Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu tiêu thụ năng lượng tại Việt Nam, điện năng phục vụ cho hệ thống chiếu sáng chiếm khoảng 35% tổng điện năng tiêu thụ toàn quốc, cao hơn đáng kể so với mức trung bình 17% của thế giới. Hệ thống chiếu sáng công cộng tại các đô thị lớn hiện nay vẫn sử dụng chủ yếu các loại đèn phóng điện thủy ngân cao áp hoặc Metal Halide (chiếm 52% tại Hà Nội, 65% tại Bắc Giang, 60% tại Hội An). Các hệ thống này vận hành theo phương thức truyền thống: cấp nguồn qua trạm biến áp hạ thế, điều khiển tập trung thông qua các tủ động lực cục bộ và bật/tắt hoàn toàn thủ công. Phương thức này bộc lộ nhiều hạn chế về hiệu suất năng lượng, đòi hỏi chi phí nhân công cao cho công tác kiểm tra, rà soát sự cố định kỳ và gây khó khăn trong việc quản lý vận hành.

Tại khuôn viên Trường Đại học Thủ Dầu Một (tỉnh Bình Dương), hệ thống chiếu sáng các khu vực giảng đường, tự học, thư viện, văn phòng và công viên vẫn đang vận hành bằng công tắc cơ học đơn lẻ, duy trì một mức công suất không đổi trong suốt thời gian bật sáng ban đêm. Thực trạng này dẫn đến ba vấn đề bất cập: lãng phí chi phí năng lượng, chưa tối ưu theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về chiếu sáng và thiếu sự thuận tiện trong quản lý, giám sát. Vấn đề kỹ thuật then chốt đặt ra là thiết lập một phương thức truyền thông dữ liệu hai chiều tin cậy giữa các cột đèn và trung tâm điều khiển với chi phí lắp đặt thấp và cự ly truyền dẫn xa. Các giải pháp truyền thông có dây đòi hỏi chi phí đào đắp, bảo dưỡng đường dây lớn; trong khi các mạng không dây tầm ngắn như Zigbee có vùng phủ hẹp (10–100 m) hay Wifi có mức tiêu thụ năng lượng cao và dễ suy hao sóng.

Trước yêu cầu đó, đề tài "Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng sử dụng LoRa" (Mã số đề tài: 23, do sinh viên Tạ Minh Triết làm chủ nhiệm dưới sự hướng dẫn của ThS. Ngô Thanh Đông) được triển khai tại Viện Kỹ thuật – Công nghệ, Trường Đại học Thủ Dầu Một.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Chế tạo mô hình điều khiển cường độ ánh sáng có chức năng giám sát từ xa thông qua mạng truyền thông không dây LoRa và kết nối Internet để theo dõi, điều khiển qua giao diện máy tính.
  2. Thiết kế cơ chế điều khiển linh hoạt cho phép người vận hành chủ động bật/tắt từng đèn riêng lẻ hoặc toàn bộ hệ thống, tích hợp bộ điều khiển PID để duy trì cường độ ánh sáng ngõ ra ổn định, phù hợp với môi trường hoạt động và tiêu chuẩn kỹ thuật.
  3. Tích hợp các cảm biến tại nút mạng nhằm tự động phát hiện, cảnh báo sự cố hỏng hóc (cháy bóng) và thu thập thông số môi trường truyền về trung tâm điều khiển.
  4. Đánh giá tính khả thi và hiệu quả vận hành thực tế của mô hình quy mô nhỏ để rút kinh nghiệm, đề xuất giải pháp triển khai ở quy mô toàn trường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống tiêu chuẩn TCVN về chiếu sáng công viên; hệ thống đèn chiếu sáng công viên hiện hữu tại Trường Đại học Thủ Dầu Một; nguyên lý điều khiển vòng kín PID và công nghệ truyền thông không dây chuẩn LoRa; mô hình phần cứng nhúng phục vụ nghiên cứu và hỗ trợ giảng dạy các học phần vi điều khiển, hệ thống nhúng.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Khuôn viên Trường Đại học Thủ Dầu Một, thành phố Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dương.
    • Thời gian thực hiện: Báo cáo ghi nhận tiến độ thực hiện đề tài gồm các giai đoạn kéo dài từ tháng 11/2021 đến tháng 08/2022 (thời gian hợp đồng đăng ký nghiên cứu đề tài cấp trường: 12 tháng, từ tháng 02/2023 đến tháng 02/2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết viễn thông - tự động hóa và phương pháp thực nghiệm kỹ thuật trên mô hình phần cứng thực tế.

