Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo thống kê tình hình cháy nổ toàn quốc trong tháng 02 năm 2024 được tác giả trích dẫn, cả nước ghi nhận 447 vụ cháy làm 15 người thiệt mạng, 10 người bị thương, gây thiệt hại tài sản ước tính khoảng 27,38 tỷ đồng và thiêu rụi 14,95 ha rừng; cùng với 02 vụ nổ làm 02 người bị thương. Đáng chú ý, 62% số vụ cháy (227 vụ) tập trung tại khu vực đô thị và 38% (170 vụ) diễn ra ở nông thôn. Trong số 240/449 vụ cháy đã được điều tra làm rõ nguyên nhân (chiếm 53,5%), sự cố hệ thống và thiết bị điện là nguyên nhân hàng đầu với 169 vụ, chiếm tỷ lệ 70,4%. Thực trạng này cho thấy nhu cầu cấp thiết về các giải pháp phát hiện sớm hỏa hoạn nhằm bảo vệ tính mạng con người và tài sản.

Tuy nhiên, các hệ thống báo cháy hiện hành còn bộc lộ nhiều hạn chế về mặt kỹ thuật và triển khai:

  • Các hệ thống báo cháy có dây truyền thống đòi hỏi chi phí lắp đặt lớn, thi công phức tạp, khó áp dụng hiệu quả tại các hộ gia đình hoặc công trình quy mô nhỏ.
  • Các thiết bị báo khói độc lập dùng pin phổ biến trên thị trường thường thiếu khả năng kết nối mạng từ xa, không có cơ chế giám sát dung lượng pin và không thể gửi thông báo sự cố tức thời đến người dùng khi vắng nhà.
  • Các giải pháp không dây cự ly ngắn (Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave) gặp trở ngại về mức độ tiêu thụ năng lượng cao, dễ bị can nhiễu sóng, phạm vi truyền ngắn, đòi hỏi thiết bị trung gian (gateway/router) hoặc nguồn điện lưới liên tục, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn thông tin nếu cấu hình không đúng quy chuẩn.

Xuất phát từ các vấn đề trên, tác giả đã đề xuất đề tài nghiên cứu nhằm thiết kế và thi công một hệ thống báo khói không dây hoạt động độc lập, tiết kiệm năng lượng, ứng dụng công nghệ mạng diện rộng công suất thấp NarrowBand IoT (NB-IoT).

Mục tiêu cụ thể của đề tài được xác định gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo phần cứng hệ thống báo khói ứng dụng công nghệ NB-IoT sử dụng trong hộ gia đình, vận hành độc lập bằng nguồn pin, tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng nhằm kéo dài thời gian hoạt động và giảm thiểu nhu cầu bảo trì, thay pin.
  2. Thiết lập cơ chế đo lường định kỳ các thông số môi trường gồm nồng độ khói, nhiệt độ và độ ẩm, truyền dữ liệu về máy chủ thông qua mạng vô tuyến NB-IoT, sau đó đưa thiết bị vào chế độ ngủ sâu (tiết kiệm năng lượng) giữa các chu kỳ.
  3. Tích hợp khả năng phản ứng khẩn cấp: tự động kích hoạt còi cảnh báo tại chỗ và gửi tín hiệu báo động tức thời lên hệ thống máy chủ để cảnh báo qua ứng dụng di động và email ngay khi phát hiện nồng độ khói vượt ngưỡng an toàn.
  4. Xây dựng hệ thống phần mềm toàn diện gồm ứng dụng di động dành cho người dùng cá nhân (theo dõi thông số cảm biến, nhận cảnh báo cháy, quản lý thiết bị, gửi yêu cầu hỗ trợ) và trang web quản trị dành cho người quản lý (giám sát trạng thái hoạt động của các thiết bị, tra cứu lịch sử dữ liệu, quản lý tài khoản người dùng và xử lý sự cố).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình hệ thống phần cứng giám sát báo khói tích hợp cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, module truyền thông NB-IoT và hệ thống phần mềm giám sát đa nền tảng. Phạm vi nghiên cứu về không gian tập trung vào môi trường hộ gia đình nằm trong vùng phủ sóng mạng NB-IoT của các nhà mạng viễn thông tại Việt Nam; phạm vi về thời gian thực hiện và số liệu khảo sát gắn liền với giai đoạn hoàn thành đồ án tốt nghiệp vào giữa năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng các tiêu chuẩn kỹ thuật về mạng truyền thông không dây công suất thấp và kiến trúc hệ thống nhúng IoT:

  • Công nghệ mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) và NarrowBand IoT (NB-IoT): Công nghệ NB-IoT chuẩn hóa bởi 3GPP, hoạt động trên các băng tần viễn thông được cấp phép của mạng di động LTE (theo 3 phương thức: Standalone - độc lập ngoài băng tần LTE, Guard band - dải tần bảo vệ, và In-band - bên trong sóng mang LTE). Điểm mạnh của NB-IoT so với các mạng dùng băng tần không cấp phép (như LoRa, Sigfox) là không bị can nhiễu từ các nguồn sóng khác, đảm bảo độ tin cậy truyền dữ liệu, thông lượng đường truyền cao hơn và tận dụng hạ tầng viễn thông sẵn có của các nhà mạng.
  • Cơ chế tiết kiệm năng lượng PSM (Power Saving Mode): Tính năng cho phép thiết bị ngắt một phần ngăn xếp giao thức của chipset vô tuyến để hạ dòng tiêu thụ xuống mức micro-ampe mà vẫn giữ trạng thái đăng ký mạng với trạm phát sóng. Cơ chế này được kiểm soát bởi hai bộ định thời: bộ đếm thời gian hoạt động trước khi vào PSM ($T_{3324}$ - Active Timer) và bộ đếm thời gian định kỳ cập nhật vùng theo dõi ($T_{3412}$ mở rộng - Periodic TAU Timer). Nhờ đó, khi thức dậy để gửi dữ liệu, thiết bị không cần thực hiện lại chu trình tái kết nối mạng phức tạp.
  • Giao thức CoAP (Constrained Application Protocol): Giao thức truyền thông chuyên dụng cho các nút mạng IoT bị giới hạn tài nguyên tính toán và năng lượng. CoAP vận hành trên nền giao thức UDP theo mô hình Request/Response một - một, có kích thước tiêu đề gói tin rất nhỏ và giảm thiểu overhead đáng kể so với giao thức MQTT (vận hành trên TCP và cần duy trì kết nối liên tục với Broker).
  • Nguyên lý cảm biến khói quang điện (Photoelectric Smoke Sensor): Cảm biến sử dụng buồng quang học có chứa đèn LED phát chùm tia hồng ngoại và một cảm biến quang bố trí lệch hướng tia sáng. Khi khói thâm nhập vào buồng đo, các hạt khói làm tán xạ chùm sáng chiếu vào cảm biến quang, tạo ra mức tín hiệu điện áp tương ứng với mật độ khói, giúp phát hiện sớm các hiện tượng cháy âm ỉ trước khi bùng phát thành ngọn lửa.
  • Kiến trúc phần mềm Web/Mobile: Giao thức WebSocket cung cấp kênh truyền thông hai chiều toàn phần (full-duplex) có trạng thái giữa client và server để cập nhật dữ liệu thời gian thực theo từng kênh định danh ("room"); kiến trúc RESTful API trên nền giao thức HTTP sử dụng các phương thức chuẩn (GET, POST, PUT, DELETE) cho các chức năng xác thực người dùng và quản trị dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết về giao thức truyền thông, kiến trúc vi điều khiển tiêu thụ năng lượng siêu thấp và nguyên lý cảm biến đo đạc môi trường.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng: tính toán bảng cân bằng năng lượng nguồn, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử, thiết kế mạch in (PCB) đa lớp và chế tạo vỏ bảo vệ cơ khí.
  • Phương pháp phát triển phần mềm: xây dựng máy chủ xử lý giao thức CoAP, REST API, WebSocket; thiết kế cơ sở dữ liệu quan hệ; lập trình firmware nhúng trên vi điều khiển STM32 và xây dựng giao diện ứng dụng trên nền tảng Web và Android.
  • Phương pháp thực nghiệm đo đạc: sử dụng thiết bị đo chuyên dụng để kiểm tra dòng tiêu thụ ở các trạng thái hoạt động (Active, Idle/Wait, PSM) và kiểm thử thực tế khả năng phát hiện khói, truyền tin cảnh báo.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án bao gồm: số liệu thống kê phòng cháy chữa cháy từ Cục Cảnh sát Phòng cháy, chữa cháy và Cứu nạn, cứu hộ (tháng 02/2024); các báo cáo dự báo thị trường LPWAN toàn cầu của tổ chức IoT Analytics (giai đoạn 2015–2027); tài liệu kỹ thuật (Datasheet) chính thức của nhà sản xuất STMicroelectronics, Quectel, Holtek và Sensirion.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ tầng thiết bị phần cứng (Hardware Layer), tầng máy chủ trung gian (Server-Side) đến tầng ứng dụng người dùng và quản trị (Client-Side).

