ánh sáng mặt trời.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng thực tế

Hệ thống giám sát vết nứt địa chất sử dụng công nghệ không dây là giải pháp hiệu quả nhằm cảnh báo sạt lở đất, giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định với độ chính xác 95% trong việc phát hiện vết nứt, thời gian cảnh báo sớm trung bình 6-12 giờ trước khi xảy ra sạt lở. Ưu điểm nổi bật gồm chi phí thấp, dễ triển khai, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng phủ sóng rộng. Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn hạn chế như phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (mưa lớn ảnh hưởng đến truyền tín hiệu) và chi phí đầu tư ban đầu. Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp thêm cảm biến độ ẩm, nhiệt độ và camera giám sát để nâng cao độ chính xác. Việc ứng dụng rộng rãi tại các tỉnh miền núi sẽ góp phần quan trọng trong công tác phòng chống thiên tai.

4.1. Đánh giá hiệu quả sau thử nghiệm

Sau quá trình thử nghiệm tại phòng thí nghiệm LIDP, hệ thống đã chứng minh khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện mô phỏng sạt lở. Độ chính xác phát hiện vết nứt đạt 95%, với sai số đo độ giãn nở dưới 0,5mm. Thời gian cảnh báo sớm trung bình 6-12 giờ trước khi xảy ra sạt lở, đủ để người dân sơ tán. Hệ thống tiêu thụ năng lượng thấp (120mA), đảm bảo hoạt động liên tục 7 ngày trong điều kiện không có ánh sáng mặt trời. Chi phí sản xuất ước tính 5-7 triệu đồng/đơn vị, thấp hơn 30% so với các giải pháp thương mại. Tuy nhiên, hệ thống vẫn gặp hạn chế trong điều kiện mưa lớn, do sóng LoRa bị suy hao bởi nước mưa.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, hệ thống có thể được nâng cấp bằng cách tích hợp thêm cảm biến độ ẩm đất, nhiệt độ không khí và camera giám sát. Thuật toán phân tích dữ liệu sẽ sử dụng học máy (machine learning) để dự đoán nguy cơ sạt lở với độ chính xác cao hơn. Ngoài ra, việc triển khai mạng lưới cảm biến đa tầng (hierarchical) sẽ cải thiện độ phủ sóng trong địa hình phức tạp. Hệ thống cũng có thể kết nối với trung tâm điều hành quốc gia (như Ban chỉ đạo Phòng chống thiên tai) để cung cấp dữ liệu thời gian thực. Việc hợp tác với các viện nghiên cứu, trường đại học sẽ đẩy nhanh quá trình thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang làm gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan. Tại Việt Nam, cơn bão Yagi đổ bộ vào đầu tháng 9 năm 2024 đã gây ra những đợt mưa lớn kéo dài, dẫn đến lũ lụt, lũ quét và sạt lở đất nghiêm trọng tại các tỉnh miền núi phía Đông Bắc, gây tổn thất lớn về tính mạng và tài sản của người dân. Bên cạnh yếu tố mưa bão, tình trạng phá rừng và hiện tượng đồi núi trọc tại các vùng cao cũng là nguyên nhân trực tiếp làm mất ổn định địa tầng.

Trong thực tế, trước khi hiện tượng sạt lở và lũ quét quy mô lớn xảy ra, trên bề mặt sườn núi thường xuất hiện các vết nứt, khe rãnh địa chất. Dưới tác động của nước mưa ngấm lâu ngày, các khe nứt này giãn nở và dịch chuyển dần theo thời gian. Do mức độ dịch chuyển ban đầu rất nhỏ nên việc quan sát bằng mắt thường hoặc theo dõi thủ công là khó thực hiện. Việc ứng dụng công nghệ đo lường có độ phân giải cao kết hợp truyền thông không dây để theo dõi sự biến đổi của các vết nứt từ xa là yêu cầu cấp thiết nhằm phát hiện sớm nguy cơ sạt lở và phục vụ công tác phòng tránh thiên tai.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm ba nhiệm vụ cụ thể:

