Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ thông tin và Internet vạn vật (IoT) phát triển mạnh mẽ, việc kết nối các cơ sở hạ tầng công cộng vào mạng lưới quản lý tập trung đang trở thành xu hướng tất yếu trong quá trình xây dựng đô thị thông minh. Trong hệ thống hạ tầng đô thị, chiếu sáng công cộng và chăm sóc mảng xanh là hai lĩnh vực tiêu tốn nhiều năng lượng và nhân lực vận hành. Thực tế vận hành cho thấy các hệ thống chiếu sáng truyền thống hoạt động kém linh hoạt; sau 22 giờ đêm, khi mật độ giao thông và người qua lại giảm mạnh, hệ thống đèn vẫn duy trì công suất tối đa như giờ cao điểm, gây lãng phí điện năng lớn trong bối cảnh nguy cơ thiếu hụt năng lượng gia tăng. Bên cạnh đó, công tác quản lý bảo trì thủ công gặp khó khăn trong việc phát hiện sự cố kịp thời, thiếu khả năng giám sát trạng thái thiết bị và thông số môi trường theo thời gian thực. Đối với hệ thống cây xanh, việc tưới nước không dựa trên độ ẩm thực tế của đất dễ dẫn đến tình trạng thừa hoặc thiếu nước, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của thực vật và lãng phí tài nguyên nước.

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển, giám sát hệ thống chiếu sáng và tưới cây thông minh cho công viên" được thực hiện nhằm giải quyết các tồn tại nêu trên thông qua việc ứng dụng công nghệ IoT và nguồn năng lượng tái tạo.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Tính toán, thiết kế hệ thống chiếu sáng đạt tiêu chuẩn kỹ thuật cho công viên sử dụng phần mềm chuyên dụng.
  2. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng điều khiển, giám sát một trụ đèn chiếu sáng và một van tưới cây tự động.
  3. Tích hợp các cảm biến đo lường dòng điện, điện áp, nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất về bộ xử lý trung tâm.
  4. Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu đám mây để lưu trữ, đồng bộ dữ liệu thời gian thực và phát triển ứng dụng di động phục vụ việc giám sát, điều khiển từ xa với hai chế độ thủ công (Manual) và tự động (Auto).
  5. Tính toán, thiết kế hệ thống cấp nguồn sử dụng pin năng lượng mặt trời làm việc độc lập nhằm cung cấp điện năng cho toàn bộ hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài tập trung vào vi điều khiển Arduino Nano, board mạch truyền thông NodeMCU ESP8266, các module cảm biến (ACS712, ZMPT101B, DHT11, cảm biến độ ẩm đất LM393), nền tảng Firebase, môi trường lập trình MIT App Inventor 2 và hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập. Phạm vi nghiên cứu về mặt thiết kế chiếu sáng áp dụng cho mặt bằng lối đi chính của công viên Mê Linh (Hà Nội) với diện tích 495 $\text{m}^2$ (không bao gồm chiếu sáng trang trí cảnh quan), và phạm vi thực nghiệm phần cứng được triển khai dưới dạng mô hình mẫu gồm một trụ đèn và một van tưới nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật chiếu sáng hiện hành, lý thuyết chuyển đổi quang điện, kỹ thuật xử lý tín hiệu cảm biến và kiến trúc phần mềm IoT phân tán.

Cơ sở tiêu chuẩn chiếu sáng

Thiết kế chiếu sáng tuân thủ Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCXDVN 333:2005 do Bộ Xây dựng ban hành. Tiêu chuẩn quy định các chỉ tiêu quang học về độ rọi ngang trung bình ($E_{n(tb)}$), tỷ số giữa độ rọi lớn nhất và độ rọi trung bình, cũng như chủng loại bóng đèn phù hợp cho từng khu vực trong công viên.

