Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong xu hướng phát triển của công nghệ vạn vật kết nối (IoT) và tự động hóa sinh hoạt, nhu cầu giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong không gian dân dụng ngày càng gia tăng. Việc đóng cắt thủ công bằng các công tắc cơ truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về sự tiện lợi và an toàn, chẳng hạn như nguy cơ quên tắt thiết bị điện (đèn, điều hòa, quạt) khi ra khỏi nhà hoặc phải di chuyển một khoảng cách xa để vận hành máy bơm ngoài sân vườn. Mặc dù các giải pháp truyền thông không dây tầm ngắn như Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee hay RF đã được áp dụng, chúng vẫn gặp trở ngại lớn về phạm vi phủ sóng, vật cản kiến trúc và sự phụ thuộc hoàn toàn vào hạ tầng Internet cố định. Khi mất kết nối mạng toàn cầu, khả năng tương tác và điều khiển liên phòng, liên khu vực thường bị gián đoạn.
Để giải quyết bài toán trên, đồ án lựa chọn nghiên cứu công nghệ LoRa (Long Range Radio) kết hợp với Wi-Fi. LoRa là chuẩn truyền thông vô tuyến trải phổ tầm xa tiêu thụ năng lượng thấp, hoạt động ở dải tần số không cần cấp phép, cho phép duy trì kết nối độc lập giữa các trạm thu phát trong phạm vi rộng mà không cần đến mạng viễn thông hay đường truyền Internet.
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu, thiết kế và thi công hoàn chỉnh một hệ thống phần cứng và phần mềm gồm 01 bộ xử lý trung tâm và 02 bộ xử lý phụ, hỗ trợ điều khiển và giám sát các thiết bị điện (đèn, quạt, máy bơm), đồng thời thu thập các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất) từ xa thông qua ứng dụng di động Android và màn hình cảm ứng LCD TFT, sử dụng kết hợp mạng LoRa và Wi-Fi.
Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
- Tìm hiểu, tham khảo tài liệu và giáo trình liên quan đến công nghệ LoRa, Wi-Fi và các chuẩn giao tiếp vi điều khiển.
- Khảo sát hoạt động của màn hình cảm ứng LCD TFT 3.2 inch; thiết kế giao diện điều khiển và giám sát đồ họa.
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý, tính toán linh kiện, vẽ mạch in (PCB) và thi công phần cứng cho khối trung tâm và các khối phụ.
- Lập trình giao tiếp truyền nhận dữ liệu giữa ứng dụng Android, hệ thống cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase và bộ điều khiển trung tâm ESP32.
- Viết chương trình truyền thông nội bộ giữa vi điều khiển Arduino, module LoRa SX1278 và các module cảm biến, hiển thị.
- Xây dựng ứng dụng di động hoàn chỉnh trên hệ điều hành Android bằng nền tảng MIT App Inventor.
- Chạy thử nghiệm thực tế toàn bộ hệ thống, hiệu chỉnh thông số kỹ thuật và đánh giá độ ổn định.
- Viết báo cáo thuyết minh đồ án tốt nghiệp và chuẩn bị bảo vệ.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển nhúng, mạng cảm biến không dây sử dụng module LoRa SX1278, vi điều khiển ATmega328P (Arduino Uno, Nano), SoC Wi-Fi ESP32-WROOM-32, nền tảng đám mây Firebase Realtime Database và ứng dụng di động Android.
- Phạm vi không gian: Hệ thống phân tán gồm 01 khối điều khiển trung tâm (đặt tại nhà chính), 01 khối phụ 1 (giám sát và tưới tiêu khu vực vườn) và 01 khối phụ 2 (quản lý chiếu sáng khu vực nhà kho). Khoảng cách truyền thông LoRa giữa các khối được cấu hình và kiểm nghiệm trong bán kính 400 mét.
- Phạm vi chức năng và công suất: Nguồn điện cấp từ lưới 220VAC chuyển đổi sang 5VDC; không tích hợp nguồn pin dự phòng. Thiết bị điều khiển đầu ra qua tiếp điểm Relay chịu tải công suất tối đa dưới 1000W trên mỗi ngõ ra.
- Phạm vi thời gian: Đồ án được giao nhiệm vụ ngày 10/03/2020 và hoàn thành nghiệm thu báo cáo vào ngày 03/07/2020.