1. Thiết kế thiết bị đo độ giãn nở của khe nứt địa chất, hỗ trợ con người giám sát sự thay đổi kích thước vết nứt và truyền dữ liệu không dây về trạm giám sát.
2. Thiết lập kênh truyền dữ liệu vô tuyến từ thiết bị đo (node cảm biến) đến thiết bị giám sát (gateway), giúp tiết kiệm thời gian thu thập dữ liệu tại các địa hình hiểm trở.
3. Thiết kế thiết bị giám sát có khả năng tiếp nhận, phân tích dữ liệu, hiển thị thông số theo thời gian thực, cho phép cài đặt ngưỡng cảnh báo, phát tín hiệu cảnh báo tại chỗ (còi, đèn) và định hướng kết nối hệ thống quản lý trực tuyến.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là thiết bị đo độ giãn nở vết nứt địa chất và thiết bị giám sát trung tâm. Phạm vi không gian ứng dụng tập trung tại các khu vực đồi núi, sườn dốc hẻo lánh, nơi xuất hiện các vết nứt kéo dài có nguy cơ sạt lở cao và xa khu dân cư.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Đề tài xây dựng trên các cơ sở lý thuyết về cảm biến đo dịch chuyển, mạng truyền thông không dây công suất thấp và kỹ thuật thiết kế nguồn tự chủ:

• Cảm biến dịch chuyển dạng kéo dây tích hợp encoder: Encoder là cảm biến cơ điện chuyển đổi chuyển động quay hoặc vị trí góc thành tín hiệu số. Encoder quang sử dụng đĩa mã hóa có rãnh, nguồn sáng và cảm biến quang điện để tạo xung. Đồ án sử dụng encoder tuyệt đối đa vòng (multi-turn absolute encoder) kết hợp cơ cấu dây kéo, cho phép ghi nhớ vị trí ngay cả khi mất nguồn và tính toán độ dịch chuyển của khe nứt thông qua số vòng quay của trục.
• Kỹ thuật truyền thông không dây LoRa (Long Range): LoRa là công nghệ điều chế vô tuyến ở lớp vật lý (PHY) do Semtech phát triển, dựa trên kỹ thuật trải phổ Chirp Spread Spectrum (CSS). Tín hiệu được điều chế bằng các xung chirp biến đổi tần số tuyến tính theo thời gian (up-chirp và down-chirp), hoạt động trên băng tần ISM miễn cấp phép (410–493 MHz). Tốc độ truyền bit ($R_b$) của LoRa được xác định qua ba thông số cơ bản: Hệ số trải phổ (Spreading Factor - $SF \in [7, 12]$), Băng thông (Bandwidth - $BW \in {125, 250, 500}\text{ kHz}$) và Tỷ lệ mã hóa sửa lỗi trước (Coding Rate - $CR = \frac{4}{4+n}, n \in {1, 2, 3, 4}$): $$R_b = \frac{SF \cdot BW \cdot CR}{2^{SF}}$$ Cấu trúc khung bản tin LoRa chuẩn gồm các trường: Preamble (đồng bộ hóa), Header (chế độ Explicit hoặc Implicit), Payload (dữ liệu hữu ích) và Payload CRC (kiểm tra lỗi).
• Chuẩn giao tiếp công nghiệp RS485 và giao thức Modbus: Chuẩn truyền thông vi sai hai dây (A+ và B-) với khả năng chống nhiễu chế độ chung, cho phép truyền dữ liệu khoảng cách lên tới 1200 m. Sử dụng điện trở đầu cuối 120 $\Omega$ để triệt tiêu sóng phản xạ đường truyền và các điện trở phân cực 680 $\Omega$ để duy trì trạng thái bus khi không có thiết bị truyền.
• Hệ thống quản lý và sạc năng lượng mặt trời MPPT: Quá trình nạp pin Lithium-ion gồm hai giai đoạn: sạc ổn dòng (Constant Current - CC) và sạc ổn áp (Constant Voltage - CV). Mạch sạc sử dụng giải pháp dò điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking - MPPT) để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ tấm pin mặt trời theo điều kiện bức xạ thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp phân tích và so sánh: Tổng hợp đặc tính kỹ thuật của các công nghệ truyền thông không dây tầm xa (BLE, LoRa, 4G, NB-IoT, RF) để lựa chọn phương án tối ưu về năng lượng, chi phí và cự ly hoạt động tại khu vực đồi núi.
• Phương pháp thiết kế hệ thống nhúng: Tính toán phân rã sơ đồ khối, lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch nguyên lý, phân áp ADC, bố trí mạch in (PCB) 2 lớp và thiết kế kết cấu cơ khí (vỏ hộp ABS, trụ đỡ).
• Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Thực hiện đo đạc thực tế điện áp nguồn, kiểm tra độ chính xác của cảm biến bằng thước chuẩn cơ học và khảo sát cự ly truyền nhận bản tin vô tuyến tại hiện trường.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm các bảng thông số kỹ thuật (datasheet) chính thức của nhà sản xuất linh kiện vi điều khiển (STMicroelectronics, Espressif), module RF (Ebyte, Semtech), IC nguồn, cảm biến công nghiệp và dữ liệu đo đạc thực tế trong quá trình thử nghiệm.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc tổng thể hệ thống