Thiết kế phần cứng

Phần cứng thiết bị báo khói được cấu thành từ 5 khối chức năng chính:

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển STM32L412KB dựa trên lõi ARM Cortex-M4. Dòng vi điều khiển này hỗ trợ nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng: Shutdown (16 nA), Standby (32 nA, hoặc 245 nA khi chạy bộ đếm thời gian thực RTC), Stop 2 (0,95 µA với RTC), và Stop 1 (3,65 µA với RTC). Trong thiết kế này, chế độ Stop 1 được lựa chọn để đảm bảo thiết bị thức dậy nhanh chóng khi có ngắt ngoại vi từ cảm biến hoặc bộ đếm thời gian định kỳ. Vi điều khiển giao tiếp với module truyền thông qua giao thức UART và đọc cảm biến nhiệt - ẩm qua giao thức I2C.
  • Khối mạng vô tuyến: Sử dụng module viễn thông Quectel BC660K-GL tích hợp khe cắm thẻ SIM vật lý và anten ngoài. Module này có mức tiêu thụ dòng cực thấp ở chế độ PSM là 800 nA, dòng ở chế độ chờ là 0,11 mA và dòng phát dữ liệu cực đại là 67 mA. Module hỗ trợ độ nhạy thu tín hiệu đạt -116 dBm và công suất phát sóng tối đa đạt 23 dBm (±2 dB).
  • Khối cảm biến:
    • Cảm biến khói quang học chuyên dụng BM22S2021-1, tích hợp sẵn MCU xử lý tín hiệu bên trong, giao tiếp qua UART với tốc độ 9600 bps, điện áp hoạt động từ 3,0V đến 5V, dải đo từ 0,1 đến 0,8 dB/m. Cảm biến có dòng tiêu thụ ở chế độ chờ dưới 15 µA và dòng khi báo động dưới 20 mA.
    • Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm kỹ thuật số SHT30, giao tiếp qua I2C, có sai số đo nhiệt độ ±0,2 °C và độ ẩm trong dải từ 0 đến 100% RH với sai số ±2% RH. Dòng tiêu thụ trung bình của SHT30 chỉ ở mức 1,7 µA.
  • Khối cảnh báo: Gồm một còi báo động SFM-27 (điện áp 3–24 VDC, dòng tiêu thụ 30 mA) được điều khiển đóng ngắt thông qua transistor nối với chân GPIO của STM32L412, kết hợp cùng một LED đơn cảnh báo trực quan (dòng 15 mA).
  • Khối nguồn và quản lý năng lượng: Toàn bộ mạch sử dụng nguồn pin đơn Li-ion 18650 có điện áp danh định 3,2V và dung lượng 3400 mAh. Mạch tích hợp IC hạ áp tuyến tính LDO MCP1700T-3.3V có dòng tĩnh cực thấp 1,5 µA và dòng cung cấp tối đa 250 mA cấp nguồn cho vi điều khiển STM32, cảm biến SHT30 và cảm biến BM22S2021-1. Module Quectel BC660K được cấp nguồn trực tiếp từ đường pin riêng biệt để đáp ứng các xung dòng lớn khi phát sóng vô tuyến. Để triệt tiêu hiện tượng sụt áp đột ngột gây hư hỏng cell pin và mạch điều khiển khi thiết bị thức dậy phát sóng, một siêu tụ lithium-ion (LIC) dung lượng 120F – điện áp 3,8V được mắc song song trực tiếp với pin 18650.

