Giới thiệu dự án

Theo thống kê từ Cục Cảnh sát Phòng cháy, chữa cháy và Cứu nạn, cứu hộ (PCCC & CNCH), chỉ trong tháng 02/2024, toàn quốc đã xảy ra 447 vụ cháy gây thiệt hại 27,38 tỷ đồng, thiêu rụi 14,95 ha rừng, làm 15 người thiệt mạng và 10 người bị thương. Đáng chú ý, 62% số vụ cháy tập trung tại các khu vực đô thị đông dân cư và có tới 70,4% nguyên nhân bắt nguồn từ sự cố hệ thống, thiết bị điện. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về các hệ thống cảnh báo sớm nhằm bảo vệ tính mạng và tài sản.

Tuy nhiên, các giải pháp báo cháy hiện nay đang bộc lộ nhiều rào cản kỹ thuật:

  • Hệ thống báo cháy có dây truyền thống: Chi phí thi công đường dây và thiết bị điều khiển trung tâm rất cao, phá vỡ cấu trúc thẩm mỹ, khó triển khai cho các công trình nhà ở riêng lẻ hoặc chung cư mini hiện hữu.
  • Hệ thống không dây tầm ngắn (Wi-Fi, Zigbee, Bluetooth): Bị giới hạn nghiêm trọng về khoảng cách truyền sóng, dễ bị suy hao qua tường bê tông, tiêu hao năng lượng lớn dẫn đến thời lượng pin ngắn (phải thay pin sau vài tháng), đồng thời phụ thuộc hoàn toàn vào mạng Wi-Fi nội bộ hoặc bộ điều khiển trung tâm (Gateway). Khi hỏa hoạn xảy ra gây mất điện lưới, các bộ định tuyến Wi-Fi ngừng hoạt động khiến tín hiệu báo động bị gián đoạn.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống báo khói ứng dụng công nghệ NarrowBand IoT" do sinh viên Ngô Đức Hiếu thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Phúc (Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã giải quyết triệt để bài toán này bằng giải pháp thiết bị báo khói độc lập, tiết kiệm năng lượng, kết nối trực tiếp vào hạ tầng viễn thông di động.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                             HỆ THỐNG BÁO KHÓI NB-IOT                          |
|                                                                               |
|  [Cảm biến Quang BM22S2021-1] ---UART---> [MCU STM32L412KB]                   |
|  [Cảm biến Temp/Hum SHT30]   ---I2C---->   (Stop 1 Mode: 3.6uA)               |
|                                                    |                          |
|                                                  UART                         |
|                                                    v                          |
|  [Nguồn Pin 18650 + Siêu tụ LIC] -------> [Module Quectel BC660K-GL]          |
|                                            (PSM Mode: 0.7uA)                  |
|                                                    |                          |
|                                                CoAP/UDP                       |
|                                                    v                          |
|                                           [Trạm BTS NB-IoT]                   |
|                                                    |                          |
|                                                 Internet                      |
|                                                    v                          |
|   +-----------------------------------------------------------------------+   |
|   |                       HỆ THỐNG BACKEND & CLOUD                        |   |
|   |  - CoAP Server (Port 5683)                - WebSocket Server (Realtime)|  |
|   |  - RESTful API Server (Node.js/Express)   - Database (MariaDB/MySQL)  |   |
|   +-----------------------------------------------------------------------+   |
|                         |                                  |                  |
|                   Push / WebSocket                    HTTP / REST             |
|                         v                                  v                  |
|               [Ứng dụng Mobile Android]             [Web Quản trị Admin]     |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu kỹ thuật cốt lõi

  1. Thiết kế phần cứng độc lập chuẩn công nghiệp: Xây dựng bo mạch tích hợp vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng STM32L412KB và module truyền thông Quectel BC660K-GL.
  2. Thu thập dữ liệu đa thông số: Tích hợp cảm biến khói quang điện BM22S2021-1 và cảm biến môi trường SHT30 nhằm phát hiện khói sớm ngay từ giai đoạn âm ỉ và theo dõi nhiệt độ, độ ẩm.
  3. Ứng dụng giao thức truyền thông IoT tối ưu: Sử dụng CoAP (Constrained Application Protocol) qua UDP trên nền tảng mạng di động băng hẹp NB-IoT (NarrowBand IoT) được cấp phép, đảm bảo độ trễ thấp và tính toàn vẹn dữ liệu.
  4. Tối ưu hóa năng lượng toàn diện: Khai thác tính năng Power Saving Mode (PSM), quản lý chu kỳ đánh thức bằng RTC, kéo dài tuổi thọ pin lên tới 5 – 10 năm với cell pin 18650 dung lượng 3400mAh.
  5. Hệ thống cảnh báo đa kênh tức thời: Kích hoạt còi báo động tại chỗ và gửi thông báo khẩn cấp qua Push Notification (Mobile App), WebSocket và Email tới người dùng trong thời gian dưới 3 giây.
  6. Xây dựng nền tảng giám sát tập trung: Phát triển Web Dashboard quản trị và Mobile App Android phục vụ giám sát trạng thái thiết bị, theo dõi nhật ký dữ liệu và quản lý sự cố.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng và so sánh công nghệ