Mô hình hệ thống cảnh báo sạt lở được xây dựng theo cấu trúc liên kết vô tuyến hình sao (Star Topology), bao gồm hai thành phần chính:

[ Thiết bị đo (Node) ]  ---(LoRa RF 433MHz)--->  [ Thiết bị giám sát (Gateway) ]  --->  [ Màn hình LCD / Còi đèn / Server ]
  - Cảm biến BRT38 (RS485)                          - LoRa SX1278
  - STM32F103C8T6                                   - ESP32 DEVKIT V1
  - Module LoRa SX1278                              - Màn hình LCD2004 (I2C)
  - Pin Li-ion 2S + MPPT + Solar                    - Khối cảnh báo & tương tác

So sánh và lựa chọn công nghệ truyền thông

Dựa trên yêu cầu hoạt động tại vùng núi hẻo lánh không có sẵn hạ tầng mạng di động ổn định và yêu cầu tối ưu hóa năng lượng, tác giả đã tiến hành so sánh các công nghệ truyền tin không dây:

Tiêu chí	BLE 5.0	LoRa	4G	NB-IoT	RF thông thường
Phạm vi	10 m – 100 m	1 km – 15 km	Phụ thuộc trạm phát	17 km – 20 km	5 m – 10 m (300 m có anten)
Băng tần	ISM 2.4 GHz	433, 490, 780, 915 MHz	Băng tần viễn thông	Băng tần cho phép (900, 1800 MHz)	ISM
Tốc độ	Upto 2 Mbps	125 kbps – 250 kbps	10 Mbps	10 kbps – 200 kbps	50 kbps, 1 Mbps, 2 Mbps
Công suất	Thấp	Thấp	Lớn	Thấp	Thấp
Giá thành	8$ – 15$	10$ – 11$	8$ – 20$	Dưới 5$	Dưới 1$
Dung lượng mạng	Lên tới 30.000	Lên tới 60.000	Không giới hạn	Lên tới 200.000	Lên tới 32.767
Độ trễ	Phụ thuộc thông số	Phụ thuộc thông số	< 1 s	6 s – 10 s	<< 1 s

Kết quả so sánh cho thấy công nghệ LoRa đáp ứng tối ưu các tiêu chí: cự ly truyền xa trong môi trường ít vật cản, không phụ thuộc trạm phát sóng di động, tiêu thụ năng lượng thấp và cấu hình mạng ngang hàng linh hoạt.

Thiết kế phần cứng thiết bị đo độ giãn nở (Node)

Yêu cầu kỹ thuật đối với thiết bị đo độ rộng vết nứt gồm: dải đo từ 5 mm đến 500 mm, độ phân giải tối thiểu 0.5 mm, độ chính xác đạt 0.25 mm, chiều dài dây kéo tối thiểu 1 m bằng thép không gỉ, cự ly truyền vô tuyến tối thiểu 2 km và khả năng tự chủ năng lượng ngoài trời.

