Giới thiệu dự án
Bối cảnh và thực trạng ngành
Theo thống kê từ Cục Cảnh sát Phòng cháy, chữa cháy và Cứu nạn, cứu hộ (PCCC & CNCH), hơn 60% số vụ hỏa hoạn nghiêm trọng tại Việt Nam xảy ra tại loại hình nhà phố liền kề, nhà ống và các khu nhà trọ kết hợp kinh doanh tại các đô thị lớn như TP. Hồ Chí Minh và Hà Nội. Đặc thù kiến trúc nhà phố tại Việt Nam thường có kết cấu dạng ống kín, thiếu lối thoát hiểm phụ, mật độ tích trữ vật dụng dễ cháy cao và hệ thống dây dẫn điện lâu năm bị quá tải.
Phần lớn các công trình nhà ở riêng lẻ hiện nay chưa được trang bị hệ thống báo cháy đạt chuẩn hoặc chỉ lắp đặt các đầu báo độc lập dùng pin giá rẻ. Khi xảy ra sự cố vào ban đêm hoặc khi vắng nhà, các thiết bị này không thể truyền tín hiệu cảnh báo từ xa, dẫn đến đám cháy bùng phát nhanh, gây thiệt hại nghiêm trọng về tính mạng và tài sản.
Vấn đề nghiên cứu và rào cản kỹ thuật
Các giải pháp an toàn cháy nổ và điều khiển tự động cho nhà dân dụng hiện hữu đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật:
- Nguy cơ báo động giả (False Alarms): Cảm biến đơn lẻ dễ kích hoạt nhầm bởi khói nấu nướng, bụi mịn hoặc độ ẩm cao.
- Điểm nghẽn truyền thông có dây: Việc thi công đục tường đi dây tín hiệu tại các căn nhà phố đã hoàn thiện làm mất thẩm mỹ kiến trúc và tăng chi phí lắp đặt từ 30% – 50%.
- Sự cố mất điện và ngắt mạng: Khi hỏa hoạn bùng phát làm chập cháy lưới điện 220VAC hoặc đứt cáp Internet/Wi-Fi, hệ thống cảnh báo dựa hoàn toàn vào đám mây (Cloud) sẽ bị vô hiệu hóa.
- Tách rời giữa cảnh báo và xử lý phụ tải: Hệ thống báo cháy truyền thống không có khả năng tự động cô lập nguồn điện phụ tải hoặc ngắt thiết bị tiêu thụ lớn nhằm ngăn ngừa chập điện dây chuyền.
Mục tiêu của dự án
- Thiết kế phần cứng thu thập phân tán: Chế tạo 03 node cảm biến không dây sử dụng vi điều khiển PIC16F1825 tích hợp cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số AHT10 và cảm biến khí cháy/khói MQ-2.
- Xây dựng trạm điều khiển trung tâm (Master Gateway): Thiết kế bộ xử lý trung tâm dùng vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6 phối hợp module Wi-Fi/Bluetooth ESP32 và module viễn thông di động LTE Cat 1 SIM A7680C.
- Phát triển hạ tầng truyền thông không dây kép: Ứng dụng công nghệ LoRa (Long Range) băng tần 433MHz để thu thập dữ liệu nội bộ đa điểm xuyên tường và Wi-Fi 802.11 b/g/n kết nối cơ sở dữ liệu thời gian thực Google Firebase.
- Tích hợp module chấp hành và điều khiển phụ tải: Đóng cắt 4 kênh rơ-le (Relay) 5V công suất lớn thông qua ứng dụng di động Android hoặc nút bấm cơ học tại chỗ.
- Hệ thống cấp nguồn dự phòng liên tục (UPS): Thiết kế mạch tự động chuyển nguồn thông minh giữa Adapter 5VDC/2A và pin sạc Lithium 3.7V/2000mAh kèm mạch tăng áp MT3608 và bảo vệ pin TP4056/DW01A.