So với các công nghệ truyền thông không dây phổ biến trên thị trường, công nghệ LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) mang lại sự cân bằng tối ưu giữa cự ly phủ sóng, độ xuyên thấu công trình và mức tiêu thụ dòng điện.

Tiêu chí Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n) Zigbee (IEEE 802.15.4) LoRaWAN NarrowBand IoT (NB-IoT)
Băng tần 2.4 GHz / 5 GHz (Chưa cấp phép) 2.4 GHz (Chưa cấp phép) Sub-GHz (433/868/915 MHz) Băng tần LTE cấp phép (B3, B5, B8, B20, B28)
Khoảng cách truyền 30 – 50 m 10 – 100 m 2 – 5 km (Đô thị), 15 km (Ngoại thành) 10 km (Đô thị), 40 km (Ngoại thành)
Khả năng xuyên thấu Kém qua tường bê tông dày Trung bình Tốt Rất tốt (+20dB gain so với GSM/LTE)
Yêu cầu Gateway Cần Wi-Fi Router Cần Zigbee Gateway Cần LoRa Gateway Không cần (Kết nối trực tiếp trạm BTS)
Dòng tiêu thụ Sleep 2 – 10 mA 5 – 20 µA 1 – 5 µA 0.7 – 3.6 µA (Chế độ PSM)
Bảo mật WPA2/WPA3 AES-128 AES-128 3GPP Carrier-grade, SIM/eSIM Auth
Băng thông / Latency Cao (> 54 Mbps) / Thấp Thấp (250 kbps) / Trung bình Rất thấp (< 50 kbps) / Cao Trung bình (~127 kbps) / Thấp (1.6 - 10s)

Nhận định: NB-IoT là lựa chọn tối ưu cho hệ thống báo khói dân dụng nhờ khả năng hoạt động độc lập, không phụ thuộc vào hạ tầng mạng cục bộ, băng tần được nhà mạng cấp phép không bị nghẽn sóng và khả năng xuyên sâu vào các góc khuất, tầng hầm của tòa nhà.

Phân tích yêu cầu chức năng (MoSCoW Prioritization)

  • Must-have (Bắt buộc):
    • Tự động kích hoạt còi báo động SFM-27 tại chỗ khi nồng độ khói vượt ngưỡng (0.1 – 0.8 dB/m).
    • Gửi bản tin cảnh báo hỏa hoạn khẩn cấp lên Server qua CoAP ngay khi phát hiện khói.
    • Tự động rơi vào chế độ tiết kiệm năng lượng sâu (Stop 1 Mode trên MCU và PSM trên BC660K).
    • Gửi dữ liệu định kỳ (Nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khói, dung lượng pin, cường độ sóng RSRP/RSSI).
  • Should-have (Nên có):
    • Đồng bộ trạng thái tức thời xuống ứng dụng Mobile qua WebSocket khi có thay đổi.
    • Đẩy thông báo khẩn cấp đa nền tảng (Push Notification Firebase, Email SMTP).
    • Quản lý định danh thiết bị, phòng ban, và chia sẻ quyền truy cập giữa các thành viên gia đình.
  • Could-have (Có thể mở rộng):
    • Báo cáo thống kê tín hiệu sóng viễn thông (TAC, PCI, EARFCN, Band) phục vụ bảo trì mạng.
    • Tích hợp hệ thống Chat/Ticket hỗ trợ kỹ thuật trực tiếp giữa người dùng và quản trị viên.
  • Won't-have (Chưa triển khai ở phiên bản này):
    • Định vị GPS thời gian thực (nhằm tiết kiệm chi phí phần cứng và năng lượng).
    • Truyền phát hình ảnh hoặc video hiện trường hỏa hoạn.