Cơ sở lý thuyết và công nghệ sử dụng
Đồ án ứng dụng và kết hợp nhiều nền tảng phần cứng, cảm biến, chuẩn truyền thông và kiến trúc phần mềm chuyên dụng:
1. Công nghệ mạng LoRa và Module SX1278
- Công nghệ LoRa: Phát triển bởi Cycleo và Semtech, sử dụng kỹ thuật điều chế trải phổ Chirp Spread Spectrum (CSS), cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp (0.3 kbps đến 30 kbps) trên cự ly lớn (15 - 20 km trong điều kiện lý tưởng), tiêu thụ điện năng tối thiểu và khả năng xuyên vật cản cao.
- Module E32-TTL-100 RF (Semtech SX1278): Điện áp hoạt động 2.5V - 3.3V/5VDC, công suất phát 20 dBm (100 mW), tần số 410 - 441 MHz, giao tiếp UART (tốc độ baud từ 1200 đến 115200 bps, mặc định 2400 bps), bộ đệm truyền 512 bytes, hỗ trợ cấu hình 65536 địa chỉ mạng. Module có 4 chế độ vận hành chính được điều khiển qua mức logic của 2 chân M0 và M1:
- Mode 0 (Normal - M0=0, M1=0): Bật cổng nối tiếp UART và kênh truyền vô tuyến RF.
- Mode 1 (Wake-up - M0=1, M1=0): Truyền kèm mã đánh thức các node đang ngủ.
- Mode 2 (Power saving - M0=0, M1=1): Cổng UART đóng, chuyển sang chế độ chờ tín hiệu đánh thức từ sóng vô tuyến.
- Mode 3 (Sleep/Config - M0=1, M1=1): Chế độ ngủ tiết kiệm điện và nạp thông số cấu hình.
2. Nền tảng vi điều khiển và phần cứng xử lý
- Board Arduino Uno R3 và Arduino Nano: Sử dụng vi điều khiển 8-bit ATmega328P, tần số xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 32 KB, SRAM 2 KB, EEPROM 1 KB; cung cấp 14 chân Digital I/O (6 chân PWM) và các chân Analog Input (6 chân trên Uno, 8 chân trên Nano).
- Board ESP32 NodeMCU (ESP32-WROOM-32): Vi xử lý lõi kép 32-bit Xtensa LX6 tốc độ 240 MHz, ROM 448 KB, SRAM 520 KB, tích hợp Wi-Fi 802.11 b/g/n (tốc độ lên đến 150 Mbps) và Bluetooth v4.2 BR/EDR/BLE, hỗ trợ 3 cổng phần cứng UART, SPI và I2C.
3. Module cảm biến và ngoại vi
- Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11: Dải đo nhiệt độ 0°C đến 50°C (sai số ±2°C), độ ẩm 20% đến 90% RH (sai số ±5% RH), truyền dữ liệu số dạng khung 40-bit qua giao thức 1 dây (Single-wire).
- Cảm biến độ ẩm đất: Đo điện trở thay đổi giữa 2 cực kim loại cắm trong đất; tích hợp IC so sánh LM393 cung cấp ngõ ra số (DO) và ngõ ra tương tự (AO).
- Module thời gian thực RTC DS1307: Tích hợp IC thời gian thực đếm giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm; giao tiếp I2C; đi kèm pin cúc áo duy trì thời gian khi mất nguồn chính.
- Màn hình hiển thị LCD TFT 3.2 inch: Độ phân giải 240x320 pixels, chuẩn màu RGB 65K màu, IC điều khiển ILI9341, tích hợp bảng cảm ứng điện trở và giao diện truyền dữ liệu SPI 4 dây.
- Màn hình Text LCD 16x2 và LCD 20x4: Hiển thị ký tự mã ASCII chuẩn; tích hợp module chuyển đổi bus song song sang chuẩn I2C dựa trên chip PCF8574 với địa chỉ bus mặc định là
0x27.
- Relay 5VDC: Khóa điện từ đóng cắt mạch AC 250V - 10A, thời gian tác động 10 ms, dòng kích cuộn dây khoảng 70 mA.
