Đồ án IoT giám sát cảnh báo và thu thập dữ liệu phòng sạch qua mạng LoRa - ĐH SPKT TP.HCM

Nghiên cứu thiết kế và thi công hệ thống IoT giám sát, thu thập dữ liệu và cảnh báo môi trường phòng sạch ứng dụng công nghệ mạng không dây LoRa.

• Tác giả: Nguyễn Thành Huy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thái
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hệ thống nhúng & IoT
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống IoT giám sát, cảnh báo và thu thập dữ liệu phòng sạch ứng dụng công nghệ mạng LoRa
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2026
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống IoT giám sát phòng sạch dùng LoRa

Phòng sạch đóng vai trò then chốt trong sản xuất bán dẫn, y tế và dược phẩm. Không gian này đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt về mật độ bụi, nhiệt độ, độ ẩm cùng các loại khí độc. Một sai lệch nhỏ trong môi trường cũng có thể làm hỏng toàn bộ dây chuyền chế tạo. Hệ thống IoT giám sát, cảnh báo phòng sạch dùng LoRa ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe trên. Đề tài xuất phát từ nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Giải pháp kết hợp mạng không dây tầm xa LoRa với các cụm cảm biến thông minh. Thiết bị đo đạc liên tục các chỉ số quan trọng như bụi mịn PM2.5, khí CO2, VOC và nồng độ NOx. Dữ liệu từ các phòng sản xuất được gom về trung tâm điều khiển theo thời gian thực. Cấu trúc mạng hình sao của LoRa giúp loại bỏ dây dẫn phức tạp trong môi trường cách ly. Hệ thống vận hành bền bỉ, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí triển khai hạ tầng. Nhà quản lý dễ dàng nắm bắt hiện trạng thông qua màn hình hiển thị tại chỗ hoặc ứng dụng di động. Đây là bước tiến quan trọng trong việc hiện đại hóa quy trình kiểm định chất lượng.

1.1. Tiêu chuẩn và thông số phòng sạch cần giám sát

Phòng sạch phân loại theo tiêu chuẩn ISO 14644 hoặc GMP. Các tiêu chuẩn này quy định giới hạn nghiêm ngặt về số lượng hạt bụi lơ lửng trong không khí. Ngoài hạt bụi, nhiệt độ và độ ẩm tương đối cũng ảnh hưởng trực tiếp đến quy trình sản xuất vi mạch. Độ ẩm cao gây ngưng tụ hơi nước và oxy hóa bề mặt kim loại. Độ ẩm thấp tạo ra tĩnh điện, làm phóng điện phá hủy linh kiện nhạy cảm. Thêm vào đó, nồng độ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOC và khí NOx đe dọa an toàn lao động. Khí CO2 tăng cao dẫn đến giảm khả năng tập trung của kỹ sư vận hành. Do đó, việc theo dõi đồng thời sáu thông số môi trường là điều bắt buộc.

1.2. Vai trò của công nghệ truyền thông không dây LoRa

LoRa là kỹ thuật điều chế tần số vô tuyến dựa trên công nghệ trải phổ Chirp. Công nghệ này mang lại khả năng truyền tin cự ly xa với mức năng lượng cực thấp. Tín hiệu LoRa có độ nhạy thu cao và khả năng xuyên vật cản tốt. Môi trường công nghiệp có nhiều vách ngăn kim loại và tường bê tông. Sóng Wi-Fi thông thường dễ bị suy hao mạnh hoặc mất tín hiệu trong điều kiện này. LoRa khắc phục nhược điểm đó nhờ hoạt động ở băng tần dưới 1 GHz. Tần số 433 MHz phổ biến tại châu Á cho phép sóng LoRa truyền xa nhiều kilomet. Thiết bị đầu cuối LoRa duy trì hoạt động lâu dài với nguồn pin nhỏ. Mô hình giúp cắt giảm chi phí bảo trì.

II. Thách thức giám sát phòng sạch khi thiếu hệ thống IoT LoRa

Nhiều cơ sở hiện nay vẫn áp dụng phương pháp giám sát thủ công hoặc mạng có dây. Nhân viên kỹ thuật phải cầm máy đo đi kiểm tra từng điểm theo giờ quy định. Quy trình thủ công tạo ra độ trễ lớn và tiềm ẩn nhiều sai sót do con người. Việc con người di chuyển liên tục vào phòng sạch cũng phát tán thêm bụi bẩn. Các giải pháp đi dây cáp mạng RS-485 truyền thống đòi hỏi thi công phức tạp. Thao tác khoan tường và luồn dây làm phá vỡ cấu trúc kín khí của phòng sạch. Ngoài ra, chi phí nhân công và vật tư dây dẫn tăng cao khi mở rộng quy mô xưởng. Một số đơn vị đã thử nghiệm công nghệ sóng Wi-Fi hoặc Bluetooth. Tuy nhiên, sóng tần số cao 2.4 GHz bị kim loại chắn sóng làm tiêu hao năng lượng rất nhanh. Thiết bị thường xuyên rơi vào tình trạng mất kết nối hoặc hết pin đột ngột. Dữ liệu vì thế bị gián đoạn, không phản ánh chính xác các sự cố tăng nhiệt hay rò rỉ khí. Khi thông số vượt ngưỡng mà không có cảnh báo ngay, toàn bộ lô hàng linh kiện có thể bị phá hủy hoàn toàn.