Thiết kế kiến trúc hệ thống và phần cứng

Hệ thống phần cứng được chia thành 5 khối chức năng chính:

[Khối Nguồn] ----------> Pin 18650 (3.2V - 3.7V, 3400mAh) + Siêu tụ LIC 120F
    |                   ├──> Trực tiếp: Module Quectel BC660K-GL
    |                   └──> MCP1700T-3.3V LDO: MCU STM32L412KB, SHT30, BM22S2021-1
    v
[Khối Xử Lý] ----------> MCU STM32L412KB (ARM Cortex-M4 @ 80MHz, Ultra-Low-Power)
    |                   ├── I2C Bus  ──> [Khối Cảm Biến]: SHT30 (Nhiệt độ/Độ ẩm)
    |                   ├── UART Bus ──> [Khối Cảm Biến]: BM22S2021-1 (Khói quang)
    |                   ├── GPIO Pin ──> [Khối Cảnh Báo]: Transistor Driver + Còi SFM-27 & LED
    |                   └── UART AT  ──> [Khối Mạng]: Quectel BC660K-GL NB-IoT
    v
[Hạ Tầng Mạng] --------> Mạng di động NB-IoT (Băng tần B3/B5/B8/B28) -> Server CoAP

Chi tiết thông số linh kiện phần cứng:

  1. Khối xử lý trung tâm (MCU): STMicroelectronics STM32L412KB (Lõi 32-bit ARM Cortex-M4, tần số 80 MHz, 128 KB Flash, 40 KB SRAM). Hỗ trợ các chế độ tiết kiệm năng lượng:
    • Chế độ hoạt động (Run mode): $\approx 79\ \mu\text{A/MHz}$.
    • Chế độ Stop 1 (giữ nguyên dữ liệu SRAM + RTC hoạt động): tiêu thụ chỉ $3.65\ \mu\text{A}$.
  2. Khối mạng vô tuyến: Quectel BC660K-GL (Hỗ trợ băng tần toàn cầu B1/B2/B3/B4/B5/B8/B12/B13/B17/B18/B19/B20/B25/B28/B66/B70/B85). Dòng tiêu thụ:
    • Chế độ PSM (Power Saving Mode): $0.8\ \mu\text{A}$ (đo đạc thực tế $0.7\ \mu\text{A}$).
    • Chế độ Idle (chờ): $0.11\ \text{mA}$.
    • Chế độ truyền dữ liệu (Tx Max Power 23 dBm): $67\ \text{mA}$.
    • Độ nhạy thu: $-116\ \text{dBm}$.
  3. Khối cảm biến:
    • Cảm biến khói quang điện BM22S2021-1: Dải đo độ nhạy khói $0.1 - 0.8\ \text{dB/m}$, giao tiếp UART 9600 bps. Dòng chờ cực thấp $< 15\ \mu\text{A}$ tại $3\text{V}$, dòng cảnh báo $< 20\ \text{mA}$.
    • Cảm biến môi trường SHT30-DIS: Giao tiếp I2C, sai số nhiệt độ $\pm 0.2^\circ\text{C}$, sai số độ ẩm $\pm 2%\ \text{RH}$, dòng tiêu thụ trung bình chỉ $1.7\ \mu\text{A}$.
  4. Khối nguồn và Quản lý năng lượng:
    • Sử dụng Cell Pin Li-ion 18650 dung lượng $3400\ \text{mAh}$.
    • IC chuyển đổi điện áp Low-Dropout MCP1700T-3302E: Cung cấp điện áp ổn định $3.3\text{V}$, dòng tĩnh (Quiescent Current) siêu nhỏ chỉ $1.5\ \mu\text{A}$, dòng tải tối đa $250\ \text{mA}$.
    • Siêu tụ Lithium-Ion Capacitor (LIC) 120F / 3.8V: Mắc song song với nguồn pin chính nhằm bù dòng xả tức thời (Peak Current) lên tới hàng trăm mA trong các xung phát vô tuyến của module NB-IoT, ngăn hiện tượng sụt áp (Brownout Reset) trên vi điều khiển và tăng tuổi thọ hóa học cho cell pin.

Thiết kế cơ sở dữ liệu và RESTful API

Hệ thống lưu trữ trên cơ sở dữ liệu quan hệ (MariaDB/MySQL) với cấu trúc phân tầng:

-- Bảng quản lý thiết bị
CREATE TABLE devices (
    id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
    deviceId VARCHAR(64) UNIQUE NOT NULL,
    deviceName VARCHAR(128) NOT NULL,
    secretKey VARCHAR(128) NOT NULL,
    alarmReport BOOLEAN DEFAULT FALSE,
    roomId INT,
    created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    updated_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP,
    deleted_at TIMESTAMP NULL
);