Đối tượng chiếu sáng Công viên đô thị lớn (lux) Vườn hoa đô thị lớn (lux) Đô thị vừa / Ngoại thành (lux) Đô thị nhỏ (lux)
Cổng vào chính 20 Không quy định 10 7
Cổng vào phụ 10 Không quy định 7 5
Đường trục chính 10 7 5 5
Đường nhánh, đường dạo 5 3 3 2
Sân hoạt động ngoài trời 10 10 7 5

Về mặt kỹ thuật nguồn sáng, tiêu chuẩn quy định sử dụng các dòng đèn cao áp thủy ngân, đèn cao áp Natri, Metal Halide và đèn huỳnh quang Compact với dải công suất từ 15W đến 400W tùy thuộc vị trí lắp đặt (đường dạo, sân bãi, cổng ra vào).

Lý thuyết hệ thống năng lượng mặt trời độc lập

Hệ thống quang điện độc lập (Standalone PV System) được xây dựng dựa trên nguyên lý biến đổi bức xạ mặt trời thành dòng điện một chiều thông qua tế bào quang điện Silic. Hệ thống bao gồm các thành phần:

  • Khối pin mặt trời (Solar Panel).
  • Bộ điều khiển sạc DC/DC (vận hành theo các cấu trúc Buck, Boost hoặc Buck-Boost nhằm ổn định điện áp và tối ưu điểm làm việc công suất).
  • Khối lưu trữ năng lượng (ắc-quy chì-axit hoặc kiềm với độ sâu xả nạp an toàn từ 15% đến 25% dung lượng còn lại).
  • Bộ nghịch lưu DC/AC (Inverter sóng sin chuẩn tần số cao hoặc tần số thấp để chuyển đổi sang điện áp 220VAC/50Hz).

Phương pháp tính toán dung lượng dựa trên tổng lượng điện tiêu thụ hàng ngày $P = \sum P_i$ (Wh), hệ số an toàn bức xạ và tổn hao hệ thống được lấy bằng 1,5:

$$\text{Năng lượng pin cần cấp} = \frac{\text{Tổng công suất tiêu thụ của tải}}{\text{Hiệu suất hệ thống}} \times 1{,}5$$

Công suất đỉnh của tấm pin ($W_p$) được xác định qua hệ số hấp thu bức xạ trung bình ngày ($kWh/m^2/\text{ngày}$). Dung lượng ắc-quy được tính toán dựa trên mức xả sâu (hệ số 0,6 đến 0,8), hiệu suất nạp xả (khoảng 80%) và số ngày dự phòng khi không có nắng (Autonomy days).

Nền tảng phần mềm và dịch vụ đám mây

  • DIAlux 4.13: Phần mềm tính toán chiếu sáng chuyên dụng tuân thủ tiêu chuẩn châu Âu (EN 12464, CEN 8995), cho phép nhập dữ liệu bản vẽ AutoCAD (DWG/DXF), tích hợp dữ liệu trắc quang (.IES, .LDT) từ các nhà sản xuất để mô phỏng phân bố độ rọi.
  • Google Firebase: Dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực (Realtime Database) dạng NoSQL, lưu trữ dữ liệu dưới cấu trúc JSON, giao tiếp qua giao thức bảo mật SSL, đồng bộ dữ liệu hai chiều giữa phần cứng và ứng dụng di động.
  • MIT App Inventor 2: Môi trường phát triển ứng dụng di động cho hệ điều hành Android dựa trên ngôn ngữ lập trình khối (Block-based programming).
  • Arduino IDE: Môi trường lập trình cho vi điều khiển trên nền tảng ngôn ngữ C/C++ và bộ thư viện Wiring.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Thiết kế chiếu sáng công viên Mê Linh bằng DIAlux

Mặt bằng công viên Mê Linh (Hà Nội) có diện tích 495 $\text{m}^2$, thuộc khu vực ngoại thành nên yêu cầu độ rọi tiêu chuẩn cho đường dạo là 5 lux theo TCXDVN 333:2005. Quá trình thiết kế được tiến hành qua các bước:

  1. Nhập bản vẽ mặt bằng AutoCAD vào DIAlux 4.13.
  2. Thiết lập thông số môi trường và định nghĩa các tuyến đường dạo chính.
  3. Lựa chọn bộ đèn chuyên dụng ngoài trời: Đèn LED CityCharm Cordoba BDS490 GRN40-/830 II S GRB DF GR MSP CLO, công suất 31W, quang thông 3400 lm, nhiệt độ màu 3000K.
  4. Bố trí vị trí cột đèn và tính toán trắc quang.