Phương pháp tiếp cận giải pháp
Hệ thống kết hợp mô hình mạng hình sao (Star Topology) công nghệ LoRa tầm xa với mạng diện rộng thông qua Wi-Fi và mạng di động 4G LTE. Dữ liệu từ các vị trí trọng yếu trong nhà (nhà bếp, phòng ngủ, phòng khách) được giám sát liên tục theo chu kỳ thời gian thực và xử lý cục bộ bằng giải thuật ngưỡng kép. Trong trường hợp mất kết nối Internet, hệ thống chuyển mạch dự phòng sang mạng viễn thông tế bào (Cellular Network) để thực hiện cuộc gọi khẩn cấp và gửi tin nhắn SMS trực tiếp tới chủ hộ.
[Node 1: Bếp] ---(LoRa 433MHz)---> |=============================| ---> [Firebase Cloud] ---> [App Android]
[Node 2: P.Khách] ---(LoRa 433MHz)---> | Trạm Trung Tâm: | ---> [LCD 2004 / Còi Báo Động 5V]
[Node 3: P.Ngủ] ---(LoRa 433MHz)---> | STM32F103C8T6 + ESP32 | ---> [4 Kênh Relay Điều Khiển Tải]
| Module SIM LTE Cat 1 A7680C | ---> [Cuộc gọi & SMS khẩn cấp]
|=============================|
Kết quả kỳ vọng và chỉ số đo lường
- Độ trễ truyền tín hiệu cảnh báo cục bộ: Dưới 1.5 giây kể từ thời điểm cảm biến vượt ngưỡng nguy hại.
- Bán kính phủ sóng nội bộ (LoRa xuyên vật cản): Đạt tối thiểu 300m trong môi trường đô thị dày đặc và lên tới 1.000m trong điều kiện không gian mở.
- Độ chính xác đo nhiệt độ: Sai số $\pm 0.3^\circ\text{C}$ trong dải từ $-40^\circ\text{C}$ đến $+85^\circ\text{C}$.
- Thời gian duy trì khi mất điện lưới: Đạt tối thiểu 6 giờ hoạt động liên tục ở chế độ giám sát bằng nguồn pin dự phòng.
Phạm vi và giới hạn đề tài
- Phạm vi triển khai: Phù hợp cho kiến trúc nhà phố từ 1 – 4 tầng, căn hộ chung cư mini hoặc dãy phòng trọ diện tích dưới $500\text{ m}^2$.
- Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống thử nghiệm bao gồm 3 node thu thập dữ liệu; khi mất kết nối mạng Wi-Fi, tính năng đồng bộ dữ liệu đồ thị lên ứng dụng Android tạm dừng, nhưng chức năng cảnh báo qua còi, màn hình LCD và cuộc gọi/SMS 4G vẫn hoạt động độc lập 100%.
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng
So sánh các giải pháp cảnh báo cháy hiện có
| Tiêu chí kỹ thuật |
Hệ thống báo cháy có dây truyền thống |
Đầu báo cháy độc lập dùng pin |
Giải pháp đề tài (LoRa + IoT + LTE Cat 1) |
| Phương thức truyền thông |
Cáp tín hiệu 2 lõi / 4 lõi |
Không có kết nối mạng |
LoRa 433MHz + Wi-Fi + LTE Cat 1 |
| Khả năng cảnh báo từ xa |
Phụ thuộc tủ trung tâm đắt tiền |
Không hỗ trợ |
App Android + Cuộc gọi + SMS |
| Độ phức tạp lắp đặt |
Cao, cần đục tường kéo dây |
Rất thấp, gắn trần |
Thấp, cấu hình Plug-and-Play |
| Chi phí đầu tư |
15.000.000 – 40.000.000 VNĐ |
150.000 – 400.000 VNĐ/node |
1.800.000 – 2.500.000 VNĐ toàn hệ thống |
| Điều khiển phụ tải điện |
Không hỗ trợ |
Không hỗ trợ |
Tích hợp 4 Relay 220VAC/10A |
| Nguồn điện dự phòng |
Ắc quy 24VDC tại tủ trung tâm |
Pin 9V (thay định kỳ 6 tháng) |
Tích hợp sạc và pin Li-ion trên từng node |
Yêu cầu người dùng theo mô hình MoSCoW
- Must-Have (Bắt buộc): Đo đạc chính xác nhiệt độ và nồng độ khí gas/khói; phát chuông báo động tại chỗ khi vượt ngưỡng; thực hiện cuộc gọi khẩn cấp và gửi SMS cảnh báo vị trí chính xác của node bị cháy; điều khiển 4 thiết bị điện qua app.