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm cốt lõi:

  • Công nghệ truyền thông LoRa (Long Range): Là kỹ thuật điều chế sóng vô tuyến dựa trên nền tảng trải phổ chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS) do Semtech phát triển. Tín hiệu chirp biến thiên tần số liên tục (up-chirp và down-chirp) với biên độ cố định, cho phép giải mã tín hiệu ở mức nhiễu cao và đạt cự ly liên lạc 3–15 km với công suất phát thấp. Ba tham số cấu hình quyết định tốc độ và cự ly truyền gồm: Băng thông (Bandwidth - BW: 125 kHz, 250 kHz, 500 kHz), Hệ số trải phổ (Spreading Factor - SF: từ 7 đến 12), và Tốc độ mã hóa sửa sai (Coding Rate - CR: 4/5, 4/6, 4/7, 4/8). Hệ thống sử dụng dải tần số công nghiệp, khoa học và y tế (ISM) không cần cấp phép tại Việt Nam là 433 MHz.
  • Bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín PID: Thuật toán kết hợp ba khâu tác động Tỉ lệ (P), Tích phân (I) và Vi phân (D). Khâu P tạo tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch tức thời; khâu I tích lũy sai số theo thời gian để triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập đưa độ lệch về 0; khâu D phản ứng với tốc độ thay đổi sai lệch nhằm giảm độ vọt lố và tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống chiếu sáng.
  • Cơ chế bảo mật và định tuyến mạng: Khảo cứu giao thức mã hóa đầu cuối AES-128 cùng các kiến trúc mạng không dây cơ bản trong chiếu sáng (mạng một đường thẳng, mạng hai đường, mạng ngã tư).

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Khảo sát tài liệu khoa học về các mô hình chiếu sáng thông minh trong và ngoài nước (hệ thống đèn đường tại ĐH Bách Khoa TP.HCM, mô hình smart street lighting dùng LoRa tại Senegal, hệ thống tại ĐH Bách Khoa Hà Nội và ĐH Công nghệ Delft); phân tích ưu - nhược điểm của các chuẩn không dây (Bluetooth, Wifi, Zigbee, LoRa).
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Tính toán, lựa chọn linh kiện, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử và gia công cơ khí khung trụ đỡ cho 4 trạm đèn mô hình (4 nodes) và 1 trạm trung tâm (Gateway).
  • Phương pháp thực nghiệm: Nạp chương trình điều khiển nhúng, đo kiểm cự ly truyền nhận tín hiệu RF trong khuôn viên thực tế, kiểm tra độ rọi ngõ ra bằng lux kế chuyên dụng với mốc thử nghiệm 500 lux và kiểm thử khả năng đồng bộ dữ liệu hai chiều lên bảng tính Google Sheets qua Internet.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mạng hình sao (Star Topology), tập trung dữ liệu về một Gateway trung tâm để liên lạc trực tiếp với các nút cảm biến gắn trên cột đèn.

