Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo số liệu thống kê y tế được nhóm tác giả trích dẫn, toàn cầu ước tính có khoảng 15 triệu trẻ sinh non mỗi năm với tỷ lệ dao động từ 6% đến 11%. Tại Việt Nam, tỷ lệ trẻ sinh non hoặc nhẹ cân chiếm khoảng 19%; nhóm trẻ này chiếm 59% số ca tử vong ở trẻ dưới 5 tuổi và lên tới 70,4% ở trẻ dưới 1 tuổi. Các nguyên nhân chính dẫn đến sinh non bao gồm tình trạng đa thai, tiền sản giật, dính nhau thai, dị tật bẩm sinh hoặc điều kiện dinh dưỡng, vệ sinh của người mẹ. Trẻ sinh non có nguy cơ hạ thân nhiệt rất cao do mất nhiệt nhanh (giảm khoảng 2°C ngay sau sinh), thiếu lớp mỡ dưới da và hệ thống điều hòa thân nhiệt chưa hoàn thiện, từ đó dẫn đến các biến chứng nguy hiểm như hạ đường huyết, suy hô hấp, thiếu oxy mô và chậm phát triển thể chất.

Lồng ấp là thiết bị y tế giữ vai trò kiểm soát thân nhiệt, duy trì độ ẩm, đồng thời che chắn tiếng ồn và ánh sáng cho trẻ sinh non. Tuy nhiên, các dòng lồng ấp thương mại tại Việt Nam chủ yếu nhập khẩu từ Brazil, Hàn Quốc, Nhật Bản, Hoa Kỳ, Trung Quốc với chi phí dao động từ 100 đến 200 triệu đồng (thời điểm năm 2019), tạo rào cản lớn cho việc trang bị tại các cơ sở y tế tuyến huyện, vùng sâu vùng xa, đồng thời việc bảo trì gặp khó khăn do thiếu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết.

Từ thực tiễn trên, đề tài xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết kế và chế tạo mô hình lồng ấp trẻ sơ sinh có khả năng kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm bên trong khoang kín.
  2. Giám sát và điều khiển thông số trực tiếp thông qua màn hình LED 7 đoạn và bảng nút nhấn trên thân máy.
  3. Giám sát và điều khiển thông số từ xa qua ứng dụng di động kết nối mạng không dây.
  4. Đảm bảo thời gian đáp ứng khi cài đặt nhiệt độ đạt từ 30 đến 45 phút và duy trì trạng thái ổn định trong suốt quá trình vận hành.
  5. Thiết kế giao diện phần mềm trực quan, dễ thao tác cho người vận hành.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 7 nội dung chính trong văn bản:

  • Nội dung 1: Tìm hiểu các tiêu chuẩn trong thiết kế lồng ấp trẻ sơ sinh.
  • Nội dung 2: Tính toán, thiết kế mô hình hệ thống kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm.
  • Nội dung 3: Kết nối NodeMCU ESP8266 với Arduino Mega 2560 gửi dữ liệu lên Firebase.
  • Nội dung 4: Nghiên cứu và thiết kế giao diện App Inventor trên điện thoại di động.
  • Nội dung 5: Thiết kế và thi công mạch in (PCB) cùng mô hình cơ khí lồng ấp.
  • Nội dung 6: Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động của toàn hệ thống.
  • Nội dung 7: Biên soạn báo cáo tổng kết đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đo lường, kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và cơ cấu điều tiết lưu lượng khí trong lồng ấp trẻ sơ sinh.
  • Phạm vi không gian: Mô hình thực nghiệm có kích thước 57 cm x 38 cm x 37 cm (kích thước khoang gia nhiệt 576 mm x 376 mm x 243 mm), chế tạo phục vụ học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, không thử nghiệm lâm sàng trên người.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài thực hiện từ ngày 02/03/2020 đến ngày 21/07/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài căn cứ trên các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị y tế quốc tế và Việt Nam: tiêu chuẩn chung IEC 60601-1 (TCVN 7303-1:2009) về an toàn cơ bản và hiệu suất thiết yếu của thiết bị điện y tế; tiêu chuẩn riêng IEC 60601-2-19 (TCVN 7303-1:2003) quy định các yêu cầu an toàn đối với lồng ấp trẻ sơ sinh (thiết bị thuộc nhóm phân loại C, bắt buộc kiểm định định kỳ). Về mặt sinh lý học, nghiên cứu sử dụng dải nhiệt độ chuẩn của trẻ sơ sinh (nhiệt độ đo nách từ 34,7°C đến 37,3°C; trực tràng từ 36,6°C đến 38°C) và mức độ ẩm khuyến nghị (tuần đầu duy trì 80%–85%, sau đó giảm dần xuống 50% để thúc đẩy sức đề kháng).