2.1. Hạn chế về cự ly và độ tin cậy của mạng Wi Fi thông thường

Mạng Wi-Fi truyền thống hoạt động ở băng tần 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Băng tần cao cho tốc độ truyền tải lớn nhưng phạm vi bao phủ rất hạn chế. Các vách ngăn panel cách nhiệt và cửa thép trong phòng sạch làm suy giảm tín hiệu mạnh. Khi gặp vật cản, bước sóng ngắn của Wi-Fi bị phản xạ và tán xạ nghiêm trọng. Điều này tạo ra nhiều điểm chết vô tuyến trong phân xưởng sản xuất. Cảm biến lắp đặt tại các góc khuất thường xuyên mất gói tin khi gửi về gateway. Bên cạnh đó, chuẩn Wi-Fi đòi hỏi giao thức bắt tay phức tạp và tiêu hao nhiều điện năng. Thiết bị dùng pin phải thay pin liên tục sau vài tuần vận hành. Chi phí nhân lực để bảo trì hệ thống Wi-Fi vì thế trở nên quá tốn kém.

2.2. Nguy cơ tiềm ẩn từ việc phát hiện sự cố môi trường chậm trễ

Sự biến động vi khí hậu trong phòng sạch thường diễn ra rất nhanh chóng. Bộ lọc không khí HEPA có thể bị tắc nghẽn hoặc rách màng lọc bất ngờ. Khi đó, nồng độ bụi mịn PM2.5 sẽ tăng vọt chỉ trong vài phút ngắn ngủi. Bụi bẩn bám dính lên bề mặt tấm bán dẫn gây hỏng vi chip. Tương tự, hệ thống điều hòa HVAC gặp sự cố làm nhiệt độ và độ ẩm vượt chuẩn. Độ ẩm cao khiến hơi nước tích tụ, sinh ra nấm mốc và vi khuẩn. Nếu thiếu cơ chế cảnh báo tự động tức thì, kỹ sư không thể can thiệp kịp thời. Toàn bộ lô hàng sản phẩm sẽ bị loại bỏ trong khâu kiểm định. Doanh nghiệp gánh chịu tổn thất lớn về kinh tế và uy tín.

III. Giải pháp hệ thống IoT giám sát phòng sạch ứng dụng LoRa

Nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đề xuất kiến trúc hệ thống IoT toàn diện. Mô hình gồm ba khối chính: nút cảm biến đo đạc (Sensor Node), trạm thu phát trung tâm (Gateway) và nền tảng máy chủ đám mây. Tại các phòng sạch, nút cảm biến tích hợp module SEK-SEN66 và SHT31. Cụm thiết bị này đo đạc liên tục hạt bụi, nhiệt độ, độ ẩm, khí VOC, NOx và CO2. Vi điều khiển ESP32 xử lý sơ bộ rồi gửi dữ liệu qua module truyền thông LoRa. Dữ liệu được mã hóa thành các gói tin LoRa gửi về trạm Gateway đặt ở cự ly xa. Trạm Gateway nhận tín hiệu, giải mã và chuyển tiếp lên máy chủ thông qua kết nối Wi-Fi hoặc Ethernet. Hệ thống tích hợp IC thời gian thực DS3231 nhằm gắn nhãn mốc thời gian chuẩn xác cho từng bản ghi. Màn hình OLED SSD1306 tại nút giám sát cho phép quan sát chỉ số trực tiếp. Khi phát hiện thông số vượt giới hạn an toàn, Gateway lập tức phát còi báo động. Đồng thời, máy chủ gửi thông báo khẩn cấp tới ứng dụng di động của người giám sát. Luồng dữ liệu vận hành liên tục, ổn định và có tính tự động hóa cao.

3.1. Thiết kế phần cứng nút cảm biến và trạm thu phát Gateway

Nút cảm biến sử dụng vi điều khiển ESP32 với năng lực xử lý mạnh mẽ. Cảm biến SHT31 đo nhiệt độ và độ ẩm qua giao tiếp I2C với độ sai số cực thấp. Cảm biến SEK-SEN66 phụ trách thu thập chỉ số hạt bụi PM, nồng độ VOC, NOx và CO2. Để đảm bảo tính chính xác cho các phép đo, hệ thống tích hợp IC thời gian thực DS3231 có bù nhiệt. Mạch nguồn sử dụng module hạ áp Hi-Link cùng IC TPS5430 và AMS1117 để cấp nguồn ổn định. Về phía trạm Gateway, vi điều khiển ESP32-S3 nhận tín hiệu từ module LoRa RFM95W qua giao tiếp SPI. Thiết bị tích hợp màn hình LCD SSD1306 và còi chíp báo động tại chỗ. Cấu trúc phần cứng được thiết kế theo dạng module hóa, giúp lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng.

3.2. Cấu trúc gói tin LoRa và cơ chế truyền nhận dữ liệu

Đề tài xây dựng giao thức truyền thông tối ưu dựa trên cấu trúc gói tin LoRa explicit. Mỗi gói dữ liệu bao gồm chuỗi đồng bộ Preamble để bên nhận nhận diện tín hiệu. Phần Header chứa thông tin về độ dài dữ liệu và tỷ lệ mã hóa kênh. Phần Payload mang nội dung chính gồm mã định danh nút, sáu thông số môi trường và dấu thời gian. Cuối gói tin là trường mã kiểm tra lỗi CRC để bảo đảm tính toàn vẹn dữ liệu. Cơ chế truyền thông vận hành theo chu kỳ ngủ sâu (Deep Sleep) và thức giấc gửi dữ liệu. Chu trình này cắt giảm tối đa điện năng tiêu thụ cho nút cảm biến. Khi nhận gói tin hợp lệ, Gateway gửi tín hiệu xác nhận về nút để tránh thất thoát dữ liệu trên đường truyền vô tuyến.