Kiến trúc phần cứng

  1. Trạm Gateway trung tâm:
  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển họ STM32, đảm nhiệm chức năng giải mã bản tin nhận từ người dùng qua mạng Internet, đóng gói bản tin RF để truyền xuống các nút và tiếp nhận bản tin phản hồi từ các cột đèn.
  • Khối truyền thông LoRa: Tích hợp module Ebyte E32 (dòng E32-TTL-100 công suất phát 100 mW hoặc E32-TTL-1W công suất 1 W), sử dụng chip vô tuyến Semtech SX1278 hoạt động ở băng tần 433 MHz, giao tiếp với STM32 qua chuẩn UART.
  • Khối hiển thị và kết nối mạng: Trang bị màn hình LCD hiển thị trạng thái tại chỗ và module kết nối Internet để truyền nhận dữ liệu với phần mềm quản lý.
  1. Nút cảm biến (Node) tại cột đèn:
  • Khối điều khiển: Vi điều khiển thu nhận lệnh từ Gateway, phân tích địa chỉ gói tin và kích hoạt cơ cấu chấp hành.
  • Khối chấp hành: Rơ-le điện từ đóng/ngắt mạch nguồn cho đèn. Tải chiếu sáng mô hình sử dụng bộ đèn LED DC 50W/12VDC (hoặc module chuyển tiếp driver tải 220V cho hệ thống công suất lớn).
  • Khối cảm biến: Cảm biến quang trở (LDR) lắp đặt để giám sát trạng thái phát sáng thực tế của bóng đèn, phục vụ việc đối soát và phát hiện sự cố đứt bóng, cháy bóng.
  • Khối truyền thông: Module LoRa E32 nhận và phát bản tin phản hồi về Gateway.

Giao thức truyền thông và định dạng bản tin

Mỗi nút trên đường được gán một địa chỉ vật lý duy nhất. Nhóm tác giả cấu hình địa chỉ và tần số của module E32 khác với giá trị mặc định để tăng cường tính bảo mật cho hệ thống:

  • Bản tin từ Gateway gửi Node: Gồm trường địa chỉ cột đèn nhận và trường mã lệnh điều khiển (bật, tắt hoặc mức công suất điều chế). Mọi nút trong mạng đều nhận được tín hiệu sóng, nhưng vi điều khiển tại mỗi nút sẽ so khớp địa chỉ; nếu trùng khớp mới thực thi lệnh, nếu sai lệch sẽ hủy bản tin.
  • Bản tin từ Node phản hồi Gateway: Chứa mã định danh vị trí cột đèn và trạng thái hoạt động thực tế (bình thường hoặc sự cố hỏng hóc do cảm biến quang ghi nhận).

Bảng so sánh các thông số kỹ thuật giữa LoRa và các chuẩn truyền thông không dây được đề tài phân tích:

Tiêu chí Bluetooth Zigbee Wifi LoRa
Ứng dụng chính Thiết bị di động Điều khiển, giám sát, thu thập Mạng băng thông rộng Điều khiển, giám sát, thu thập
Số thiết bị tối đa 255 Hơn 64.000 Phụ thuộc số địa chỉ IP 10.000
Khoảng cách truyền 10 m 10 – 100 m 100 m 3 – 15 km
Dòng tiêu thụ 30 mA 30 mA 100 mA 28 mA
Công nghệ điều chế FHSS DSSS OFDM CSS

Phần mềm điều khiển và giám sát

Giao diện người dùng được xây dựng thông qua nền tảng Google Sheets kết nối trực tuyến với Gateway. Người vận hành có thể gửi lệnh điều khiển từ xa thông qua các ô thiết lập trên bảng tính, đồng thời theo dõi dữ liệu trạng thái của từng trạm đèn được cập nhật liên tục về các cột dữ liệu theo thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I - Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu

Chương này phân tích bối cảnh tiêu thụ năng lượng và sự cần thiết của hệ thống chiếu sáng thông minh trong xu thế thành phố thông minh (Smart City) và công nghệ 4.0. Tác giả khảo cứu các công trình nghiên cứu sử dụng LoRa trong chiếu sáng đường phố tại ĐH Bách Khoa TP.HCM (tần số dưới 1 GHz), dự án tại Senegal (kết hợp năng lượng mặt trời và mô phỏng hiệu suất truyền thông qua số lượng gateway) và các đề tài quốc tế về tiết kiệm điện. Từ thực trạng chiếu sáng thủ công tại ĐH Thủ Dầu Một, chương xác định mục tiêu thiết kế mô hình chiếu sáng dùng LoRa, nêu cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID (P, I, D) trong ổn định sai số và xác định phạm vi nghiên cứu tại khuôn viên trường.