-- Bảng lưu trữ chỉ số cảm biến
CREATE TABLE sensors (
    id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
    deviceId VARCHAR(64) NOT NULL,
    smokeValue FLOAT NOT NULL,
    alarmStatus BOOLEAN NOT NULL,
    temperature FLOAT NOT NULL,
    humidity FLOAT NOT NULL,
    created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    FOREIGN KEY (deviceId) REFERENCES devices(deviceId)
);

-- Bảng lưu trữ chất lượng tín hiệu vô tuyến NB-IoT
CREATE TABLE signal_metrics (
    id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
    deviceId VARCHAR(64) NOT NULL,
    operator VARCHAR(32),
    ipAddress VARCHAR(45),
    tac VARCHAR(16),
    band INT,
    earfcn INT,
    pci INT,
    rsrp FLOAT,
    rssi FLOAT,
    rsrq FLOAT,
    t3324 INT,
    t3412 INT,
    created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

Các Endpoint RESTful API chính:

  • POST /api/v1/auth/login: Xác thực người dùng và cấp phát JWT (JSON Web Token).
  • POST /api/v1/auth/register: Đăng ký tài khoản người dùng mới.
  • GET /api/v1/devices: Truy xuất danh sách thiết bị thuộc quyền quản lý của người dùng.
  • POST /api/v1/customer/:deviceId: Ghép nối (Pairing) thiết bị mới vào tài khoản người dùng thông qua quét mã QR/Secret Key.
  • GET /api/v1/devices/:deviceId/history: Lấy dữ liệu lịch sử cảm biến và đồ thị nhiệt độ/độ ẩm theo thời gian.
  • POST /api/v1/tickets: Tạo yêu cầu hỗ trợ kỹ thuật hoặc báo cáo lỗi thiết bị.

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển phần mềm nhúng (Firmware Implementation)

Quy trình firmware của STM32L412KB được xây dựng theo kiến trúc hướng sự kiện (Event-Driven Architecture) kết hợp bộ định thời phần cứng RTC và ngắt ngoài (EXTI).

/**
 * @brief Firmware pseudo-code: Chu trình quản lý năng lượng và truyền thông CoAP
 */
void System_Init(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config_LowPower(); // Cấu hình xung nhịp tối ưu
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();         // Giao tiếp BC660K (9600 bps)
    MX_USART2_UART_Init();         // Giao tiếp BM22S2021-1 (9600 bps)
    MX_I2C1_Init();                // Giao tiếp SHT30
    MX_RTC_Init();                 // Cấu hình RTC Auto-Wakeup Timer
    
    // Cấu hình chế độ PSM cho Quectel BC660K
    // T3412 Extended = 24 giờ, T3324 Active Timer = 2 giây
    BC660K_SendATCommand("AT+CPSMS=1,,,\"10100001\",\"00000001\"\r\n");
}

void Enter_Stop1_PowerSaving(void) {
    // Tắt các ngoại vi không cần thiết để hạ dòng tiêu thụ
    HAL_UART_DeInit(&huart2);
    HAL_I2C_DeInit(&hi2c1);
    
    // Cấu hình chân ngắt khói EXTI cho cảm biến BM22S2021-1
    Enable_Smoke_Interrupt();
    
    // Đưa MCU vào chế độ Stop 1 (Chỉ thức dậy khi có ngắt RTC hoặc ngắt khói)
    HAL_SuspendTick();
    HAL_PWREx_EnterSTOP1Mode(PWR_STOPENTRY_WFI);
    
    // --- MCU TẠM DỪNG TẠI ĐÂY VÀ TIÊU THỤ 3.6 uA --- //
    
    // Sau khi thức dậy:
    HAL_ResumeTick();
    SystemClock_Config_LowPower();
    ReInit_Peripherals();
}

void Process_Cycle(void) {
    SensorData_t sensorData;
    
    // 1. Đọc dữ liệu từ cảm biến SHT30 và BM22S2021-1
    SHT30_Read(&sensorData.temperature, &sensorData.humidity);
    BM22S2021_Read(&sensorData.smokeDensity, &sensorData.isSmokeDetected);
    
    // 2. Kiểm tra điều kiện khẩn cấp
    if (sensorData.isSmokeDetected || sensorData.smokeDensity > SMOKE_THRESHOLD) {
        Trigger_Local_Alarm(ENABLE); // Kích hoạt còi và LED
        CoAP_Send_Emergency_Packet(&sensorData); // Gửi gói tin khẩn cấp tức thời
    } else {
        // Gửi gói tin định kỳ lên CoAP Server
        CoAP_Send_Periodic_Packet(&sensorData);
    }
    
