Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp kỹ sư ngành Kỹ thuật Máy tính của tác giả Nguyễn Bá Quốc Khánh và Trần Tiến Thiệu (Trường Đại học Công nghệ Thông tin – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2021) tập trung vào bài toán định vị và theo dõi vị trí đối tượng trong kỷ nguyên Internet vạn vật (IoT). Xuất phát điểm của nghiên cứu được đặt trong bối cảnh thực tiễn về an ninh cá nhân và bảo vệ tài sản:

  • Thực trạng bắt cóc, buôn bán người và trẻ em: Theo báo cáo năm 2016 của UNICEF, từ năm 2008 đến tháng 6 năm 2013, cơ quan chức năng Việt Nam đã phát hiện 2.390 vụ buôn bán người với 3.961 đối tượng; trong 4.721 nạn nhân được xác định có 88,1% từ đủ 16 tuổi trở lên, 7,4% dưới 16 tuổi và 4,5% thuộc cả hai nhóm tuổi. Bên cạnh đó, Báo cáo số 571/BC-BCĐ của Ban Chỉ đạo 138/CP ghi nhận 17.870 phụ nữ và trẻ em mất tích trong cùng giai đoạn, trong đó theo Bộ Công an có khoảng 60% nạn nhân tự trở về.
  • Tình trạng trộm cắp vật nuôi và tài sản: Thống kê của Tổ chức Four Paws chỉ ra mỗi năm có khoảng 30 triệu cá thể chó, mèo bị giết thịt tại châu Á; riêng tại Việt Nam, Campuchia và Indonesia con số này là khoảng 10 triệu (Việt Nam chiếm khoảng 5 triệu cá thể chó và 1 triệu cá thể mèo), phần lớn bắt nguồn từ động vật nuôi bị đánh cắp hoặc động vật hoang bị bắt giữ trái phép. Cùng với đó là nhu cầu bảo vệ phương tiện giao thông, đồ dùng cá nhân giá trị cao.
  • Rào cản kỹ thuật của các giải pháp hiện hữu: Hệ thống định vị vệ tinh (GNSS/GPS) có mức tiêu thụ năng lượng cao, không thể duy trì dài hạn bằng pin và chỉ hoạt động tốt ở môi trường ngoài trời có đường truyền thẳng (LOS). Công nghệ Bluetooth Low Energy (BLE) có phạm vi phủ sóng hẹp. Công nghệ băng siêu rộng (UWB) đạt độ chính xác cao nhưng chi phí phần cứng đắt đỏ. Đồng thời, việc sử dụng các dịch vụ định vị phụ thuộc vào máy chủ trung gian qua Internet làm phát sinh nguy cơ xâm phạm dữ liệu riêng tư.

Từ các vấn đề trên, đề tài xác định mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị định vị hoạt động độc lập (standalone) không thông qua máy chủ dịch vụ của bên thứ ba, đảm bảo quyền riêng tư người dùng.
  2. Ứng dụng công nghệ truyền thông sóng vô tuyến LoRa ở băng tần 2,4 GHz, kết hợp hai kỹ thuật định vị: đo thời gian truyền sóng khứ hồi (Return Time of Flight - RToF) để xác định khoảng cách và đo hướng sóng tới (Direction of Arrival - DoA) để xác định góc phương vị.
  3. Đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra:
    • Tần số hoạt động: 2,4 GHz.
    • Phạm vi định vị trong nhà (Indoor) có nhiều vật cản che khuất (NLOS): bán kính 25 m.
    • Phạm vi định vị ngoài trời (Outdoor) có đường truyền thẳng (LOS): bán kính 5 km.
    • Sai số định vị mục tiêu: $\pm 8\text{ m}$.
    • Thiết bị Node: Dạng móc khóa kích thước $40 \times 25\text{ mm}$, tích hợp cấu trúc System-on-Antenna, thời gian hoạt động liên tục đạt 20 giờ và thời gian chờ đạt 1 tháng với pin cúc áo CR2450 620 mAh.
    • Thiết bị Station: Đóng vai trò thiết bị dò tìm cầm tay hoặc rảnh tay, tích hợp giao diện hiển thị OLED, sử dụng cụm 3 ăng-ten định hướng quét bao phủ góc $180^\circ$ phía trước.