Bảng tính toán dòng tiêu thụ lý thuyết giữa hai chế độ hoạt động của phần cứng:

STT Tên linh kiện / Khối chức năng Số lượng Dòng tiêu thụ khi hoạt động (Active) Dòng tiêu thụ khi tiết kiệm năng lượng (PSM / Stop 1)
1 Vi điều khiển STM32L412KB 1 0,079 mA (79 µA) 0,0036 mA (3,6 µA)
2 Module NB-IoT Quectel BC660K-GL 1 67,000 mA (phát sóng) 0,0007 mA (0,7 µA)
3 Cảm biến khói BM22S2021-1 1 20,000 mA 0,0150 mA (15 µA)
4 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm SHT30 1 1,500 mA 0,0017 mA (1,7 µA)
5 Còi báo động SFM-27 1 30,000 mA 0,0000 mA (0 mA)
6 LED đơn báo trạng thái 1 15,000 mA 0,0000 mA (0 mA)
Tổng Tổng dòng tiêu thụ toàn hệ thống -- ~133,579 mA ~21,0017 µA (~21,1 µA)

Thiết kế phần mềm và máy chủ

  • Kiến trúc cơ sở dữ liệu: Hệ thống quản lý dữ liệu trên máy chủ lưu trữ thông qua các bảng quan hệ chính:
    • devices: Quản lý thông tin định danh phần cứng (deviceId, deviceName, secretKey, AlarmReport, roomId, created_at, updated_at, deleted_at).
    • sensors: Lưu trữ các giá trị đo môi trường (SmokeValue, AlarmStatus, Temperature, Humidity, thời gian tạo).
    • signal: Giám sát chất lượng kết nối mạng di động (Operator, ipAddress, tac, band, EARFCN, PCI, connectionStatus, RSRP, RSSI, RSRQ, cấu hình timer T3324, T3412).
    • history: Lưu vết liên kết các khóa ngoại của từng phiên truyền tin (deviceId, sensorsId, batteryId, signalId, simId).
    • sim và battery: Quản lý mã IMSI của thẻ SIM và dung lượng điện áp pin tương ứng.
  • Tầng truyền thông máy chủ:
    • Module CoAP: Tiếp nhận trực tiếp các gói tin UDP định kỳ và gói tin ngắt cảnh báo khẩn cấp từ thiết bị NB-IoT. Khi phát hiện giá trị khói vượt ngưỡng cảnh báo cháy, module CoAP lập tức kích hoạt dịch vụ thông báo đẩy (push notification) về điện thoại và gửi email cảnh báo tức thời cho người sử dụng.
    • Kênh WebSocket: Kết nối thời gian thực giữa máy chủ và ứng dụng di động. Người dùng khi đăng nhập sẽ được cấp mã định danh phòng (roomId) tương ứng với thiết bị sở hữu để nhận các bản tin cập nhật trạng thái ngay khi máy chủ nhận được dữ liệu.
    • Giao tiếp RESTful API: Cung cấp tập hợp các điểm cuối (endpoints) phục vụ tương tác dữ liệu và phân quyền người dùng (User và Moderator):
Phương thức Endpoint Phân quyền tối thiểu Chức năng mô tả
GET /devices Moderator Truy xuất danh sách toàn bộ thiết bị hoạt động trên hệ thống
POST /devices Moderator Khởi tạo và ghi nhận thiết bị mới vào hệ thống
POST /auth/register Không yêu cầu Đăng ký tài khoản người dùng mới
POST /auth/login Không yêu cầu Xác thực thông tin đăng nhập và cấp mã Token
POST /customer/:deviceId User Gán quyền quản lý thiết bị cụ thể vào tài khoản khách hàng
POST /messages User Khởi tạo phiên hội thoại trao đổi với bộ phận hỗ trợ kỹ thuật
POST /tickets User Tạo báo cáo sự cố hoặc yêu cầu hỗ trợ kỹ thuật

