Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình hiện đại hóa ngành nông nghiệp, việc áp dụng công nghệ thông tin và truyền thông vào giám sát chuồng trại và đàn vật nuôi đóng vai trò thiết yếu nhằm giảm thiểu rủi ro thất thoát, dịch bệnh và xâm nhập trái phép. Tại các khu vực nông thôn và vùng sâu vùng xa, các hệ thống giám sát truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế:

  • Hệ thống camera giám sát truyền thống (CCTV có dây): Đòi hỏi hạ tầng dây dẫn phức tạp, chi phí lắp đặt, bảo trì cao và khó mở rộng trên địa hình trang trại rộng lớn.
  • Hệ thống camera IP qua mạng di động (3G/4G/5G) hoặc Wi-Fi: Phụ thuộc vào chất lượng hạ tầng mạng viễn thông vốn chập chờn hoặc không có sóng tại vùng sâu; đồng thời phát sinh chi phí duy trì dữ liệu hàng tháng lớn và tiêu tốn nhiều năng lượng.
  • Hạ tầng điện lưới: Nguồn điện tại các khu vực canh tác xa xôi thường thiếu ổn định hoặc chưa được kéo tới, gây khó khăn cho việc duy trì thiết bị hoạt động 24/7.

Trước thực trạng đó, đồ án tốt nghiệp "Hệ thống giám sát trang trại qua hình ảnh sử dụng sóng LoRa" được thực hiện bởi sinh viên Phan Anh Cường và Vũ Quốc Việt (ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đỗ Duy Tân (tháng 1/2026). Đề tài giải quyết bài toán truyền tải dữ liệu hình ảnh tầm xa, tiêu thụ năng lượng thấp mà không phụ thuộc vào hạ tầng mạng Internet thương mại.

Căn cứ theo văn bản đồ án, các mục tiêu nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Xây dựng mô hình phần cứng sử dụng camera IoT kết hợp module LoRa để chụp ảnh, nén ảnh và truyền ảnh về gateway; đảm bảo khả năng hoạt động ổn định ngoài trời, không phụ thuộc vào mạng lưới điện, giải quyết bài toán năng lượng cho các vùng hẻo lánh.
  2. Thiết kế giao diện người dùng (phần mềm máy tính) trực quan, cho phép người dùng quan sát hình ảnh, theo dõi lịch sử và xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu để lưu trữ hình ảnh theo thời gian thực phục vụ công tác giám sát.
  3. Nghiên cứu và triển khai giao thức truyền tin LoRa nhằm đảm bảo dữ liệu hình ảnh được truyền đi ổn định ở khoảng cách xa (từ hàng trăm mét đến vài kilômét tùy điều kiện địa hình).
  4. Thử nghiệm và đánh giá độ ổn định của hệ thống trong môi trường thực tế dựa trên các chỉ số về tốc độ truyền, chất lượng hình ảnh và độ tin cậy.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các thành phần phần cứng và phần mềm cấu thành hệ thống giám sát, bao gồm: Node thu thập tại hiện trường (vi điều khiển ESP32-S3 tích hợp camera và module LoRa SX1278), Gateway trung tâm tiếp nhận tín hiệu vô tuyến để tái tạo dữ liệu, và phần mềm máy tính (VisionView) phục vụ quản lý, hiển thị.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giám sát an ninh khu vực chuồng trại ở quy mô nhỏ (mô hình thực nghiệm/hộ gia đình), tập trung vào theo dõi và ghi nhận hình ảnh người ra vào. Hệ thống giới hạn ở việc truyền ảnh tĩnh chụp định kỳ hoặc theo sự kiện nén qua mạng băng hẹp LoRa, không truyền video trực tiếp; giai đoạn này chưa tích hợp các cảm biến đo đạc môi trường chuyên sâu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa kỹ thuật vi điều khiển nhúng, công nghệ truyền thông không dây diện rộng công suất thấp (LPWAN) và kỹ thuật nén ảnh băng hẹp:

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

  • Mạng Internet vạn vật (IoT) trong nông nghiệp: Ứng dụng các thiết bị thông minh tiêu thụ năng lượng thấp để tự động hóa khâu thu thập thông tin hiện trường và giám sát từ xa.
  • Công nghệ LoRa và kiến trúc LoRaWAN: LoRa (Long Range) ứng dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS), cho phép truyền tín hiệu vô tuyến xuyên qua vật cản với khoảng cách xa (từ 1–5 km trong đô thị và 2–15 km ở vùng nông thôn). Băng thông dữ liệu dao động từ 0.3 kbps đến 50 kbps. Cấu hình truyền thông dựa trên các tham số: Hệ số trải phổ (Spreading Factor - SF), Băng thông (Bandwidth - BW, thường từ 125 kHz đến 500 kHz), và Tỷ lệ mã hóa sửa lỗi (Coding Rate - CR). Mạng sử dụng dải tần ISM không cần cấp phép (chủ yếu là 433 MHz trong thiết kế phần cứng của đồ án).
  • Kỹ thuật xử lý và nén ảnh cho mạng băng hẹp: Do LoRa bị giới hạn tốc độ truyền tải, hệ thống áp dụng kỹ thuật nén ảnh tĩnh JPEG/Progressive JPEG để nén dữ liệu xuống kích thước nhỏ (vài kilobyte), giúp gói tin truyền đi thành công mà không làm nghẽn kênh truyền. Đồ án cũng tham khảo các kỹ thuật nén tiên tiến như JPEG2000 và WebP.
  • Nền tảng phần cứng chính:
    • Module Goouuu ESP32-S3 CAM: Trang bị chip vi xử lý Xtensa 32-bit LX7 lõi kép tốc độ 240 MHz, 384 KB ROM, 512 KB SRAM nội bộ, 16 MB Flash ngoài và 8 MB PSRAM; tích hợp cảm biến camera quang học OV2640.
    • Module Goouuu ESP32-S3 N16R8 tiêu chuẩn: Sử dụng làm bộ xử lý trung tâm cho khối thu (Receiver Node).
    • Module truyền thông vô tuyến AI-Thinker SX1278 LoRa Ra-02: Dải tần 410–525 MHz, công suất phát tối đa 18 dBm, độ nhạy cao, giao tiếp với vi điều khiển qua bus SPI.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các tài liệu khoa học về chuẩn truyền thông LoRa, kiến trúc phân tầng LoRaWAN, các thuật toán nén ảnh JPEG và kỹ thuật phân đoạn dữ liệu nhị phân.
  • Phương pháp thiết kế và chế tạo phần cứng: Thiết kế mạch in (PCB) cho hai khối phát (Sender Node) và khối thu (Receiver Node), tích hợp bộ lọc nhiễu EMI nguồn đầu vào, bộ chuyển đổi nguồn và mạch ghép nối ngoại vi.
  • Phương pháp phát triển phần mềm nhúng: Sử dụng hệ sinh thái PlatformIO trên môi trường Visual Studio Code, lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ để điều khiển cảm biến camera, nén ảnh, phân mảnh gói tin gửi qua LoRa, quản lý bộ nhớ đệm tĩnh và chế độ tiết kiệm năng lượng.
  • Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử hệ thống: Đánh giá hoạt động qua các cấp độ: kiểm thử đơn vị (logic thuật toán), kiểm thử tích hợp từng khối (Sender, Receiver), kiểm thử hệ thống tổng thể với các độ phân giải khác nhau (320 × 240 và 1280 × 720 pixel) để đo lường tỷ lệ mất gói, thời gian truyền tải và phạm vi hoạt động thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo mô hình truyền thông điểm - điểm (Point-to-Point) độc lập nhằm đáp ứng các ràng buộc kỹ thuật khắt khe của mạng băng hẹp không dây.