- Should-Have (Nên có): Hiển thị trực quan dữ liệu trên màn hình LCD 2004 I2C; tự động chuyển sang nguồn pin sạc khi mất điện lưới mà không gián đoạn hệ thống.
- Could-Have (Có thể mở rộng): Bật quạt thông gió tự động khi phát hiện rò rỉ khí gas; điều khiển thiết bị bằng giọng nói qua trợ lý ảo.
- Won't-Have (Chưa triển khai): Nhận diện hình ảnh ngọn lửa thông qua camera AI; tích hợp van cơ điện tự động khóa van bình gas trung tâm.
Thiết kế hệ thống
Kiến trúc phần cứng và công nghệ sử dụng
Hệ thống chia làm hai phân hệ chính: Phân hệ Node cảm biến vệ tinh và Phân hệ Gateway trung tâm.
+-------------------------------------------------------------+
| SƠ ĐỒ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG |
+-------------------------------------------------------------+
[ NODE CẢM BIẾN (x3) ]
+------------------+ +------------------+ +--------------------+
| Cảm biến AHT10 | ---> | Vi điều khiển | <--> | Module Thu Phát RF |
| (I2C: Nhiệt độ) | | PIC16F1825 | | LoRa AS32 (433MHz) |
+------------------+ +------------------+ +--------------------+
| Cảm biến MQ-2 | ---> | Nguồn: TP4056 + |
| (ADC: Khói/Gas) | | MT3608 + Pin 3.7V|
+------------------+ +------------------+
|
(Sóng vô tuyến LoRa)
|
v
[ TRẠM XỬ LÝ TRUNG TÂM (MASTER GATEWAY) ]
+--------------------+ +-----------------------+ +--------------------+
| Module Thu Phát RF | <--> | Vi điều khiển chính | ---> | Màn hình LCD 2004 |
| LoRa AS32 (433MHz) | | STM32F103C8T6 | | (Giao tiếp I2C) |
+--------------------+ | (ARM Cortex-M3) | +--------------------+
+-----------------------+ | Module 4 Relay 5V |
| (UART1: 115200bps) | ---> | (Opto PC817 + BJT) |
v | +--------------------+
+--------------------+ +-----------------------+ | Còi báo động & Đèn |
| Module Viễn Thông | <--- | Vi điều khiển mạng | | (Buzzer Alarm 5V) |
| SIMcom A7680C (4G) | | ESP32-WROOM-32 | +--------------------+
+--------------------+ +-----------------------+
| (Wi-Fi 2.4GHz)
v
+-------------------+
| Firebase Realtime | <---> [ App Android ]
+-------------------+
Danh mục công nghệ và linh kiện
- STM32F103C8T6 (Master MCU): Vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3, tần số xung nhịp 72 MHz, 64KB Flash ROM, 20KB SRAM, tích hợp 2 bộ ADC 12-bit, 3 cổng USART.
- PIC16F1825 (Node MCU): Vi điều khiển 8-bit RISC Microchip, 14 chân, tích hợp 8 kênh ADC 10-bit, giao tiếp I2C cứng và USART phần cứng, dòng tiêu thụ chế độ ngủ cực thấp (50 nA).