Kết quả mô phỏng cho thấy phân bố độ rọi tại các lối đi chính đạt từ 4 đến 5 lux (thể hiện qua biểu đồ màu vàng và xanh lá cây), đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn.

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ khối

Hệ thống điều khiển trung tâm được tổ chức thành 9 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

[Khối Cảm biến]                  [Xử lý & Điều khiển]             [Giao diện & Nguồn]
- Cảm biến dòng ACS712   --->                                 ---> [Server Firebase]
- Cảm biến áp ZMPT101B   --->  [Arduino Nano]                  <---         |
- Cảm biến nhiệt ẩm DHT11 --->         | (UART)                             v
- Cảm biến ẩm đất LM393  --->  [NodeMCU ESP8266]              ---> [App Android]
                                       |
                                       v
                               [Khối Relay 1 & 2]
                                       |
                                       v
                               [Đèn 220V & Van nước]
                                       ^
                                       |
                               [Nguồn Solar + DC/DC + Inverter]
Tên thiết bị / Module Thông số kỹ thuật chính trích xuất từ tài liệu Vai trò trong hệ thống
Arduino Nano Vi điều khiển ATmega328 (8-bit, 16MHz), 14 Digital I/O (6 PWM), 8 Analog In (10-bit), Flash 32KB, SRAM 2KB, điện áp hoạt động 5VDC. Đọc và xử lý tín hiệu từ toàn bộ các cảm biến đo lường.
NodeMCU Dev KIT SoC ESP8266, Wi-Fi 2.4GHz 802.11 b/g/n, Flash 4MB, bảo mật WPA/WPA2, tích hợp giao thức TCP/IP, điện áp hoạt động 3.3VDC. Nhận dữ liệu từ Arduino qua UART, truyền lên Firebase và xuất lệnh kích relay.
DHT11 Đo độ ẩm 20–80% RH (sai số ±5%), nhiệt độ 0–50°C (sai số ±2°C), tần số lấy mẫu 1Hz, tín hiệu Digital 1-wire. Giám sát thông số môi trường không khí tại công viên.
ACS712-05B Cảm biến dòng hiệu ứng Hall dải đo ±5A, độ nhạy 180–190 mV/A, thời gian đáp ứng 5µs, cách ly 2100V RMS. Đo dòng điện tiêu thụ của bóng đèn để phát hiện sự cố cháy/đứt tải.
ZMPT101B Biến áp đo điện áp xoay chiều tối đa 250VAC, ngõ ra Analog 0–5VDC, tích hợp chiết áp vi chỉnh. Giám sát điện áp lưới/nguồn cấp cho đèn.
Cảm biến ẩm đất Mạch so sánh LM393, đầu ra kép (DO mức số 0/1 và AO tương tự 0–5V), có biến trở vi chỉnh độ nhạy. Đo độ ẩm thảm cỏ/đất xung quanh trụ đèn để điều khiển van tưới.
Module Relay Đóng cắt tối đa 250VAC–10A / 30VDC–10A, dòng kích 80mA, tích hợp transistor và opto cách ly quang. Đóng ngắt nguồn cho đèn chiếu sáng và van điện từ tưới nước.
Nguồn tổ ong & LM2596 Nguồn tổ ong vào 185–260VAC ra 12VDC/5A; Mạch hạ áp LM2596 dòng tối đa 3A, hiệu chỉnh điện áp ra. Cung cấp nguồn DC ổn định cho các mạch điều khiển và cảm biến.