[ Hiện trường ]                                 [ Trung tâm giám sát ]
+---------------------+                         +----------------------+
| Sender Node         |                         | Receiver Node        |
| - ESP32-S3 CAM      |    Sóng LoRa 433 MHz    | - ESP32-S3 DevKit    |       UART / USB ảo       +------------------+
| - Camera OV2640     | ======================> | - Module LoRa Ra-02  | ========================> | Máy tính PC      |
| - Module LoRa Ra-02 |   (Phân đoạn <= 240B)   | - Khối ghép gói tin  |    (115200 bps, 8-N-1)    | (App VisionView) |
| - Nguồn 5VDC / Pin  |                         | - Nguồn 5VDC         |                           +------------------+
+---------------------+                         +----------------------+

1. Kiến trúc phần cứng

  • Khối phát tín hiệu (Sender Node): Đặt tại khu vực chuồng trại, gồm camera OV2640 thu nhận hình ảnh qua giao tiếp song song 8-bit (D0–D7, các tín hiệu đồng bộ VSYNC, HREF, PCLK với xung nhịp XCLK 10 MHz) và cấu hình tham số qua bus SCCB/I2C (400 kHz). Vi điều khiển ESP32-S3 xử lý tiền xử lý (cân bằng sáng, khử nhiễu), nén ảnh JPEG và phân tách dữ liệu thành từng đoạn nhỏ. Dữ liệu sau đó được chuyển đến module LoRa SX1278 Ra-02 qua bus SPI (tần số tối đa 10 MHz) để phát sóng vô tuyến qua anten ngoài IPEX/SMA trở kháng 50 ohm. Mạch tích hợp bộ lọc EMI và cổng nguồn kép (USB Type-C và jack DC 2.1 mm).
  • Khối thu tín hiệu (Receiver Node - Gateway): Đặt tại trung tâm, sử dụng vi điều khiển ESP32-S3 kết nối module LoRa Ra-02 qua bus SPI để liên tục lắng nghe và tiếp nhận các gói dữ liệu từ không gian vô tuyến. Sau khi nhận đủ và kiểm tra tính toàn vẹn, vi điều khiển ghép nối dữ liệu thành khung ảnh JPEG hoàn chỉnh và chuyển tiếp lên máy tính qua cổng nối tiếp UART/USB ảo.
  • Khối hiển thị trạng thái: Đèn LED RGB lập trình được (giao tiếp số một dây, điện áp 3.3V, hiển thị màu sắc 24-bit) hiển thị trực quan các trạng thái: khởi động, sẵn sàng kết nối, đang truyền nhận và báo lỗi.

2. Thiết kế firmware và giao thức truyền thông

  • Cơ chế phân đoạn dữ liệu: Kích thước gói tin của LoRa bị giới hạn phần cứng (tối đa 255 byte). Để truyền một tệp ảnh JPEG dung lượng vài kilobyte, hệ thống phân đoạn ảnh thành các gói tin có dung lượng không vượt quá 240 byte. Mỗi gói tin chứa trường tiêu đề (header) gồm mã nhận dạng, số thứ tự gói (packet index), tổng số gói của khung ảnh, kích thước dữ liệu và trường tải trọng (payload).
  • Cơ chế kiểm soát truyền nhận: Receiver Node triển khai bộ đệm tĩnh (Static Buffer) dung lượng cố định nhằm chống phân mảnh bộ nhớ SRAM (vốn giới hạn ở mức 520 KB). Khi nhận dữ liệu, node kiểm tra số thứ tự gói tin để ghi vào đúng vị trí bộ đệm. Cơ chế thời gian chờ (timeout) được tích hợp để tự động hủy khung truyền hoặc phát cảnh báo khi đường truyền gián đoạn quá lâu.
  • Tối ưu năng lượng: Cấu hình vi điều khiển hỗ trợ chế độ ngủ sâu (deep sleep) với mức tiêu thụ khoảng 6 mA khi không truyền ảnh, kết hợp dòng nghỉ của module thu phát RF (12.15 mA ở chế độ thu) giúp tiết kiệm điện năng khi hoạt động với nguồn pin rời.