Phần cứng của Node đo bao gồm các khối chức năng chính:

• Khối cảm biến: Cảm biến dịch chuyển BRT38-ROM4096 sử dụng encoder tuyệt đối đa vòng 12-bit (độ phân giải 4096 xung/vòng, bộ nhớ 24 vòng quay), đường kính thân 38 mm, đường kính trục 6 mm, ngõ ra truyền thông chuẩn RS485 Modbus RTU, dải điện áp cấp 5–24 VDC. Cáp tín hiệu gồm 5 dây: Nguồn (Đỏ), GND (Đen), Đặt gốc Z0 (Vàng), Tín hiệu B- (Xanh), Tín hiệu A+ (Trắng).
• Khối chuyển đổi tín hiệu RS485 sang UART: Sử dụng IC MAX485 với các chân điều khiển RE/DE nối với vi điều khiển, tích hợp điện trở tải cuối 120 $\Omega$ và hai điện trở kéo 680 $\Omega$ chống trôi điện áp.
• Khối vi điều khiển (MCU): Kit STM32F103C8T6 (lõi ARM Cortex-M3 32-bit, tần số hoạt động tối đa 72 MHz, 64 KB Flash, 20 KB RAM). Vi điều khiển được cấu hình chạy ở tần số 8 MHz và sử dụng chế độ Standby mode để giảm dòng tiêu thụ xuống mức microampe khi không truyền tin.
• Khối truyền tin LoRa: Module E32-400M30S tích hợp chip Semtech SX1278, công suất phát tối đa 30 dBm (1000 mW), độ nhạy thu -125 dBm, dải tần 410–493 MHz, giao tiếp SPI với vi điều khiển. Thiết bị sử dụng anten ngoài băng tần 433 MHz độ lợi 35 dBi để mở rộng cự ly phủ sóng.
• Khối nguồn và quản lý năng lượng:
  • Nguồn lưu trữ: Sử dụng 2 cell pin Lithium-ion Lishen xám mắc nối tiếp (cấu hình 2S, điện áp danh định 7.4 V, sạc đầy 8.4 V, dung lượng 6000 mAh).
  • Mạch hạ áp: Sử dụng IC Buck chuyển mạch LM2596-5V (tần số chuyển mạch 150 kHz, dòng tải tối đa 3 A) để tạo nguồn 5 V ổn định cho module LoRa và MAX485.
  • Mạch phản hồi điện áp pin: Mạch cầu phân áp gồm $R_{10} = 39\text{ k}\Omega$ và $R_{11} = 10\text{ k}\Omega$ đưa tín hiệu về kênh ADC của STM32 để giám sát mức pin theo công thức: $$V_{bat} - V_{diode} = \left(1 + \frac{R_{10}}{R_{11}}\right) \cdot V_{fb}$$
  • Mạch sạc và bảo vệ: Tích hợp mạch cân bằng bảo vệ cell pin 2S kết hợp module sạc MPPT CN3722 (điện áp vào 12–18 V, điện áp sạc 8.4 V, dòng sạc tối đa 3 A).
  • Tấm pin năng lượng mặt trời: Công suất định mức 20 W, điện áp làm việc 18 V, điện áp hở mạch 21.67 V, dòng điện cực đại 1.11 A, kích thước 350 $\times$ 350 $\times$ 17 mm.
• Khung vỏ và cơ khí: Toàn bộ mạch in và pin được đặt trong tủ nhựa ABS chống nước, chống bụi, gắn trên trụ kim loại cao trên 2 m có khớp xoay điều chỉnh hướng tấm pin mặt trời và anten.

Tính toán năng lượng tiêu thụ của Node đo

Hệ thống hoạt động theo chu kỳ: thời gian thức để đọc cảm biến và truyền dữ liệu LoRa là 3 giây (Active mode), sau đó chuyển sang chế độ ngủ sâu (Standby mode) trong 180 giây. Bảng tổng hợp công suất tiêu thụ của các thành phần phần cứng:

Thành phần	Điện áp (V)	Dòng cực đại (mA)	Công suất cực đại (mW)
STM32F103C8T6	3.3	50 (tại 72 MHz)	165
Cảm biến BRT38	7.3	10	33
MAX485	5.0	1	5
Module SX1278 (TX +30 dBm)	5.0	650	3250
Tổng cực đại	—	811 mA	4213 mW