Đối tượng nghiên cứu là thiết bị phần cứng, ăng-ten cao tần, firmware điều khiển và các thuật toán định vị vô tuyến RToF/DoA. Phạm vi không gian của nghiên cứu bao gồm môi trường truyền sóng trong nhà (indoor NLOS/LOS) và ngoài trời (outdoor LOS), được tiến hành thực nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh năm 2021 với sự hỗ trợ phòng thí nghiệm và thiết bị từ Công ty RFThing Vietnam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống dựa trên các nền tảng lý thuyết viễn thông và kỹ thuật cao tần:

  • Công nghệ điều chế LoRa (Long Range): Dựa trên kỹ thuật trải phổ Chirp Spread Spectrum (CSS) do Cycleo phát triển và Semtech thương mại hóa. Sóng mang thay đổi tần số tuyến tính theo thời gian thành các up-chirp (mã hóa bit 1) và down-chirp (mã hóa bit 0). Mức độ nhạy thu của chip LoRa SX1280 được xác định theo công thức: $$\text{Sensitivity} = -174 + 10\log_{10}(\text{BW}) + \text{NF} + \text{SNR}$$ trong đó $\text{BW}$ là băng thông kênh (203 kHz đến 1625 kHz), $\text{NF}$ là hệ số tạp âm (Noise Figure), và $\text{SNR}$ là tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Tốc độ truyền dữ liệu thuần (bit rate) phụ thuộc vào Spreading Factor ($\text{SF}$ từ 5 đến 12), băng thông và hệ số sửa sai Coding Rate ($\text{CR}$): $$\text{Bit rate} = \text{SF} \times \frac{\text{BW}}{2^{\text{SF}}} \times \text{CR}$$
  • Lý thuyết định vị vô tuyến: Tác giả tiến hành khảo sát và so sánh 4 kỹ thuật cơ bản:
Kỹ thuật định vị Ưu điểm Nhược điểm
RSSI (Received Signal Strength Indicator) Dễ triển khai, chi phí thấp Độ chính xác thấp, suy hao biến động mạnh theo môi trường ($n = 2$ ở môi trường thoáng, $n = 4$ ở trong nhà)
DoA (Direction of Arrival) Độ chính xác cao về góc hướng Cần hệ thống ăng-ten định hướng chuyên biệt, chi phí cao
ToF / ToA (Time of Flight / Arrival) Độ chính xác cao theo thời gian truyền sóng ($c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$) Yêu cầu đồng bộ thời gian (time-stamps) cực kỳ khắt khe giữa các thiết bị
RToF (Return Time of Flight) Đo khoảng cách khứ hồi không cần đồng bộ xung nhịp giữa hai máy, chi phí thấp Tiêu tốn băng thông; thời gian trễ xử lý phản hồi (delay) ảnh hưởng khi đo cự ly gần

Dựa trên phân tích, nhóm tác giả chọn giải pháp tích hợp: sử dụng RToF trên chip SX1280 để đo khoảng cách và mảng 3 ăng-ten theo nguyên lý DoA để phân định góc tới của tín hiệu, loại bỏ sự cần thiết của hạ tầng trạm mốc cố định.

  • Lý thuyết và thông số ăng-ten: Gồm trở kháng vào $Z_{\text{in}} = R_{\text{in}} + jX_{\text{in}}$ (phải phối hợp trở kháng với đường truyền $50,\Omega$), hệ số phản xạ $\Gamma$, tổn hao phản xạ (Return Loss): $$\text{RL} = -20\log_{10}|\Gamma| \ge 10\text{ dB}$$ hệ số sóng đứng điện áp (VSWR), giản đồ bức xạ (Radiation Patterns), độ định hướng $D(\theta, \phi)$ và độ tăng ích $G(\theta, \phi) = \eta D(\theta, \phi)$. Ăng-ten phân cực tròn (Circularly Polarized - CP) được chọn cho Node nhằm đảm bảo cường độ thu phát không bị phụ thuộc vào góc xoay hay chiều đặt của thiết bị mang theo.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng số trên máy tính và kiểm nghiệm thực nghiệm:

  • Thiết kế, mô phỏng ăng-ten CP bằng phần mềm mô phỏng trường điện từ HFSS.
  • Đo kiểm bức xạ thực tế trong buồng hấp thụ sóng (phòng thí nghiệm RFThing) và môi trường ngoài trời không vật cản bằng hệ thống khảo sát tự động gồm 2 vi điều khiển ESP8266 điều khiển 2 động cơ servo xoay $360^\circ$ ghi nhận RSSI.
  • Thiết kế mạch nguyên lý (Schematic) và mạch in (Layout PCB) hai lớp/bốn lớp cho phần cứng cao tần.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được hiện thực hóa qua hai thiết bị phần cứng riêng biệt và hệ thống firmware chuyên dụng.