3. Thiết kế phần mềm máy tính (VisionView)

  • Phần mềm giám sát VisionView được xây dựng bằng ngôn ngữ Python, kết nối với Receiver Node qua giao diện cổng nối tiếp ảo (USB Serial Port) với cấu hình tốc độ truyền 115200 bps, 8 bit dữ liệu, không bit chẵn lẻ, 1 bit dừng (8-N-1).
  • Chức năng của VisionView:
    • Tự động quét và phát hiện các cổng kết nối COM/tty khả dụng.
    • Tiếp nhận luồng dữ liệu nhị phân từ Gateway và giải mã hiển thị hình ảnh theo thời gian thực.
    • Bảng điều khiển hiệu chỉnh hình ảnh: độ sáng (brightness), độ tương phản (contrast), độ mịn gamma, độ bão hòa màu, độ sắc nét và mức lọc nhiễu.
    • Lưu trữ hình ảnh dưới dạng tập tin tự động kèm mốc thời gian (timestamp) vào thư mục cơ sở dữ liệu.
    • Theo dõi nhật ký giao tiếp, hiển thị tốc độ truyền dữ liệu, cường độ tín hiệu và chỉ số khung hình.

4. Ràng buộc kỹ thuật, vận hành và pháp lý

Nhóm ràng buộc Thông số / Quy định cụ thể trong thiết kế
Phần cứng vi xử lý Dòng vi điều khiển ESP32 / ESP32-S3, SRAM nội bộ $\le$ 520 KB, quản lý cấp phát tĩnh
Vô tuyến & Tần số Băng tần ISM 433 MHz (433.05 – 434.79 MHz), băng thông (BW) 125 kHz, SF $\ge$ 7, chu kỳ phát sóng (duty cycle) $\le$ 1%
Công suất phát xạ Công suất máy phát $\le$ 20 dBm (100 mW); công suất bức xạ hiệu dụng tối đa $\le$ 10 mW theo quy chuẩn thiết bị không cần xin cấp phép tại Việt Nam
Giao thức gói tin Chiều dài mỗi gói tin LoRa $\le$ 240 byte (ràng buộc chuẩn $\le$ 255 byte)
Năng lượng & Nguồn Nguồn cấp 5 VDC ($\pm$5%), công suất tiêu thụ tối đa $\le$ 5 W (điển hình 2.5 W); pin dung lượng 5000 mAh duy trì $\ge$ 8 giờ; hỗ trợ sạc mặt trời 12V; cảnh báo pin tại 15%
Môi trường hoạt động Dải nhiệt độ từ -10°C đến +60°C, độ ẩm 10% đến 90% (không ngưng tụ hơi nước)
Khoảng cách truyền Giới hạn 5 km với tầm nhìn thẳng (line-of-sight), anten gắn ở độ cao tối thiểu 2 m

Nội dung chính theo từng chương

Báo cáo khóa luận được bố cục thành 5 chương chính với các nội dung chi tiết:

Chương 1: Mở đầu

Trình bày tổng quan về cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 trong nông nghiệp, tầm quan trọng của hệ thống giám sát an ninh chăn nuôi và lý do ứng dụng công nghệ LoRa để khắc phục tình trạng thiếu hạ tầng viễn thông/điện lưới. Chương này xác định rõ 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, giới hạn kỹ thuật (chỉ truyền ảnh tĩnh nén qua mạng băng thông hẹp LoRa, không truyền video) và giới hạn ứng dụng (giám sát ra vào quy mô mô hình). Ngoài ra, chương cũng định hình phương pháp luận thực hiện và bố cục tài liệu.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp bức tranh toàn diện về các nền tảng kỹ thuật được áp dụng trong đề tài:

  • Khái niệm và đặc điểm của IoT trong nông nghiệp thông minh;
  • Nguyên lý điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS) của LoRa, kiến trúc phân tầng và luồng dữ liệu mạng LoRaWAN;
  • Kỹ thuật nén ảnh băng hẹp: phân tích ưu nhược điểm của JPEG, Progressive JPEG, JPEG2000 và WebP;
  • Khảo sát các hệ thống giám sát chuồng trại hiện hành (CCTV, camera IP 4G/5G) và phân tích các thách thức về hạ tầng vùng xa;
  • Thông số kỹ thuật chi tiết của các linh kiện phần cứng: Module vi xử lý Goouuu ESP32-S3 CAM, vi điều khiển ESP32-S3 N16R8, cảm biến quang học OV2640, module thu phát AI-Thinker SX1278 LoRa Ra-02;
  • Giới thiệu hệ sinh thái phát triển PlatformIO, so sánh ưu điểm vượt trội về quản lý thư viện, hỗ trợ đa nền tảng và gỡ lỗi (debug) so với Arduino IDE truyền thống.

Chương 3: Thiết kế hệ thống giám sát trang trại thông qua hình ảnh sử dụng LoRa

Tập trung chi tiết hóa quá trình kỹ thuật từ yêu cầu đến bản vẽ thiết kế:

  • Xác định các yêu cầu chức năng (thu nhận xử lý ảnh, truyền thông LoRa, tái tạo và hiển thị) cùng hệ thống yêu cầu phi chức năng (throughput $\ge$ 4 kbps, BER $\le 10^{-6}$, MTBF $\ge$ 1000 giờ, MTTR $\le$ 30 giây, tỷ lệ mất gói $\le$ 1%);
  • Đặc tả giao diện phần cứng (bus song song camera, bus SPI cho LoRa, giao tiếp UART), giao diện phần mềm nhị phân và giao diện ứng dụng người dùng VisionView;
  • Phân tích các ràng buộc về kỹ thuật phần cứng, tần số vô tuyến, vận hành môi trường và quy chuẩn pháp lý tại Việt Nam;
  • Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, sơ đồ nguyên lý phần cứng, thiết kế mạch in PCB 2 lớp cho Sender Node và Receiver Node (bao gồm khối lọc nhiễu EMI và ổn áp nguồn);
  • Thiết kế kiến trúc phần mềm, lưu đồ thuật toán chi tiết cho Sender, Receiver và mô hình máy trạng thái (State Machine) điều khiển hoạt động đồng bộ.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Trình bày các sản phẩm hiện vật được thi công hoàn chỉnh và kết quả đo kiểm thực nghiệm:

  • Hình ảnh thi công thực tế mạch PCB (mặt TOP, BOTTOM, phối cảnh 3D) và hoàn thiện khối phát tín hiệu, khối thu tín hiệu;
  • Giao diện thực tế của phần mềm VisionView khi tiếp nhận và tái tạo ảnh thành công;
  • Trình bày kết quả kiểm thử đơn vị logic thuật toán, kiểm thử tích hợp mạch thu (Receiver) và mạch phát (Sender);
  • Bảng dữ liệu kiểm thử hệ thống và khoảng cách truyền với hai độ phân giải: 1280 $\times$ 720 pixel và 320 $\times$ 240 pixel;
  • So sánh thời gian truyền tải và dung lượng gói tin thực tế theo từng cấp độ nén; thảo luận về ưu điểm và hạn chế kỹ thuật trong thực tế vận hành.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành dựa trên các mục tiêu đề ra ban đầu, khẳng định khả năng ứng dụng thực tế của mô hình truyền ảnh LoRa chi phí thấp trong nông nghiệp và đề xuất các giải pháp nâng cấp, hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm chính

Đồ án đã chế tạo thành công phần cứng và triển khai phần mềm hoạt động ổn định:

  • Thi công phần cứng: Hoàn thiện hai bo mạch PCB chuyên dụng cho khối phát (Sender Node) và khối thu (Receiver Node), tích hợp module lọc nhiễu nguồn EMI, bảo vệ ngược cực, quá áp và giao tiếp ngoại vi hoạt động chính xác.
  • Hoàn thiện phần mềm: Xây dựng firmware nhúng trên nền tảng PlatformIO điều khiển việc chụp, nén JPEG, đóng gói phân đoạn $\le$ 240 byte và ứng dụng máy tính VisionView (Python) tự động ghép gói, tái tạo ảnh, hỗ trợ lọc hình ảnh và lưu trữ cơ sở dữ liệu.
  • Chỉ số kỹ thuật đạt được trong quá trình đo kiểm:
    • Hệ thống khởi động nhanh trong thời gian $\le$ 10 giây và thời gian thiết lập kết nối giữa các node $\le$ 5 giây.
    • Tỷ lệ lỗi bit kênh truyền (BER) đạt mức kiểm soát $\le 10^{-6}$, tỷ lệ khung hình bị lỗi trong quá trình truyền duy trì dưới 0.1%.
    • Tỷ lệ mất gói dữ liệu duy trì ở mức $\le$ 1% trong phạm vi kiểm thử.
    • Độ chính xác màu sắc của hình ảnh tái tạo trên ứng dụng đạt mức $\ge$ 95% so với ảnh gốc thu nhận tại camera.
    • Hệ thống duy trì thông lượng (throughput) dữ liệu hiệu quả tối thiểu đạt 4 kbps.
    • Thực nghiệm truyền nhận thành công các khung hình ở độ phân giải 320 $\times$ 240 (QVGA) và 1280 $\times$ 720 pixel; thời gian truyền ảnh 320 $\times$ 240 ngắn hơn đáng kể, đảm bảo tính kịp thời cho các cảnh báo an ninh chuồng trại.

2. Bảng tổng hợp kiểm thử hệ thống theo độ phân giải

Tham số kiểm thử Cấu hình độ phân giải 320 $\times$ 240 Cấu hình độ phân giải 1280 $\times$ 720
Kích thước dữ liệu ảnh nén Nhỏ ($\approx$ 2 – 5 KB) Lớn ($\approx$ 15 – 30 KB)
Kích thước phân mảnh gói tin $\le$ 240 byte / gói $\le$ 240 byte / gói
Số lượng gói tin LoRa Ít (khoảng 10 – 25 gói) Nhiều (khoảng 70 – 130 gói)
Thời gian truyền tải Ngắn (phù hợp chu kỳ $\le$ 30 giây) Dài hơn (đòi hỏi đường truyền ổn định)
Mức độ nhận diện đối tượng Nhận diện rõ chuyển động/người ra vào Độ chi tiết hình ảnh cao, sắc nét
Khả năng chịu lỗi kênh truyền Cao, tỷ lệ ghép mảnh thành công lớn Nhạy cảm hơn với hiện tượng mất gói

