Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong môi trường sản xuất công nghiệp, đặc biệt là các nhà máy may và khu chế xuất có diện tích mặt bằng lớn, việc phát hiện và truyền báo thông tin sự cố từ các chuyền may về phòng Kỹ thuật - Bảo trì đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tiến độ vận hành. Các công nghệ truyền thông không dây tầm ngắn phổ biến như Wi-Fi, Bluetooth hay ZigBee gặp nhiều hạn chế về cự ly truyền dẫn hoặc đòi hỏi thiết lập mạng lưới chuyển tiếp (mesh) phức tạp. Ngược lại, việc ứng dụng mạng di động tế bào (GSM/Cellular) để truyền tải các gói dữ liệu giám sát dung lượng nhỏ lại đòi hỏi chi phí đầu tư phần cứng cao và tiêu tốn nhiều năng lượng, không tối ưu cho các trạm cảnh báo sử dụng nguồn pin độc lập. Nhằm giải quyết bài toán truyền tin tầm xa với mức tiêu thụ năng lượng thấp (LPWAN), đề tài đã lựa chọn công nghệ điều chế RF LoRa để xây dựng hệ thống cảnh báo lỗi bán tự động cho nhà máy may.

Theo văn bản đồ án, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

Mục tiêu của đề tài:

  1. Xây dựng mô hình hệ thống cảnh báo lỗi bao gồm: trạm trung tâm điều khiển và các thiết bị ngoại vi (bàn phím, màn hình) được kết nối với nhau thông qua mạng không dây LoRa; xây dựng trang web hiển thị trạng thái lỗi.
  2. Xây dựng hệ thống cảnh báo lỗi sử dụng LoRa đạt khoảng cách truyền xa và phát tín hiệu thông báo đến người sử dụng.
  3. Phát triển định hướng ứng dụng cảnh báo trên thiết bị di động.
  4. Xây dựng giải pháp cảnh báo lỗi phù hợp cho các khu vực rộng lớn, địa hình phân tán như nhà xưởng sản xuất, khu công nghiệp hoặc tòa nhà.

Nhiệm vụ cụ thể:

  • Nhiệm vụ 1: Thiết lập giao tiếp truyền nhận dữ liệu giữa các khối Client - Client - Server (trong đó các khối Client gửi thông tin về khối Server trung tâm).
  • Nhiệm vụ 2: Hiển thị thông tin cảnh báo trên giao diện Web Server và kích hoạt ngõ ra báo động (chuông, đèn LED) khi có sự cố.
  • Cấu hình các thông số hoạt động của module LoRa và ghép nối module với vi điều khiển.
  • Lập trình đọc dữ liệu từ bàn phím ma trận, đối soát chuỗi mã lỗi để xuất tín hiệu điều khiển.
  • Thi công phần cứng hoàn chỉnh và vận hành thử nghiệm mô hình thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng thu phát không dây LoRa, vi điều khiển AVR, vi mạch giao tiếp mạng Ethernet và quy trình xử lý dữ liệu cảnh báo sự cố.
  • Phạm vi không gian: Hệ thống được tính toán, thiết kế và lắp đặt thực nghiệm tại Bộ môn Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi khoảng cách truyền nhận thực tế yêu cầu từ 200m đến 1500m.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai thực hiện từ tháng 03/2017 đến tháng 06/2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết truyền thông không dây trải phổ, kiến trúc vi điều khiển nhúng, các chuẩn giao tiếp nối tiếp và giao thức mạng Internet để xây dựng giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh:

  • Khung lý thuyết và công nghệ truyền thông:

    • Công nghệ LoRa (Long Range): Kỹ thuật điều chế tín hiệu vô tuyến dựa trên công nghệ trải phổ biến thể Chirp Spread Spectrum (CSS), được phát triển bởi Cycleo SAS (sau đó được Semtech mua lại), cho phép truyền dữ liệu tầm xa với độ nhạy thu cao và khả năng chống nhiễu vượt trội.
    • Vi mạch LoRa SX1278: Tích hợp trong module thu phát E32-TTL-100 / AS32-TTL-100 của nhà sản xuất Ashining, hoạt động trong dải tần số 410 - 441 MHz (tần số mặc định 433 MHz), công suất phát 20 dBm (100 mW), hỗ trợ 65.536 địa chỉ cấu hình, tốc độ truyền dữ liệu từ 0.2 Kbps đến 2.4 Kbps (mặc định 2.4 Kbps) và dung lượng gói truyền nhận tối đa 256 bytes.
    • Nền tảng vi điều khiển: Vi điều khiển 8-bit ATmega2560 trên bo mạch Arduino Mega 2560 (được sử dụng tại trạm Server trung tâm với 54 chân Digital I/O, 16 ngõ Analog, xung nhịp 16 MHz) và ATmega328P trên bo mạch Arduino Nano (sử dụng tại các trạm Client cảnh báo).
    • Giao tiếp mạng Ethernet: Vi mạch điều khiển W5100 trên bo mạch Arduino Ethernet Shield, hỗ trợ ngăn xếp giao thức mạng TCP/IP phần cứng để thiết lập Web Server giám sát.
    • Các chuẩn giao tiếp dữ liệu: Chuẩn UART bất đồng bộ (truyền nhận giữa vi điều khiển và module LoRa), chuẩn SPI đồng bộ 4 dây (giao tiếp giữa Arduino Mega và chip W5100), chuẩn giao tiếp hai dây I2C (kết nối màn hình hiển thị LCD 16x2) và giải thuật quét ma trận phím 4x4.

  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:

    • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, nghiên cứu tài liệu kỹ thuật về kiến trúc thanh ghi của IC SX1278, datasheet các bo mạch Arduino, cấu trúc tập lệnh AT và thông số chân AUX của module E32-TTL-100.
    • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) bằng phần mềm Proteus (ISIS); phân chia khối nguồn, khối xử lý, khối hiển thị và khối truyền thông.
    • Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử: Sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình giải thuật nhúng (ngôn ngữ Wiring / C/C++); sử dụng phần mềm SSCOM v3.2 và Hercules trên máy tính để cấu hình tham số LoRa qua cổng nối tiếp (COM ảo); kiểm tra quá trình truyền nhận dữ liệu thực tế tại hiện trường để đánh giá độ tin cậy và cự ly truyền dẫn.

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật trích xuất từ datasheet của hãng Semtech (SX1276/77/78/79), nhà sản xuất Ashining (E32-TTL-100), Atmel (ATmega2560, ATmega328P), Wiznet (W5100), kết hợp số liệu đo đạc thực nghiệm dòng tiêu thụ và khoảng cách truyền nhận trong quá trình thi công mạch.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mạng phân tán điểm - đa điểm (Point-to-Multipoint) gồm hai thành phần phần cứng chính: Khối cảnh báo (Client) lắp đặt tại các chuyền may và Khối xử lý trung tâm (Server) đặt tại phòng điều hành kỹ thuật.

Hạng mục phần cứng Khối cảnh báo (Client) Trạm xử lý trung tâm (Server)
Vi điều khiển chính Arduino Nano (ATmega328P, 16 MHz) Arduino Mega 2560 (ATmega2560, 16 MHz)
Module truyền thông RF E32-TTL-100 LoRa SX1278 (433 MHz) E32-TTL-100 LoRa SX1278 (433 MHz)
Giao tiếp mạng / Web Không tích hợp Arduino Ethernet Shield (W5100, SPI)
Thiết bị nhập liệu Bàn phím ma trận 4x4 (16 nút bấm) Tiếp nhận mã lệnh qua sóng LoRa
Thiết bị hiển thị tại chỗ LCD 16x2 (kết nối I2C qua SDA, SCL) LCD 20x4 / Màn hình máy tính qua Serial
Thiết bị cảnh báo sự cố LED trạng thái Đèn LED báo động và còi báo (Buzzer)
Khối nguồn nuôi Module hạ áp LM2596 (nguồn 7 - 12V/DC) Module hạ áp LM2596 (ngõ vào < 40V, ra 5V)
Chuẩn kết nối ngoại vi UART (LoRa), I2C (LCD), Digital I/O (Keypad) UART (LoRa), SPI (W5100), I2C/Digital I/O

Kiến trúc và cơ chế hoạt động của khối cảnh báo (Client)

Tại trạm cảnh báo, vi điều khiển Arduino Nano liên tục thực hiện giải thuật quét phím ma trận 4x4 theo cơ chế xuất mức logic 0 lần lượt ra từng hàng và kiểm tra trạng thái logic ở các cột. Khi công nhân vận hành nhấn phím báo lỗi, vi điều khiển thu nhận mã ký tự, đối soát với bảng điều kiện mã lỗi được nạp sẵn trong bộ nhớ. Nếu chuỗi mã lỗi hợp lệ, vi điều khiển xuất thông tin lên màn hình LCD 16x2 tại chỗ và đóng gói dữ liệu thành khung truyền UART để gửi sang module LoRa E32-TTL-100.