IV. Ứng dụng thực tế hệ thống IoT giám sát phòng sạch LoRa

Hệ thống IoT giám sát phòng sạch dùng công nghệ LoRa đem lại giá trị thực tiễn to lớn cho sản xuất công nghệ cao. Các xưởng đúc chip, phòng nuôi cấy mô y học và cơ sở điều chế dược phẩm đều có thể áp dụng giải pháp này. Dữ liệu từ các nút cảm biến được tổng hợp liên tục lên bảng điều khiển Web và ứng dụng di động. Nhà quản lý dễ dàng theo dõi trực quan các đồ thị diễn biến nồng độ bụi và khí độc hại. Hệ thống cung cấp công cụ trích xuất báo cáo thông số môi trường dưới định dạng Excel hoặc PDF phục vụ công tác thanh tra. Cơ chế cảnh báo đa kênh gồm còi hú tại chỗ, thông báo qua ứng dụng và email giúp xử lý sự cố kịp thời. Nhờ vậy, dây chuyền sản xuất luôn duy trì điều kiện chuẩn mực theo tiêu chuẩn quốc tế ISO. Mô hình nghiên cứu từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra hướng đi mới về tự chủ công nghệ IoT trong nước. Giải pháp này giúp doanh nghiệp giảm chi phí đầu tư ngoại nhập và nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

4.1. Hiệu quả triển khai trong sản xuất bán dẫn và y tế

Trong ngành công nghiệp bán dẫn, bụi bẩn là nguyên nhân hàng đầu gây hư hỏng mạch tích hợp. Việc lắp đặt mạng cảm biến LoRa giúp kiểm soát nồng độ bụi 24/7 mà không cần gián đoạn sản xuất. Khi phát hiện bộ lọc khí suy giảm hiệu suất, kỹ thuật viên lập tức thay thế màng lọc. Trong lĩnh vực y tế và dược phẩm, hệ thống giúp duy trì môi trường vô trùng tuyệt đối cho phòng bào chế thuốc. Sự ổn định về nhiệt độ và độ ẩm ngăn ngừa biến chất của các hoạt chất sinh học nhạy cảm. Hệ thống nhật ký dữ liệu đám mây cung cấp bằng chứng minh bạch phục vụ đánh giá tiêu chuẩn GMP. Năng suất lao động và chất lượng sản phẩm nhờ đó được cải thiện rõ rệt.

4.2. Tiềm năng mở rộng và hướng phát triển hệ thống

Kiến trúc phần cứng mở của hệ thống cho phép tích hợp thêm nhiều loại cảm biến mới trong tương lai. Kỹ sư có thể gắn thêm đầu dò áp suất chênh lệch để kiểm soát lưu lượng dòng khí phòng sạch. Về mặt phần mềm, thuật toán trí tuệ nhân tạo AI có thể được nhúng vào máy chủ đám mây. Mô hình học máy sẽ phân tích chuỗi dữ liệu lịch sử để dự đoán thời điểm lọc khí xuống cấp. Hệ thống nhờ đó đưa ra khuyến nghị bảo trì dự đoán (predictive maintenance) trước khi sự cố xảy ra. Bên cạnh đó, mạng lưới Gateway có thể mở rộng theo chuẩn LoRaWAN để quản lý hàng trăm nút cảm biến trên toàn bộ khuôn viên nhà máy lớn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất các sản phẩm công nghệ cao, đặc biệt là dây chuyền gia công và đóng gói linh kiện bán dẫn (Cleanroom), việc kiểm soát môi trường không khí đóng vai trò tiên quyết đến chất lượng và tỷ lệ thành phẩm. Sự xâm nhập của những hạt bụi có kích thước vi mô có thể trực tiếp làm hư hỏng cấu trúc vi mạch điện tử. Tương tự, sự biến thiên về nhiệt độ và độ ẩm vượt mức cho phép sẽ gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng dược phẩm và thực phẩm. Bên cạnh đó, các biến động do con người tạo ra trong quá trình nghiên cứu, vận hành, hoặc các sự cố kỹ thuật từ hệ thống điều hòa không khí, hệ thống thông gió, màng lọc bụi và nguy cơ rò rỉ khí $CO_2$ từ hệ thống phòng cháy chữa cháy đều tiềm ẩn rủi ro đối với sức khỏe của nhân viên làm việc trong phòng sạch.

Các giải pháp đo đạc truyền thống bộc lộ nhược điểm là thiếu tính liên tục, khó giám sát tập trung và không đáp ứng kịp thời yêu cầu cảnh báo sớm. Để giải quyết vấn đề này, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống IoT giám sát, cảnh báo và thu thập dữ liệu phòng sạch ứng dụng công nghệ mạng LoRa" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Thành Huy (Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh), dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Thái và sự phối hợp từ Công ty AIoTsemiconductor cùng Phòng nghiên cứu 3DVisionLab. Đề tài tập trung vào việc ứng dụng công nghệ truyền thông không dây tầm xa LoRa để khắc phục rào cản về cự ly truyền dẫn, khả năng xuyên thấu vật cản và công suất tiêu thụ trong môi trường công nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm các nội dung cụ thể sau:

1. Nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống quan trắc môi trường có khả năng thu thập 9 thông số: Nhiệt độ, độ ẩm, chỉ số bụi mịn PM1.0, các loại khí VOC, khí NOx và nồng độ khí $CO_2$.
2. Xây dựng khả năng thu thập và truyền nhận dữ liệu không dây giữa các thiết bị đầu cuối và trạm trung tâm trong bán kính dưới 1000m.
3. Thiết kế giao diện web trực quan phục vụ người dùng giám sát dữ liệu trực tiếp, theo dõi biểu đồ và thực hiện các thiết lập cấu hình thiết bị.
4. Xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ lưu trữ tập trung và hỗ trợ trích xuất dữ liệu ở nhiều dạng định dạng khác nhau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng thu thập dữ liệu môi trường (Node cảm biến), thiết bị điều phối trung tâm (Gateway), giao thức truyền thông LoRa, các chuẩn giao tiếp ngoại vi và nền tảng phần mềm quản lý (HMI, Web, App).
• Phạm vi không gian: Triển khai thử nghiệm thực tế tại phòng đóng gói sản phẩm vi mạch bán dẫn và đo kiểm cự ly truyền thông trong môi trường công nghiệp có nhiều vật cản.
• Phạm vi thời gian: Đồ án được hoàn thành và bảo vệ vào tháng 1 năm 2026.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật phòng sạch quốc tế và trong nước để làm căn cứ đánh giá chất lượng môi trường, bao gồm: tiêu chuẩn FED STD 209E của Hoa Kỳ, hệ quy chuẩn quốc tế ISO 14644-1, hướng dẫn Thực hành sản xuất tốt (GMP) và tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam TCVN 8664-1:2011 (tương đương chuẩn ISO 14644-1).

Về nền tảng IoT và truyền thông không dây, tác giả tổng hợp các nguyên lý vận hành của:

• Công nghệ mạng LoRa (Long Range): Sử dụng kỹ thuật điều chế trải phổ dải rộng (Chirp Spread Spectrum), trong đó bit 1 được biểu diễn bằng xung quét tăng tần số và bit 0 bằng xung quét giảm tần số. Công nghệ này hoạt động ở các dải tần theo khu vực địa lý: 433 MHz (châu Á), 868 MHz (châu Âu) và 915 MHz (châu Mỹ). Gói tin LoRa hỗ trợ hai dạng cấu trúc là explicit và implicit, với các trường dữ liệu gồm chuỗi đồng bộ (Preamble), tiêu đề (Header), dữ liệu chính (Payload) và mã kiểm tra lỗi (PayloadCRC). Ba tham số vật lý cốt lõi được tác giả khảo sát là Hệ số trải phổ (Spreading Factor - SF từ 6 đến 12), Tỷ lệ mã hóa (Coding Rate - CR từ 4/5 đến 4/8 trên vi mạch SX1276) và Băng thông (Bandwidth - BW).
• Công nghệ Wi-Fi (IEEE 802.11): Khảo sát các chuẩn 802.11b (2,4 GHz, 11 Mbps), 802.11g (2,4 GHz, 54 Mbps), 802.11a (5 GHz, 54 Mbps), 802.11n (2,4 GHz, 300–450 Mbps), 802.11ac (5 GHz) và 802.11ad (60 GHz, 4,6 Gbps).
• Các chuẩn giao tiếp có dây: Chuẩn UART (không đồng bộ, khung truyền gồm 1 bit start, 5–9 bit data, 1 bit parity, 1–2 bit stop ở các tốc độ 9600, 57600, 115200 bps); chuẩn RS-232 (EIA/TIA-232-E, mức điện áp logic từ -3V đến -15V cho mức 1, từ +3V đến +15V cho mức 0, lề nhiễu -3V đến +3V, giới hạn cự ly 15m ở tốc độ 19200 bps); chuẩn I2C (giao tiếp 2 dây SDA/SCL, định danh 7-bit, cực thu hở với điện trở kéo 1k–10k); chuẩn SPI (truyền nhận song công full-duplex qua SCLK, CS, MOSI, MISO); chuẩn SDIO (tốc độ cao 0–25 MHz lên đến 10 MB/s, tốc độ thấp 0–400 kHz, hỗ trợ khung lệnh 48-bit và phản hồi 48/136-bit); và chuẩn USB (mã hóa NRZI qua cặp vi sai D+/D- gồm các trường SYNC, PID, ADDR, ENDP, CRC, EOP).

Linh kiện / Vi mạch	Chức năng kỹ thuật chính	Thông số vận hành tiêu biểu
ESP32-S3	Vi điều khiển trung tâm cho Gateway	Hỗ trợ Wi-Fi, BLE, quản lý truyền thông LoRa và màn hình HMI
ESP32	Vi điều khiển tại các Node cảm biến	Xử lý đa tác vụ, đọc tín hiệu cảm biến và điều khiển module RF
SEK-SEN66	Module cảm biến tích hợp	Đo nồng độ bụi mịn PM, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOC, NOx, $CO_2$
SHT31	Cảm biến môi trường chuyên dụng	Đo nhiệt độ và độ ẩm không khí qua giao thức số I2C
E32	Module thu phát không dây LoRa	Truyền thông dải tần vô tuyến, khoảng cách xa, công suất thấp
MAX3232	IC chuyển đổi mức logic RS-232	Điện áp 3.6 VDC, dòng 0.3–1 mA, bảo vệ phóng tĩnh điện ESD ±15kV
MAX3485	IC truyền nhận vi sai chuẩn RS-485	Điện áp 3.6 VDC, tốc độ dữ liệu lên đến 10 Mbps
DS3231	IC thời gian thực (RTC) có bù nhiệt	Sai số ±5 ppm (±0.432 s/ngày), dòng duy trì nguồn pin 3.5 µA
HLK-PM01 / 5M24	Module chuyển đổi nguồn AC-DC	Cấp nguồn từ lưới 220VAC sang điện áp một chiều 5VDC / 24VDC
TPS5430 & AMS1117	Mạch hạ áp DC-DC và hạ áp tuyến tính	Hạ áp từ 24V xuống 5V và từ 5V xuống 3.3V cấp nguồn cho vi điều khiển