3. Đóng góp của đề tài

  • Giải pháp kỹ thuật chi phí thấp: Đề xuất một mô hình truyền dữ liệu hình ảnh tầm xa hoàn chỉnh, không cần kết nối mạng Internet (Wi-Fi, 3G/4G) hay dây cáp truyền tín hiệu đắt tiền, giảm thiểu chi phí vận hành hàng tháng cho người nông dân.
  • Tối ưu truyền dữ liệu băng hẹp: Xây dựng thành công cơ chế nén ảnh tĩnh kết hợp giao thức phân mảnh và tái tạo dữ liệu nhị phân với tiêu đề tùy biến gọn nhẹ, chứng minh tính khả thi của việc truyền dữ liệu đa phương tiện kích thước nhỏ qua sóng LoRa.
  • Tính tự chủ và độc lập hạ tầng: Thiết bị tiêu thụ công suất thấp ($\le$ 2.5 W điển hình, tối đa 5 W), tương thích với nguồn cấp pin dự phòng và năng lượng mặt trời 12V, giải quyết triệt để vấn đề mất điện hoặc không có điện lưới tại các trang trại vùng xa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Đề tài mới được thử nghiệm ở quy mô mô hình thí nghiệm thu nhỏ, chưa được kiểm chứng lâu dài trên môi trường trang trại quy mô lớn ngoài thực tế.
  • Do bản chất băng thông hẹp của công nghệ LoRa, hệ thống chỉ hỗ trợ truyền tải ảnh tĩnh theo chu kỳ hoặc sự kiện, hoàn toàn không có khả năng truyền luồng video trực tiếp thời gian thực.
  • Thời gian truyền tải một khung ảnh có độ phân giải cao (1280 $\times$ 720) còn tương đối dài, làm tăng độ trễ giám sát nếu xảy ra sự cố đột xuất.
  • Nhằm tối giản overhead và giảm độ trễ xử lý cho vi điều khiển, hệ thống chưa triển khai thuật toán mã hóa dữ liệu truyền thông vô tuyến (như AES-128/256), việc kiểm soát truy cập phụ thuộc chủ yếu vào an ninh vật lý của thiết bị.
  • Hệ thống chỉ dừng lại ở chức năng ghi nhận hình ảnh người ra vào, chưa tích hợp thêm các cụm cảm biến đo đạc môi trường chuồng trại (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí độc).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng quy mô thử nghiệm hệ thống tại các trang trại chăn nuôi thực tế ngoài hiện trường để đánh giá độ bền cơ học và tính ổn định trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa thuật toán nén ảnh thích ứng (Adaptive Compression) hoặc thuật toán Progressive JPEG để hiển thị nhanh ảnh xem trước (preview) trước khi tải toàn bộ ảnh nét.
  • Tích hợp thêm mạng cảm biến không dây đo đạc các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, khí gas) truyền kèm với dữ liệu hình ảnh qua cùng gói tin LoRa.
  • Bổ sung cơ chế mã hóa nhẹ (Lightweight Cryptography) để bảo vệ tính an toàn của luồng dữ liệu hình ảnh trên kênh truyền sóng vô tuyến mở.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật đối với sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin và Kỹ thuật Nông nghiệp thông minh:

  • Tài liệu tham khảo chuyên môn: Sinh viên thực hiện đồ án liên quan đến mạng cảm biến không dây (WSN), hệ thống nhúng IoT và truyền thông diện rộng tầm xa (LPWAN) có thể tham khảo trực tiếp cấu trúc thiết kế mạch in PCB và giải pháp phân đoạn gói tin qua sóng vô tuyến.
  • Thiết kế phần cứng: Sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch khối phát/khối thu kết hợp SoC ESP32-S3 với module RF SX1278 (bao gồm khối xử lý nguồn, lọc EMI) là bản vẽ tham chiếu rõ ràng cho các bài toán truyền dữ liệu không dây ở khu vực không có điện lưới.
  • Kỹ thuật phần mềm nhúng và giao diện: Cách thức tổ chức dự án trên nền tảng PlatformIO, quản lý bộ đệm tĩnh cho vi điều khiển để tránh tràn RAM, và phương pháp viết ứng dụng giao tiếp nối tiếp bằng Python (VisionView) để xử lý ảnh nhị phân là các chỉ dẫn mang tính ứng dụng thực tiễn cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển và module truyền thông nào được sử dụng trong hệ thống?

Tại khối phát (Sender Node), hệ thống sử dụng module Goouuu ESP32-S3 CAM tích hợp vi xử lý Xtensa 32-bit LX7 lõi kép tốc độ 240 MHz và cảm biến camera OV2640. Tại khối thu (Receiver Node), đồ án sử dụng vi điều khiển ESP32-S3 N16R8 bản tiêu chuẩn. Cả hai khối đều sử dụng module truyền thông vô tuyến AI-Thinker SX1278 LoRa Ra-02 kết nối qua giao tiếp ngoại vi SPI bốn dây với tần số xung clock tối đa 10 MHz.

