Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu, tình trạng suy thoái tài nguyên và áp lực nhân sinh đã gia tăng tần suất cũng như mức độ nghiêm trọng của thảm họa cháy rừng trên toàn thế giới. Cháy rừng gây tổn thất nặng nề đối với tính mạng con người, tài sản cơ sở vật chất, hệ sinh thái động thực vật và nguồn nguyên liệu tự nhiên. Việc phát hiện sớm và khoanh vùng đám cháy tại các khu vực lâm nghiệp rộng lớn đối mặt với rào cản lớn do địa hình phức tạp, hiểm trở và thiếu hụt hạ tầng thông tin liên lạc cố định.

Các phương thức giám sát truyền thống chủ yếu dựa trên hoạt động tuần tra, đánh giá thủ công tại chỗ của lực lượng kiểm lâm, bộc lộ rõ nhược điểm về sự phụ thuộc vào nhân lực, độ trễ thời gian cao và tính bất khả thi trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt hoặc đêm tối. Khi ứng dụng công nghệ mạng vạn vật kết nối (IoT), việc sử dụng các mạng internet truyền thống (như Wi-Fi hoặc mạng di động tế bào) gặp thách thức nghiêm trọng:

  • Khó khăn trong việc kéo đường truyền hoặc lắp đặt hạ tầng trạm phát tại vùng rừng núi hiểm trở.
  • Mức tiêu hao công suất của các giao thức Wi-Fi rất lớn, đòi hỏi nguồn cấp điện liên tục – điều kiện không thể đáp ứng đối với các thiết bị vận hành bằng pin độc lập ở vùng sâu, vùng xa.
  • Các giải pháp liên lạc qua vệ tinh tuy khả thi về mặt vùng phủ nhưng đi kèm chi phí vận hành và bản quyền dịch vụ rất cao.

Trong bối cảnh đó, công nghệ truyền thông không dây tầm xa công suất thấp LoRa (Long Range) xuất hiện như một giải pháp tối ưu hóa năng lượng và chi phí. LoRa cho phép truyền tải các gói tin dữ liệu cảm biến qua cự ly hàng kilomet với mức năng lượng tiêu thụ tối thiểu, giúp các điểm cảm biến đo đạc duy trì hoạt động lâu dài bằng nguồn pin mà không cần bảo dưỡng nguồn cấp thường xuyên.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát và cảnh báo cháy rừng sử dụng công nghệ LoRa" của tác giả Trần Đức Doãn và Nguyễn Tùng Lâm, dưới sự hướng dẫn của ThS. Huỳnh Hoàng Hà tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung giải quyết bài toán tự động hóa quá trình thu thập thông số môi trường rừng và đưa ra cảnh báo nguy cơ hỏa hoạn đa kênh.

Văn bản xác định các nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm gồm:

  1. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật và phạm vi đo thực tế của cảm biến báo cháy ngọn lửa LM393.
  2. Nghiên cứu đặc tính, nguyên lý chuyển đổi và khả năng nhận diện nồng độ khí của cảm biến khí gas/khói MQ-2.
  3. Nghiên cứu nguyên lý vận hành, thông số kỹ thuật và dải đo của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11.
  4. Nghiên cứu cấu hình, cơ chế truyền dẫn và đánh giá khoảng cách liên lạc của module truyền thông LoRa EBYTE E32-433T20DC kết hợp ăng-ten RF 433MHz.
  5. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh hệ thống thông tin liên lạc phần cứng gồm 03 trạm thu thập dữ liệu (node cảm biến) và 01 trạm thu nhận, xử lý trung tâm (node trung tâm).

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được xác định rõ:

  • Phạm vi không gian và quy mô: Triển khai thực nghiệm ở quy mô mô hình gồm 4 node (3 node thu thập dữ liệu và 1 node trung tâm), thử nghiệm truyền thông không dây ở các cự ly mặt đất và khảo sát ảnh hưởng khi thay đổi độ cao của node trung tâm.
  • Phạm vi công nghệ: Ứng dụng công nghệ LoRa trên băng tần không cấp phép 433MHz; hệ thống chưa mở rộng cấu trúc đa trạm thành mạng lưới LoRa MESH phức tạp.
  • Thời gian thực hiện: Tiến hành trong 15 tuần, từ ngày 09/09/2024 đến ngày 20/12/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết kỹ thuật điện tử, vi điều khiển nhúng và truyền thông vô tuyến:

  1. Công nghệ truyền thông LoRa (Long Range): Sử dụng kỹ thuật điều chế phổ trải rộng Chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS) do Semtech phát triển, trong đó tín hiệu dữ liệu được mã hóa bằng các xung chirp biến đổi tần số tuyến tính. Cấu trúc gói tin LoRa bao gồm các trường: Preamble (chuỗi đồng bộ hóa bên nhận), Header (chứa thông tin chiều dài gói và mã sửa lỗi, mã hóa với Coding Rate 4/8), Payload (tải trọng dữ liệu tầng MAC) và trường kiểm tra lỗi PayloadCRC. Các tham số chính quyết định hiệu năng truyền dẫn gồm:
    • Hệ số trải phổ (Spreading Factor - SF): Cấu hình từ SF6 đến SF12. Giá trị SF càng cao, số lượng xung chirp càng nhiều, độ nhạy máy thu và khoảng cách liên lạc càng lớn nhưng thời gian truyền gói (Time-on-Air) tăng lên và tốc độ truyền giảm.
    • Băng thông (Bandwidth - BW): Độ rộng dải tần dao động của tín hiệu chirp.
    • Tỷ lệ mã hóa (Coding Rate - CR): Tỷ lệ bit bảo vệ chống lỗi kênh truyền.
  2. Chuẩn giao tiếp nối tiếp không đồng bộ UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Được cấu hình để truyền dữ liệu nối tiếp hai chiều giữa các bộ vi điều khiển (ESP32, Arduino Nano) và module LoRa E32 thông qua cặp chân phát (TX) và nhận (RX). Giao tiếp này vận hành ở tốc độ baud định sẵn (mặc định 9600 bps), cho phép sai lệch xung nhịp cho phép tối đa trong ngưỡng 10%.
  3. Nền tảng vi điều khiển:
    • ESP32: Vi xử lý 32-bit Tensilica Xtensa LX6 hai nhân với tần số xung nhịp tối đa 240 MHz, bộ nhớ SRAM 520 KB, Flash 4 MB, tích hợp bộ thu phát Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n và Bluetooth, hỗ trợ 34 chân GPIO cùng các ngoại vi phần cứng ADC, I2C, SPI, UART.
    • Arduino Nano: Vi điều khiển 8-bit ATmega328P hoạt động ở xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 32 KB, SRAM 2 KB, EEPROM 1 KB, tích hợp chip chuyển đổi nạp chương trình USB-to-UART CH340G.
  4. Nguyên lý chuyển đổi vật lý của cảm biến:
    • DHT11: Đo độ ẩm bằng cảm biến điện dung dựa trên sự thay đổi điện dung của lớp vật liệu nền polymer hút ẩm kẹp giữa hai điện cực; đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở NTC (Negative Temperature Coefficient) có giá trị điện trở phi tuyến nghịch biến với nhiệt độ.
    • MQ-2: Cảm biến hóa học oxit kim loại (Chemiresistor) với vật liệu nhạy khí Thiếc Dioxit ($SnO_2$) phủ trên lõi gốm Nhôm Oxit ($Al_2O_3$). Khi nung nóng ở 5V, phân tử oxy hấp phụ tạo hàng rào thế năng ngăn dòng điện. Khi xuất hiện các khí khử (LPG, CO, Methane, khói), phản ứng khử oxy giải phóng electron vào vùng dẫn của $SnO_2$, làm giảm điện trở cảm biến tỉ lệ thuận với nồng độ khí.
    • LM393 Flame Sensor: Sử dụng photodiode hồng ngoại YG1006 nhạy với dải bước sóng bức xạ quang từ 760 nm đến 1100 nm phát ra từ ngọn lửa, kết hợp mạch so sánh điện áp LM393 để xuất tín hiệu mức logic (D0) và tín hiệu tương tự (A0).
  5. Giao thức mạng và dịch vụ thông báo: Giao thức truyền thư điện tử SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) sử dụng thư viện ESP-Mail-Client; giao diện lập trình ứng dụng Telegram Bot API thông qua thư viện Universal Telegram Bot; cơ sở dữ liệu thời gian thực Google Firebase Realtime Database.