Phương pháp nghiên cứu thực tế được thực hiện qua hai nhánh chính:

1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích tài liệu kỹ thuật, datasheet của các cảm biến chuyên dụng (SEK-SEN66, SHT31), giao thức truyền thông không dây LoRa, kiến trúc phân tầng của mạng IoT và tập lệnh giao tiếp của các chuẩn UART, I2C, SPI, SDIO.
2. Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế bo mạch in (PCB), lắp ráp linh kiện, hiệu chỉnh phần cứng nguồn xung và mạch bảo vệ; lập trình firmware cho vi điều khiển ESP32 và ESP32-S3; triển khai đo kiểm thực tế cự ly truyền thông và độ ổn định gói tin tại hiện trường phòng đóng gói sản phẩm.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu xuất phát trực tiếp từ các chuỗi số liệu đo đạc thực tế của cảm biến Sensirion SEK-SEN66 và SHT31, dữ liệu ghi nhận tức thời trên thẻ nhớ SD, dữ liệu hiển thị trên màn hình HMI DWIN DGUS và cơ sở dữ liệu trên máy chủ web CPanel/phpMyAdmin.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc hệ thống được chia làm ba phân lớp kỹ thuật chính: Khối thu thập dữ liệu đầu cuối (Node), Khối điều phối trung tâm (Gateway) và Phân lớp phần mềm ứng dụng.

Thiết kế phần cứng

• Thiết bị Node: Được xây dựng quanh vi điều khiển ESP32, kết nối với module cảm biến SEK-SEN66 qua giao tiếp UART và cảm biến SHT31 qua giao tiếp I2C. Node được tích hợp IC thời gian thực DS3231 hoặc PCF8563 để gắn nhãn thời gian, khối màn hình OLED SSD1306 hiển thị thông số tại chỗ, khe cắm thẻ nhớ MicroSD giao tiếp qua SPI/SDIO để lưu dữ liệu đệm phòng khi mất tín hiệu mạng, còi báo động phục vụ cảnh báo tại chỗ và module LoRa E32 kết nối anten ngoài. Mạch nguồn của Node sử dụng module Hi-Link chuyển đổi điện áp 220VAC sang 12VDC/24VDC, sau đó qua IC hạ áp DC-DC TPS5430 để chuyển về 5V và IC LDO AMS1117 tạo mức điện áp ổn định 3.3V.
• Thiết bị Gateway: Sử dụng vi điều khiển ESP32-S3 hiệu năng cao, tích hợp module thu nhận LoRa E32, module thời gian thực RTC, khối thẻ nhớ ghi dữ liệu, cổng giao tiếp nối tiếp liên kết với màn hình cảm ứng HMI DWIN (cấu hình giao diện bằng phần mềm DGUS) và anten Wi-Fi để truyền dữ liệu lên máy chủ từ xa.

Thiết kế phần mềm và giải thuật

Firmware nhúng trên ESP32 và ESP32-S3 được tổ chức thành các luồng tác vụ độc lập chạy trên nền tảng hệ điều hành thời gian thực:

• Tại Node: Tác vụ khởi tạo ngoại vi, đọc dữ liệu cảm biến định kỳ, xử lý ngắt sự kiện tháo lắp thẻ nhớ, ghi dữ liệu vào thẻ MicroSD theo định dạng cấu trúc tệp, đóng gói bản tin dữ liệu và phát tín hiệu RF qua module LoRa.
• Tại Gateway: Tác vụ lắng nghe và thu nhận gói tin LoRa từ các Node, kiểm tra tính toàn vẹn PayloadCRC, bóc tách dữ liệu, cập nhật đồ thị và thông số lên màn hình cảm ứng HMI DWIN, ghi log vào thẻ nhớ cục bộ và kích hoạt luồng truyền tải dữ liệu qua Wi-Fi gửi lên máy chủ web. Gateway cung cấp thuật toán cho phép người dùng thêm Node thủ công trực tiếp từ giao diện màn hình cảm ứng HMI.

Triển khai kiểm thử và giám sát

Hệ thống phần mềm giám sát từ xa được triển khai trên nền tảng máy chủ sử dụng giao diện quản trị CPanel và hệ quản trị cơ sở dữ liệu phpMyAdmin. Giao diện trang web được thiết kế để hiển thị bảng dữ liệu thời gian thực, biểu đồ cột biểu diễn lịch sử chất lượng không khí, bảng tính toán chỉ số chất lượng không khí tổng hợp VN_AQI và tích hợp ứng dụng di động (App) phục vụ theo dõi trên điện thoại thông minh. Toàn bộ thiết bị phần cứng được thi công hoàn thiện bo mạch, đóng gói vào vỏ bảo vệ chuyên dụng và gắn thử nghiệm trực tiếp tại phòng đóng gói linh kiện bán dẫn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của việc kiểm soát môi trường trong phòng sạch sản xuất vi mạch điện tử và dược phẩm. Tác giả trình bày các rủi ro hư hỏng thiết bị và ảnh hưởng sức khỏe người lao động khi các chỉ số bụi mịn, nhiệt độ, độ ẩm, khí VOC, NOx và $CO_2$ vượt ngưỡng. Từ đó, tác giả xác định mục tiêu thiết kế hệ thống quan trắc 9 thông số ứng dụng LoRa, nêu rõ phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm, phân định các giới hạn kỹ thuật của đề tài và trình bày cấu trúc tổng thể của bản báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này cung cấp hệ thống lý thuyết toàn diện về phòng sạch và mạng IoT. Tác giả phân tích các hệ tiêu chuẩn chất lượng không khí (FED STD 209E, ISO 14644-1, TCVN 8664-1:2011) và kiến trúc 3 thành phần của phần cứng IoT (Cảm biến - Bộ vi xử lý - Bộ điều khiển). Tiếp đó, chương phân tích chuyên sâu nguyên lý điều chế dải rộng LoRa, các tham số SF, CR, BW, cấu trúc gói tin, cùng đặc tính các thế hệ mạng Wi-Fi (802.11b/g/a/n/ac/ad). Toàn bộ các chuẩn giao tiếp công nghiệp gồm UART, RS-232, I2C, SPI, SDIO và USB được diễn giải chi tiết về giản đồ xung, cấu trúc khung truyền và mức điện áp logic. Cuối chương là bảng thông số kỹ thuật của 16 loại vi mạch, linh kiện nguồn và cảm biến (MAX3232, MAX3485, DS3231, PCF8563, ESP32, ESP32-S3, HLK-PM01, TPS5430, AMS1117, SEK-SEN66, SHT31).