    // 3. Quay lại trạng thái ngủ sâu
    Enter_Stop1_PowerSaving();
}

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHÍNH                     |
+-------------------------------------------------------------------------------+
                                       |
                                       v
                             [Khởi động hệ thống]
                                       |
                                       v
                      [Khởi tạo Ngoại vi & Cấu hình RTC]
                                       |
                                       v
                    [Đăng ký mạng NB-IoT & Cấu hình PSM]
                                       |
                                       v
                  +-----------------------------------------+
                  |  Chuyển sang chế độ tiết kiệm năng lượng|
                  |    - MCU: Chế độ Stop 1 (3.65 uA)       |
                  |    - Module BC660K: Chế độ PSM (0.7 uA) |
                  |    - Cảm biến: Chế độ Standby (15 uA)   |
                  +-----------------------------------------+
                                       |
                    +------------------+------------------+
                    |                                     |
                    v                                     v
          [Sự kiện: Hết chu kỳ RTC]             [Ngắt ngoài: Phát hiện khói]
                    |                                     |
                    v                                     v
         [Đọc dữ liệu cảm biến]               [Bật còi cảnh báo SFM-27]
                    |                                     |
                    v                                     v
        [Đóng gói bản tin CoAP]              [Đóng gói bản tin CoAP khẩn cấp]
                    |                                     |
                    +------------------+------------------+
                                       |
                                       v
                     [Gửi gói tin CoAP/UDP lên Server]
                                       |
                                       v
                    [Nhận phản hồi ACK từ CoAP Server]
                                       |
                                       +---------> (Quay lại ngủ sâu)

Giao thức bản tin CoAP Payload qua tập lệnh AT Command:

Bản tin định kỳ được nén thành chuỗi Hexadecimal nhị phân để tối ưu băng thông:

POST coap://103.x.x.x:5683/api/v1/telemetry
Payload: 0x01 | Temp (2 bytes) | Hum (2 bytes) | Smoke (2 bytes) | Battery (2 bytes) | Status (1 byte)
  • Chuỗi lệnh AT tương tác qua UART:
AT+QCOAPOPEN=1,"103.x.x.x",5683        // Mở kết nối CoAP Context
OK
AT+QCOAPSEND=1,1,0,1,"telemetry",10     // Gửi Non-confirmable/Confirmable Message
> 010A18025800450C8000                  // Payload 10 bytes nhị phân
SEND OK

Kết quả đo lường và thực nghiệm hiệu năng

1. Đo lường dòng điện tiêu thụ thực tế

Thực nghiệm sử dụng thiết bị đo công suất chuyên dụng ghi nhận các giá trị dòng điện ở từng pha hoạt động của hệ thống:

Pha hoạt động Trạng thái chi tiết Dòng tiêu thụ thực nghiệm ($I$) Thời gian duy trì ($T$)
Active - Transmit Module BC660K truyền dữ liệu CoAP lên trạm BTS $67.00\ \text{mA}$ $2.5\ \text{s}$
Active - Sensor/MCU Đọc cảm biến BM22S2021-1, SHT30 và xử lý dữ liệu $20.00\ \text{mA}$ $0.5\ \text{s}$
Idle / RRC Connected Chờ nhận bản tin phản hồi (Bộ đếm T3324) $0.11\ \text{mA}$ $2.0\ \text{s}$
Deep Sleep (PSM) MCU Stop 1 + BC660K PSM + Cảm biến Standby $21.10\ \mu\text{A}$ Phần lớn chu kỳ
  • Tổng điện năng tiêu thụ cho 1 chu kỳ gửi dữ liệu thông thường ($Q_{\text{active}}$): $$Q_{\text{active}} = (67\ \text{mA} \times 2.5\ \text{s}) + (20\ \text{mA} \times 0.5\ \text{s}) + (0.11\ \text{mA} \times 2.0\ \text{s}) = 167.5 + 10 + 0.22 = 177.72\ \text{mA}\cdot\text{s} \approx 0.0494\ \text{mAh}$$

2. Tính toán tuổi thọ pin (Battery Lifetime Calculation)

Sử dụng cell pin $3400\ \text{mAh}$ (tính toán suy hao tự xả của pin khoảng $1%/\text{năm}$, hiệu suất khai thác thực tế $85% \Rightarrow C_{\text{usable}} = 2890\ \text{mAh}$):

  • Kịch bản 1: Gửi dữ liệu định kỳ 1 lần/ngày (24 giờ)