2. Giao thức LoRa trong đề tài được thiết lập với các thông số kỹ thuật nào?

Giao thức LoRa trong đề tài hoạt động ở dải tần số vô tuyến ISM 433 MHz (đáp ứng dải tần quy chuẩn từ 433.05 MHz đến 434.79 MHz tại Việt Nam). Hệ số trải phổ (Spreading Factor - SF) được thiết lập ở mức từ 7 trở lên, độ rộng băng thông (BW) là 125 kHz, công suất phát tối đa không vượt quá 20 dBm (100 mW) và chu kỳ phát sóng (duty cycle) được giới hạn dưới 1%.

3. Dữ liệu hình ảnh được phân đoạn và đóng gói như thế nào trước khi phát qua LoRa?

Do đặc tính giới hạn phần cứng của LoRa (gói tin tối đa không vượt quá 255 byte), hình ảnh JPEG sau khi nén sẽ được vi điều khiển phân tách thành các gói tin nhỏ có kích thước không vượt quá 240 byte. Mỗi gói tin được gắn một trường tiêu đề (header) gồm mã nhận dạng, số thứ tự gói (packet index), tổng số lượng gói của khung ảnh và chiều dài dữ liệu, giúp Receiver Node sắp xếp và ghép nối chính xác các mảnh dữ liệu vào bộ đệm tĩnh.

4. Phần mềm VisionView trên máy tính đảm nhận những chức năng gì?

VisionView là phần mềm giao diện đồ họa viết bằng Python, kết nối với Gateway qua cổng nối tiếp ảo USB (115200 bps, 8-N-1). Phần mềm có nhiệm vụ nhận luồng dữ liệu nhị phân đã ghép, tái tạo và hiển thị hình ảnh theo thời gian thực; cung cấp công cụ hiệu chỉnh chất lượng hiển thị (độ sáng, độ tương phản, gamma, độ sắc nét, khử nhiễu); tự động lưu trữ hình ảnh kèm mốc thời gian (timestamp) vào cơ sở dữ liệu và hiển thị các chỉ số đường truyền.

5. Hệ thống đáp ứng yêu cầu vận hành nguồn điện và năng lượng ra sao?

Hệ thống sử dụng điện áp nguồn 5 VDC qua cổng Type-C hoặc jack DC 2.1 mm. Công suất tiêu thụ danh định điển hình là 2.5 W và tối đa không vượt quá 5 W. Khối phát hỗ trợ vận hành bằng nguồn pin 5000 mAh trong thời gian liên tục tối thiểu 8 giờ và tương thích với hệ thống sạc năng lượng mặt trời đầu vào 12 V. Hệ thống tích hợp chế độ ngủ sâu (deep sleep) với dòng tiêu thụ chỉ 6 mA và tự động kích hoạt cảnh báo khi mức dung lượng pin giảm xuống dưới 15%.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Phan Anh Cường và Vũ Quốc Việt đã nghiên cứu, thiết kế và thi công thành công hệ thống giám sát trang trại qua hình ảnh sử dụng công nghệ LoRa độc lập với mạng Internet và điện lưới cố định. Bằng việc kết hợp vi xử lý ESP32-S3, camera OV2640 và module LoRa SX1278 với thuật toán nén và phân mảnh gói tin hợp lý, hệ thống chứng minh khả năng truyền tải dữ liệu ảnh tĩnh tầm xa ổn định với độ tin cậy cao. Các kết quả đo kiểm thực nghiệm và phần mềm quản lý VisionView đã khẳng định tính khả thi của giải pháp, mở ra hướng ứng dụng thiết thực và kinh tế cho các bài toán an ninh nông nghiệp thông minh tại các khu vực vùng sâu, vùng xa.