Phương pháp nghiên cứu

Nhóm tác giả kết hợp ba phương pháp nghiên cứu cụ thể:

  • Phương pháp tìm kiếm và nghiên cứu tài liệu: Thu thập, đối chiếu thông số từ datasheet chính hãng của nhà sản xuất (Semtech, EBYTE, Espressif Systems, Atmel) nhằm xác định cấu hình phần cứng tối ưu.
  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Phân rã mục tiêu toàn cục của hệ thống thành các khối chức năng độc lập (khối xử lý, khối cảm biến, khối truyền thông LoRa, khối hạ áp/nguồn, khối hiển thị và giao tiếp mạng), sau đó tích hợp đồng bộ về mặt vật lý và giải thuật.
  • Phương pháp thử nghiệm thực tế: Xây dựng mô hình mạch vật lý, nạp chương trình nhúng, tiến hành kích hoạt các trạng thái đo đạc giả lập và sự cố cháy (nguồn nhiệt, khói khí, ngọn lửa mở), đo lường thời gian đáp ứng và kiểm tra suy hao khoảng cách truyền sóng LoRa trong môi trường thực địa.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc tổng thể và sơ đồ khối

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc phân tán gồm hai tầng chức năng chính:

  • Tầng biên thu thập dữ liệu (3 Node cảm biến):
    • Node 1: Độc lập thu thập dữ liệu môi trường và truyền trực tiếp về Node trung tâm qua LoRa.
    • Node 2: Vừa thu thập dữ liệu tại chỗ, vừa đóng vai trò node định tuyến trung gian (repeater).
    • Node 3: Vị trí cách xa trung tâm, không liên lạc trực tiếp được với Node trung tâm, thực hiện trao đổi dữ liệu với Node 2 để gửi thông tin gián tiếp về trung tâm.
  • Tầng điều khiển và cảnh báo (Node trung tâm): Tiếp nhận dữ liệu LoRa từ Node 1 và Node 2, giải mã gói tin, hiển thị tại chỗ lên màn hình LCD 20x4, cập nhật thông số lên nền tảng Firebase, đồng thời khi có chỉ số vượt ngưỡng nguy hiểm sẽ phát còi buzzer cảnh báo tại trạm, gửi tin nhắn đến Telegram và gửi thư điện tử qua máy chủ SMTP.

Lựa chọn linh kiện và công nghệ phần cứng

Dưới đây là các bảng so sánh chỉ số kỹ thuật làm căn cứ lựa chọn linh kiện trong văn bản:

So sánh vi điều khiển

Tiêu chí Arduino Nano Arduino Uno ESP32
Kiến trúc ATmega328P (8-bit) ATmega328P (8-bit) Xtensa 32-bit Dual-core
RAM / Flash 2 KB / 32 KB 2 KB / 32 KB 520 KB / 4-16 MB
Tần số xung nhịp 16 MHz 16 MHz 160 - 240 MHz
Chân GPIO 22 (14 digital, 8 analog) 20 (14 digital, 6 analog) 34 - 38 chân
Kết nối mạng Không Không Wi-Fi 802.11 b/g/n, Bluetooth
Giao tiếp ngoại vi UART, SPI, I2C UART, SPI, I2C UART, SPI, I2C, CAN, Ethernet
Kích thước 45 x 18 mm 68.4 x 53.4 mm 58 x 28 mm
Chi phí 70.000 VNĐ Cao hơn Nano 115.000 VNĐ

Đánh giá: Nhóm nghiên cứu lựa chọn phối hợp cả hai loại: Arduino Nano được chọn cho node thu thập nhằm tiết kiệm chi phí và kích thước nhỏ gọn; ESP32 được chọn cho node trung tâm do yêu cầu kết nối Wi-Fi/Internet để đẩy dữ liệu lên Cloud và gửi cảnh báo, đồng thời dùng thử nghiệm trên một node thu thập để kiểm chứng đa nền tảng.

So sánh cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm

Thông số DHT11 DHT22 SHT31/SHT35 BME280 AM2305
Dải nhiệt độ 0°C đến 50°C -40°C đến 80°C -40°C đến 125°C -40°C đến 85°C -40°C đến 80°C
Sai số nhiệt độ $\pm2^\circ\text{C}$ $\pm0.5^\circ\text{C}$ $\pm0.2^\circ\text{C}$ $\pm0.5^\circ\text{C}$ $\pm0.3^\circ\text{C}$
Dải độ ẩm 20% đến 90% RH 0% đến 100% RH 0% đến 100% RH 0% đến 100% RH 0% đến 100% RH
Sai số độ ẩm $\pm5%$ RH $\pm2%$ RH $\pm2%$ RH $\pm3%$ RH $\pm2%$ RH
Giao tiếp Digital (1-Wire) Digital (1-Wire) I2C / SPI I2C / SPI Digital (1-Wire)
Giá thành 14.000 VNĐ Cao hơn Cao Cao Cao

Đánh giá: DHT11 được lựa chọn do chi phí thấp, đáp ứng đủ yêu cầu phát hiện sự thay đổi bất thường về nhiệt - ẩm khi xảy ra hỏa hoạn và giao tiếp 1-Wire đơn giản.