Module LoRa được cấu hình chế độ truyền cố định (Target Mode) kèm tiền tố địa chỉ hex và số kênh của trạm Server nhận (cú pháp: Địa chỉ Server + Kênh Server + C0 + Dữ liệu). Chân trạng thái AUX được vi điều khiển giám sát chặt chẽ: khi module bắt đầu nạp dữ liệu và phát sóng RF, chân AUX hạ xuống mức logic 0; khi quá trình truyền hoàn tất gói tin (tối đa 256 bytes), chân AUX kéo lên mức 1 để thông báo hệ thống sẵn sàng cho chu kỳ làm việc tiếp theo.

Kiến trúc và cơ chế hoạt động của trạm xử lý trung tâm (Server)

Trạm Server sử dụng Arduino Mega 2560 kết hợp với Ethernet Shield W5100 và module LoRa SX1278. Khối Server luôn ở trạng thái lắng nghe trên kênh tần số quy định. Khi nhận được gói dữ liệu không dây từ một trong các trạm Client gửi về, Arduino Mega tiến hành giải mã khung truyền, bóc tách địa chỉ trạm gửi và nội dung mã lỗi.

Sau khi đối soát mã lỗi, Server thực hiện đồng thời hai tác vụ:

  1. Kích hoạt còi báo động (Buzzer) và đèn LED cảnh báo tại phòng bảo trì để nhân viên kỹ thuật xử lý sự cố tại vị trí tương ứng.
  2. Xây dựng Web Server nhúng thông qua vi mạch W5100, liên tục cập nhật bảng trạng thái của từng trạm (Station ID, loại sự cố, thời gian, trạng thái kết nối) lên giao diện trang web nội bộ, cho phép giám sát trực quan từ máy tính trong mạng LAN.
[Bàn phím 4x4] -> [Arduino Nano (Client)] -> [LoRa SX1278] --(Sóng RF 433MHz)--> [LoRa SX1278] -> [Arduino Mega (Server)] -> [Ethernet W5100] -> [Web Server]
                                                  |                                                     |
                                            [LCD 16x2]                                            [Còi / Đèn LED]

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này tổng quan về các công nghệ truyền thông không dây phổ biến trên thị trường gồm Bluetooth 2.0 (tốc độ 3 Mbps, phạm vi khoảng 30m), ZigBee (tốc độ 256 Kbps, mạng mesh 75m - vài trăm mét), NFC (tốc độ vài Kbps, cự ly vài cm) và Wi-Fi. Tác giả phân tích nhu cầu truyền dữ liệu nhỏ ở cự ly xa của các thiết bị Internet of Things (IoT) và đưa ra lý do lựa chọn mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) với công nghệ RF LoRa (khoảng cách lý thuyết 3000m - 5000m). Từ đó, chương xác định mục tiêu, nhiệm vụ và bố cục 6 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết về thông số kỹ thuật và nguyên lý hoạt động của các phần cứng, chuẩn giao tiếp và phần mềm sử dụng trong hệ thống:

  • Module LoRa E32-TTL-100 và IC SX1278: Khảo sát 4 chế độ làm việc dựa trên mức logic của hai chân cấu hình M0 và M1 (Chế độ 0: Bình thường M1=0, M0=0; Chế độ 1: Báo thức M1=0, M0=1; Chế độ 2: Tiết kiệm pin M1=1, M0=0 với dòng tiêu thụ giảm theo bảng tỷ lệ baudrate; Chế độ 3: Ngủ/Cấu hình M1=1, M0=1 với dòng nghỉ 1.7 µA). Phân tích chức năng chân AUX và 3 phương thức truyền dữ liệu: truyền điểm - điểm (Point to Point), truyền chỉ định địa chỉ/kênh (Target) và truyền quảng bá (Broadcast qua địa chỉ 0xFFFF).
  • Nền tảng Arduino: Trình bày thông số kỹ thuật của bo mạch Arduino Mega 2560 (chip ATmega2560, 54 chân Digital, 16 chân Analog, điện áp hoạt động 5V, dòng tối đa mỗi chân I/O 40mA), bo mạch Arduino Nano (chip ATmega328P, kích thước 1.3 cm x 4.5 cm) và Arduino Ethernet Shield (chip mạng W5100 kết nối chuẩn SPI).
  • Ngoại vi và chuẩn truyền thông: Trình bày nguyên lý quét ma trận phím 4x4 (16 phím, 8 chân); module chuyển đổi giao tiếp I2C cho màn hình LCD 16x2; phân tích cấu trúc khung truyền UART (Start bit, Data bits D0-D7, Parity bit, Stop bit) và giao thức SPI 4 dây (SCK, MISO, MOSI, SS).
  • Công cụ phần mềm: Giới thiệu môi trường lập trình Arduino IDE, phần mềm thiết kế mạch Proteus ISIS và phần mềm kiểm tra cổng nối tiếp SSCOM v3.2 / Hercules.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 xây dựng các yêu cầu thiết kế hệ thống cảnh báo bán tự động có khả năng truyền xa từ 200m đến 1500m. Nội dung chương trình bày sơ đồ khối hệ thống tổng thể và các thiết kế chi tiết:

  • Thiết kế Khối cảnh báo (Client): Trình bày sơ đồ khối, lưu đồ thuật toán quét phím - kiểm tra mã lỗi, sơ đồ nguyên lý mạch điện tử và bản vẽ mạch in PCB (kích thước nhỏ gọn, tích hợp Arduino Nano, LoRa, LCD qua I2C và ngõ cấp nguồn qua module hạ áp LM2596 với mức điện áp vào 7 - 12V DC hoặc nguồn Pin).
  • Thiết kế Trạm xử lý trung tâm (Server): Trình bày sơ đồ khối, lưu đồ thuật toán phân loại dữ liệu trạm - kích hoạt còi/LED - cập nhật Web Server, sơ đồ nguyên lý ghép nối chồng lớp giữa Arduino Mega 2560, Ethernet Shield W5100, module LoRa và module hạ áp nguồn LM2596 (ngõ vào dưới 40V DC, ngõ ra 5V DC ổn định).
  • Quy trình cấu hình Module LoRa: Hướng dẫn cách tháo jumper kết nối, đưa LoRa về chế độ Sleep (M0=1, M1=1) và sử dụng mạch chuyển đổi USB-UART để thiết lập địa chỉ, số kênh, tốc độ truyền (baudrate) trên phần mềm máy tính.

Chương 4: Thi công và kết quả

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế các bo mạch phần cứng:

  • Chế tạo và đóng hộp hoàn chỉnh 02 trạm cảnh báo Client và 01 trạm trung tâm Server.
  • Kiểm tra các chức năng vận hành ngoại vi: kiểm tra khả năng bắt phím của ma trận nút bấm 4x4, khả năng hiển thị ký tự trên màn hình LCD 16x2 và LCD 20x4.
  • Triển khai giao diện Web Server trên nền tảng chip W5100, hiển thị bảng danh sách các trạm theo dõi, tình trạng kết nối và loại sự cố báo về theo thời gian thực.
  • Kiểm thử các tình huống mất kết nối: hệ thống nhận biết và thông báo trạng thái ngắt kết nối giữa các trạm cảnh báo với máy chủ trung tâm trên giao diện web.

Chương 5: Kết quả và thực nghiệm

Chương 5 tổng kết các nội dung thực nghiệm đã triển khai:

  • Kiểm tra khoảng cách truyền thực tế của module LoRa: Đo đạc khả năng thu phát tín hiệu vô tuyến của module E32-TTL-100 trong các điều kiện môi trường có vật cản và địa hình khác nhau, ghi nhận hệ thống đáp ứng tốt trong cự ly từ 200m đến 1500m.
  • Vận hành hệ thống thực tế: Tiến hành thao tác nhập mã lỗi ngẫu nhiên từ bàn phím tại các trạm Client; kiểm tra độ trễ truyền nhận, tính chính xác của chuỗi dữ liệu hex nhận được tại Server, khả năng kích hoạt còi báo động và tính đồng bộ khi đẩy dữ liệu lên trang Web Server.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ đề tài:

  • Đánh giá các ưu điểm nổi bật (kết nối không dây cự ly xa, tiêu thụ năng lượng thấp, cấu trúc phần cứng nhỏ gọn, dễ triển khai) và chỉ ra các mặt hạn chế còn tồn tại của hệ thống.
  • Đề xuất các phương hướng nghiên cứu, cải tiến mở rộng cho đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Thi công hoàn chỉnh hệ thống phần cứng: Xây dựng thành công mô hình thực tế gồm 02 khối cảnh báo (Client) và 01 khối máy chủ trung tâm (Server). Phần cứng trạm Client sử dụng vi điều khiển Arduino Nano, màn hình LCD 16x2 kết nối I2C và bàn phím 4x4; trạm Server kết hợp Arduino Mega 2560, Ethernet Shield W5100 và module LoRa SX1278.
  • Truyền thông vô tuyến ổn định: Thiết lập thành công giao thức truyền nhận điểm - đa điểm sử dụng chế độ truyền chỉ định Target Mode trên tần số 433 MHz, đảm bảo truyền tải các gói tin dữ liệu cảnh báo 256 bytes với cự ly thực tế đạt từ 200m đến 1500m trong điều kiện nhà xưởng/môi trường thực địa.
  • Giám sát trực quan qua mạng: Xây dựng hoàn chỉnh trang Web Server nhúng qua chip W5100, cho phép hiển thị tức thời mã lỗi, số hiệu trạm gặp sự cố và cảnh báo mất kết nối, kết hợp kích hoạt ngõ ra cảnh báo âm thanh (còi buzzer) và ánh sáng (LED) tại phòng máy chủ.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng công nghệ LoRa như một giải pháp thay thế hiệu quả cho các hệ thống cảnh báo có dây truyền thống hoặc các mạng không dây tầm ngắn trong nhà máy may, giúp giảm chi phí thi công dây dẫn phức tạp trong các phân xưởng diện tích lớn.
  • Khuyến nghị tối ưu hóa việc quản lý nguồn cung cấp cho các trạm Client bằng cách khai thác linh hoạt 4 chế độ hoạt động của module LoRa (chuyển sang chế độ tiết kiệm pin hoặc chế độ báo thức thông qua điều khiển hai chân M0, M1) kết hợp với các nguồn cấp độc lập như pin hoặc tấm năng lượng mặt trời.

Đóng góp của đề tài

  • Hiện thực hóa mô hình cảnh báo sự cố ứng dụng công nghệ LPWAN LoRa kết hợp giao thức mạng Ethernet, chứng minh tính khả thi của việc truyền tin công nghiệp khoảng cách xa với chi phí linh kiện thấp.
  • Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết bao gồm sơ đồ nguyên lý, bản vẽ mạch in PCB và lưu đồ thuật toán điều khiển xử lý dữ liệu cho hệ thống giám sát phân tán Client - Server.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống hoạt động theo mô hình bán tự động, phụ thuộc hoàn toàn vào việc thao tác nhập liệu thủ công của người vận hành trên bàn phím ma trận 4x4, chưa tích hợp các cảm biến thu thập tự động.
  • Việc đánh giá thời gian hoạt động liên tục và tuổi thọ pin của các trạm cảnh báo mới chỉ dừng lại ở mức độ định tính dựa trên thông số dòng tiêu thụ do nhà sản xuất công bố (1.7 µA ở chế độ ngủ), chưa có số liệu đo đạc xả pin thực tế trong thời gian dài.
  • Cấu hình truyền nhận dữ liệu của module LoRa chỉ mới được tối ưu hóa ở quy mô mô hình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
  • Chưa tích hợp module truyền thông qua mạng di động (GSM/GPRS) để gửi tin nhắn cảnh báo SMS hoặc gọi điện thoại trực tiếp khi hệ thống gặp sự cố mạng nội bộ.

Hướng nghiên cứu và phát triển

  • Tích hợp thêm các cảm biến tự động thu thập thông số môi trường và an toàn máy móc (cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khói, nồng độ khí CO/gas) tại các trạm Client để nâng cấp thành hệ thống cảnh báo sự cố tự động hoàn toàn.
  • Phát triển ứng dụng chuyên dụng cảnh báo và giám sát tình trạng lỗi trên thiết bị di động (smartphone).
  • Tích hợp module truyền thông mạng di động GSM/GPRS song song với Ethernet để tăng cường tính dự phòng, đảm bảo thông báo sự cố tức thời đến người quản lý ngay cả khi mất kết nối Internet có dây.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa thuật toán quản lý năng lượng vi điều khiển và thiết kế mạch nguồn sạc pin năng lượng mặt trời chuyên dụng cho các trạm ngoại vi đặt ở khu vực hẻo lánh.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Kỹ thuật Phần cứng, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa và Mạng máy tính / IoT.