Lập trình và giao tiếp hệ thống

Hệ thống hoạt động trên quy trình xử lý đa cấp:

  1. Thu thập tín hiệu: Arduino Nano liên tục lấy mẫu dữ liệu từ cảm biến dòng điện ACS712, điện áp ZMPT101B, nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và độ ẩm đất LM393.
  2. Truyền thông nội bộ: Arduino Nano đóng gói chuỗi dữ liệu cảm biến và gửi sang NodeMCU ESP8266 thông qua giao tiếp nối tiếp UART.
  3. Đồng bộ đám mây: NodeMCU kết nối Wi-Fi tại trạm, phân tách chuỗi dữ liệu và đẩy lên các biến tương ứng trên Google Firebase Realtime Database.
  4. Giám sát và điều khiển trên ứng dụng di động: Ứng dụng Android (thiết kế trên MIT App Inventor 2) lắng nghe sự thay đổi trên Firebase để cập nhật lên giao diện người dùng:
    • Hiển thị giá trị dòng điện, điện áp, trạng thái đèn, nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất.
    • Giao diện quản lý vòng đời thiết bị: Cài đặt ngày lắp đèn, tính toán thời gian bảo dưỡng định kỳ và hiển thị cảnh báo khi đến hạn.
    • Giao diện cảnh báo sự cố: So sánh dòng điện thực tế với ngưỡng làm việc; nếu đèn bật nhưng không có dòng điện tiêu thụ, hệ thống phát tín hiệu cảnh báo hỏng hóc về điện thoại.
    • Điều khiển đóng/cắt: Gửi tín hiệu điều khiển thủ công hoặc cấu hình khung giờ tự động (cao điểm, thấp điểm, trời sáng) và ngưỡng độ ẩm đất để hệ thống tự động kích hoạt Relay 1 (đèn) và Relay 2 (van tưới).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày bối cảnh chuyển đổi số trong hạ tầng đô thị, đặt vấn đề về sự lãng phí năng lượng trong hệ thống chiếu sáng công cộng truyền thống sau 22 giờ đêm và tình trạng quản lý mảng xanh thủ công. Tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu là thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát thông minh cho đèn và van tưới công viên; xác định phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình một trụ đèn và một van tưới, ứng dụng phần mềm DIAlux thiết kế chiếu sáng cho lối đi chính công viên Mê Linh; đồng thời nêu bật ý nghĩa khoa học và thực tiễn của việc sử dụng năng lượng mặt trời độc lập kết hợp IoT.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Chương 2 tổng hợp cơ sở lý thuyết toàn diện phục vụ việc triển khai đề tài. Tác giả phân tích các tiêu chuẩn quang học theo TCXDVN 333:2005 (Bảng 2.1, 2.2, 2.3); giới thiệu chức năng tính toán trắc quang của phần mềm DIAlux 4.13; trình bày mục đích và ý nghĩa kỹ thuật của chế độ nước đối với sự phát triển của cây trồng. Chương này đi sâu vào nguyên lý hoạt động của nền tảng cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase, môi trường lập trình Arduino IDE, công cụ thiết kế ứng dụng MIT App Inventor 2, đồng thời liệt kê thông số kỹ thuật chi tiết của toàn bộ phần cứng (Arduino Nano, NodeMCU, ACS712, ZMPT101B, DHT11, cảm biến độ ẩm đất, Relay, LM2596, nguồn tổ ong). Cuối chương là lý thuyết tính toán hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập bao gồm pin quang điện, bộ điều khiển sạc DC/DC, bộ nghịch lưu Inverter DC/AC và ắc-quy lưu trữ.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương 3 tập trung vào quá trình tính toán và thiết kế kỹ thuật. Mở đầu là thiết kế chiếu sáng công viên Mê Linh diện tích 495 $\text{m}^2$ trên DIAlux sử dụng bộ đèn CityCharm Cordoba 31W (3400 lm, 3000K), kết quả phân bố độ rọi lối đi đạt 4–5 lux, thỏa mãn tiêu chuẩn 5 lux. Tác giả xây dựng sơ đồ khối 9 thành phần và thuyết minh nguyên lý vận hành hai chế độ (Manual/Auto) cho cả chiếu sáng và tưới cây. Chương này mô tả chi tiết sơ đồ kết nối chân giữa các cảm biến với Arduino Nano, giao tiếp UART giữa Arduino và NodeMCU, cấu hình kết nối Google Firebase (URL, Authentication Secret Token) và lập trình các khối Blocks trên MIT App Inventor 2. Phần cuối chương trình bày các bước tính toán hệ thống năng lượng mặt trời: tính tổng công suất tải Wh/ngày, tính công suất đỉnh tấm pin $W_p$ có xét hệ số an toàn 1,5, dung lượng bình ắc-quy dự phòng và lựa chọn công suất Inverter đáp ứng dòng khởi động.