So sánh cảm biến phát hiện khí và khói

Thông số MQ-2 MQ-3 MQ-5 MQ-7 MQ-135
Khí phát hiện chính LPG, Methane, Butan, Khói Cồn, Ethanol LPG, Khí tự nhiên, Methane Carbon Monoxide (CO) Amoniac, Benzen, Khói
Độ nhạy Cao Trung bình Cao Cao Trung bình
Điện áp hoạt động 5V DC 5V DC 5V DC 5V DC 5V DC
Thời gian khởi động 20 giây 20 giây 20 giây 60 giây 60 giây
Dải đo nồng độ 200 - 10000 ppm 100 - 1000 ppm 200 - 10000 ppm 20 - 2000 ppm 10 - 1000 ppm
Chi phí 21.000 VNĐ Tương đương Tương đương Cao hơn Tương đương

Đánh giá: MQ-2 là lựa chọn tối ưu cho hệ thống báo cháy nhờ độ nhạy bao quát các thành phần khí đặc trưng sinh ra từ đám cháy (khói, khí hydrocacbon dễ cháy), điện áp 5V và khởi động nhanh.

So sánh module truyền thông LoRa

Tham số EBYTE E32-433T20DC RF Ra-02 Heltec LoRa ESP32 RFM95W
Chip xử lý vô tuyến SEMTECH SX1278 SEMTECH SX1278 SX1278 / SX1276 SX1276
Băng tần 410 - 441 MHz (chuẩn 433) 433 MHz 433 / 868 / 915 MHz 868 / 915 MHz
Công suất phát 20 dBm (100 mW) 18 dBm 20 dBm 20 dBm
Cự ly lý thuyết Lên đến 3000 m Lên đến 5000 m Lên đến 5000 m Lên đến 5000 m
Chuẩn giao tiếp UART (mức logic TTL) SPI SPI / I2C / UART SPI

Đánh giá: E32-433T20DC được chọn do tích hợp vi xử lý chuyển đổi giao thức trong suốt qua UART, giảm thiểu tải lập trình giao tiếp SPI phức tạp trên vi điều khiển, vận hành ổn định với ăng-ten cắm ngoài trở kháng 50 $\Omega$ cổng SMA-K.

Giải thuật điều khiển hệ thống

Quy trình vận hành logic của toàn hệ thống được xây dựng trên hai lưu đồ giải thuật độc lập nhưng tương thích:

  1. Lưu đồ giải thuật Node trung tâm:
    • Khởi tạo phần cứng (màn hình LCD, module LoRa, module Wi-Fi, kết nối cơ sở dữ liệu Firebase và các cổng GPIO).
    • Chạy hàm Bắt_tay(): Phát tín hiệu vô tuyến để quét và nhận diện các node thu thập dữ liệu trong vùng phủ sóng LoRa. Mỗi node có cửa sổ thời gian cố định để phản hồi. Nếu chưa có node kết nối, hàm Bắt_tay() tiếp tục quét lại.
    • Khi đã thiết lập liên kết, Node trung tâm gửi bản tin yêu cầu dữ liệu lần lượt tới từng node và thực thi hàm Nhận().
    • Nhận gói tin trả lời, bóc tách và giải mã dữ liệu các trường: nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas và trạng thái ngọn lửa.
    • Lưu trữ dữ liệu vào bộ nhớ và đồng bộ lên Firebase.
    • Kiểm tra ngưỡng an toàn: Nếu phát hiện dấu hiệu cháy rừng (tín hiệu cảm biến ngọn lửa hoặc nhiệt độ/khói vượt mức cho phép), Node trung tâm bật còi báo động Buzzer tại chỗ, kích hoạt bot Telegram gửi thông báo khẩn cấp và gọi hàm Gửi_email() (kết nối máy chủ SMTP, đăng nhập tài khoản xác thực và gửi email cảnh báo kèm định danh node phát hiện sự cố).
    • Tương tác nút bấm: Khi người dùng nhấn nút trên node trung tâm, nội dung hiển thị trên LCD lần lượt chuyển đổi giữa các node cảm biến; sau khi duyệt hết một vòng danh sách, còi Buzzer được ngắt trạng thái kêu.
  2. Lưu đồ giải thuật các Node thu thập dữ liệu:
    • Khởi tạo cổng truyền thông LoRa và cấu hình đọc dữ liệu các cảm biến.
    • Chạy hàm Bắt_tay(): Lắng nghe tín hiệu đồng bộ từ Node trung tâm. Nếu nhận được, gửi gói tin xác nhận về trung tâm và thiết lập địa chỉ trung tâm làm "địa chỉ Cha".
    • Trường hợp hết thời gian chờ mà không thấy tín hiệu từ Node trung tâm (đối với Node 3 ở xa), node chuyển sang thực thi hàm Trả_lời(). Gói tin đầu tiên nhận được từ node lân cận sẽ được gán địa chỉ nguồn đó làm "địa chỉ Cha".
    • Tiếp nhận bản tin yêu cầu từ "địa chỉ Cha", tiến hành đọc mẫu dữ liệu từ DHT11, MQ-2, LM393, đóng gói dữ liệu và phát bản tin phản hồi về "địa chỉ Cha".
    • Cập nhật danh sách trạng thái của các node cấp dưới (con). Nếu có node cấp dưới cần gửi tin, node trung gian (Node 2) phát lệnh yêu cầu tới node đó, kích hoạt hàm Chuyển_tin() để nhận gói dữ liệu từ node con và chuyển tiếp (forward) ngược về "địa chỉ Cha" cho đến khi về tới Node trung tâm.
    • Sau khi hoàn tất chu trình trả lời, node thực hiện kiểm tra ngắt trạng thái cảm biến lửa LM393 nhằm chủ động gửi cảnh báo khẩn cấp tức thời về địa chỉ Cha khi phát hiện cháy mà không cần đợi chu kỳ yêu cầu dữ liệu định kỳ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này phác thảo thực trạng gia tăng nguy cơ hỏa hoạn do biến đổi khí hậu và tác động môi trường. Tác giả phân tích những hạn chế của các phương pháp giám sát truyền thống dựa vào con người và rào cản chi phí, nguồn điện khi dùng Wi-Fi hoặc vệ tinh trong rừng sâu. Từ đó, tác giả xác định mục tiêu thiết kế hệ thống báo cháy không dây dựa trên LoRa gồm 3 node thu thập và 1 node trung tâm, nêu rõ phạm vi giới hạn mô hình 4 node, giới thiệu 3 phương pháp nghiên cứu (thử nghiệm, phân tích tổng hợp, tra cứu tài liệu) và kết cấu 5 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 trình bày chi tiết về phần cứng và giao thức truyền thông:

  • Phần mềm: Tổng quan môi trường lập trình Arduino IDE (ngôn ngữ C/C++), thư viện kết nối Telegram API (Universal Telegram Bot) và thư viện gửi email qua máy chủ SMTP (ESP-Mail-Client).
  • Vi điều khiển: Phân tích cấu trúc phần cứng, sơ đồ chân GPIO và thông số kỹ thuật của ESP32 (LX6 Dual-core 240MHz, 34 GPIO) và Arduino Nano (ATmega328P 16MHz, chip nạp CH340G).
  • Linh kiện thu phát LoRa và phụ trợ: Cấu tạo và chế độ làm việc của module EBYTE E32-433T20DC (công suất 20 dBm, IC SEMTECH SX1278), ăng-ten 433MHz độ lợi 3dBi đầu nối SMA đực, mạch ổn áp xung LM2596S (hạ áp 5V/3A, hiệu suất tối đa 96%), còi Buzzer 5V (<25mA) và module I2C chuyển đổi giao tiếp cho màn hình LCD qua 2 chân SCL/SDA.
  • Nguyên lý cảm biến: Phân tích chi tiết quy trình thiêu kết và đặc tính điện trở của NTC, cảm biến độ ẩm điện dung trên DHT11; cơ chế tương tác oxy hóa khử của màng bán dẫn $SnO_2$ trên MQ-2; đặc tính thu nhận bức xạ hồng ngoại của cảm biến ngọn lửa LM393.
  • Lý thuyết truyền thông: Nguyên lý điều chế Chirp Spread Spectrum của LoRa, cấu trúc gói tin (Preamble, Header, Payload, CRC), các thông số SF, BW, CR; phân tích các nhân tố làm suy hao khoảng cách thực tế (vật cản địa hình, tán lá rậm rạp, nhiễu tần số vô tuyến, giới hạn công suất pháp lý, độ nhạy máy thu); nguyên lý truyền nhận nối tiếp không đồng bộ của chuẩn giao tiếp UART.