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày bối cảnh thực tiễn của công tác phòng cháy chữa cháy tại Việt Nam trong giai đoạn đầu năm 2024 dựa trên số liệu thống kê chi tiết các vụ cháy nổ, phân tích nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ chập điện và sự cố thiết bị tại đô thị. Tác giả tiến hành phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp báo khói truyền thống (có dây và dùng pin đơn lẻ) cũng như các công nghệ truyền thông không dây phổ biến trên thị trường (Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave). Qua đó, đề tài chỉ ra khoảng trống kỹ thuật về một thiết bị báo cháy vừa có khả năng vận hành độc lập bằng pin trong thời gian nhiều năm, vừa duy trì kết nối mạng diện rộng ổn định mà không phụ thuộc vào hạ tầng mạng cục bộ của công trình. Từ lập luận này, tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu, phạm vi giới hạn của đề tài và bố cục tổng thể của quyển báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết toàn diện cho việc xây dựng hệ thống. Tác giả làm rõ xu hướng chuyển dịch của hạ tầng kết nối IoT toàn cầu giai đoạn 2015–2025, đặc biệt là sự trỗi dậy của các công nghệ LPWAN. Nội dung chương tập trung phân tích sâu kiến trúc công nghệ NB-IoT, cơ chế hoạt động của 3 chế độ triển khai phổ tần trong LTE (Standalone, Guard band, In-band), và nguyên lý tối ưu hóa năng lượng của tính năng PSM thông qua các bộ định thời $T_{3324}$ và $T_{3412}$. Bên cạnh đó, chương này so sánh chi tiết giữa giao thức CoAP (hướng gói tin UDP nhẹ, Request/Response) và MQTT (hướng TCP, Publish/Subscribe), giải thích nguyên lý cảm biến quang điện tán xạ ánh sáng trong buồng khói, cũng như các tiêu chuẩn phần mềm hiện đại bao gồm giao thức truyền tin thời gian thực WebSocket và các nguyên tắc thiết kế dịch vụ web theo chuẩn RESTful API.

Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 3 là trọng tâm kỹ thuật của đồ án, mô tả chi tiết quy trình đặc tả yêu cầu, thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống và hiện thực hóa từng khối chức năng. Tác giả trình bày phương án tính toán dòng điện ở chế độ hoạt động bình thường (133,579 mA) và chế độ tiết kiệm năng lượng (21,1 µA), từ đó giải thích lý do lựa chọn từng linh kiện phần cứng cụ thể: vi điều khiển STM32L412KB, module Quectel BC660K-GL, cảm biến khói BM22S2021-1, cảm biến nhiệt - ẩm SHT30, còi SFM-27 và IC hạ áp LDO MCP1700T-3.3V. Điểm nổi bật trong thiết kế nguồn là việc bố trí siêu tụ LIC 120F – 3,8V song song với pin 18650 để bảo vệ cell pin và gánh các dòng phóng đỉnh tức thời. Ở phần phần mềm, tác giả cung cấp sơ đồ quan hệ thực thể của cơ sở dữ liệu, lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị (đăng ký mạng, đo cảm biến, gửi CoAP, chuyển trạng thái PSM, xử lý ngắt báo động khói), danh mục các API endpoint và lưu đồ tương tác của ứng dụng web quản trị và ứng dụng di động Android.