    • Dòng tiêu thụ tĩnh trung bình: $I_{\text{sleep}} = 21.1\ \mu\text{A} = 0.0211\ \text{mA}$.
    • Năng lượng tiêu thụ ở chế độ ngủ trong 24 giờ: $Q_{\text{sleep}} = 0.0211\ \text{mA} \times 24\ \text{h} = 0.5064\ \text{mAh/ngày}$.
    • Tổng năng lượng tiêu hao mỗi ngày: $Q_{\text{day}} = Q_{\text{active}} + Q_{\text{sleep}} = 0.0494 + 0.5064 = 0.5558\ \text{mAh/ngày}$.
    • Tuổi thọ ước tính: $$\text{Tuổi thọ} = \frac{2890\ \text{mAh}}{0.5558\ \text{mAh/ngày} \times 365\ \text{ngày/năm}} \approx \mathbf{14.2\ \text{năm}} \quad (\text{Giới hạn hóa học thực tế pin: } \mathbf{10\ \text{năm}})$$

  • Kịch bản 2: Gửi dữ liệu định kỳ 2 lần/ngày (12 giờ/lần)

    • Tổng năng lượng tiêu hao mỗi ngày: $Q_{\text{day}} = (2 \times 0.0494) + (0.0211 \times 24) = 0.0988 + 0.5064 = 0.6052\ \text{mAh/ngày}$.
    • Tuổi thọ ước tính: $$\text{Tuổi thọ} = \frac{2890\ \text{mAh}}{0.6052\ \text{mAh/ngày} \times 365\ \text{ngày/năm}} \approx \mathbf{13.0\ \text{năm}} \quad (\text{Thực tế đảm bảo: } \mathbf{8 - 10\ \text{năm}})$$
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      BIỂU ĐỒ NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ THEO THỜI GIAN               |
+-------------------------------------------------------------------------------+
Dòng điện (mA)
  ^
67|      +----+ (Pha truyền vô tuyến CoAP: 2.5s)
  |      |    |
20|  +---+    |    (Pha đọc cảm biến: 0.5s)
  |  |        |
0.1|  |        +---+ (Bộ đếm T3324 chờ mạng: 2.0s)
  |  |            |
  +--+------------+----------------------------------------------------> Thời gian
  |  <--- 5.0s ---> | <--------------- 23 giờ 59 phút 55 giây ----------->
     (Active Mode)                   (PSM Deep Sleep: 0.0211 mA)

3. Độ trễ cảnh báo (Latency Benchmark)

Thực nghiệm kích hoạt khói nhân tạo trong buồng thử nghiệm đạt kết quả:

  • Thời gian cảm biến quang BM22S2021-1 phát hiện và kéo chân ngắt: $< 350\ \text{ms}$.
  • Thời gian MCU kích hoạt còi báo động SFM-27: $< 10\ \text{ms}$.
  • Thời gian module Quectel BC660K thoát chế độ PSM, gửi gói CoAP khẩn cấp đến Server: $1.8\ \text{s} - 2.4\ \text{s}$.
  • Thời gian Server đẩy thông báo qua WebSocket và Firebase Cloud Messaging (FCM) tới điện thoại: $< 600\ \text{ms}$.
  • Tổng thời gian trễ toàn hệ thống từ lúc xuất hiện khói đến khi điện thoại rung chuông: $< 3.4\ \text{giây}$.

Đổi mới và đóng góp

  1. Kiến trúc nguồn lai ghép Siêu tụ LIC (Lithium-Ion Capacitor) và Pin Li-ion: Khắc phục nhược điểm sụt áp tức thời thường gặp trên các vi mạch NB-IoT khi phát sóng ở mức công suất $23\ \text{dBm}$. Siêu tụ $120\text{F} - 3.8\text{V}$ gánh toàn bộ dòng xung tức thời ($> 100\ \text{mA}$), giúp điện áp cấp cho MCU STM32L412 luôn duy trì ổn định trên $3.2\text{V}$, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng sập nguồn và kéo dài tuổi thọ cell pin lên mức tối đa.

  2. Tối ưu hóa giao thức truyền thông với CoAP trên nền NB-IoT: Thay vì sử dụng HTTP hoặc MQTT (vốn yêu cầu duy trì kết nối TCP liên tục và dung lượng gói tin lớn do tiêu đề phức tạp), đề tài áp dụng chuẩn CoAP chạy trên UDP. Gói tin truyền chỉ mất 10 bytes payload, giảm tới $75%$ lượng dữ liệu truyền qua sóng vô tuyến, giảm thời gian phát sóng và tiết kiệm năng lượng hơn $60%$ so với giải pháp MQTT truyền thống.