Cơ sở tính toán nhiệt động lực học khoang kín:

  • Nhiệt lượng làm nóng không khí: $Q = m_{khongkhi} \cdot C \cdot \Delta T$ với khối lượng không khí $m = \rho \cdot V$ xác định từ thể tích buồng ấp.
  • Nhiệt lượng cung cấp cho trẻ: $Q_{baby} = m_{baby} \cdot C_{nuoc} \cdot \Delta T$, trong đó giả định 80% cơ thể trẻ là nước với nhiệt dung riêng $C_{nuoc} = 4200 , \text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.
  • Nhiệt lượng hao phí: Tính toán tổn thất do bức xạ $Q_{rad}$ theo định luật Stefan–Boltzmann qua 5 mặt vỏ mica (hệ số phát xạ $\varepsilon = 0,9$) và tổn thất do đối lưu mặt trên $Q_{conv}$; tổn thất do dẫn nhiệt qua mica được bỏ qua vì độ dẫn nhiệt của mica rất thấp ($0,17 , \text{W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$). Tổng nhiệt lượng tính toán để tăng 1°C trong 180 giây tương ứng công suất khoảng 220W. Tác giả chọn điện trở nhiệt S011 công suất định mức 800W và khống chế góc mở Triac để giới hạn công suất cực đại ở mức 200W.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát linh kiện thực nghiệm, mô hình hóa cơ khí 3D và thuật toán điều khiển tự động. Nhóm tác giả đã tiến hành khảo sát và đánh giá 5 mẫu cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm trên thị trường để lựa chọn phương án tối ưu về kỹ thuật và chi phí:

Mẫu cảm biến Sai số nhiệt độ Sai số độ ẩm Đơn giá tham khảo (VNĐ) Đánh giá lựa chọn
DS18B20 ±0,5°C Không hỗ trợ 22.800 Chỉ đo nhiệt độ
LM35 ±0,25°C Không hỗ trợ 22.000 Chỉ đo nhiệt độ
DHT11 ±2,0°C ±5% RH 26.000 Sai số lớn
SHT11 ±0,4°C ±3% RH 215.000 Giá thành cao
DHT22 ±0,5°C ±2% RH 88.000 Được chọn (cân bằng kỹ thuật và chi phí)

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module phân tán, phân định rõ ràng giữa tầng chấp hành công suất, tầng vi điều khiển thời gian thực và tầng truyền thông IoT.

Kiến trúc phần cứng gồm các khối chức năng chính:

  • Khối vi điều khiển trung tâm: Sử dụng bo mạch Arduino Mega 2560 (chip ATmega2560, xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, 54 chân Digital I/O, 16 chân Analog, 6 chân ngắt ngoài) đảm nhiệm thu thập dữ liệu DHT22, tính toán thuật toán PID, điều khiển góc kích Triac và động cơ bước.
  • Khối điều khiển từ xa: Sử dụng module ESP8266 NodeMCU kết nối Wi-Fi 2.4 GHz chuẩn 802.11 b/g/n, giao tiếp với Arduino Mega 2560 qua bus nối tiếp đồng bộ I2C (sử dụng 2 chân SDA và SCL) để truyền dữ liệu lên cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase.
  • Mạch điều khiển công suất AC: Thiết kế mạch phát hiện điểm không (zero-crossing detector) sử dụng cầu diode DB107 kết hợp opto cách ly quang MCT2E gửi tín hiệu ngắt về chân ngắt số 2 của Arduino Mega; mạch kích công suất sử dụng hai opto-triac MOC3020 điều khiển hai Triac độc lập gồm BT136 (cho quạt tản nhiệt AC CNDF 220V/0,5A) và BTA40-700B (cho điện trở nhiệt S011 220V/800W).
  • Cơ cấu điều tiết khí: Buồng hòa khí phân tách thành ngăn khí khô và ngăn khí ẩm (có khay chứa nước). Cửa trượt kích thước lỗ 50 mm x 35 mm được kéo bởi động cơ bước 28BYJ-48 (2048 bước/vòng) qua mạch đệm ULN2003 và bánh răng 9 răng đường kính 9 mm (chu vi 28,26 mm). Toàn bộ hành trình mở từ 0% đến 100% tương ứng 4216 bước quay của động cơ.
  • Khối hiển thị và cảnh báo: Gồm 2 module LED 7 đoạn kích thước 1,2 inch quét qua IC ghi dịch 74HC4094 và IC đệm 74HC245, kết hợp loa gốm 3005 và LED đơn 5 mm báo động khi thông số lệch ngưỡng.