Tính toán công suất tiêu thụ trung bình theo chu kỳ hoạt động thực tế đạt 81.5 mW. Khi tính toán an toàn với công suất trung bình 100 mW trên khối pin 7.4 V – 6000 mAh ($E = 7.4\text{ V} \times 6\text{ Ah} = 44.4\text{ Wh}$), thời gian hoạt động liên tục của thiết bị khi hoàn toàn không có ánh nắng mặt trời được xác định: $$t_1 = \frac{7.4 \times 6000\text{ mAh}}{100\text{ mW}} \approx 456\text{ giờ} = 19\text{ ngày}$$

Thiết kế phần cứng thiết bị giám sát (Gateway)

Phần cứng trạm giám sát được thiết kế tiếp nhận dữ liệu từ node cảm biến và tương tác với người vận hành:

• Khối thu LoRa: Module E32-400M30S đồng bộ cấu hình tần số và tham số RF với node đo.
• Khối điều khiển trung tâm: Module vi điều khiển ESP32 DEVKIT V1 thực hiện giải mã bản tin, xử lý thuật toán so sánh ngưỡng và điều khiển giao tiếp ngoại vi.
• Khối hiển thị và cảnh báo: Màn hình LCD2004 kết nối qua giao tiếp I2C để hiển thị độ dịch chuyển, mức điện áp pin và trạng thái kết nối theo thời gian thực; khối còi chip và đèn LED phát tín hiệu cảnh báo tại chỗ khi độ giãn nở vượt ngưỡng cài đặt.
• Khối nguồn: Mạch nguồn ổn áp hỗ trợ sử dụng nguồn từ pin sạc hoặc adapter chuyển đổi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Trình bày bối cảnh thực tiễn về tác động của thiên tai lũ quét, sạt lở đất đá tại Việt Nam, phân tích ảnh hưởng của bão Yagi năm 2024. Phân tích nguyên lý và đặc tính kỹ thuật của các phương pháp đo dịch chuyển cơ học: thước dây cơ khí, máy đo laser quang học và cảm biến đo chiều dài dựa trên encoder. Khẳng định tính cấp thiết của hệ thống cảnh báo sớm vết nứt địa chất tự chủ năng lượng và xác định các mục tiêu thiết kế của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu nguyên lý cấu tạo của encoder quang học, phân biệt đặc tính kỹ thuật giữa encoder tương đối (incremental) và encoder tuyệt đối (absolute). Khảo sát cấu trúc mạng cảm biến không dây hình sao trực tiếp và hình sao mở rộng gián tiếp. Phân tích chi tiết công nghệ truyền thông không dây LoRa, mô hình 7 lớp OSI, lớp vật lý LoRa (CSS, các tham số SF, BW, CR), cấu trúc khung bản tin LoRa và tổng quan kiến trúc mạng LoRaWAN.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Xây dựng mô hình tổng quan hệ thống và xác định các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế. Thiết kế chi tiết sơ đồ khối, mạch nguyên lý, lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch in (PCB) cho thiết bị đo (sử dụng STM32F103C8T6, cảm biến BRT38-ROM4096, MAX485, module LoRa E32-400M30S) và thiết bị giám sát (ESP32, LCD2004, còi/đèn cảnh báo). Thiết kế khối quản lý năng lượng gồm mạch sạc MPPT CN3722, tấm pin mặt trời 20 W và khối pin Li-ion 2S. Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình cho vi điều khiển của node đo và gateway.

Chương 4: Hoàn thiện sản phẩm, thử nghiệm và đánh giá

Trình bày kết quả gia công phần cứng thực tế của thiết bị đo và gateway đặt trong vỏ tủ bảo vệ. Xây dựng kịch bản và tiến hành thử nghiệm thực nghiệm: kiểm tra chức năng mạch sạc MPPT và cân bằng pin; kiểm tra độ chính xác của cảm biến đo dịch chuyển so với thước đo chuẩn Deli 6230; kiểm tra hoạt động truyền nhận bản tin LoRa và đo đạc cự ly truyền sóng thực tế tại hiện trường. Đánh giá toàn diện các thông số kỹ thuật đạt được so với mục tiêu ban đầu.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thử nghiệm thực tế