Thiết kế phần cứng Node (System-on-Antenna)

  • Tích hợp cấu trúc: Thay vì sử dụng bo mạch điều khiển riêng kết nối với module LoRa rời (như E28-2G4M12S kích thước $24 \times 15\text{ mm}$), nhóm tác giả đưa toàn bộ linh kiện vi điều khiển và mạch vô tuyến lên mặt sau của chính tấm mạch ăng-ten phân cực tròn, tạo thành một khối System-on-Antenna hoàn chỉnh có kích thước $31 \times 31 \times 8{,}2\text{ mm}$.
  • Thiết kế mạch cao tần SX1280: Nhóm thực hiện tháo rã (deshell) module E28-2G4M12S để phân tích mạch phối hợp trở kháng và mạch lọc thực tế của Semtech, lược bỏ các điện trở $0,\Omega$ cùng các đường mạch dự phòng không cần thiết để tối ưu diện tích layout PCB cho đường RF $2{,}4\text{ GHz}$.
  • Vi điều khiển và ăng-ten Node: Kiểm nghiệm hai phiên bản vi điều khiển gồm STM8L151C4T6 và ATmega328P. Ăng-ten CP hai băng tần (Dual bands) được tối ưu thông số hình học (Inner/Outer Arc-Shaped Patch), đạt hệ số Return Loss $S_{11} < -10\text{ dB}$ trên toàn dải băng thông $2{,}4\text{ GHz}$ và tỷ số trục (Axial Ratio) đảm bảo chuẩn phân cực tròn. Nguồn cấp là pin cúc áo lithium CR2450 ($3\text{ V}$, $620\text{ mAh}$).

Thiết kế phần cứng Station

  • Khối thu phát DoA: Sử dụng 3 module LoRa SX1280 (E28-2G4M12S) loại bỏ ăng-ten tích hợp sẵn để kết nối tới 3 ăng-ten định hướng đặt lệch góc, tạo vùng quét trực diện $180^\circ$.
  • Lựa chọn ăng-ten định hướng: Tiến hành thử nghiệm và đo đạc thực tế ba mẫu:
    1. Ăng-ten Patch_01 (thiết kế bởi giảng viên Trịnh Lê Huy): Đạt yêu cầu định hướng cơ bản nhưng kích thước chưa tối ưu.
    2. Ăng-ten Ceramic $2{,}4\text{ GHz}$ (mua từ AliExpress): Búp sóng quá rộng, khi lắp thêm tấm nền ground plane kim loại thì tăng được hướng tính nhưng vẫn còn búp sóng phụ phía sau và khó gia công đồng bộ.
    3. Ăng-ten Patch_02 (thiết kế bởi RFThing): Búp sóng định hướng hẹp về phía trước, không xuất hiện búp sóng ngược (back lobe), thông số $S_{11}$ đạt chuẩn tại $2{,}4\text{ GHz}$, được chọn làm ăng-ten chính thức cho Station.
  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ESP32 (vi kiến trúc Xtensa dual-core 32-bit LX6, xung nhịp tính toán 600 MIPS). ESP32 xử lý đồng thời luồng dữ liệu SPI từ cả 3 module SX1280. Thiết kế phần cứng ban đầu dùng ESP8266 đã bị hủy bỏ do chia sẻ chung chân Reset dẫn đến lỗi không thể khởi tạo độc lập 3 chip LoRa cùng lúc.
  • Mạch nguồn và ngoại vi: Tích hợp mạch quản lý sạc pin Lithium, 4 đèn LED chỉ thị trạng thái/debug, màn hình hiển thị Organic LED (OLED) để hiển thị giao diện theo dõi và các hàng chân mở rộng (reserve pin). Vỏ hộp được thiết kế bằng SolidWorks và in 3D.