4. Chuẩn truyền thông và nền tảng dữ liệu
- UART, I2C, SPI, Wi-Fi 2.4GHz: Sử dụng phối hợp theo từng tầng chức năng để kết nối cảm biến, đồng hồ thời gian thực, màn hình cảm ứng, module vô tuyến và cổng truyền thông Internet.
- Firebase Realtime Database: Cơ sở dữ liệu đám mây dạng NoSQL lưu trữ dưới định dạng JSON, hỗ trợ cơ chế đồng bộ dữ liệu hai chiều tức thời (Realtime Listener) với độ trễ thấp giữa ESP32 và ứng dụng Android.
- MIT App Inventor: Môi trường phát triển ứng dụng di động dạng khối kéo-thả trực quan, tích hợp giao diện điều khiển, nhận dạng giọng nói và các khối API kết nối Firebase.
Thiết kế và triển khai hệ thống
1. Kiến trúc phân tầng và sơ đồ khối
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tán gồm 3 trạm vật lý:
[Ứng dụng Android] <---> [Firebase Realtime Database] <---> [ESP32 - Wi-Fi] (Khối Trung Tâm)
| (UART)
[Arduino Uno R3] <-> [TFT 3.2" SPI]
| <-> [DHT11 / DS1307]
[LoRa SX1278] <-> [2x Relay 5V]
|
+--------------------------+--------------------------+
| (Sóng RF 433MHz) | (Sóng RF 433MHz)
v v
[Khối Phụ 1 - Nhà Vườn] [Khối Phụ 2 - Nhà Kho]
- Arduino Nano - Arduino Nano
- LoRa SX1278 - LoRa SX1278
- Cảm biến độ ẩm đất (LM393) - Cảm biến môi trường / Nút nhấn
- LCD 16x2 (I2C) - LCD 20x4 (I2C)
- Relay điều khiển máy bơm - Relay điều khiển đèn chiếu sáng
2. Tính toán và thiết kế mạch điện phần cứng
a. Mạch kích Relay công suất
Để vi điều khiển (mức logic 3.3V hoặc 5V) điều khiển được cuộn dây Relay 5V ăn dòng 70 mA, mạch sử dụng transistor NPN loại C1815 làm phần tử đóng cắt bão hòa và bảo vệ bằng diode 1N4007 dập điện áp cảm ứng ngược:
- Dòng bão hòa cực C:
$$I_{C(Sat)} = I_{Relay} + I_{LED} = 70\text{ mA} + 20\text{ mA} = 90\text{ mA}$$
- Điện trở hạn dòng cho LED báo trạng thái:
$$R_3 = \frac{V_{CC} - V_{AK} - V_{BE}}{I_{LED}} = \frac{5 - 2 - 0.7}{20 \times 10^{-3}} = 115\ \Omega$$
(Tác giả chọn giá trị chuẩn thương mại $R_3 = 220\ \Omega$ để đảm bảo độ bền cho LED).
- Tính toán phân cực cực B của Transistor C1815 để đạt trạng thái dẫn bão hòa:
Với hệ số khuếch đại dòng chọn ở mức an toàn $h_{FE} = 25$:
$$I_{B(Sat)} = \frac{I_{C(Sat)}}{h_{FE}} = \frac{90\text{ mA}}{25} = 3.6\text{ mA}$$
Dòng phân cực đầu vào với $V_{SIG} = 5\text{V}$, $V_{BE} = 0.7\text{V}$, chọn điện trở xả chân B xuống GND $R_2 = 10\text{ k}\Omega$:
$$I_B = \frac{V_{SIG} - V_{BE}}{R_1} - \frac{V_{BE}}{R_2} \ge 3.6\text{ mA}$$
Tính toán đưa ra giá trị $R_1 \approx 1\text{ k}\Omega$. Khi ngõ ra vi điều khiển ở mức 0V ($V_{SIG}=0$), Transistor ngưng dẫn hoàn toàn, tiếp điểm Relay mở.
b. Mạch chuyển đổi Bus tín hiệu màn hình TFT
Do bus cáp phẳng 14 lõi không thông dụng trên thị trường, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một bo mạch trung gian chuyển đổi từ chuẩn cáp 12 lõi sang 14 chân của màn hình TFT 3.2 inch. Các chân điều khiển (T_IRQ, T_DO, T_DIN, TCS, TCLK, SDO, SCK, SDI, DC, CS) được đệm qua dãy điện trở hạn dòng $10\text{ k}\Omega$ để bảo vệ chân tín hiệu của IC ILI9341 trước khi kết nối trực tiếp vào các chân D3 đến D13 của Arduino Uno R3.