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình thiết kế kỹ thuật từ yêu cầu hệ thống đến sơ đồ nguyên lý phần cứng và giải thuật phần mềm. Tác giả xây dựng sơ đồ khối, bản vẽ nguyên lý và mô hình 3D cho cả thiết bị Gateway và Node cảm biến (bao gồm mạch nguồn xung AC-DC, mạch hạ áp DC-DC TPS5430, mạch giao tiếp cảm biến SEN66 và SHT31, mạch thẻ nhớ và mạch hiển thị LCD). Phần mềm được thể hiện tường minh qua 12 lưu đồ giải thuật cho chương trình chính của Gateway, lưu đồ gửi dữ liệu lên server, lưu đồ ghi thẻ nhớ, lưu đồ quản lý tác vụ đọc cảm biến, lưu đồ xử lý tháo lắp thẻ nhớ và giao diện màn hình HMI DWIN DGUS phục vụ vận hành, thêm/xóa Node.

Chương 4: Kết quả

Chương 4 công bố toàn bộ kết quả chế tạo thực tế và đo kiểm hoạt động của hệ thống. Tác giả đưa ra hình ảnh chụp thực tế bo mạch in và sản phẩm sau khi đóng hộp của Gateway và hai phiên bản Node (Node SEK-SEN66 và Node SHT31). Kết quả kiểm thử phần mềm được chứng minh qua hình ảnh giao diện vận hành trên HMI DWIN (hiển thị thông số và đồ thị), dữ liệu văn bản trích xuất từ thẻ nhớ MicroSD, giao diện web giám sát chỉ số VN_AQI, cấu trúc dữ liệu lưu trên CPanel/phpMyAdmin và giao diện trên ứng dụng di động. Phần đo kiểm thực nghiệm khoảng cách truyền nhận LoRa ghi nhận số liệu cụ thể ở hai môi trường: cự ly 48m và cự ly 500m trong điều kiện nhà xưởng có nhiều vật cản.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các hạng mục kỹ thuật đã hoàn thành so với mục tiêu ban đầu, xác nhận khả năng vận hành ổn định của hệ thống giám sát môi trường phòng sạch ứng dụng LoRa và đề xuất các định hướng nâng cấp, hoàn thiện giải pháp trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Hệ thống đã được chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh thành các thiết bị phần cứng độc lập và đưa vào hoạt động thực tế với các số liệu kiểm thử cụ thể:

• Thi công phần cứng hoàn chỉnh: Chế tạo thành công 01 thiết bị Gateway sử dụng vi điều khiển ESP32-S3 và 02 thiết bị Node cảm biến đóng hộp chuyên dụng (gồm 01 Node tích hợp module cảm biến SEK-SEN66 và 01 Node tích hợp cảm biến SHT31).
• Thu thập đa thông số: Hệ thống đo đạc và truyền tải ổn định các nhóm thông số môi trường gồm nồng độ bụi mịn PM1.0, các chỉ số khí VOC, NOx, nồng độ khí $CO_2$, nhiệt độ và độ ẩm không khí.
• Khả năng truyền thông vô tuyến: Kiểm nghiệm thực tế liên kết truyền nhận LoRa giữa Node và Gateway đạt kết quả thu nhận dữ liệu đầy đủ tại hai mốc cự ly trong môi trường công nghiệp:
  • Cự ly 48 mét trong phòng đóng gói sản phẩm có vật cản: Gateway thu nhận liên tục và vẽ đồ thị thời gian thực các thông số bụi mịn, VOC, nhiệt độ và độ ẩm.
  • Cự ly 500 mét trong không gian nhà xưởng có mật độ vật cản cao: Gateway duy trì kết nối ổn định, thu thập chính xác đồ thị nồng độ bụi mịn và chỉ số khí VOC phát từ Node.
• Lưu trữ và cảnh báo: Dữ liệu được lưu trữ song song tại hai cấp độ (ghi trực tiếp vào tệp trên thẻ nhớ MicroSD tại Node/Gateway và đẩy lên cơ sở dữ liệu trên máy chủ CPanel/phpMyAdmin qua mạng Wi-Fi); hệ thống kích hoạt cảnh báo vượt ngưỡng trên màn hình HMI và ứng dụng di động.