Chương 3: Thiết kế và thi công

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình hiện thực hóa giải pháp:

  • Thiết lập sơ đồ khối hệ thống và sơ đồ khối chức năng chi tiết cho Node trung tâm và các Node thu thập dữ liệu.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho Node trung tâm (bắt tay, quét node, nhận giải mã gói tin, cập nhật Firebase, cảnh báo LCD/Buzzer/Telegram/Email) và Node thu thập (bắt tay, nhận địa chỉ Cha, đọc cảm biến, gửi tin trả lời, chuyển tiếp gói tin cho node con qua hàm Chuyển_tin()).
  • Bảng so sánh lựa chọn kỹ thuật giữa các dòng vi điều khiển, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, cảm biến khí, cảm biến lửa, module LoRa và màn hình hiển thị.
  • Tính toán khối nguồn: sử dụng 2 cell pin Lithium BRC 18650 kết hợp mạch ổn áp hạ áp LM2596S cung cấp nguồn 5V ổn định cho hệ thống.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý và tiến hành thi công lắp ráp phần cứng thực tế cho Node thu thập sử dụng ESP32, Node thu thập sử dụng Arduino Nano và Node xử lý trung tâm.
  • Thiết lập cấu hình cơ sở dữ liệu thời gian thực trên Firebase và thiết kế giao diện Web giám sát trạng thái hệ thống.

Chương 4: Kết quả và đánh giá

Chương 4 công bố kết quả kiểm nghiệm thực tế của hệ thống:

  • Chế tạo và vận hành thành công mô hình hoàn chỉnh gồm 4 node phần cứng.
  • Kiểm thử các chức năng hiển thị tại chỗ: màn hình LCD hiển thị đầy đủ thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí) của từng node; khi có sự cố, LCD chuyển đổi trạng thái hiển thị cảnh báo tức thì, còi Buzzer kích hoạt phát âm thanh.
  • Kiểm thử chức năng cảnh báo từ xa: hệ thống gửi tin nhắn thông báo chính xác vị trí/địa chỉ node xảy ra cháy về ứng dụng Telegram trên thiết bị di động và gửi thư cảnh báo chi tiết qua Email thông qua máy chủ SMTP.
  • Kiểm thử giao diện Web: dữ liệu cảm biến được đồng bộ theo thời gian thực lên Firebase và hiển thị trực quan trên trình duyệt web ở cả chế độ vận hành bình thường và chế độ báo động sự cố.
  • Thực hiện đo đạc, đánh giá thời gian phản hồi tín hiệu từ các node cảm biến về trung tâm (thông qua Bảng 4.1 trong văn bản).
  • Khảo sát thực nghiệm khoảng cách truyền thông LoRa ngoài thực địa (thông qua Bảng 4.2 trong văn bản), ghi nhận sự biến thiên cự ly liên lạc giữa các node và chứng minh việc nâng cao độ cao anten của node trung tâm giúp cải thiện rõ rệt tầm phủ sóng và độ ổn định của đường truyền.

Chương 5: Kết luận

Chương cuối tóm lược toàn bộ các kết quả đạt được của đề tài, đánh giá mức độ hoàn thiện so với mục tiêu ban đầu, chỉ rõ những khiếm khuyết trong quá trình thực hiện và đề xuất các định hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng 4 node:
    • 01 Node trung tâm sử dụng vi điều khiển ESP32, tích hợp màn hình LCD 20x4 qua giao tiếp I2C, còi báo động Buzzer, module LoRa E32-433T20DC và module nguồn LM2596S cấp điện từ pin Lithium.
    • 03 Node thu thập dữ liệu môi trường: thiết kế và thi công thành công cả phiên bản sử dụng vi điều khiển ESP32 và phiên bản sử dụng Arduino Nano, tích hợp trọn bộ 3 cảm biến (LM393, MQ-2, DHT11) và module truyền thông LoRa E32.
  2. Hiện thực hóa cơ chế định tuyến chuyển tiếp (Relay):
    • Đã kiểm chứng thành công thuật toán chuyển tiếp dữ liệu: Node 3 ở ngoài tầm phủ sóng trực tiếp của trung tâm đã truyền gói tin thành công tới Node 2, sau đó Node 2 chuyển tiếp dữ liệu về Node trung tâm thông qua hàm Chuyển_tin().
  3. Hiện thực hóa hệ thống cảnh báo đa tầng:
    • Tầng tại chỗ: Còi Buzzer 5V hú âm thanh cảnh báo, màn hình LCD 20x4 đổi trạng thái báo sự cố.
    • Tầng mạng Internet: Tự động kích hoạt bot Telegram gửi tin nhắn khẩn cấp đến smartphone của quản trị viên; tự động kết nối máy chủ SMTP qua thư viện ESP-Mail-Client gửi email thông báo chi tiết địa chỉ trạm phát hiện nguy cơ cháy.
    • Tầng giám sát quản lý: Đẩy dữ liệu thời gian thực lên Firebase Realtime Database và hiển thị bảng điều khiển trạng thái trên trình duyệt Web.
  4. Đo đạc kiểm nghiệm thực tế:
    • Khảo sát các thông số phản hồi và cự ly thu phát sóng giữa các node; chứng minh thực nghiệm phương án đưa node trung tâm lên vị trí trên cao làm giảm đáng kể vật cản địa hình, giúp tăng cự ly và chất lượng thu nhận tín hiệu LoRa.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước (do tác giả tự nêu)