Kiến trúc Firmware và Phần mềm

  • Nền tảng: Phát triển trên PlatformIO (tích hợp trong Visual Studio Code), ngôn ngữ C++.
  • Thư viện điều khiển SX1280: Nhóm tái cấu trúc bộ thư viện của Semtech theo phương pháp lập trình hướng đối tượng (OOP), cho phép một bộ vi điều khiển khởi tạo nhiều thực thể (instances) để quản lý độc lập 3 module LoRa qua các đường SPI, chân Busy, chân Reset và chân ngắt DIO1 riêng biệt.
  • Tối ưu năng lượng cho Node: Chuyển toàn bộ quy trình kiểm tra phần cứng (polling) sang cơ chế ngắt phần cứng (hardware interrupt). Vi điều khiển của Node duy trì trạng thái ngủ sâu (Deep Sleep) tiêu thụ năng lượng cực thấp, chỉ thức dậy khi có tín hiệu kích hoạt từ Station và ngay lập tức phản hồi gói tin RToF rồi quay lại trạng thái ngủ.
  • Xử lý đa nhiệm trên Station: Khai thác hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS trên 2 nhân xử lý của ESP32: một nhân chuyên trách việc giao tiếp SPI liên tục với 3 chip LoRa, nhân còn lại tính toán thuật toán DoA/RToF, cập nhật tập dữ liệu (datasets) và xuất kết quả ra màn hình OLED.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày bối cảnh gia tăng các vụ mất tích, buôn bán trẻ em dựa trên số liệu UNICEF/Ban Chỉ đạo 138/CP và thực trạng trộm cắp thú nuôi theo báo cáo Four Paws. Phân tích ưu nhược điểm của các công nghệ định vị GPS, BLE, UWB. Đưa ra đề xuất hệ thống định vị LoRa $2{,}4\text{ GHz}$ hoạt động độc lập nhằm bảo vệ quyền riêng tư người dùng. Xác định mục tiêu kỹ thuật về cự ly (25 m trong nhà NLOS, 5 km ngoài trời LOS), độ chính xác $\pm 8\text{ m}$, quy cách phần cứng Node (System-on-Antenna) và Station (quét $180^\circ$).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày chi tiết công nghệ điều chế LoRa CSS, ảnh hưởng của các tham số Spreading Factor, Bandwidth, Coding Rate đến độ nhạy thu và tốc độ bit qua các bảng thông số chuẩn của chip Semtech SX1280. Phân tích 4 kỹ thuật định vị (RSSI, DoA, ToF, RToF) và lý giải giải pháp kết hợp RToF với DoA. Trình bày lý thuyết điện từ trường về ăng-ten: phối hợp trở kháng $50,\Omega$, hệ số phản xạ $\Gamma$, Return Loss, VSWR, giản đồ bức xạ isotropic/directional/omni-directional. Phân tích nguyên lý phân cực tròn (CP antenna) giúp duy trì thu phát đẳng hướng theo mặt phẳng ngang.

Chương 3: Hiện thực đề tài

Mô tả toàn bộ quy trình chế tạo phần cứng và xây dựng phần mềm:

  • Mô phỏng ăng-ten CP trên HFSS với kết quả $S_{11} < -10\text{ dB}$, axial ratio và radiation efficiency tối ưu ở dải $2{,}4\text{ GHz}$.
  • Thiết kế kiến trúc System-on-Antenna kích thước $31 \times 31 \times 8{,}2\text{ mm}$, tích hợp chip SX1280 và vi điều khiển STM8L/ATmega328P.
  • Xây dựng hệ thống đo đạc ăng-ten tự động dùng 2 vi điều khiển ESP8266 và servo; tiến hành đo đạc các mẫu ăng-ten Patch_01, Ceramic và Patch_02 trong buồng lab RFThing và môi trường outdoor.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch Station với ESP32 dual-core, 3 module E28-2G4M12S, mạch sạc pin lithium và OLED.
  • Xây dựng firmware C++ trên PlatformIO, áp dụng OOP điều khiển đa chip SX1280, FreeRTOS trên ESP32, ngắt phần cứng và Deep Sleep trên Node. Thiết kế vỏ hộp trên SolidWorks.

Chương 4: Kết quả

Ghi nhận số liệu đo đạc thực tế của hệ thống:

  • Kết quả đo khoảng cách RToF ngoài trời (Outdoor LOS) và trong nhà (Indoor LOS, Indoor NLOS).
  • Kết quả phân tích sai số do phản xạ đa đường và suy hao vật cản; áp dụng các giá trị hiệu chỉnh căn chỉnh (calibration) giúp sai số cự ly tiệm cận chỉ tiêu $\pm 8\text{ m}$.
  • Thử nghiệm phân định hướng tín hiệu của Node bằng cách so sánh cường độ RSSI giữa 3 ăng-ten định hướng trên Station qua thuật toán DoA.
  • Đánh giá hoạt động kết hợp hai kỹ thuật: Station vừa xác định được cự ly vừa định hướng được góc lệch của Node hiển thị trực quan lên màn hình OLED.