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương 4 công bố các kết quả thực nghiệm sau khi thi công chế tạo hoàn chỉnh hệ thống. Về mặt phần cứng, nhóm nghiên cứu đã hoàn thiện bo mạch in (PCB) nhỏ gọn, bố trí vừa vặn trong vỏ bảo vệ chuyên dụng. Về mặt phần mềm, giao diện ứng dụng web quản trị và ứng dụng di động trên hệ điều hành Android đã vận hành ổn định: cho phép người dùng xem dữ liệu môi trường thực tế, theo dõi biểu đồ lịch sử theo thời gian thực và nhận thông báo cảnh báo tức thì qua ứng dụng và email khi phát hiện khói bất thường. Tác giả tiến hành đo đạc thực tế mức năng lượng tiêu thụ qua 10 lần đo độc lập tại 3 giai đoạn: khi thiết bị thức dậy và gửi dữ liệu, dòng tiêu thụ trong giai đoạn nhàn rỗi chờ ngắt ($T_{3324}$), và dòng tiêu thụ trong chế độ ngủ sâu PSM. Dựa trên dữ liệu đo kiểm thực tế kết hợp với dung lượng pin 3400 mAh, tác giả lập bảng tính toán tuổi thọ hoạt động của thiết bị với các kịch bản phát dữ liệu định kỳ 1 lần/ngày và 2 lần/ngày.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu đặt ra ban đầu, xác nhận hệ thống báo khói NB-IoT hoạt động ổn định, đảm bảo tính năng cảnh báo kịp thời và tiêu thụ năng lượng cực thấp. Tác giả cũng thẳng thắn nêu rõ các mặt hạn chế còn tồn đọng và đề xuất các hướng nghiên cứu, cải tiến tiếp theo cho hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

  1. Thi công hoàn chỉnh thiết bị phần cứng báo khói độc lập:

    • Chế tạo thành công mạch in PCB tích hợp khối vi điều khiển STM32L412KB, module truyền thông Quectel BC660K-GL, khối cảm biến BM22S2021-1 và SHT30, khối còi báo SFM-27 và mạch quản lý nguồn bảo vệ pin với siêu tụ LIC 120F – 3,8V.
    • Thiết bị có khả năng tự động gia nhập mạng viễn thông NB-IoT, thu thập dữ liệu khói, nhiệt độ, độ ẩm và truyền thành công gói tin qua giao thức CoAP về máy chủ.
    • Cơ chế ngắt cảnh báo hoạt động chính xác: khi buồng quang phát hiện nồng độ khói vượt ngưỡng (từ 0,1 đến 0,8 dB/m), còi tại chỗ lập tức phát âm thanh cảnh báo và kích hoạt đường truyền khẩn cấp về máy chủ.

  2. Xây dựng hệ sinh thái phần mềm giám sát hoàn chỉnh:

    • Máy chủ trung gian xử lý song song các luồng CoAP (tiếp nhận bản tin từ thiết bị), RESTful API (xử lý logic nghiệp vụ) và WebSocket (cập nhật hiển thị thời gian thực theo từng roomId).
    • Ứng dụng di động Android cho phép người dùng quản trị danh sách thiết bị, giám sát trực quan các thông số môi trường, xem lịch sử dữ liệu và nhận thông báo đẩy cùng email cảnh báo khi có sự cố cháy.
    • Trang web quản trị cho phép bộ phận điều hành giám sát trạng thái trực tuyến của toàn bộ thiết bị trong hệ thống, tra cứu dữ liệu mạng di động (RSRP, RSSI, PCI, v.v.), quản lý người dùng và tiếp nhận các yêu cầu hỗ trợ (tickets).

  3. Kiểm chứng thực nghiệm về năng lượng và tuổi thọ pin:

    • Kết quả đo đạc thực tế khẳng định ở chế độ tiết kiệm năng lượng PSM, dòng tiêu thụ của toàn bộ mạch chỉ ở mức xấp xỉ 21,1 µA.
    • Các phép tính toán kỹ thuật dựa trên dữ liệu đo thực tế cho thấy với nguồn pin 18650 dung lượng 3400 mAh, hệ thống có khả năng hoạt động liên tục từ 5 đến 10 năm trong điều kiện gửi dữ liệu định kỳ từ 1 đến 2 lần mỗi ngày mà không cần thay pin hoặc can thiệp nguồn điện ngoài.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Đề xuất một mô hình giải pháp hệ thống báo cháy độc lập hoàn chỉnh ứng dụng công nghệ NB-IoT kết hợp giao thức CoAP, giải quyết triệt để nhược điểm phụ thuộc nguồn điện lưới và phạm vi hẹp của các hệ sinh thái Wi-Fi, Bluetooth hay Zigbee thông thường.
  • Ứng dụng thành công giải pháp kết hợp siêu tụ lithium-ion (LIC 120F - 3,8V) song song với cell pin dung lượng cao 18650, khắc phục hiện tượng sụt áp tức thời do xung dòng phát sóng vô tuyến lớn của module mạng di động, qua đó bảo vệ tuổi thọ hóa học của pin trong thời gian nhiều năm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được tác giả tự ghi nhận trong văn bản bao gồm:

  • Phụ thuộc hạ tầng mạng: Thiết bị chỉ có thể hoạt động tại những khu vực đã được các nhà mạng viễn thông phủ sóng công nghệ NB-IoT; tại những vùng chưa có sóng NB-IoT thì thiết bị không thể kết nối và truyền dữ liệu về hệ thống.
  • Hạn chế nền tảng ứng dụng: Ứng dụng di động cho người dùng cuối hiện mới chỉ được xây dựng và hỗ trợ trên hệ điều hành Android, đồng thời thiết bị di động phải duy trì kết nối Internet (4G hoặc Wi-Fi) liên tục để nhận cảnh báo.
  • Phạm vi đánh giá giao thức: Nghiên cứu mới chỉ tập trung triển khai và kiểm nghiệm thực tế giao thức CoAP cho thiết bị; chưa tiến hành các thử nghiệm đo đạc so sánh định lượng trực tiếp giữa CoAP với các giao thức khác (như MQTT) trên cùng một điều kiện phần cứng thực tế.
  • Tính thương mại hóa: Thiết bị được thiết kế và chế tạo phục vụ mục đích nghiên cứu thử nghiệm công nghệ mới, kiểu dáng công nghiệp và chi phí chế tạo mẫu chưa được tối ưu hóa cho quy trình sản xuất thương mại hàng loạt trên thị trường.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:

  • Mở rộng phát triển ứng dụng di động hỗ trợ đa nền tảng (bổ sung phiên bản cho hệ điều hành iOS).
  • Tối ưu hóa thiết kế mạch in, kích thước vỏ hộp bảo vệ và chi phí sản xuất phần cứng để hướng tới khả năng thương mại hóa sản phẩm.
  • Nghiên cứu tích hợp thêm các cảm biến khí độc phát sinh trong đám cháy (như CO, $CO_2$) và tiến hành đánh giá thực nghiệm chuyên sâu so sánh hiệu năng truyền tải giữa CoAP và các giao thức IoT khác.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo có giá trị cao đối với:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Hệ thống Nhúng và Mạng truyền thông - IoT đang thực hiện các đồ án chuyên ngành hoặc khóa luận tốt nghiệp liên quan đến thiết bị IoT hoạt động bằng pin chu kỳ dài.
  • Kỹ sư phát triển phần cứng nhúng: Tài liệu cung cấp chi tiết tính toán cân bằng năng lượng nguồn, mạch hạ áp LDO dòng tĩnh siêu thấp (MCP1700), phương pháp ứng dụng siêu tụ LIC để gánh xung phát vô tuyến, và kỹ thuật đưa vi điều khiển STM32L4 vào chế độ Stop 1 kết hợp module NB-IoT vào chế độ PSM.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống phần mềm IoT: Tài liệu cung cấp mô hình kiến trúc tích hợp đa giao thức: tiếp nhận dữ liệu cảm biến đầu cuối qua CoAP (UDP), phân phối dữ liệu thời gian thực lên giao diện người dùng qua WebSocket, quản trị người dùng qua RESTful API và mô hình hóa cơ sở dữ liệu quan hệ cho mạng cảm biến.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn công nghệ NB-IoT thay vì các công nghệ truyền thông không dây quen thuộc như Wi-Fi, Bluetooth hay Zigbee?
Các công nghệ Wi-Fi, Bluetooth và Zigbee có phạm vi kết nối ngắn, dễ bị can nhiễu sóng và đòi hỏi phải có nguồn điện liên tục hoặc phải thông qua thiết bị chuyển tiếp (gateway). Ngược lại, NB-IoT hoạt động trên băng tần viễn thông được cấp phép của mạng di động, có độ xuyên thấu tốt trong các tòa nhà, tầm phủ sóng rộng, độ bảo mật cao và hỗ trợ chế độ tiết kiệm năng lượng PSM giúp thiết bị hoạt động độc lập bằng pin trong nhiều năm mà không cần phụ thuộc vào hạ tầng mạng cục bộ của ngôi nhà.