Dòng điện tiêu thụ lý thuyết của hệ thống được tính toán để lựa chọn nguồn cấp phù hợp:

Khối chức năng Linh kiện sử dụng Dòng điện tiêu thụ lý thuyết
Khối vi điều khiển Bo mạch Arduino Mega 2560 440 mA
Khối cảm biến Cảm biến DHT22 2,5 mA
Khối hiển thị Hai module LED 7 đoạn (1,2 inch) 280 mA
Khối chấp hành Động cơ bước 28BYJ-48 và mạch ULN2003 500 mA
Khối cảnh báo Loa gốm 3005 và LED 5 mm 52 mA
Tổng cộng Hệ thống điều khiển DC 1274,5 mA (~1,28 A)

Từ kết quả tính toán, tác giả lựa chọn bộ nguồn tổ ong 5V–10A (công suất 50W) để cung cấp cho toàn bộ tải DC; tải xoay chiều (quạt, điện trở sưởi) lấy trực tiếp từ lưới điện 220VAC qua công tắc nguồn bảo vệ.

Kiến trúc phần mềm và thuật toán:

  • Thuật toán nhiệt độ: Kết hợp phương pháp ON-OFF và giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID). Phương pháp điều chỉnh thủ công được thực hiện để xác định thông số tối ưu: $K_p = 1000$, $K_i = 20$, $K_d = 50$. Trong giai đoạn đầu, hệ thống kích công suất tối đa theo phương pháp ON-OFF để nhiệt độ tiệm cận nhanh điểm đặt, sau đó chuyển sang điều khiển PID nhằm triệt tiêu độ vọt lố và giữ sai số xác lập ở mức tối thiểu.
  • Phần mềm ứng dụng: Ứng dụng di động lập trình trên nền tảng MIT App Inventor kết nối đám mây Firebase Realtime Database gồm 3 màn hình: màn hình hiển thị đồ thị nhiệt độ - độ ẩm thời gian thực, màn hình bảo mật mật khẩu cài đặt và màn hình nhập giá trị nhiệt độ, độ ẩm mục tiêu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên số liệu tử vong và bệnh lý của trẻ sinh non; phân tích vai trò của lồng ấp trong duy trì thân nhiệt và độ ẩm. Tác giả khảo sát thị trường Việt Nam cho thấy lồng ấp chủ yếu nhập khẩu với giá 100–200 triệu đồng. Chương này phân tích hạn chế của các đề tài trước đó (như nghiên cứu của PGS.TS Ngô Diên Tập chỉ tập trung vào mạch điện dùng ATmega8535 mà thiếu khung mô hình, hoặc nghiên cứu của Nur Sultan Salahuddin dùng đèn sợi tóc sinh nhiệt chưa đánh giá độ ổn định). Từ đó, chương xác định mục tiêu thiết kế mô hình khép kín hoàn chỉnh, giới hạn đề tài ở mô hình thực nghiệm (57 cm x 38 cm x 37 cm), dùng cảm biến DHT22 và nguồn tổ ong 5V.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tổng hợp lịch sử phát triển lồng ấp từ thế kỷ XIX; phân tích tác động sinh lý của nhiệt độ, độ ẩm đối với trẻ sơ sinh; liệt kê các tiêu chuẩn quốc tế IEC 60601-1, IEC 60601-2-19 và tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7303-1:2003/2009. Chương giới thiệu thông số kỹ thuật của các thiết bị phần cứng: cảm biến DHT22 (chuẩn giao tiếp 1 dây, chu kỳ lấy mẫu 2 giây), nút nhấn cơ 12x12 mm, vi điều khiển ATmega2560, module ESP8266 NodeMCU, các chuẩn truyền thông có dây (UART, SPI, I2C) và không dây (Wi-Fi 802.11). Phần thiết bị đầu ra mô tả chi tiết LED 7 đoạn dùng IC 74HC4094, quạt AC CNDF, điện trở nhiệt S011 (800W), động cơ bước 28BYJ-48 kèm mạch đệm ULN2003, Triac BTA40-700B/BT137, cùng nguyên lý toán học của bộ điều khiển PID (khâu tỉ lệ P, tích phân I, vi phân D).