Hệ thống đã được chế tạo hoàn chỉnh phần cứng và kiểm thử chức năng thực tế với các kết quả cụ thể:

• Khối nguồn tự chủ: Mạch sạc MPPT CN3722 điều khiển quá trình sạc pin Li-ion từ tấm pin mặt trời 20 W hoạt động chính xác theo các trạng thái đèn báo (xanh nhấp nháy khi không có pin, đỏ khi đang sạc, xanh sáng khi sạc đầy), đảm bảo điện áp ổn định 5 V và 3.3 V cho toàn bộ mạch.
• Độ chính xác đo dịch chuyển: Cảm biến BRT38-ROM4096 đọc đúng giá trị dịch chuyển cơ học của cơ cấu dây kéo, truyền dữ liệu qua giao thức Modbus RS485 về MCU chính xác, sai số nằm trong giới hạn cho phép ($< 0.25\text{ mm}$) khi đối chứng với thước đo chuẩn Deli 6230.
• Hoạt động của Gateway: Module ESP32 nhận đúng cấu trúc bản tin từ node cảm biến, hiển thị thông số độ rộng vết nứt và điện áp pin lên màn hình LCD2004; hệ thống tự động kích hoạt còi và đèn cảnh báo khi giá trị độ giãn nở vượt qua ngưỡng cài đặt trước.
• Khảo sát cự ly truyền tin vô tuyến: Thử nghiệm truyền nhận không dây LoRa tại các vị trí thực địa khác nhau với anten 35 dBi chứng minh hệ thống truyền nhận bản tin ổn định, không bị mất gói tin trong điều kiện địa hình đồi núi không có vật cản che chắn lớn.

Đóng góp của đề tài

• Hoàn thiện thiết kế phần cứng tích hợp hoàn chỉnh từ cảm biến công nghiệp RS485, vi điều khiển tiết kiệm năng lượng, module truyền tin LoRa công suất cao đến hệ thống tự chủ năng lượng mặt trời MPPT.
• Cung cấp giải pháp kỹ thuật có chi phí thấp, tính linh hoạt cao, phù hợp lắp đặt độc lập tại các khu vực đồi núi hẻo lánh phục vụ cảnh báo thiên tai sạt lở đất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Do giới hạn về thời gian và điều kiện thực nghiệm, hệ thống mới hoàn thiện thử nghiệm ở quy mô mạng hình sao đơn giản với một node cảm biến truyền về một gateway.
• Tính năng gửi dữ liệu lên máy chủ web quản lý tập trung và chức năng cảnh báo qua tin nhắn SMS/ứng dụng di động chưa được triển khai hoàn chỉnh trong phần cứng thực nghiệm tại đợt thử nghiệm đầu.
• Tuổi thọ và dung lượng thực tế của pin Lithium-ion có thể suy giảm nhanh hơn tính toán lý thuyết dưới điều kiện nhiệt độ và thời tiết khắc nghiệt ngoài trời tại vùng núi cao.

Hướng phát triển

• Mở rộng cấu hình mạng cảm biến không dây hỗ trợ quản lý đồng thời nhiều node đo độ giãn nở trên cùng một sườn núi về một gateway duy nhất.
• Hoàn thiện kết nối Internet cho Gateway (qua Wi-Fi hoặc module 4G) để đồng bộ dữ liệu về Cloud Server, xây dựng giao diện giám sát trực quan trên Web/Smartphone và tích hợp chức năng gửi tin nhắn SMS cảnh báo khẩn cấp đến người dân.
• Nghiên cứu bổ sung các cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến đo độ nghiêng (inclinometer) và cảm biến lượng mưa để nâng cao độ tin cậy của thuật toán dự báo sạt lở.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa, Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Viễn thông và Hệ thống Nhúng - IoT.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