  3. Thiết lập chu kỳ PSM và Timer T3324/T3412 tối ưu: Cấu hình thông số mạng giúp module NB-IoT duy trì kết nối với trạm BTS mà không cần thực hiện lại thủ tục đính kèm mạng (Re-Attach) tốn kém năng lượng khi thức dậy. Điều này cho phép thiết bị gửi cảnh báo khẩn cấp ngay lập tức mà không phải chờ đợi quá trình đăng ký mạng kéo dài.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống ứng dụng thực tế (Use Cases)

  • Hộ gia đình, nhà phố, nhà ống tại các đô thị lớn: Lắp đặt độc lập tại từng phòng ngủ, phòng khách, bếp hoặc khu vực thờ cúng mà không cần đấu nối dây điện, không sợ mất tín hiệu khi mất điện cục bộ.
  • Chung cư cũ và khu nhà trọ: Nơi có hệ thống PCCC xuống cấp hoặc không thể trang bị hệ thống báo cháy trung tâm đắt đỏ.
  • Kho bãi, nhà xưởng phân tán, trạm biến áp viễn thông: Các địa điểm không có sẵn mạng Internet băng rộng hoặc không có nhân viên túc trực thường xuyên.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       QUY TRÌNH TRIỂN KHAI THIẾT BỊ                           |
+-------------------------------------------------------------------------------+
                                       |
                                       v
         [Bước 1: Lắp SIM NB-IoT & Gắn pin 18650 vào bo mạch]
                                       |
                                       v
         [Bước 2: Cố định thiết bị lên trần nhà bằng băng dán 3M/vít]
                                       |
                                       v
         [Bước 3: Tải ứng dụng Mobile & Đăng ký tài khoản]
                                       |
                                       v
         [Bước 4: Quét mã QR Code trên thân thiết bị để ghép nối]
                                       |
                                       v
         [Hệ thống tự động đồng bộ & Giám sát liên tục 24/7]

Phân tích hiệu quả kinh tế (Cost-Benefit Analysis)

  • Chi phí phần cứng: Dự toán sản xuất bo mạch và cảm biến thương mại ước tính khoảng $30 - 35\ \text{USD/thiết bị}$ (rẻ hơn $50 - 70%$ so với các đầu báo khói thông minh nhập khẩu).
  • Chi phí vận hành viễn thông: Gói cước data NB-IoT của các nhà mạng (Viettel, VNPT) chỉ dao động từ $10.000 - 15.000\ \text{VNĐ/SIM/tháng}$.
  • Chi phí bảo trì: Không mất chi phí thay pin định kỳ hàng năm; tuổi thọ vận hành liên tục từ 5 – 10 năm giúp tiết kiệm hàng triệu đồng chi phí nhân công kỹ thuật cho các khu nhà trọ, khách sạn và kho xưởng.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Vùng phủ sóng hạ tầng NB-IoT của các nhà mạng viễn thông tại Việt Nam hiện chủ yếu tập trung tại các đô thị loại I, II và khu công nghiệp; độ phủ sóng tại các vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện.
  • Ứng dụng di động hiện mới hoàn thiện phiên bản trên hệ điều hành Android, chưa phát hành bản chính thức cho iOS.
  • Chưa tích hợp công nghệ thu hoạch năng lượng môi trường (Energy Harvesting).

Hướng phát triển trong tương lai

  1. Tích hợp nguồn năng lượng tái tạo: Bổ sung tế bào quang điện (Solar Cell) thu nhận ánh sáng trong nhà để sạc bù vào siêu tụ LIC, hướng tới mục tiêu thiết bị hoạt động vĩnh viễn không cần thay pin.
  2. Ứng dụng công nghệ eSIM/iSIM: Tích hợp trực tiếp SIM vào chip xử lý, giảm kích thước vật lý của bo mạch và nâng cao khả năng chống ẩm, chống oxy hóa trong môi trường khắc nghiệt.
  3. Thuật toán AIoT lọc báo động giả: Ứng dụng mạng nơ-ron thu nhỏ (TinyML) chạy trực tiếp trên lõi ARM Cortex-M4 của STM32 để phân tích tương quan giữa nồng độ khói, gradient tăng nhiệt độ và độ ẩm, giúp loại trừ các trường hợp báo động giả do bụi mịn hoặc khói nấu ăn thông thường.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Nghiên cứu sinh ngành KTMT/Điện tử/IoT: Tiếp cận tài liệu thiết kế phần cứng Low-Power thực tế, phương pháp kết hợp vi điều khiển Cortex-M4 với module NB-IoT và giao thức CoAP.
  • Kỹ sư phát triển sản phẩm nhúng (Embedded Developers): Tham khảo kiến trúc quản lý nguồn lai ghép giữa Pin Li-ion và Siêu tụ LIC, quy trình xử lý ngắt và lập trình tập lệnh AT Command trên module Quectel.
  • Doanh nghiệp kinh doanh lưu trú & Bất động sản: Sở hữu giải pháp PCCC thông minh giá rẻ, thi công nhanh chóng, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn an toàn phòng cháy chữa cháy mà không cần đầu tư hệ thống dây dẫn phức tạp.
  • Hộ gia đình & Chủ nhà trọ: An tâm bảo vệ tính mạng và tài sản với chi phí đầu tư ban đầu thấp và không tốn công bảo trì pin hàng năm.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu về hạ tầng để triển khai thiết bị là gì?