Chương 5: Kết luận

Tổng kết các hạng mục đã hoàn thành về phần cứng, firmware, ăng-ten và độ chính xác định vị. Đánh giá những khó khăn gặp phải trong quá trình nghiên cứu (thiếu kinh nghiệm mạch cao tần, chuỗi cung ứng linh kiện nhập khẩu bị đình trệ do dịch bệnh COVID-19 năm 2021). Nêu rõ các tồn đọng kỹ thuật và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành việc chế tạo và tích hợp toàn diện hệ thống định vị hai thành phần hoạt động độc lập:

  • Phần cứng và Cơ khí:
    • Thiết kế thành công cấu trúc System-on-Antenna tích hợp vi điều khiển và mạch vô tuyến LoRa SX1280 lên mặt sau ăng-ten CP, kích thước đạt $31 \times 31 \times 8{,}2\text{ mm}$ (thu nhỏ đáng kể so với việc ghép nối các module thương mại rời).
    • Hoàn thiện bo mạch Station tích hợp ESP32, 3 module LoRa giao tiếp SPI độc lập, cụm 3 ăng-ten định hướng Patch_02 quét góc $180^\circ$, mạch nguồn sạc pin và màn hình OLED hiển thị trạng thái tracking theo thời gian thực.
    • Thiết kế và gia công hoàn thiện vỏ hộp bảo vệ bằng công nghệ in 3D dựa trên mô hình SolidWorks.
  • Phần mềm và Giải thuật:
    • Xây dựng thư viện hướng đối tượng cho phép quản lý đồng thời nhiều chip SX1280 trên một đường bus vi điều khiển mà không xảy ra xung đột.
    • Tối ưu năng lượng cho thiết bị Node qua ngắt phần cứng và chế độ Deep Sleep, cho phép kéo dài thời gian hoạt động với nguồn pin hạn chế.
    • Ứng dụng FreeRTOS trên ESP32 phân chia xử lý song song giữa tác vụ vô tuyến cao tần và tác vụ tính toán thuật toán DoA/RToF, hiển thị giao diện.
  • Đóng góp khoa học và ứng dụng:
    • Hiện thực hóa mô hình định vị kết hợp DoA và RToF không cần cơ sở hạ tầng trạm mốc (Anchor-free, Standalone), giải quyết bài toán định vị di động giữa hai thực thể.
    • Bảo vệ tuyệt đối tính riêng tư của dữ liệu vị trí do tín hiệu truyền thông trực tiếp nội bộ giữa Station và Node, không chuyển tiếp qua Internet hay máy chủ đám mây của bên thứ ba.
    • Cung cấp dữ liệu đo kiểm thực nghiệm về ăng-ten vi dải $2{,}4\text{ GHz}$ và công nghệ RToF trong môi trường buồng phản xạ phòng thí nghiệm cũng như môi trường thực tế tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được tác giả chỉ ra trong tài liệu:

  • Công nghệ LoRa có độ trễ truyền dữ liệu tương đối lớn so với các giao thức vô tuyến diện rộng khác.
  • Xử lý độ trễ phản hồi (delay synchronization) trong kỹ thuật RToF gây ảnh hưởng nhất định đến độ chính xác khi định vị ở cự ly quá gần.
  • Quá trình triển khai gặp gián đoạn do ảnh hưởng của đại dịch COVID-19, làm kéo dài thời gian đặt hàng mạch in và linh kiện từ nước ngoài; phiên bản thử nghiệm đầu tiên dùng ESP8266 gặp lỗi thiết kế phần cứng (dùng chung chân Reset) buộc phải thiết kế lại sang ESP32.

Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:

  • Tận dụng phần cứng Wi-Fi và Bluetooth tích hợp sẵn trên vi điều khiển ESP32 của Station để mở rộng kết nối với điện thoại thông minh hoặc máy tính cá nhân.
  • Nâng cấp giải thuật lọc nhiễu số và thuật toán định vị nhằm cải thiện độ chính xác ở môi trường trong nhà có nhiều vật cản phức tạp.
  • Tiếp tục tối ưu hóa kích thước hình học của thiết bị Node và hoàn thiện quy trình đóng gói công nghiệp cho sản phẩm.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cao cho:

  • Sinh viên và kỹ sư các ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Hệ thống Nhúng và Mạng Không dây / IoT.
  • Các nhóm nghiên cứu đang triển khai đề tài liên quan đến chip vô tuyến LoRa Semtech SX1280 ở băng tần $2{,}4\text{ GHz}$, đặc biệt là tính năng đo khoảng cách RToF tích hợp sẵn của phần cứng.
  • Những kỹ sư cần tài liệu thực tế về phương pháp tích hợp vi dải cao tần (System-on-Antenna), kỹ thuật thiết kế - mô phỏng ăng-ten phân cực tròn (CP) bằng HFSS, quy trình đo kiểm búp sóng ăng-ten thực tế và phương pháp quản lý nhiều IC truyền thông SPI thông qua FreeRTOS.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài sử dụng LoRa băng tần 2,4 GHz thay vì các băng tần Sub-GHz thông thường (như 433 MHz, 868 MHz hay 915 MHz)?

Chip LoRa Semtech SX1280 hoạt động ở băng tần $2{,}4\text{ GHz}$ có tích hợp sẵn động cơ phần cứng đo thời gian truyền sóng khứ hồi (RToF ranging engine), cho phép đo cự ly bay của sóng RF mà các dòng chip LoRa Sub-GHz trước đó không hỗ trợ. Đồng thời, bước sóng ở $2{,}4\text{ GHz}$ ngắn hơn nhiều, giúp thu nhỏ đáng kể kích thước vật lý của ăng-ten phân cực tròn để tích hợp vừa vặn vào thiết bị móc khóa nhỏ gọn (System-on-Antenna).

2. Ý tưởng System-on-Antenna trên thiết bị Node được hiện thực như thế nào?

Để giảm tối đa kích thước và không cần nối dây dẫn phức tạp giữa ăng-ten và mạch điều khiển, nhóm tác giả tích hợp toàn bộ các linh kiện của vi điều khiển (STM8L hoặc ATmega328P), khối mạch thu phát SX1280 và mạch nguồn trực tiếp lên mặt sau của bo mạch ăng-ten phân cực tròn. Thiết bị hoàn chỉnh đạt kích thước $31 \times 31 \times 8{,}2\text{ mm}$, tối ưu hơn việc dùng bo mạch rời ghép nối với module thương mại E28-2G4M12S ($24 \times 15\text{ mm}$).

3. Cụm ăng-ten trên trạm Station hoạt động theo nguyên lý nào để định hướng vị trí của Node?

Station sử dụng 3 ăng-ten vi dải định hướng (Patch_02 do RFThing thiết kế) được đặt quay theo 3 góc lệch nhau, bao phủ góc quét $180^\circ$ phía trước. Mỗi ăng-ten kết nối với một module thu phát SX1280 riêng biệt. Khi nhận được tín hiệu phản hồi từ Node, vi điều khiển ESP32 đọc đồng thời giá trị cường độ tín hiệu RSSI từ cả 3 module và áp dụng nguyên lý Direction of Arrival (DoA) để đối sánh cường độ, từ đó xác định góc lệch hướng của Node so với Station.

4. Tại sao thiết kế thử nghiệm dùng vi điều khiển ESP8266 cho Station lại thất bại?

Ở phiên bản thử nghiệm đầu tiên, do thiếu kinh nghiệm trong việc điều khiển đồng thời 3 module SX1280, nhóm tác giả đã nối chung chân Reset của cả 3 chip LoRa vào một chân điều khiển của ESP8266. Điều này khiến vi điều khiển không thể thực hiện quá trình khởi tạo (initialization) độc lập cho từng module theo đúng giới hạn thời gian (timing) yêu cầu của Semtech. Sau đó nhóm đã chuyển đổi hoàn toàn thiết kế sang chip ESP32 với hai nhân xử lý độc lập và chân điều khiển riêng biệt.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của Nguyễn Bá Quốc Khánh và Trần Tiến Thiệu đã nghiên cứu và chế tạo thành công hệ thống định vị hai thành phần độc lập ứng dụng công nghệ LoRa $2{,}4\text{ GHz}$ trên nền tảng kỹ thuật RToF và DoA. Đề tài giải quyết tốt bài toán dung hòa giữa kích thước phần cứng siêu nhỏ gọn qua cấu trúc System-on-Antenna trên Node và khả năng quét hướng $180^\circ$ đa nhiệm trên Station. Các kết quả mô phỏng, chế tạo mạch cao tần và đo kiểm thực nghiệm trong văn bản thể hiện tính hoàn thiện cao, mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật rõ ràng cho lĩnh vực hệ thống nhúng định vị cục bộ và thiết bị IoT.