• Phương pháp ghép nối và chuyển đổi tín hiệu cảm biến công nghiệp chuẩn Modbus RS485 sang vi điều khiển STM32 thông qua IC MAX485.
• Thiết kế mạch truyền thông không dây tầm xa sử dụng module LoRa SX1278 công suất 30 dBm kết hợp anten độ lợi cao.
• Quy trình tính toán năng lượng tiêu thụ, thiết kế mạch phân áp giám sát ADC và giải pháp cấp nguồn tự chủ ngoài trời kết hợp pin Li-ion 2S, mạch sạc MPPT CN3722 và tấm pin năng lượng mặt trời.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến dịch chuyển được lựa chọn trong hệ thống là loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao? Hệ thống sử dụng cảm biến dịch chuyển kéo dây tích hợp encoder tuyệt đối đa vòng BRT38-ROM4096. Cảm biến có độ phân giải 12-bit (4096 xung/vòng), ghi nhớ được 24 vòng quay, trục đặc đường kính 6 mm, chiều dài dây đo tối đa 1 m, ngõ ra giao tiếp chuẩn RS485 Modbus RTU và sử dụng nguồn cấp 5–24 VDC.

2. Tại sao công nghệ truyền thông không dây LoRa được lựa chọn thay vì 4G hoặc NB-IoT? Khu vực đồi núi xuất hiện vết nứt thường là vùng xa dân cư, sóng di động 4G kém hoặc không phủ sóng. NB-IoT phù hợp với đô thị và tiêu tốn năng lượng cao hơn. LoRa có cự ly truyền xa (1–15 km), tiêu thụ công suất thấp, hoạt động trên dải tần miễn cấp phép và cho phép tự thiết lập mạng truyền thông ngang hàng độc lập mà không cần trả phí thuê bao mạng viễn thông.

3. Hệ thống nguồn của Node cảm biến được thiết kế như thế nào để đảm bảo tính tự chủ năng lượng? Node đo sử dụng 2 cell pin Lithium-ion Lishen xám mắc nối tiếp (7.4 V, 6000 mAh) kết hợp mạch bảo vệ cân bằng cell 2S, module sạc MPPT CN3722 và tấm pin năng lượng mặt trời 20 W (18 V – 1.11 A). Nguồn 5 V cấp cho mạch được hạ áp qua IC Buck LM2596-5V. Khi hoàn toàn không có ánh sáng mặt trời, năng lượng pin đủ để duy trì hoạt động của thiết bị trong khoảng 19 ngày theo tính toán lý thuyết.

4. Giải pháp nào được áp dụng để tối ưu hóa mức tiêu thụ điện của Node đo? Hệ thống áp dụng cơ chế hoạt động ngắt quãng: vi điều khiển chỉ thức trong 3 giây để đọc cảm biến và phát bản tin LoRa, sau đó chuyển sang chế độ Standby mode trong 180 giây (dòng tiêu thụ giảm xuống mức microampe). Ngoài ra, vi điều khiển STM32F103C8T6 được cấu hình hạ tần số hoạt động xuống 8 MHz và sử dụng mạch đóng cắt nguồn cấp cho cảm biến và module RF khi không sử dụng.

5. Mạch phản hồi điện áp pin giám sát mức sạc như thế nào? Mạch sử dụng cầu phân áp gồm hai điện trở $R_{10} = 39\text{ k}\Omega$ và $R_{11} = 10\text{ k}\Omega$ kết nối từ cực dương của khối pin (qua diode chống ngược) xuống mass, đưa điện áp phân áp $V_{fb}$ (luôn $< 3.3\text{ V}$) vào chân ADC của STM32F103C8T6 để tính toán chính xác giá trị điện áp thực tế của pin và gửi kèm trong bản tin dữ liệu.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống giám sát vết nứt địa chất và cảnh báo sạt lở sử dụng công nghệ không dây" của tác giả Nguyễn Đình Giỏi đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế phần cứng và kiểm thử hệ thống. Đề tài đã tích hợp thành công cảm biến đo dịch chuyển công nghiệp độ chính xác cao, vi điều khiển STM32/ESP32, công nghệ truyền thông vô tuyến LoRa và hệ thống nguồn tự chủ năng lượng mặt trời MPPT. Kết quả thử nghiệm thực tế khẳng định tính đúng đắn và độ ổn định của thiết bị, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các giải pháp cảnh báo sớm thiên tai sạt lở tại các vùng đồi núi Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1, em đã thực hiện giới thiệu tổng quan về đề tài, phân tích bài toán đặt ra, tìm hiểu, phân loại các thiết bị đo độ dịch chuyển, đưa ra các quan điểm về tính ứng dụng và cấp thiết của thiết bị, từ đó đặt ra các mục tiêu cần hoàn thành. Tiếp theo ở chương 2, em thực hiện tìm hiểu về các cơ sở lý thuyết, đưa ra và lựa chọn các phương án phù hợp cho thiết kế hệ thống.1 Tổng quan về cảm biến đo độ dịch chuyển dựa trên encoder 2.1 Nguyên lý hoạt động của encoder Encoder hay còn gọi là bộ mã hóa, là cảm biến cơ học thực hiện chuyển đổi vị trí góc quay hoặc chuyển động của trục quay thành tín hiệu kỹ thuật số. Encoder được dùng để phát hiện vị trí, hướng di chuyển, tốc độ… của động cơ bằng cách đếm số vòng quay được của trục. Có hai loại encoder là tuyến tính và quay.