c. Tính toán nguồn cấp năng lượng khối chính
Tổng dòng điện tiêu thụ cực đại của khối điều khiển trung tâm được tổng hợp như sau:
| STT |
Tên linh kiện / Module |
Điện áp hoạt động (V) |
Dòng tiêu thụ đơn vị (mA) |
Số lượng |
Tổng dòng tiêu thụ (mA) |
| 1 |
Board Arduino Uno R3 |
5 |
480 |
1 |
480 |
| 2 |
Module LoRa SX1278 |
5 |
120 |
1 |
120 |
| 3 |
Board ESP32 NodeMCU |
5 |
240 |
1 |
240 |
| 4 |
LED chỉ thị 3mm |
5 |
20 |
3 |
60 |
| 5 |
Rơ-le 5VDC (Relay) |
5 |
70 |
2 |
140 |
| 6 |
Cảm biến DHT11 |
5 |
2.5 |
1 |
2.5 |
| 7 |
Màn hình LCD TFT 3.2" |
5 |
150 |
1 |
150 |
| 8 |
Module RTC DS1307 |
5 |
1.5 |
1 |
1.5 |
| Tổng |
Toàn bộ khối chính |
5VDC |
— |
— |
1194 mA |
Với tổng dòng tiêu thụ tính toán là $1194\text{ mA}$ ($\approx 1.2\text{A}$), hệ thống sử dụng bộ nguồn Adapter biến đổi AC-DC $220\text{VAC} \rightarrow 5\text{VDC} - 2\text{A}$ (hiệu suất 95%) để cung cấp nguồn ổn định cho khối chính, và Adapter $5\text{VDC} - 1\text{A}$ cho các khối phụ.
3. Thi công mô hình và đóng gói
- Mạch in được thiết kế trên phần mềm Proteus/Altium và gia công mạch in 2 lớp sợi thủy tinh FR4.
- Khối điều khiển trung tâm được lắp ráp trong hộp bảo vệ bằng mica trong suốt kích thước $17 \times 15 \times 8\text{ cm}$, mặt trên khoét lỗ chính xác cho màn hình cảm ứng TFT 3.2 inch và ăng-ten LoRa.
- Hai khối điều khiển phụ được đóng gói trong hộp mica kích thước $14 \times 11 \times 8\text{ cm}$, tích hợp màn hình LCD hiển thị và các domino kết nối phụ tải bên ngoài.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh nhà thông minh, phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp truyền thông không dây hiện có, xác định mục tiêu thiết kế hệ thống giám sát điều khiển kết hợp LoRa và Wi-Fi. Đưa ra các giới hạn kỹ thuật về cự ly truyền thông (400m), công suất thiết bị (<1000W), nền tảng phần cứng và kế hoạch phân chia 6 chương nội dung.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Cung cấp lý thuyết chi tiết về nguyên lý trải phổ của mạng LoRa và cấu trúc LoRaWAN (Device node, Gateway). Giới thiệu thông số phần cứng của module thu phát RF E32-TTL-100 (SX1278), vi điều khiển ATmega328P trên Arduino Uno/Nano, vi xử lý 32-bit ESP32-WROOM-32, cảm biến DHT11, cảm biến độ ẩm đất LM393, module RTC DS1307, màn hình màu TFT ILI9341, màn hình Text LCD kèm driver PCF8574 và rơ-le 5V. Phân tích nguyên lý hoạt động của các chuẩn giao tiếp UART, I2C, SPI và mạng không dây Wi-Fi chuẩn IEEE 802.11n.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Xây dựng sơ đồ khối chi tiết và định nghĩa chức năng của từng khối trong hệ thống. Tiến hành các phép tính toán kỹ thuật: phân cực dòng kích bão hòa cho transistor C1815, tính toán điện trở hạn dòng LED và cuộn hút relay, thiết kế mạch chuyển đổi bus 12 chân lên 14 chân cho màn hình TFT. Tổng hợp bảng tiêu thụ dòng của khối chính (1194 mA) và các khối phụ để lựa chọn nguồn Adapter phù hợp. Thiết lập sơ đồ nguyên lý toàn mạch cho bộ điều khiển trung tâm và hai bộ điều khiển phụ.