Vị trí lắp đặt cần nằm trong vùng phủ sóng NB-IoT của nhà mạng (Viettel hoặc VNPT) với chỉ số RSRP đạt từ $-110\ \text{dBm}$ trở lên. Thiết bị không yêu cầu bất kỳ kết nối mạng Wi-Fi, đường truyền Internet cố định hay nguồn điện lưới nào.

2. Thiết bị có thể gửi cảnh báo khi mất điện toàn khu vực không?

Hoàn toàn có thể. Nhờ nguồn pin 18650 và siêu tụ LIC tích hợp sẵn bên trong bo mạch cùng cơ chế truyền sóng trực tiếp lên trạm BTS di động của nhà mạng viễn thông, hệ thống vẫn duy trì khả năng phát hiện và gửi cảnh báo khẩn cấp ngay cả khi toàn bộ khu vực bị cắt điện.

3. Tại sao hệ thống lại lựa chọn giao thức CoAP thay vì MQTT?

MQTT hoạt động trên nền tảng kết nối TCP đòi hỏi duy trì bắt tay (Keep-alive) liên tục, làm tiêu hao năng lượng pin lớn. Ngược lại, CoAP hoạt động trên giao thức UDP không trạng thái, dung lượng Header chỉ từ 4 bytes, cho phép thiết bị gửi dữ liệu cực nhanh rồi lập tức quay về chế độ ngủ sâu (PSM), tiết kiệm hơn $60%$ năng lượng so với MQTT.

4. Người dùng có thể theo dõi trạng thái pin và tình trạng thiết bị bằng cách nào?

Định kỳ theo chu kỳ cấu hình (ví dụ 1 lần/ngày), thiết bị sẽ tự động gửi gói tin báo cáo trạng thái bao gồm: điện áp pin, nồng độ khói hiện tại, nhiệt độ, độ ẩm và cường độ sóng. Toàn bộ thông số này được hiển thị trực quan dưới dạng đồ thị trên ứng dụng Mobile và giao diện Web quản trị. Khi dung lượng pin xuống dưới ngưỡng an toàn ($15%$), hệ thống sẽ tự động gửi thông báo nhắc nhở người dùng.

5. Thiết bị xử lý như thế nào để tránh báo động giả do khói thuốc lá hoặc bụi?

Cảm biến BM22S2021-1 sử dụng buồng đo quang học với thuật toán phân tích tán xạ ánh sáng đa góc, kết hợp cùng thuật toán kiểm tra chéo gradient nhiệt độ từ cảm biến SHT30 trên firmware MCU. Thiết bị chỉ kích hoạt cảnh báo khẩn cấp khi mật độ khói vượt ngưỡng liên tục trong nhiều khung đo (tránh hiện tượng xung nhiễu tức thời).

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công hệ thống báo khói ứng dụng công nghệ NarrowBand IoT" đã nghiên cứu và hiện thực hóa thành công một giải pháp IoT toàn diện từ phần cứng nhúng, giao thức truyền thông vô tuyến cho đến nền tảng ứng dụng Cloud, Web và Mobile. Bằng việc làm chủ công nghệ NB-IoT kết hợp chế độ siêu tiết kiệm năng lượng Power Saving Mode (PSM), tối ưu hóa giao thức CoAP và ứng dụng cơ chế bù dòng bằng siêu tụ LIC, sản phẩm đã đạt được mục tiêu vận hành bền bỉ từ 5 đến 10 năm chỉ với một cell pin duy nhất.

Giải pháp không chỉ mở ra hướng đi mới cho các thiết bị PCCC dân dụng thế hệ mới tại Việt Nam mà còn chứng minh tính khả thi vượt trội của công nghệ mạng diện rộng công suất thấp LPWAN trong việc xây dựng các đô thị thông minh an toàn và bền vững.