Chương 3. Tính toán và thiết kế

Chương 3 thiết lập sơ đồ khối hệ thống và sơ đồ nguyên lý toàn mạch. Tác giả tính toán chi tiết dòng tiêu thụ toàn mạch (1,28A) để chọn nguồn 5V–10A; thiết kế mạch dò điểm không sử dụng cầu DB107 và MCT2E kết hợp mạch kích Triac MOC3020; tính toán cân bằng nhiệt khoang kín với kích thước buồng gia nhiệt 576 mm x 376 mm x 243 mm, xác định công suất nhiệt yêu cầu 220W. Chương trình bày việc tính toán cơ cấu động cơ bước kéo cửa lưu lượng khí (4216 bước tương ứng 100% độ mở); thử nghiệm các bộ tham số PID thủ công để tìm ra bộ hệ số $K_p = 1000, K_i = 20, K_d = 50$; so sánh đồ thị đáp ứng giữa ON-OFF, PID thuần túy và kết hợp ON-OFF/PID; cuối cùng xuất bản vẽ thiết kế 3D mô hình lồng ấp trên phần mềm Solidworks.

Chương 4. Thi công hệ thống

Chương 4 trình bày quy trình gia công mạch in PCB bằng phần mềm Proteus (ARES), lắp ráp linh kiện mạch điều khiển, mạch nút nhấn và thi công khung vỏ mô hình lồng ấp bằng vật liệu mica. Tác giả xây dựng chi tiết các lưu đồ thuật toán: lưu đồ chương trình chính trên Arduino Mega 2560, chương trình con ngắt AC cắt góc pha, chương trình con cảnh báo, chương trình con quét nút nhấn, chương trình con tính toán PID, chương trình con gửi nhận I2C, và lưu đồ truyền nhận dữ liệu trên ESP8266 NodeMCU. Chương cũng minh họa giao diện lập trình khối trên MIT App Inventor, quy trình đóng gói file cài đặt (.apk) qua mã QR lên điện thoại và hướng dẫn quy trình vận hành trực tiếp bằng nút nhấn trên máy.

Chương 5. Kết quả nhận xét đánh giá

Chương 5 công bố kết quả thực nghiệm vận hành mô hình lồng ấp. Hệ thống được đánh giá qua các nội dung: đo đạc độ chính xác cảm biến DHT22 đối chứng với nhiệt kế môi trường; khảo sát quá trình tăng nhiệt độ lên 34°C và giảm nhiệt độ xuống 30°C; ghi nhận thời gian ổn định nhiệt độ từ 30 đến 45 phút khi kết hợp ON-OFF và PID; kiểm tra khả năng đóng mở cửa điều tiết khí ẩm theo các mức cài đặt H% (0%–100%); kiểm tra tính đồng bộ của dữ liệu trên cơ sở dữ liệu Firebase và giao diện điện thoại. Chương kết luận với các nhận xét đánh giá về độ ổn định của hệ thống mạch và độ tin cậy của thuật toán điều khiển.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết toàn bộ kết quả đạt được: hoàn thành chế tạo mô hình lồng ấp hoạt động đúng yêu cầu kỹ thuật, làm chủ thiết kế phần cứng, giải thuật điều khiển công suất AC và kết nối IoT. Chương thẳng thắn chỉ ra các hạn chế về vật liệu mica chưa đạt chuẩn y tế, cảm biến dân dụng có sai số nhất định và thiếu nguồn pin dự phòng. Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất các hướng phát triển tiếp theo cho các nghiên cứu kế thừa.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài:

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình vật lý lồng ấp trẻ sơ sinh với kích thước khoang 57 cm x 38 cm x 37 cm, khung vỏ mica trong suốt, bố trí đầy đủ buồng gia nhiệt, buồng ẩm, khoang nuôi dưỡng và hệ thống mạch điều khiển.
  • Kiểm soát nhiệt độ ổn định trong dải 30°C–37°C; giải thuật kết hợp ON-OFF và PID giúp giảm thời gian xác lập nhiệt độ xuống khoảng 30 đến 45 phút (so với 60 phút khi chỉ dùng PID đơn thuần) và khống chế độ vọt lố.
  • Cơ cấu cửa điều tiết lưu lượng khí ẩm hoạt động chính xác theo số bước quay của động cơ 28BYJ-48 (tối đa 4216 bước tương ứng hành trình 0%–100%), cho phép điều chỉnh lượng khí ẩm cấp vào khoang theo giá trị cài đặt.
  • Hệ thống hiển thị hai cụm LED 7 đoạn (nhiệt độ và độ ẩm) hoạt động ổn định; khối cảnh báo loa và LED phát tín hiệu chính xác khi thông số vượt ra ngoài giới hạn cài đặt.
  • Truyền thông hai chiều giữa Arduino Mega 2560 và ESP8266 qua bus I2C hoạt động thông suốt; dữ liệu thời gian thực được đồng bộ lên Firebase và hiển thị đồ thị trên ứng dụng MIT App Inventor mà không xảy ra hiện tượng mất gói tin.