Chương 4: Thi công hệ thống
Trình bày quy trình xuất bản vẽ layout, sơ đồ bố trí linh kiện và thi công mạch in PCB 2 lớp cho bo mạch chính, bo mạch mở rộng bus và bo mạch các khối phụ. Lắp ráp linh kiện thực tế, đo kiểm thông mạch và hoàn thiện đóng gói mô hình trong hộp mica bảo vệ. Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển trên ESP32, Arduino Uno, Arduino Nano; lập trình ứng dụng điều khiển đa giao diện trên nền tảng MIT App Inventor và cấu hình cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Trình bày hình ảnh và kết quả vận hành thực tế của các khối phần cứng và ứng dụng di động. Kiểm tra các chức năng: điều khiển thiết bị từ xa qua App Android kết nối Internet, điều khiển bằng giọng nói, điều khiển trực tiếp trên màn hình cảm ứng TFT, giám sát dữ liệu nhiệt độ/độ ẩm/độ ẩm đất, tự động hóa máy bơm theo ngưỡng cảm biến đất, và khả năng điều khiển cục bộ qua sóng LoRa khi mất kết nối mạng Internet. Tổng kết bảng dữ liệu thực nghiệm 30 lần kiểm thử.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ so với mục tiêu đề ra ban đầu; chỉ ra các điểm mạnh về tính linh hoạt đa phương thức và khả năng hoạt động độc lập của mạng LoRa; nêu rõ các mặt hạn chế còn tồn tại và đề xuất các hướng nâng cấp phần cứng, phần mềm cho hệ thống trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả thực nghiệm đạt được
- Hệ thống đã thi công hoàn chỉnh 03 bộ điều khiển phần cứng hoạt động ổn định:
- Bộ điều khiển trung tâm: Tích hợp ESP32, Arduino Uno, LoRa SX1278, RTC DS1307, DHT11, 2 ngõ ra Relay và màn hình cảm ứng TFT 3.2 inch hiển thị giao diện đồ họa màu, cho phép thao tác trực tiếp mượt mà.
- Bộ điều khiển phụ 1 (Khu vườn): Đọc chính xác độ ẩm đất, hiển thị thông số lên LCD 16x2, tự động kích hoạt máy bơm nước tưới khi độ ẩm tụt dưới mức cài đặt và truyền trạng thái về khối trung tâm.
- Bộ điều khiển phụ 2 (Nhà kho): Giám sát trạng thái thiết bị chiếu sáng, hiển thị lên LCD 20x4 và tiếp nhận lệnh điều khiển từ các nút bấm cơ hoặc từ khối trung tâm.
- Phát triển thành công ứng dụng di động Android kết nối cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase:
- Đồng bộ trạng thái thiết bị giữa ứng dụng di động, màn hình cảm ứng TFT và các khối phụ trong thời gian thực (độ trễ dưới 1 giây khi có Wi-Fi).
- Tích hợp tính năng nhận dạng giọng nói trên ứng dụng Android để bật/tắt thiết bị điện.
- Khả năng vận hành độc lập (Offline Fail-safe): Khi mất kết nối Wi-Fi/Internet, hệ thống chuyển sang chế độ điều khiển nội bộ qua mạng LoRa; người dùng vẫn có thể điều khiển và theo dõi trạng thái của 2 khối phụ trực tiếp từ màn hình cảm ứng tại bộ trung tâm trong phạm vi 400m.