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM, VẬN HÀNH

Chương 4 công bố kết quả chế tạo và thử nghiệm thực tế mô hình phần cứng. Tác giả hoàn thiện mạch điều khiển vi xử lý tích hợp, đóng tủ điều khiển công nghiệp và lắp đặt mô hình trụ đèn kết hợp van tưới hoạt động bằng nguồn pin năng lượng mặt trời. Các kết quả thử nghiệm ghi nhận:

  • Cảm biến DHT11, cảm biến độ ẩm đất, ZMPT101B và ACS712 đo lường chính xác các thông số vật lý và điện học.
  • Dữ liệu được đồng bộ liên tục lên cơ sở dữ liệu Firebase với độ trễ thấp.
  • Ứng dụng Android thực thi chính xác các chức năng: bật/tắt thủ công; tự động bật/tắt đèn theo cài đặt thời gian thực; tự động kích hoạt tưới cây khi độ ẩm đất xuống thấp; hiển thị trực quan thông số dòng/áp; phát cảnh báo khi dòng điện bất thường (sự cố bóng đèn) và hiển thị thông báo nhắc nhở khi đến chu kỳ bảo dưỡng.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Chương 5 tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ của đồ án, chỉ ra các ưu điểm về tính năng tự động hóa, tiết kiệm năng lượng và khả năng giám sát từ xa. Tác giả cũng thẳng thắn chỉ rõ các hạn chế hiện tại và vạch ra các hướng phát triển tiếp theo nhằm nâng cấp hệ thống thành giải pháp cảm biến đô thị toàn diện.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh và xây dựng ứng dụng điều khiển, giám sát thời gian thực với các kết quả cụ thể:

  • Thiết kế quang học: Đưa ra phương án bố trí chiếu sáng đạt chuẩn TCXDVN 333:2005 cho công viên Mê Linh (diện tích 495 $\text{m}^2$) với độ rọi trung bình các lối đi chính đạt 4–5 lux khi sử dụng đèn CityCharm Cordoba 31W (quang thông 3400 lm).
  • Hệ thống phần cứng và nguồn điện: Chế tạo thành công mạch điều khiển trung tâm tích hợp Arduino Nano, NodeMCU ESP8266, các mạch đo lường và khối công suất; lắp đặt hoàn chỉnh tủ điều khiển và trụ đèn hoạt động độc lập bằng nguồn pin quang điện kết hợp ắc-quy và bộ nghịch lưu Inverter.
  • Hoạt động điều khiển và đo lường:
    • Đo chính xác các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất) và thông số điện áp (ZMPT101B), dòng điện tiêu thụ (ACS712).
    • Điều khiển chiếu sáng linh hoạt ở chế độ bằng tay (Manual) và chế độ tự động (Auto) theo các khung giờ cao điểm, thấp điểm và trời sáng.
    • Tự động hóa quá trình tưới thảm cỏ dựa trên ngưỡng độ ẩm đất thực tế.
  • Chức năng cảnh báo và bảo trì: Ứng dụng di động phát cảnh báo tức thời khi đèn xảy ra sự cố điện (dòng/áp bất thường) và quản lý lịch bảo trì tự động dựa trên thời gian vận hành được cài đặt.

Giải pháp và kiến nghị đề xuất

  • Tích hợp đa chức năng trên cùng một hạ tầng trụ đèn: kết hợp chiếu sáng, chăm sóc cây xanh và trạm quan trắc môi trường nhằm tiết kiệm không gian và chi phí lắp đặt hạ tầng đô thị.
  • Ứng dụng cơ sở dữ liệu thời gian thực không người giám sát (Cloud Realtime DB) giúp các đơn vị quản lý công viên quản lý tập trung nhiều điểm nút thiết bị qua mạng Internet.
  • Khuyến nghị áp dụng mô hình chiếu sáng sử dụng 100% năng lượng mặt trời độc lập cho các công viên, vườn hoa đô thị nhằm giảm tải cho lưới điện quốc gia và bảo vệ môi trường.