Đóng góp kỹ thuật so với các nghiên cứu trước (do nhóm tác giả tự đánh giá):

  • Khắc phục hạn chế của các công trình trước đây khi chỉ dừng lại ở bo mạch rời hoặc mô hình gia nhiệt bằng đèn sợi tóc đơn giản, đề tài đã thi công được một mô hình khép kín có tính toán truyền nhiệt, có buồng tách biệt khí khô và khí ẩm.
  • Thiết kế thành công mạch công suất AC có mạch dò điểm không (zero-crossing detector) bằng linh kiện cách ly quang, giúp điều khiển công suất thanh sưởi và quạt êm ái, hạn chế nhiễu đóng cắt.
  • Xây dựng giải pháp giám sát kép: vừa điều khiển tại chỗ bằng nút bấm và LED 7 đoạn, vừa giám sát - cài đặt từ xa qua Wi-Fi và ứng dụng di động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được nhóm tác giả nêu rõ:

  • Mô hình chế tạo chỉ nhằm mục đích học tập và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, chưa đủ điều kiện áp dụng trên lâm sàng thực tế.
  • Kích thước mô hình (57 cm x 38 cm x 37 cm) nhỏ hơn so với kích thước lồng ấp tiêu chuẩn sử dụng trong các bệnh viện.
  • Sử dụng cảm biến dân dụng DHT22 (sai số nhiệt độ ±0,5°C và sai số độ ẩm ±2% RH) thay vì các cảm biến chuyên dụng đạt chuẩn đo lường y tế.
  • Hệ thống chỉ sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện qua nguồn tổ ong 5V, chưa trang bị bộ lưu điện dự phòng (UPS hoặc pin/ắc quy) để duy trì hoạt động khi xảy ra sự cố mất điện.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Nâng cấp và thay đổi vật liệu chế tạo khoang ấp nhằm đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn của Bộ Y tế (IEC 60601-2-19).
  • Nghiên cứu tích hợp thêm các cảm biến y sinh theo dõi dấu hiệu sinh tồn của trẻ sơ sinh như cảm biến đo nhịp tim, nhịp thở, độ bão hòa oxy trong máu ($SpO_2$) và huyết áp.
  • Cải tiến hệ thống tạo ẩm sang phương pháp chủ động (như phun sương siêu âm điều khiển tự động) thay cho cơ cấu cửa trượt thụ động qua bể nước.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa khi thực hiện các đề tài nghiên cứu liên quan đến thiết bị y tế chăm sóc trẻ sơ sinh hoặc hệ thống điều khiển môi trường vi khí hậu.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong tài liệu bao gồm:

  • Phương pháp tính toán cân bằng nhiệt trong khoang kín (tính nhiệt lượng không khí, nhiệt lượng cơ thể trẻ, hao phí bức xạ Stefan–Boltzmann và đối lưu qua vỏ vật liệu).
  • Sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch công suất AC điều khiển góc mở Triac có khâu dò điểm không (zero-crossing) cách ly quang.
  • Cấu trúc phối hợp hai vi điều khiển (Master - Slave) qua chuẩn truyền thông I2C để phân chia tải xử lý giữa điều khiển thời gian thực (Arduino Mega) và truyền thông đám mây (ESP8266 kết nối Firebase và App Inventor).

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống trong đồ án sử dụng thuật toán nào để điều khiển nhiệt độ và thông số tối ưu được chọn là bao nhiêu?
Hệ thống kết hợp giữa phương pháp đóng cắt ON-OFF và giải thuật PID. Thử nghiệm cho thấy nếu chỉ dùng ON-OFF thì độ vọt lố lớn hơn 2°C; nếu chỉ dùng PID thì thời gian xác lập kéo dài tới 60 phút. Khi kết hợp ON-OFF ở giai đoạn đầu và chuyển sang PID khi gần điểm đặt, thời gian ổn định giảm xuống còn 30 đến 45 phút. Thông số PID tối ưu được xác định qua hiệu chỉnh thực nghiệm thủ công là: $K_p = 1000$, $K_i = 20$ và $K_d = 50$.