2. Đánh giá độ tin cậy qua thực nghiệm
Đồ án đã thực hiện kiểm tra độ chính xác và tính ổn định qua 30 lần thực nghiệm liên tục với các kịch bản vận hành:
| Nội dung kiểm nghiệm |
Số lần thực nghiệm |
Số lần thành công |
Tỷ lệ thành công (%) |
Ghi chú kỹ thuật |
| Điều khiển qua App Android (có Internet) |
30 |
30 |
100% |
Dữ liệu đồng bộ tức thời lên Firebase |
| Điều khiển qua giọng nói trên App |
30 |
28 |
93.3% |
2 lần nhận diện sai do môi trường ồn |
| Điều khiển cảm ứng trên màn hình TFT |
30 |
30 |
100% |
Phản hồi đóng cắt relay ngay lập tức |
| Truyền nhận LoRa nội bộ (khi mất Internet) |
30 |
29 |
96.7% |
Khoảng cách 400m qua vật cản kiến trúc |
| Tự động kích bơm theo ngưỡng độ ẩm đất |
30 |
30 |
100% |
Đóng ngắt chính xác theo ngưỡng so sánh |
3. Đóng góp kỹ thuật của đồ án
- Xây dựng mô hình tích hợp lai (Hybrid Topology) kết hợp giữa mạng tầm xa tiêu thụ năng lượng thấp LoRa và mạng băng rộng Wi-Fi/Cloud, giải quyết triệt để điểm nghẽn mất kết nối của các hệ thống Smarthome truyền thống.
- Thiết kế hoàn chỉnh mạch phần cứng sử dụng vi điều khiển kép (Arduino Uno kết hợp ESP32 qua bus UART có công tắc ngắt mềm) giúp phân chia tải xử lý: Arduino Uno chuyên trách quét cảm ứng và hiển thị giao diện đồ họa nặng trên TFT SPI, trong khi ESP32 tập trung xử lý kết nối mạng Wi-Fi/Firebase và điều phối gói tin LoRa.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
1. Hạn chế của hệ thống
- Hệ thống sử dụng nguồn cấp trực tiếp $220\text{VAC} \rightarrow 5\text{VDC}$ qua Adapter, chưa có mạch tích hợp pin sạc dự phòng (UPS mini); khi mất điện lưới toàn phần, hệ thống sẽ ngừng hoạt động.
- Khoảng cách truyền nhận dữ liệu LoRa thực nghiệm mới chỉ đánh giá trong giới hạn 400m và chịu ảnh hưởng nhất định bởi kết cấu bê tông cốt thép dày.
- Công suất đóng cắt của các tiếp điểm rơ-le giới hạn dưới 1000W, chưa thể điều khiển trực tiếp các động cơ công nghiệp hoặc tải có dòng khởi động lớn nếu không có khởi động từ (Contactor) phụ trợ.
- Vỏ hộp đóng gói bằng mica gia công thủ công, chưa có gioăng cao su chống nước đạt chuẩn công nghiệp (IP65/IP67) đối với khối phụ ngoài trời.
2. Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp
- Tích hợp thêm bộ điều khiển sạc và pin dự phòng Li-ion/Lithium sắt phốt phát ($18650$ hoặc $LiFePO_4$) cho từng trạm để duy trì hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố điện lưới.
- Mở rộng cấu trúc mạng LoRaWAN hỗ trợ nhiều node cảm biến hơn, triển khai các thuật toán định tuyến mạng hình sao (Star Topology) hoặc mạng lưới (Mesh) để mở rộng tầm phủ sóng.
- Bổ sung các cảm biến an toàn chuyên sâu như cảm biến rò rỉ khí gas (MQ-2), cảm biến phát hiện khói, cảm biến ngập nước và chuông cảnh báo sự cố khẩn cấp.
- Nâng cấp phần cứng mạch động lực bằng cách sử dụng linh kiện bán dẫn công suất cao (Triac/SSR) hoặc Contactor để điều khiển tải công nghiệp có công suất lớn.
- Phát triển ứng dụng di động chuyên nghiệp hơn trên các nền tảng đa hệ điều hành (Flutter/React Native) nhằm tối ưu giao diện và nâng cao tính bảo mật.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án này là tài liệu tham khảo có giá trị cao đối với:
- Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Máy tính và IoT: Cung cấp phương pháp luận thực tế từ khâu tính toán lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình nhúng đến đóng gói sản phẩm hoàn chỉnh.
- Các kỹ sư và nhóm nghiên cứu phát triển thiết bị Smarthome / Nông nghiệp thông minh: Có thể tái sử dụng thiết kế giao tiếp vi điều khiển kép (Arduino + ESP32), mạch chuyển bus tín hiệu cho màn hình LCD TFT SPI, và quy trình cấu hình truyền thông dữ liệu không dây tầm xa LoRa SX1278 kết hợp Firebase Realtime Database.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao hệ thống tại khối trung tâm cần sử dụng đồng thời cả Arduino Uno R3 và ESP32 thay vì dùng riêng một chip ESP32?