Đóng góp về mặt kỹ thuật

  • Kết hợp hoàn chỉnh giữa phần mềm mô phỏng quang học chuyên dụng (DIAlux) và thiết kế hệ thống điều khiển phần cứng IoT thực tế.
  • Xây dựng thành công quy trình giao tiếp phân tầng: Arduino Nano chịu trách nhiệm thu thập tín hiệu thời gian thực từ cảm biến, NodeMCU ESP8266 chịu trách nhiệm truyền thông Wi-Fi và đồng bộ dữ liệu đám mây, giúp tối ưu hóa tài nguyên phần cứng và đảm bảo tính ổn định của hệ thống nhúng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Theo nội dung văn bản và phạm vi nghiên cứu được tác giả trình bày:

  • Mô hình thử nghiệm mới dừng lại ở quy mô đơn lẻ (mẫu một trụ đèn và một van tưới cây đại diện), chưa thử nghiệm mạng lưới nhiều điểm nút đồng thời tại thực địa công viên.
  • Phần thiết kế chiếu sáng trên DIAlux mới chỉ tập trung tính toán cho các tuyến đường dạo/lối đi chính, chưa bao gồm các hạng mục chiếu sáng cảnh quan, bồn hoa, đài phun nước hoặc chiếu sáng trang trí nghệ thuật.
  • Hệ thống truyền thông phụ thuộc vào kết nối mạng Wi-Fi tại khu vực đặt thiết bị; chưa trang bị các giao thức truyền thông không dây diện rộng công nghiệp (như LoRa, Zigbee hoặc mạng di động 4G/NB-IoT).

Hướng phát triển đề tài

Các hướng mở rộng được tác giả đề xuất bao gồm:

  • Mở rộng quy mô điều khiển và quản lý cho toàn bộ hệ thống chiếu sáng và tưới nước của công viên với số lượng lớn các trụ đèn và van phân khu.
  • Tích hợp thêm các cảm biến quan trắc môi trường đô thị nâng cao trên trụ đèn như: cảm biến đo chất lượng không khí, cảm biến đo lưu lượng phương tiện giao thông, mật độ đám đông và giám sát an ninh.
  • Nâng cấp phần mềm quản lý trên máy tính và phát triển ứng dụng di động đa nền tảng hoàn thiện hơn để quản trị hệ thống hạ tầng đô thị thông minh toàn diện.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa và IoT: Tham khảo cấu trúc thiết kế hệ thống nhúng kết hợp vi điều khiển ATmega328 và SoC ESP8266; phương pháp giao tiếp UART giữa hai vi điều khiển; cách tích hợp cảm biến dòng ACS712, cảm biến áp ZMPT101B, DHT11 và module relay.
  • Sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Chiếu sáng, Công trình Đô thị: Tham khảo phương pháp mô phỏng, tính toán độ rọi theo Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCXDVN 333:2005 trên phần mềm DIAlux 4.13.
  • Kỹ sư thiết kế năng lượng tái tạo: Tham khảo các công thức và quy trình tính toán công suất tấm pin mặt trời ($W_p$), dung lượng ắc-quy lưu trữ và lựa chọn bộ biến đổi DC/DC, Inverter cho các hệ thống phụ tải làm việc độc lập với lưới điện.
  • Người phát triển ứng dụng di động điều khiển thiết bị: Tham khảo phương thức kết nối, đồng bộ cơ sở dữ liệu thời gian thực giữa phần cứng với Google Firebase và xây dựng giao diện người dùng trên nền tảng MIT App Inventor 2.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại bóng đèn nào để mô phỏng chiếu sáng cho công viên Mê Linh trên phần mềm DIAlux?