Phần I - Chương 3: Nội dung nghiên cứu và tiến độ thực hiện

Chương xác định 8 nội dung công việc chi tiết: (1) Nghiên cứu đề tài liên quan; (2) Đánh giá thực trạng chiếu sáng ĐH Thủ Dầu Một; (3) Nghiên cứu bộ TCVN về chiếu sáng công viên; (4) Xây dựng mô hình và mô phỏng; (5) Thiết kế, thi công phần cứng (4 trụ đèn LED, mạng cảm biến ánh sáng, chuyển động, nhiệt độ, Gateway, chức năng tiết kiệm điện sau 22h đưa về mức sáng 20%); (6) Thiết kế, thi công phần mềm; (7) Lắp đặt, thử nghiệm, cải tiến; (8) Viết báo cáo. Kế hoạch tiến độ được phân kỳ thành 5 giai đoạn thực hiện từ tháng 11/2021 đến tháng 08/2022.

Phần 2 - Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển đèn sáng đô thị

Chương trình bày yêu cầu kỹ thuật của chiếu sáng công cộng (an toàn giao thông, an ninh, mỹ quan, tiết kiệm điện). Tác giả phân tích cấu trúc hệ thống cũ tại Việt Nam dùng tủ động lực và trạm biến áp, chỉ rõ 4 giải pháp công nghệ hiện hành:

  • Giải pháp 1: Dùng đèn LED (hiệu suất cao hơn sợi đốt 90%, tuổi thọ từ 30.000 giờ; dẫn chứng số liệu Trung tâm Tiết kiệm Năng lượng TP.HCM thay thế đèn LED 65–200W giúp tiết kiệm 55.699 kWh/năm, tương đương 88 tỷ đồng/năm, giảm 31 tấn CO2/năm) hoặc đèn Metal Halide (chiếu sáng tốt gấp 3–5 lần sợi đốt, nhiệt độ màu 5500K nhưng khởi động chậm 15–20 phút, tuổi thọ 6.000–15.000 giờ; dẫn chứng hệ thống tại ĐH Công nghệ Delft - Hà Lan tiết kiệm 20% năng lượng, giảm 80% CO2).
  • Giải pháp 2: Sử dụng năng lượng tái tạo (dẫn chứng hệ thống điện mặt trời tại ĐH Bách Khoa TP.HCM gồm 614 tấm pin IREX 260 Wp tạo sản lượng trung bình trên 233 kWh).
  • Giải pháp 3: Bật/tắt linh hoạt theo nhu cầu (dẫn chứng hệ thống thử nghiệm tại Khu công nghệ cao Quận 9, TP.HCM giúp tiết kiệm 30–70% điện năng, 80% chi phí bảo trì). Từ đó, tác giả đề xuất mô hình tích hợp đèn LED, bộ điều khiển PID và mạng LoRa với 3 khối: Gateway, Node chấp hành và phần mềm giám sát.

Phần 2 - Chương 2: Tổng quan về mạng truyền thông không dây

Nội dung chương tập trung làm rõ bản chất sóng điện từ và các đặc điểm của mạng không dây: độ tin cậy vận hành, phạm vi triển khai rộng (hàng chục đến hàng trăm km) và vấn đề tiết kiệm năng lượng cho các node dùng pin/nguồn hạn chế. Chương phân tích đặc tính kỹ thuật của Bluetooth (2,4 GHz, cự ly ngắn, dễ nhiễu), Wifi (2,4 GHz, độ trễ và dòng tiêu thụ 100 mA), Zigbee (868/915 MHz và 2,4 GHz, cấu trúc lưới nhưng cự ly ngắn 10–100 m) và LoRa (tốc độ 0,3–30 kbps, cự ly 15–20 km, dòng tiêu thụ 28 mA).