Do màn hình LCD TFT 3.2 inch sử dụng chuẩn giao tiếp SPI chiếm dụng nhiều chân I/O và đòi hỏi tài nguyên xử lý đồ họa quét cảm ứng liên tục. Việc sử dụng Arduino Uno R3 chuyên trách điều khiển màn hình TFT, đọc module RTC DS1307 và cảm biến DHT11 giúp giảm tải cho ESP32. ESP32 sẽ tập trung toàn bộ tài nguyên cho việc kết nối Wi-Fi, đồng bộ cơ sở dữ liệu Firebase và giao tiếp gói tin với module LoRa SX1278 thông qua cổng UART.
2. Module LoRa E32-TTL-100 được cấu hình hoạt động ở những chế độ nào và thông số kỹ thuật ra sao?
Module sử dụng chip Semtech SX1278, tần số 410 - 441 MHz, công suất phát 20 dBm (100 mW), tốc độ baud mặc định 2400 bps. Module có 4 chế độ vận hành điều khiển qua hai chân M0 và M1: Mode 0 (Normal - truyền nhận bình thường), Mode 1 (Wake-up), Mode 2 (Power saving), và Mode 3 (Sleep/Config - dùng để cấu hình thông số kỹ thuật).
3. Khối điều khiển trung tâm tiêu thụ dòng điện bao nhiêu và được cấp nguồn như thế nào?
Tổng dòng điện tiêu thụ tính toán lớn nhất của khối chính là $1194\text{ mA}$ (bao gồm Arduino Uno 480mA, ESP32 240mA, LoRa SX1278 120mA, TFT 3.2" 150mA, 2 Relay 140mA, 3 LED 60mA, DHT11 2.5mA và DS1307 1.5mA). Hệ thống sử dụng một bộ nguồn Adapter $220\text{VAC} \rightarrow 5\text{VDC} - 2\text{A}$ để cấp nguồn cho toàn bộ mạch.
4. Khi đường truyền Wi-Fi hoặc Internet bị mất hoàn toàn, người dùng có thể điều khiển các thiết bị ở khối phụ không?
Có. Hệ thống có cơ chế điều khiển ngoại tuyến (Offline) thông qua mạng LoRa. Người dùng có thể thao tác trực tiếp trên màn hình cảm ứng TFT 3.2 inch tại khối trung tâm; lệnh điều khiển sẽ được chuyển đổi và phát qua sóng LoRa đến khối phụ 1 và khối phụ 2 mà không cần đến kết nối Internet.
5. Mạch kích tiếp điểm Relay được tính toán và bảo vệ bằng những linh kiện nào?
Mạch sử dụng Transistor NPN loại C1815 hoạt động ở chế độ dẫn bão hòa ($I_{C(Sat)} = 90\text{ mA}$) với điện trở phân cực cực B $R_1 = 1\text{ k}\Omega$, điện trở xả chân B $R_2 = 10\text{ k}\Omega$, điện trở hạn dòng LED $R_3 = 220\ \Omega$. Hai đầu cuộn hút relay được mắc song song ngược với một Diode 1N4007 để triệt tiêu dòng cảm ứng ngược sinh ra khi đóng cắt, bảo vệ an toàn cho transistor và vi điều khiển.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện trong nhà thông qua App Android & màn hình cảm ứng dùng mạng LoRa và Wi-Fi" đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa dân dụng phân tán bằng cách kết hợp ưu thế truyền thông tầm xa của LoRa và tính linh hoạt của Wi-Fi/Cloud. Hệ thống gồm 01 khối trung tâm và 02 khối phụ được thi công phần cứng hoàn chỉnh, hỗ trợ giám sát môi trường và điều khiển thiết bị đa phương thức qua ứng dụng di động, giọng nói, màn hình cảm ứng TFT và nút bấm cơ. Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh hệ thống đạt độ ổn định cao, thời gian đáp ứng thời gian thực và duy trì khả năng vận hành liên tục ngay cả trong điều kiện mất kết nối Internet.