Tại sao nhóm nghiên cứu lại lựa chọn cảm biến DHT22 thay vì các cảm biến khác?
Qua khảo sát 5 loại cảm biến trên thị trường gồm DS18B20, LM35, DHT11, SHT11 và DHT22, nhóm tác giả nhận thấy DS18B20 và LM35 không đo được độ ẩm; DHT11 có sai số quá lớn (±2°C, ±5% RH); SHT11 có độ chính xác cao nhưng giá thành đắt (215.000 đồng). Cảm biến DHT22 với dải đo -40°C đến 80°C (sai số ±0,5°C) và 0%–100% RH (sai số ±2% RH) cùng giá thành 88.000 đồng là phương án đáp ứng tốt nhất yêu cầu kỹ thuật và chi phí của mô hình thí nghiệm.

Cơ chế kiểm soát độ ẩm và lưu thông khí trong lồng ấp được thiết kế như thế nào?
Buồng gia nhiệt phía dưới được chia thành hai ngăn: ngăn khí khô dẫn khí nóng trực tiếp từ điện trở sưởi và ngăn làm ẩm dẫn khí qua một bể chứa nước. Cửa điều tiết khí ẩm có kích thước 50 mm x 35 mm được gắn cơ cấu thanh răng - bánh răng (bánh răng 9 răng, đường kính 9 mm) nối với động cơ bước 28BYJ-48. Vị trí mở cửa H% (từ 0% đến 100%) tương ứng với số bước quay từ 0 đến 4216 bước, được điều khiển trực tiếp bằng nút bấm hoặc qua ứng dụng điện thoại.

Nhiệm vụ xử lý giữa hai vi điều khiển Arduino Mega 2560 và ESP8266 được phân chia ra sao?
Arduino Mega 2560 đóng vai trò Master xử lý tác vụ thời gian thực: nhận tín hiệu cảm biến DHT22, xử lý ngắt zero-crossing từ mạch opto MCT2E, chạy thuật toán PID điều khiển góc kích Triac BTA40/BT136, xuất dữ liệu ra 2 module LED 7 đoạn và điều khiển động cơ bước qua mạch đệm ULN2003. Module ESP8266 NodeMCU đóng vai trò Slave truyền thông: nhận dữ liệu từ Arduino Mega qua giao thức I2C, kết nối Wi-Fi để đẩy dữ liệu lên Firebase Realtime Database và nhận lệnh cài đặt từ ứng dụng MIT App Inventor gửi ngược lại cho Arduino.

Công suất bộ gia nhiệt được tính toán như thế nào để đảm bảo an toàn nhiệt cho mô hình?
Dựa trên kích thước không gian gia nhiệt (576 mm x 376 mm x 243 mm), khối lượng không khí, nhiệt dung riêng của trẻ và các hao phí nhiệt qua bức xạ Stefan–Boltzmann cùng đối lưu mặt trên mica, tác giả tính toán tổng nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ khoang ấp lên 1°C trong vòng 3 phút (180 giây) là khoảng 220W. Do thị trường không có loại điện trở nhiệt 220W, tác giả chọn điện trở nhiệt S011 định mức 800W và khống chế góc mở Triac để công suất cực đại trong quá trình hoạt động không vượt quá 200W.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế thi công mô hình lồng ấp trẻ sơ sinh điều khiển trực tiếp hoặc từ xa" của sinh viên Trịnh Quang Dũng và Hồ Thị Thu Thắm đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu kỹ thuật đặt ra từ khâu tính toán nhiệt động lực học, thiết kế mạch điện tử đến chế tạo mô hình cơ khí thực nghiệm. Bằng việc kết hợp hiệu quả giải thuật ON-OFF và PID cùng kiến trúc điều khiển kép qua LED 7 đoạn và nền tảng IoT (ESP8266, Firebase, MIT App Inventor), hệ thống đã duy trì ổn định nhiệt độ khoang ấp với thời gian đáp ứng từ 30 đến 45 phút. Mặc dù còn một số giới hạn về vật liệu và cảm biến dân dụng, công trình là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho các nghiên cứu phát triển thiết bị y tế chăm sóc trẻ sơ sinh tại Việt Nam.