  • Giải quyết triệt để bài toán năng lượng và khoảng cách so với các hệ thống giám sát môi trường dùng Wi-Fi truyền thống tại các vùng rừng không có lưới điện.
  • Tối ưu hóa chi phí phần cứng bằng cách phối hợp linh hoạt vi điều khiển giá rẻ (Arduino Nano) cho các trạm đo vệ tinh và vi điều khiển tích hợp truyền thông mạng (ESP32) cho trạm điều khiển trung tâm.
  • Tích hợp đồng thời nhiều phương thức cảnh báo thông minh không dây (Telegram Bot, SMTP Email, Firebase Web Dashboard) vào một hệ thống nhúng LoRa tầm xa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được đề cập trong văn bản

  • Giới hạn quy mô thử nghiệm: Đồ án mới chỉ dừng lại ở mức độ mô hình thử nghiệm với 4 node mạng (3 node đo, 1 node trung tâm), chưa triển khai được mạng lưới nhiều node trên diện tích rừng rộng lớn thực tế.
  • Cấu trúc mạng chưa hoàn thiện: Hệ thống chưa xây dựng được giao thức mạng dạng lưới LoRa MESH đầy đủ với khả năng tự tìm đường, tự cấu hình và tự phục hồi đường truyền linh hoạt khi có một node trung gian bị hỏng hoặc mất nguồn.
  • Mã nguồn và độ ổn định: Đoạn mã lập trình vi điều khiển chưa được tối ưu hóa sâu; các chế độ tiết kiệm năng lượng nâng cao (như Deep Sleep) chưa được khai thác triệt để; mô hình phần cứng thi công dạng mẫu thử nghiệm phòng lab, chưa đạt độ chắc chắn cơ khí và khả năng chống chịu điều kiện thời tiết khắc nghiệt ngoài tự nhiên.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Mở rộng quy mô hệ thống với số lượng lớn node cảm biến phân tán trên diện rộng.
  • Nghiên cứu và triển khai giao thức mạng LoRa MESH nhằm tăng tính linh hoạt và độ tin cậy của mạng thông tin vô tuyến.
  • Tối ưu hóa thuật toán phần mềm, giảm thiểu thời gian chiếm dụng kênh truyền (Time-on-Air) và giảm tối đa dòng tiêu thụ tĩnh của các node cảm biến để kéo dài tuổi thọ pin.
  • Thiết kế vỏ hộp bảo vệ đạt tiêu chuẩn chống nước, chống bụi công nghiệp, tích hợp hệ thống sạc năng lượng mặt trời nhằm tiến tới khả năng thương mại hóa sản phẩm.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Hệ thống Nhúng và IoT: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống IoT từ việc lựa chọn linh kiện, lập trình vi điều khiển (ESP32, ATmega328P), thiết kế mạch nguyên lý, đến tích hợp truyền thông LoRa UART và dịch vụ đám mây (Cloud).
  • Người nghiên cứu các đề tài cảnh báo sớm thiên tai, cháy nổ: Cung cấp tài liệu tham khảo giá trị tại Chương 2 và Chương 3 về nguyên lý cảm biến nhiệt - khói - lửa (DHT11, MQ-2, LM393) và lưu đồ giải thuật đồng bộ dữ liệu Bắt_tay(), Nhận(), Chuyển_tin() trong mạng truyền thông vô tuyến gói nhỏ.
  • Kỹ sư triển khai mạng cảm biến không dây công suất thấp (LPWAN): Cung cấp các thông số kỹ thuật thực tế, bảng so sánh tính năng linh kiện và phương pháp kết nối module LoRa EBYTE E32-433T20DC với các dịch vụ Internet thông dụng (Telegram Bot API, SMTP Server, Firebase Realtime Database).