Về kỹ thuật LoRa, chương giải thích chi tiết điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS), vai trò của các thông số BW, SF (7–12), CR (1–4), dải tần ISM 433 MHz tại Việt Nam; phân loại module LoRa theo giao tiếp SPI (dùng chip SX1276/SX1278 như Heltec, RFM98W) và UART (dòng Ebyte E32 như E32-TTL-100, E32-TTL-1W có tích hợp vi điều khiển trung gian); phân tích bảo mật mã hóa AES-128 và khảo sát 3 cấu trúc mạng: mạng một đường, mạng hai đường và mạng ngã tư.

Phần 2 - Chương 3: Xây dựng hệ mô hình mạng cảm biến

Chương thiết kế chi tiết mô hình hệ thống chiếu sáng mạng hình sao. Nội dung mô tả cấu trúc phần cứng của nút cảm biến gắn trên cột đèn bao gồm vi điều khiển, rơ-le đóng cắt tải, cảm biến quang phát hiện trạng thái hỏng hóc, module LoRa E32 và khả năng kết nối đèn LED công suất lớn kèm driver tương thích. Đối với trạm Gateway, chương trình bày giải pháp xử lý trung tâm bằng vi điều khiển STM32 kết hợp LoRa E32 và giao tiếp máy tính. Chương cũng công bố lưu đồ thuật toán điều khiển của Node, lưu đồ thuật toán xử lý tín hiệu tại Gateway và cấu trúc định dạng gói tin bản tin truyền nhận giữa hai khối.

Phần 2 - Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương ghi nhận kết quả chế tạo và thử nghiệm hệ thống trong thực tế. Các kịch bản thử nghiệm được tiến hành gồm: kịch bản điều khiển bật/tắt từng trạm riêng biệt và kịch bản điều khiển bật/tắt đồng loạt toàn bộ hệ thống đèn. Các sản phẩm vật lý được hoàn thiện gồm: Gateway trung tâm, các hộp nút cảm biến đóng gói hoàn chỉnh, bộ đèn LED DC 50W/12VDC kết nối module LoRa E32. Hệ thống thực hiện đo kiểm thực tế cường độ ánh sáng ngõ ra bằng lux kế chuyên dụng tại mốc 500 lux, kiểm tra cự ly truyền nhận sóng LoRa trong khuôn viên ĐH Thủ Dầu Một và kiểm chứng việc hiển thị, điều khiển dữ liệu thông qua giao diện Google Sheets.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Thiết kế, thi công hoàn chỉnh phần cứng cho hệ thống mô hình chiếu sáng gồm trạm Gateway trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32 và các trạm nút mạng cảm biến (Node) được đóng hộp bảo vệ, tích hợp rơ-le điều khiển và cảm biến quang trở phát hiện sự cố cháy bóng.
  • Ứng dụng thành công module LoRa E32 (băng tần 433 MHz, công nghệ CSS) để thiết lập đường truyền dữ liệu không dây tầm xa hai chiều giữa Gateway và các Node, đảm bảo việc gửi nhận bản tin điều khiển và dữ liệu phản hồi trạng thái hoạt động chính xác.
  • Tích hợp điều khiển thành công bộ đèn LED DC 50W/12VDC, đo đạc và kiểm soát cường độ ánh sáng ngõ ra đạt mốc chuẩn 500 lux thông qua thiết bị đo lux kế.
  • Triển khai thành công giao diện giám sát, điều khiển trực quan từ xa liên kết giữa Gateway và máy tính qua Internet sử dụng nền tảng Google Sheets, cho phép người quản lý ngồi tại phòng điều hành để bật/tắt đèn và theo dõi sự cố tức thời.

Giải pháp và kiến nghị đề xuất của nhóm tác giả:

  • Kiến nghị thay thế toàn bộ hệ thống bóng đèn sợi đốt, thủy ngân cao áp tại khuôn viên trường bằng đèn LED kết hợp điều khiển công suất ngõ ra để tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ.
  • Đề xuất phương án mở rộng hệ thống lên công suất lớn trong thực tế bằng cách thay thế đèn tải nhỏ bằng bóng LED công suất cao đi kèm bộ nguồn driver chuyên dụng tương thích.
  • Đề xuất áp dụng bộ điều khiển PID hồi tiếp vòng kín để tự động hóa việc duy trì độ rọi ổn định theo tiêu chuẩn chiếu sáng Việt Nam, chống mỏi mắt và nâng cao tuổi thọ bóng đèn.