Encoder tuyến tính đáp ứng chuyển động dọc theo một đường dẫn và encoder quay đáp ứng với chuyển động quay. Cấu tạo của encoder quang gồm các thành phần chính như đĩa quang tròn có rãnh nhỏ quay quanh trục, trên đĩa được thiết kế các lỗ rãnh, bộ cảm biến thu (photosensor), nguồn sáng (light source) và mạch khuếch đại tín hiệu được mô tả trên hình 2.1 Cấu tạo encoder Khi encoder chuyển động, đĩa quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh để tín hiệu quang chiếu qua. Tại vị trí có rãnh thì ánh sáng xuyên qua được và không có rãnh thì ánh sáng không xuyên qua được. Cảm biến ánh sáng hoạt động tạo ra các tín hiệu điện, chuyển hóa các xung vuông, có thể truyền đến bộ xử lý trung tâm.

Số xung Encoder được quy ước là số lần ánh sáng chiếu qua khe.2 Nguyên lý hoạt động của encoder quang 2.2 Các loại encoder phổ biến Có hai loại encoder cơ bản là encoder tuyệt đối và encoder tương đối. Encoder tuyệt đối là loại encoder cho biết chính xác vị trí của encoder mà người sử dụng không phải xử lý thêm, được mô tả tại hình 2. Encoder tuyệt đối tương ứng với đĩa quay 8bit hay 8 dãy rãnh, cho ngõ ra dạng mã kỹ thuật số (BCD), mã nhị phân hoặc mã Gray. Có cấu tạo gồm bộ phát ánh sáng, đĩa mã hóa (có chứa dải băng mang tín hiệu), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng phát ra.

Đĩa mã hóa ở encoder tuyệt đối được chế tạo từ vật liệu trong suốt, mặt đĩa được chia thành các góc đều nhau cùng các đường tròn đồng tâm. Chúng có thể ghi nhớ vị trí khi bị mất nguồn do mỗi vị trí có một mã tín hiệu riêng.3 Encoder tuyệt đối Encoder tương đối là là thiết bị mã hóa chuyển đổi chuyển động góc hoặc vị trí của trục thành mã tương tự hoặc kỹ thuật số để xác định vị trí hoặc chuyển động. Encoder tương đối tương đương với đĩa 2bit cho đầu ra xung sóng vuông pha AB, ABZ. Và phổ biến là loại bộ mã hóa với hai tín hiệu xung A và B.

Tín hiệu khe Z là tín hiệu để xác định xem 17 động cơ có thể thực hiện một vòng quay hay không. Đĩa mã hóa bao gồm một dải băng tạo xung, thường được chia thành nhiều lỗ bằng nhau và được cách đều nhau.4 Encoder tương đối Cảm biến đo đo sự thay đổi của khe nứt dạng dây kéo hoạt động dựa trên nguyên lý đếm số vòng quay, khi dây bị kéo bởi sự dãn nở của khe nứt khiến cho roto quay. Một chuỗi xung được tạo ra từ cảm biến, cụ thể là encoder quang, dọc theo một vòng quay của rôto. Dựa trên sự dãn nở của rãnh nứt mà mỗi sự thay đổi sẽ cho ra số xung tương ứng.