Câu hỏi thường gặp

1. Trong hệ thống này, các node thu thập dữ liệu sử dụng những loại vi điều khiển nào và lý do lựa chọn là gì?
Các node thu thập dữ liệu sử dụng song song hai loại vi điều khiển: Arduino Nano (chip ATmega328P) và ESP32. Arduino Nano được lựa chọn do có kích thước nhỏ gọn (45 x 18 mm), chi phí thấp (khoảng 70.000 VNĐ), tiêu thụ năng lượng thấp và đáp ứng tốt các tác vụ đọc cảm biến đơn giản. Nhóm nghiên cứu tích hợp thêm ESP32 vào một node thu thập nhằm tích lũy kinh nghiệm lập trình trên nhiều dòng vi điều khiển khác nhau và tạo tiền đề mở rộng chức năng cho các node sau này.

2. Gói tin truyền thông giữa Node 3 và Node trung tâm được truyền theo cơ chế nào khi Node 3 nằm ngoài vùng phủ sóng trực tiếp?
Hệ thống sử dụng cơ chế định tuyến trung gian (repeater). Node 3 gửi dữ liệu tới Node 2 thông qua giao tiếp LoRa. Node 2 sau khi nhận dữ liệu từ Node 3 sẽ chạy hàm Chuyển_tin() để đóng gói và chuyển tiếp dữ liệu đó về Node trung tâm (đóng vai trò "địa chỉ Cha"). Nhờ đó, phạm vi bao phủ của hệ thống được mở rộng mà không cần tăng công suất phát của từng node đơn lẻ.

3. Khi phát hiện sự cố cháy, Node trung tâm thực hiện cảnh báo qua những kênh thông tin nào?
Node trung tâm kích hoạt đồng thời ba kênh cảnh báo:

  • Cảnh báo âm thanh tại chỗ thông qua còi Buzzer 5V và đổi thông tin hiển thị trên màn hình LCD 20x4.
  • Cảnh báo tức thời qua mạng Internet bằng tin nhắn gửi đến ứng dụng di động Telegram thông qua giao diện Telegram Bot API.
  • Cảnh báo qua thư điện tử Email bằng cách kết nối với máy chủ SMTP thông qua thư viện ESP-Mail-Client, nêu rõ định danh/địa chỉ của trạm phát hiện có cháy.

4. Module LoRa EBYTE E32-433T20DC được sử dụng trong đồ án có các thông số hoạt động cơ bản nào?
Module sử dụng chip SEMTECH SX1278, hoạt động trong dải tần 410 - 441 MHz (tần số mặc định 433 MHz), công suất phát tối đa 20 dBm (100 mW), cự ly truyền lý thuyết tối đa 3000 m. Tốc độ truyền không khí mặc định là 2.4 kbps, chuẩn giao tiếp với vi điều khiển qua cổng nối tiếp UART (tốc độ baud mặc định 9600 bps), kích thước gói dữ liệu truyền và nhận tối đa là 512 Byte.

5. Vì sao nhóm tác giả không triển khai mạng truyền dữ liệu trực tiếp bằng Wi-Fi cho các trạm cảm biến trong rừng?
Theo phân tích của nhóm tác giả trong văn bản, giao thức Wi-Fi có mức tiêu hao năng lượng rất lớn, đòi hỏi thiết bị phải được cấp nguồn điện liên tục và ổn định. Tại các khu vực rừng sâu hiểm trở, việc cấp nguồn lưới hoặc thay pin liên tục là không khả thi. Hơn nữa, cự ly phát của sóng Wi-Fi rất ngắn, không thể đáp ứng yêu cầu giám sát diện tích lâm nghiệp rộng lớn tới hàng kilomet như công nghệ sóng LoRa.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Đức Doãn và Nguyễn Tùng Lâm đã thiết kế và thi công thành công hệ thống giám sát, cảnh báo sớm cháy rừng quy mô mô hình dựa trên công nghệ truyền thông vô tuyến LoRa và nền tảng nhúng ESP32, Arduino Nano. Hệ thống thu thập chính xác các chỉ số môi trường đặc trưng (nhiệt độ, độ ẩm, khói khí, ngọn lửa) và thiết lập cơ chế chuyển tiếp gói tin hiệu quả giữa các trạm đo. Kết quả thực nghiệm đã khẳng định tính khả thi của giải pháp cảnh báo cháy rừng đa kênh (tại chỗ qua LCD, Buzzer và từ xa qua Telegram, Email, Firebase Web), đặt nền tảng kỹ thuật vững chắc để nâng cấp lên mô hình mạng LoRa MESH trong tương lai.