Đóng góp của đề tài:

  • Khẳng định tính hiệu quả và khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ truyền thông không dây diện rộng công suất thấp (LoRa) trong bài toán quản lý hạ tầng chiếu sáng tại Việt Nam, khắc phục được nhược điểm cự ly hẹp của Zigbee và mức tiêu thụ điện cao của Wifi.
  • Cung cấp mô hình kỹ thuật hoàn chỉnh từ phần cứng nhúng, thuật toán định tuyến gói tin đến giao diện điều khiển phần mềm, có khả năng ứng dụng trực tiếp làm học cụ phục vụ đào tạo các môn học về hệ thống nhúng, vi điều khiển và mạng truyền thông IoT tại Viện Kỹ thuật – Công nghệ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Hệ thống mới dừng lại ở quy mô thử nghiệm mô hình nhỏ (thực nghiệm trên 4 cột đèn/node với tải đèn LED DC 50W/12VDC), chưa triển khai thử nghiệm trực tiếp trên hệ thống lưới đèn chiếu sáng công suất lớn 220V thực địa toàn trường.
  • Giải pháp bảo mật truyền thông mạng LoRa chủ yếu dựa trên việc cấu hình địa chỉ, đổi kênh tần số và tính năng mã hóa phần cứng AES-128 của module, chưa xây dựng các thuật toán mã hóa động phức tạp ở tầng ứng dụng để ngăn chặn triệt để nguy cơ can thiệp gói tin.
  • Việc lưu trữ và giám sát dữ liệu còn phụ thuộc vào nền tảng trung gian Google Sheets qua Internet, chưa phát triển thành một phần mềm máy chủ giám sát SCADA/Web Server độc lập.

Hướng phát triển tiếp:

  • Thay thế các tải đèn thử nghiệm bằng hệ thống đèn đường LED công suất lớn kết hợp mạch điều khiển driver phù hợp để lắp đặt vận hành thử nghiệm trên các tuyến đường nội bộ của Trường Đại học Thủ Dầu Một.
  • Mở rộng số lượng Node cảm biến để kiểm tra hiệu năng truyền thông của mạng hình sao dưới mật độ nút cao, nghiên cứu tích hợp thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic) kết hợp PID để tự động điều chỉnh mức sáng linh hoạt theo lưu lượng người và phương tiện di chuyển trong khuôn viên.

Giá trị tham khảo

Báo cáo nghiên cứu là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và giảng viên các chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Thông tin (định hướng IoT).

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

  • Thiết kế mạch phần cứng và lập trình giao tiếp giữa vi điều khiển STM32 với module truyền thông không dây LoRa dòng Ebyte E32 qua chuẩn giao tiếp UART.
  • Phương pháp xây dựng giao thức truyền thông định dạng bản tin hai chiều (đóng gói địa chỉ, phân tích lệnh và phản hồi trạng thái cảm biến) cho mạng cảm biến không dây hình sao.
  • Giải pháp kết nối vi điều khiển với Internet để giám sát, điều khiển và ghi nhận dữ liệu thực nghiệm miễn phí qua công cụ Google Sheets.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài lựa chọn công nghệ LoRa để truyền dữ liệu thay vì Zigbee hay Wifi dựa trên những căn cứ kỹ thuật nào?

Theo phân tích và dữ liệu so sánh trong văn bản, LoRa sở hữu các thông số vượt trội phù hợp với bài toán giám sát đèn đường trên diện rộng: cự ly truyền xa đạt từ 3 đến 15 km (thậm chí 15–20 km), hỗ trợ tới 10.000 thiết bị trong mạng và mức tiêu thụ dòng điện thấp (28 mA). Trong khi đó, Wifi có phạm vi ngắn (khoảng 100 m), tiêu thụ dòng điện lớn (100 mA) và dễ bị suy hao sóng; còn Zigbee có khoảng cách truyền ngắn (10–100 m), muốn truyền xa phải lắp đặt thêm các bộ lặp (repeater) phức tạp và tốn kém chi phí.