Đóng góp của đề tài nằm ở việc cung cấp một giải pháp thiết kế hoàn chỉnh từ phần cứng bo mạch in, cấu trúc cơ khí đến firmware nhúng và phần mềm quản lý phân tán. Đề tài khắc phục được hạn chế về cự ly truyền thông ngắn của các mạng cảm biến dùng Wi-Fi truyền thống hoặc sự phức tạp trong thi công đường dây của các hệ thống có dây trong phòng sạch, đồng thời thiết lập cơ chế sao lưu dữ liệu phân tán (thẻ nhớ kết hợp điện toán đám mây) nhằm đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu cho công tác kiểm định chất lượng sản xuất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo các giới hạn đề tài được tác giả công bố trong văn bản, hệ thống còn tồn tại các điểm hạn chế sau:

• Dữ liệu thu thập và hiển thị trên ứng dụng di động và thiết bị Node hiện tại mới dừng ở mức giá trị thô nhận trực tiếp từ cảm biến.
• Các giá trị cảm biến đo đạc chưa được thực hiện kiểm định và hiệu chuẩn đối chứng với các thiết bị đo lường chuyên dụng trong phòng thí nghiệm chuẩn.
• Phần mềm hệ thống chưa hoàn thiện chức năng xóa bỏ thiết bị Node đã được thêm vào mạng trước đó.
• Phạm vi truyền nhận không dây qua LoRa thực tế mới được thử nghiệm và đảm bảo ở khoảng cách dưới 600m.
• Thiết bị Gateway và các Node phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện lưới xoay chiều 220VAC, chưa tích hợp nguồn pin dự phòng khi mất điện.
• Giao thức truyền nhận dữ liệu không dây LoRa giữa các trạm chưa được tích hợp các lớp thuật toán mã hóa bảo mật đường truyền.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:

• Tiến hành đo đối chứng và hiệu chuẩn các thông số của cảm biến SEK-SEN66 và SHT31 bằng các thiết bị kiểm định tiêu chuẩn.
• Hoàn thiện tính năng phần mềm cho phép cấu hình linh hoạt việc xóa hoặc thay đổi địa chỉ các Node trên màn hình HMI DWIN và Web.
• Tích hợp các thuật toán mã hóa dữ liệu trên đường truyền không dây LoRa nhằm ngăn ngừa can thiệp tín hiệu trái phép.
• Nghiên cứu tối ưu hóa năng lượng phần cứng và bổ sung mạch quản lý sạc pin để Node có thể vận hành cơ động độc lập không phụ thuộc nguồn 220VAC.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành: Hệ thống nhúng & IoT, Kỹ thuật Máy tính, Điện tử – Viễn thông và Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa đang nghiên cứu các đề tài thiết kế thiết bị quan trắc môi trường không dây.
• Kỹ sư phát triển phần cứng và hệ thống IoT: Những người cần tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế mạch nguồn xung chuyển đổi AC-DC, mạch hạ áp DC-DC dùng TPS5430, mạch vi điều khiển ESP32/ESP32-S3 và phương pháp tích hợp màn hình công nghiệp HMI DWIN DGUS.

Các nội dung đáng tham khảo nhất trong công trình:

1. Chương 2: Bảng tổng hợp chi tiết và hệ thống hóa lý thuyết về các chuẩn giao tiếp vật lý (UART, RS-232, I2C, SPI, SDIO, USB) và cấu trúc phân tích chuyên sâu về gói tin, tham số của công nghệ LoRa.
2. Chương 3: Sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh, bản vẽ mạch in và hệ thống lưu đồ thuật toán xử lý dữ liệu cảm biến đa luồng, xử lý thẻ nhớ và truyền thông LoRa.
3. Chương 4: Phương pháp thiết kế kịch bản thử nghiệm cự ly truyền thông LoRa ở cự ly 48m và 500m trong môi trường công nghiệp có vật cản thực tế.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống sử dụng những loại cảm biến nào và đo lường các thông số môi trường gì?

Hệ thống sử dụng hai dòng cảm biến chính là Sensirion SEK-SEN66 và Sensirion SHT31. Module SEK-SEN66 đảm nhiệm việc đo nồng độ bụi mịn PM1.0, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOC, khí NOx và nồng độ khí $CO_2$ thông qua giao thức UART. Cảm biến SHT31 đảm nhiệm đo đạc chỉ số nhiệt độ và độ ẩm không khí thông qua giao thức I2C.

Cự ly truyền thông không dây của công nghệ LoRa được kiểm nghiệm thực tế đạt bao nhiêu?

Trong chương kết quả thực nghiệm, hệ thống đã kiểm thử hoạt động truyền nhận dữ liệu qua LoRa tại hai mốc khoảng cách cụ thể trong môi trường công nghiệp: cự ly 48 mét trong phòng đóng gói sản phẩm và cự ly 500 mét trong môi trường nhà xưởng có mật độ vật cản cao. Cả hai trường hợp đều ghi nhận dữ liệu truyền về Gateway ổn định và được dựng đồ thị thành công. Giới hạn thiết kế tối đa được tác giả đặt ra cho phạm vi truyền nhận là dưới 600m.

Thiết bị Gateway và Node xử lý bài toán nguồn điện như thế nào để cấp cho vi điều khiển và cảm biến?

Cả hai thiết bị đều lấy nguồn đầu vào từ lưới điện xoay chiều 220VAC. Mạch sử dụng các module nguồn xung Hi-Link (HLK-PM01, HLK-5M24, HLK-10M12) để chuyển đổi từ 220VAC sang điện áp một chiều 12VDC hoặc 24VDC. Sau đó, hệ thống sử dụng IC hạ áp DC-DC TPS5430 để hạ điện áp xuống 5V và tiếp tục dùng IC ổn áp tuyến tính LDO AMS1117 để cấp nguồn 3.3V chuẩn cho vi điều khiển ESP32/ESP32-S3 cùng các cảm biến.