Nội dung đồ án có giá trị tham khảo ứng dụng cao ở các phần:

  • Quy trình cấu hình và lập trình module LoRa E32-TTL-100 (SX1278): Cung cấp hướng dẫn chi tiết về cấu hình thanh ghi, chuyển đổi 4 chế độ hoạt động qua chân M0/M1, xử lý tín hiệu chân AUX và định dạng khung truyền dữ liệu mã Hex theo chế độ Target.
  • Thiết kế phần cứng giao tiếp hỗn hợp: Cung cấp sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh để kết nối vi điều khiển AVR với nhiều ngoại vi khác nhau (Ethernet Shield W5100 qua SPI, LCD qua module I2C, bàn phím quét ma trận 4x4 và module RF qua UART).
  • Xây dựng Web Server nhúng trên vi điều khiển: Cung cấp phương pháp hiện thực giao diện giám sát trạng thái thiết bị ngoại vi qua mạng nội bộ sử dụng phần cứng Arduino Mega 2560 và chip mạng W5100.

Câu hỏi thường gặp

Module LoRa SX1278 sử dụng trong đồ án hoạt động ở tần số nào và có công suất phát là bao nhiêu?
Module LoRa E32-TTL-100 (sử dụng IC chính SX1278 của nhà sản xuất Ashining) hoạt động trong dải tần số 410 - 441 MHz (tần số thiết lập mặc định là 433 MHz) với công suất phát tối đa là 20 dBm (tương đương 100 mW).

Làm thế nào để chuyển đổi các chế độ hoạt động của module LoRa E32-TTL-100?
Người dùng chuyển đổi chế độ hoạt động bằng cách thay đổi mức điện áp logic (0V hoặc 3.3V/5V) đưa vào hai chân điều khiển M0 và M1 của module:

  • Chế độ 0 (Bình thường): M1 = 0, M0 = 0
  • Chế độ 1 (Báo thức): M1 = 0, M0 = 1
  • Chế độ 2 (Tiết kiệm pin): M1 = 1, M0 = 0
  • Chế độ 3 (Ngủ / Cấu hình tham số): M1 = 1, M0 = 1

Thời gian chuyển đổi trạng thái của module là khoảng 1 ms.

Chân AUX trên module LoRa đóng vai trò gì trong quá trình truyền nhận dữ liệu?
Chân AUX là chân ngõ ra báo hiệu trạng thái hoạt động của module. Khi module LoRa đang trong quá trình truyền dữ liệu từ bộ đệm ra sóng vô tuyến, nhận dữ liệu vào hoặc đang trong tiến trình cấu hình thông số, chân AUX sẽ hạ xuống mức logic thấp (0). Khi quá trình truyền nhận hoặc cấu hình kết thúc, chân AUX chuyển lên mức logic cao (1).

Trạm xử lý trung tâm (Server) sử dụng vi điều khiển nào và kết nối Internet bằng phần cứng gì?
Trạm trung tâm sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 (dựa trên chip ATmega2560 của Atmel với 54 chân Digital I/O, xung nhịp 16 MHz), kết hợp với bo mạch mở rộng Arduino Ethernet Shield tích hợp chip W5100 giao tiếp qua chuẩn SPI để kết nối Internet và khởi tạo Web Server giám sát.

Khoảng cách truyền nhận dữ liệu thực tế của hệ thống đạt được trong điều kiện thử nghiệm là bao nhiêu?
Trong điều kiện lý tưởng của nhà sản xuất, module LoRa SX1278 có thể truyền tối đa 3000m. Trong quá trình vận hành và kiểm tra thực tế của đề tài tại môi trường nhà xưởng và khuôn viên lắp đặt, khoảng cách truyền nhận dữ liệu ổn định ghi nhận được từ 200m đến 1500m.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo lỗi nhà máy may sử dụng công nghệ truyền thông LoRa" của nhóm tác giả Nguyễn Tấn Triều và Phạm Quang Sáng đã giải quyết thành công bài toán truyền tin cảnh báo sự cố cự ly xa từ 200m đến 1500m trong môi trường công nghiệp. Hệ thống hoàn chỉnh gồm 02 trạm Client nhập liệu ma trận phím kết hợp màn hình hiển thị tại chỗ và 01 trạm Server trung tâm có khả năng kích hoạt chuông/đèn báo động đồng thời cập nhật trạng thái lên trang Web Server nội bộ qua chip mạng W5100. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, chứng minh khả năng tối ưu hóa chi phí và năng lượng của công nghệ LPWAN LoRa so với các phương thức truyền thông không dây truyền thống.