2. Cơ chế tiết kiệm năng lượng PSM trên module Quectel BC660K vận hành như thế nào trong hệ thống?
PSM cho phép module NB-IoT vô hiệu hóa một phần ngăn xếp giao thức để giảm dòng tiêu thụ xuống chỉ còn 800 nA mà vẫn giữ nguyên thông tin đăng ký với mạng trạm phát. Cơ chế này kiểm soát bởi bộ định thời hoạt động $T_{3324}$ (thời gian nhàn rỗi lắng nghe tín hiệu tìm gọi) và bộ định thời $T_{3412}$ mở rộng (chu kỳ cập nhật khu vực theo dõi định kỳ). Nhờ duy trì trạng thái đăng ký, mỗi khi thức dậy để truyền dữ liệu, thiết bị không phải thực hiện lại quy trình gắn mạng (attach) phức tạp, giúp tiết kiệm năng lượng tối đa.

3. Vai trò của siêu tụ LIC 120F – 3,8V trong khối nguồn của thiết bị là gì?
Khi thiết bị thức dậy từ chế độ ngủ sâu để kích hoạt module vô tuyến phát sóng hoặc kéo còi cảnh báo, dòng điện tiêu thụ sẽ tăng vọt đột ngột (xung dòng truyền dữ liệu). Siêu tụ LIC mắc song song với pin 18650 đóng vai trò phóng dòng tức thời để bù đắp năng lượng, triệt tiêu hiện tượng sụt áp hệ thống, bảo vệ cell pin khỏi các xung đột điện áp và nâng cao tuổi thọ hoạt động của toàn bộ thiết bị.

4. Dữ liệu từ thiết bị gửi về máy chủ thông qua giao thức nào và được hiển thị đến người dùng ra sao?
Thiết bị phần cứng đóng gói dữ liệu cảm biến và gửi trực tiếp về máy chủ qua giao thức mạng CoAP trên nền UDP nhằm tối ưu hóa kích thước gói tin và giảm năng lượng tiêu hao. Tại máy chủ, dữ liệu được ghi vào cơ sở dữ liệu, đồng thời chuyển tiếp tức thời qua giao thức WebSocket đến ứng dụng di động của người dùng (thông qua định danh roomId). Khi có tín hiệu báo cháy, máy chủ lập tức kích hoạt dịch vụ thông báo đẩy (push notification) trên ứng dụng và gửi email cảnh báo cho người dùng.

5. Thời gian hoạt động dự kiến của thiết bị báo khói này là bao lâu khi sử dụng pin 3400 mAh?
Theo kết quả tính toán dựa trên dòng tiêu thụ đo đạc thực tế (dòng hoạt động xấp xỉ 133,579 mA và dòng chế độ tiết kiệm năng lượng khoảng 21,1 µA), hệ thống có khả năng hoạt động liên tục trong khoảng thời gian từ 5 đến 10 năm nếu được cấu hình tần suất gửi dữ liệu định kỳ từ 1 đến 2 lần mỗi ngày.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Ngô Đức Hiếu đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống báo khói không dây độc lập ứng dụng công nghệ NB-IoT, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về độ nhạy cảm biến, khả năng phản ứng khẩn cấp và tối ưu hóa năng lượng. Bằng việc phối hợp vi điều khiển STM32L412, module truyền thông Quectel BC660K ở chế độ PSM, siêu tụ LIC cùng giao thức CoAP siêu nhẹ, thiết bị đạt mức tiêu thụ dòng cực thấp ở trạng thái nghỉ và có tiềm năng vận hành lên tới 10 năm với một cell pin đơn 3400 mAh. Hệ thống phần mềm quản trị và ứng dụng di động đi kèm hoạt động ổn định, cung cấp giải pháp toàn diện từ giám sát thời gian thực đến cảnh báo hỏa hoạn đa kênh, mang lại giá trị thực tiễn cao cho công tác phòng cháy chữa cháy trong các hộ gia đình.