Trong đồ án, nhóm tác giả lựa chọn loại đèn LED ngoài trời chuyên dụng CityCharm Cordoba BDS490 GRN40-/830 II S GRB DF GR MSP CLO với công suất tiêu thụ 31W, quang thông danh định 3400 lm và nhiệt độ màu 3000K để thực hiện mô phỏng trắc quang cho lối đi công viên Mê Linh trên phần mềm DIAlux 4.13.

2. Tiêu chuẩn nào được áp dụng để tính toán chiếu sáng và yêu cầu độ rọi cho công viên trong đề tài là bao nhiêu?

Hệ thống chiếu sáng được tính toán dựa trên Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCXDVN 333:2005. Đối với công viên Mê Linh (diện tích 495 $\text{m}^2$, nằm ở khu vực ngoại thành Hà Nội - thuộc nhóm đô thị vừa/ngoại thành), độ rọi ngang trung bình ($E_{n(tb)}$) quy định cho đường trục chính và đường dạo có nhiều cây xanh là 5 lux (kết quả mô phỏng trên DIAlux đạt dải độ rọi 4–5 lux, đáp ứng tiêu chuẩn).

3. Nguyên lý phát hiện sự cố hỏng bóng đèn của hệ thống được thực hiện như thế nào?

Hệ thống sử dụng cảm biến dòng điện ACS712-05B mắc nối tiếp với mạch cấp nguồn của bóng đèn. Khi vi điều khiển phát lệnh bật đèn qua Relay nhưng cảm biến ACS712 không ghi nhận dòng điện tiêu thụ (hoặc giá trị dòng điện sai lệch bất thường so với định mức), hệ thống sẽ xác định bóng đèn đã gặp sự cố (đứt bóng, hỏng nguồn) và tự động gửi cảnh báo tức thời lên Firebase để thông báo trên giao diện ứng dụng di động của người quản lý.

4. Hệ thống tưới cây tự động vận hành dựa trên cảm biến và thuật toán nào?

Hệ thống tưới nước sử dụng cảm biến độ ẩm đất tích hợp IC so sánh LM393. Cảm biến liên tục gửi giá trị độ ẩm tương tự (Analog) về Arduino Nano. Khi hệ thống ở chế độ tự động (Auto), nếu độ ẩm đất đo được giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt trước (đất bị khô), vi điều khiển sẽ xuất tín hiệu qua NodeMCU kích hoạt module Relay đóng mạch cấp điện cho van điện từ mở nước tưới; khi độ ẩm đất đạt mức bão hòa theo ngưỡng quy định, van sẽ tự động đóng lại.

5. Hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập được tính toán dựa trên các thành phần và hệ số an toàn nào?

Hệ thống pin mặt trời được tính toán dựa trên tổng điện năng tiêu thụ hàng ngày của toàn bộ phụ tải (đèn, van, mạch điều khiển) tính bằng Wh/ngày. Công suất tấm pin được nhân với hệ số an toàn 1,5 để bù trừ tổn thất hệ thống và những ngày bức xạ yếu; dung lượng bình ắc-quy được tính toán dựa trên mức xả sâu (hệ số 0,6–0,8), hiệu suất nạp xả (80%) và số ngày dự phòng không nắng (Autonomy days); bộ biến đổi Inverter DC/AC được chọn có công suất định mức lớn hơn công suất tải từ 125% đến 200% để chịu được dòng khởi động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển, giám sát hệ thống chiếu sáng và tưới cây thông minh cho công viên" của sinh viên Huỳnh Trung Tính và Ngô Minh Hoàng đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu từ tính toán lý thuyết, mô phỏng trắc quang đến thi công mô hình phần cứng thực nghiệm. Đề tài đã xây dựng thành công giải pháp tích hợp điều khiển chiếu sáng và tưới cây tự động, ứng dụng nền tảng IoT (Arduino, ESP8266, Google Firebase, MIT App Inventor 2) kết hợp nguồn năng lượng mặt trời độc lập, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật chiếu sáng theo TCXDVN 333:2005. Kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Tự động hóa và Hạ tầng đô thị thông minh.