2. Thành phần phần cứng chính của trạm Gateway trung tâm và các nút cảm biến (Node) gồm những gì?

Trạm Gateway trung tâm sử dụng vi điều khiển chính STM32 kết hợp module LoRa Ebyte E32 (chip Semtech SX1278, tần số 433 MHz, giao tiếp UART), màn hình hiển thị LCD và module kết nối Internet. Nút cảm biến (Node) gắn trên từng cột đèn gồm vi điều khiển điều hành, module LoRa E32, rơ-le đóng/ngắt mạch, cảm biến quang trở (LDR) để nhận diện bóng đèn bị cháy/hỏng và bộ đèn LED DC 50W/12VDC làm tải chiếu sáng mô hình.

3. Hệ thống phát hiện sự cố hỏng đèn và gửi cảnh báo về trung tâm bằng cơ chế nào?

Tại mỗi cột đèn, cảm biến quang trở (LDR) được bố trí để theo dõi trạng thái phát sáng của đèn. Sau khi nhận lệnh bật từ Gateway và kích hoạt rơ-le, vi điều khiển tại Node sẽ đọc tín hiệu từ cảm biến quang; nếu rơ-le đã đóng nhưng cảm biến không ghi nhận ánh sáng, hệ thống xác định đèn gặp sự cố (cháy bóng). Node sẽ đóng gói bản tin phản hồi gồm địa chỉ định danh vị trí cột đèn và trạng thái sự cố gửi về Gateway qua sóng LoRa để hiển thị cảnh báo lên giao diện quản lý trên máy tính.

4. Nền tảng nào được sử dụng để điều khiển và giám sát hệ thống từ xa trên máy tính?

Hệ thống sử dụng nền tảng Google Sheets được kết nối với Gateway trung tâm qua mạng Internet. Người quản trị có thể nhập lệnh điều khiển bật/tắt từng trạm hoặc toàn bộ hệ thống trực tiếp từ bảng tính, đồng thời dữ liệu trạng thái hoạt động và cảnh báo hỏng hóc từ các nút cảm biến được Gateway đẩy về và ghi lại trên các cột dữ liệu theo thời gian thực.

5. Bộ điều khiển PID được tích hợp vào hệ thống chiếu sáng nhằm giải quyết mục tiêu gì?

Bộ điều khiển PID (Tỉ lệ - Tích phân - Vi phân) là cơ chế điều khiển hồi tiếp vòng kín được áp dụng để điều chỉnh công suất ngõ ra cấp cho đèn. Giải thuật này giúp giảm thiểu tối đa sai số giữa cường độ ánh sáng thực tế và giá trị cài đặt, triệt tiêu độ vọt lố, hạn chế dao động và tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống, từ đó duy trì mức độ rọi ổn định, tiết kiệm điện năng và không gây khó chịu cho mắt con người theo các quy chuẩn TCVN.

Kết luận

Báo cáo nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình giám sát, điều khiển hệ thống chiếu sáng sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa tại Trường Đại học Thủ Dầu Một. Đề tài đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật từ việc gia công phần cứng trạm Gateway (STM32) và các nút mạng cảm biến (module E32, tần số 433 MHz, tải LED DC 50W/12VDC) đến việc xây dựng giao thức truyền tin hai chiều và giao diện giám sát trực quan qua Google Sheets. Kết quả đo kiểm thực nghiệm bằng lux kế tại mốc 500 lux và kiểm tra cự ly truyền dẫn thực tế chứng minh tính ổn định, độ tin cậy và khả năng tiết kiệm năng lượng của mô hình. Đây là cơ sở kỹ thuật thực tiễn vững chắc để phát triển, mở rộng triển khai hệ thống chiếu sáng thông minh quy mô lớn cho toàn bộ khuôn viên trường trong tương lai.