Dữ liệu sau khi thu thập được hiển thị và lưu trữ qua những phương thức nào?

Dữ liệu được lưu trữ phân tán ở hai cấp: lưu trữ cục bộ dưới dạng tệp văn bản trên thẻ nhớ MicroSD tại Node và Gateway, đồng thời được truyền qua Wi-Fi để lưu trữ trên cơ sở dữ liệu web thông qua CPanel và phpMyAdmin. Về hiển thị, người dùng có thể xem trực tiếp giá trị và đồ thị trên màn hình LCD SSD1306 tại Node, màn hình cảm ứng HMI DWIN DGUS tại Gateway, giao diện website hiển thị chỉ số VN_AQI và ứng dụng chuyên dụng trên điện thoại di động.

Kết luận

Đồ án của tác giả Nguyễn Thành Huy đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công hệ thống IoT giám sát môi trường phòng sạch ứng dụng công nghệ truyền thông không dây tầm xa LoRa. Giải pháp phần cứng kết hợp giữa vi điều khiển ESP32/ESP32-S3, các cảm biến chuyên dụng SEK-SEN66, SHT31 và màn hình HMI DWIN đã chứng minh khả năng đo đạc chính xác nhiều chỉ số chất lượng không khí ở cự ly lên tới 500m trong điều kiện nhà xưởng có nhiều vật cản. Mặc dù còn một số giới hạn về mặt hiệu chuẩn cảm biến chuyên sâu và bảo mật vô tuyến, công trình cung cấp một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho việc nghiên cứu và triển khai mạng cảm biến quan trắc công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Chương này giới thiệu về đề tài sẽ nghiên cứu, bao gồm lý do chọn đề tài, phương pháp nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu và những giới hạn trong phạm vi của đề tài. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết Phần cơ sở lý thuyết đề cập đến các nội dung lý thuyết, kiến thức, chức năng về các chuẩn giao tiếp không dây Wi-Fi và LoRa. Giới thiệu tổng quan, trình bày các đặc điểm của các vi điều khiển ESP32, các cảm biến SHT31, SEK- SEN66. Ngoài ra gồm các lý thuyết và các thành phần chuẩn giao tiếp I2C, SPI, UART.

Giới thiệu về các phần mềm được sử dụng trong đề tài. - Chương 3: Thiết kế hệ thống Trình bày chi tiết về yêu cầu của hệ thống. Thiết kế phần cứng, sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng, sơ đồ trình tự thiết kế phần mềm. Ngoài ra, tôi thể hiện và giải thích lưu đồ giải thuật của phần mềm.

- Chương 4: Kết quả Chương này cho thấy các kết quả đạt được của đề tài. Thực nghiệm lại độ ổn định và tin cậy của hệ thống so với thiết bị trên thị trường và sự linh hoạt của thiết bị. Thực nghiệm độ ổn định của hệ thống với khoảng cách dưới 500m. - Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 4 Chương này tóm tắt các kết luận từ những kết quả đã đạt được và đề xuất các hướng phát triển trong tương lai 5 Chương 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về phòng sạch Về cơ bản, phòng sạch được định nghĩa là một không gian biệt lập, nơi mà các chỉ số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, mật độ hạt bụi và khả năng lây nhiễm chéo được kiểm soát một cách nghiêm ngặt.

Hệ thống này được vận hành nhằm duy trì nồng độ tạp chất trong không khí ở ngưỡng tối thiểu cho phép, đồng thời thiết lập cơ chế ngăn chặn sự xâm nhập và tích tụ của các hạt vi mô lơ lửng. Giải pháp này đóng vai trò then chốt trong các dây chuyền sản xuất đòi hỏi độ tinh khiết cao như dược phẩm, thực phẩm, linh kiện điện tử, cũng như tại các cơ sở nghiên cứu sinh hóa chuyên sâu. Trong đó, việc quản trị các thông số được chia thành hai mục tiêu chính: Nhiệt độ, độ ẩm cùng nồng độ VOC và CO2 đảm bảo môi trường làm việc tối ưu cho con người và là yếu tố kiến quyết để duy trì sự sống trong các nghiên cứu vi sinh. Việc giám sát chặt chẽ số lượng hạt bụi giúp triệt tiêu nguy cơ nhiễm bẩn, bảo vệ chất lượng cho các sản phẩm bán dẫn và dược phẩm đặc thù.

Hiện nay, việc phân loại và đánh giá chất lượng phòng sạch dựa trên các hệ quy chuẩn uy tín như FED STD 209E (Hoa Kỳ), ISO 14644-1 (Quốc tế) và bộ tiêu chuẩn Thực hành sản xuất tốt (GMP). Tại thị trường nội địa, Việt Nam áp dụng tiêu chuẩn TCVN 8664-1:2011 – một hệ quy chiếu tương đương với ISO 14664-1 để làm thước đo chất lượng chính thống.2 Tổng quan về IoT 2.1 Định nghĩa 6 Mạng lưới Vạn vật kết nối (IoT) là hệ sinh thái các thực thể vật lý được tích hợp cảm biến và công nghệ mạng để tự động thu thập, trao đổi dữ liệu. Thông qua Internet, các thiết bị này có thể tương tác linh hoạt với nhau và với người dùng. IoT hướng tới xây dựng môi trường vận hành thông minh và tự động hóa.

Tại đây, các hệ thống tự phối hợp và ra quyết định dựa trên dữ liệu thực tế mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người, giúp tối ưu hóa hiệu suất khai thác. Nguồn dữ liệu từ IoT là nền tảng cốt lõi cho việc phân tích và dự báo.