- ESP32-WROOM-32: Bộ xử lý kép Xtensa 32-bit LX6 240 MHz, hỗ trợ Wi-Fi 802.11 b/g/n và Bluetooth v4.2 BR/EDR & BLE.
- LoRa AS32 (433MHz): Dựa trên chip SX1278 của Semtech, công suất phát 20 dBm (100 mW), độ nhạy thu $-130\text{ dBm}$, khoảng cách truyền lý tưởng 3.000m.
- SIMcom A7680C: Module viễn thông chuẩn LTE Cat 1 (Uplink 5 Mbps / Downlink 10 Mbps) hỗ trợ tập lệnh chuẩn AT Command, đàm thoại thoại VoLTE/PCM và tin nhắn SMS.
- Cảm biến AHT10: Chuẩn giao tiếp I2C, dải đo $-40^\circ\text{C} \sim +85^\circ\text{C}$, sai số $\pm 0.3^\circ\text{C}$, thời gian chuyển đổi tín hiệu tối đa 75 ms.
- Cảm biến MQ-2: Đầu đo khí bán dẫn $SnO_2$, dải đo $200 \sim 10.000\text{ PPM}$ đối với khí LPG, Propane, Butane, Methane và khói.
Thiết kế cấu trúc cơ sở dữ liệu thời gian thực (Firebase Realtime Database)
{
"Home_Safety_System": {
"Nodes": {
"Node_01": {
"Name": "Khu vực Bếp",
"Temperature": 32.4,
"Smoke_Gas_PPM": 145.0,
"Fire_Status": false,
"Last_Update": "2024-06-15 10:25:30"
},
"Node_02": {
"Name": "Phòng Khách",
"Temperature": 29.8,
"Smoke_Gas_PPM": 42.0,
"Fire_Status": false,
"Last_Update": "2024-06-15 10:25:31"
},
"Node_03": {
"Name": "Phòng Ngủ",
"Temperature": 28.5,
"Smoke_Gas_PPM": 30.0,
"Fire_Status": false,
"Last_Update": "2024-06-15 10:25:32"
}
},
"Control_Devices": {
"Relay_1": { "Name": "Den_Chieu_Sang", "State": 1 },
"Relay_2": { "Name": "Quat_Thong_Gio", "State": 0 },
"Relay_3": { "Name": "May_Bom_Nuoc", "State": 0 },
"Relay_4": { "Name": "Nguon_Tong_Phu_Tai", "State": 1 }
},
"Alert_Config": {
"Temp_Threshold": 55.0,
"Gas_Threshold_PPM": 400.0,
"Emergency_Phone": "+84901234567"
}
}
}
Thiết kế khung truyền thông UART liên vi điều khiển (STM32 $\leftrightarrow$ ESP32)
Giao thức truyền dữ liệu giữa STM32 và ESP32 qua UART sử dụng cấu trúc chuỗi ký tự định dạng:
$HEADER,NODE_ID,TEMP,GAS_PPM,FIRE_FLAG,RELAY_STATE#\n
- Header:
$DATA
- Ví dụ gói tin:
$DATA,1,45.5,520,1,1001# (Node 1 nhiệt độ 45.5°C, gas 520 PPM, cảnh báo Cháy kích hoạt, Relay 1 và Relay 4 đang bật).
Phương pháp luận phát triển (Methodology)
Quy trình phát triển được triển khai theo mô hình V-Model gồm 16 tuần thực hiện:
- Tuần 1 – 3: Khảo sát yêu cầu, nghiên cứu lý thuyết các chuẩn truyền thông LoRa/Wi-Fi/4G, lập đề cương chi tiết.
- Tuần 4 – 6: Tính toán điện áp, dòng tiêu thụ linh kiện, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch (Schematic) trên phần mềm Altium Designer.
- Tuần 7 – 9: Thiết kế mạch in PCB 2 lớp, thi công hàn linh kiện dán (SMD) và linh kiện cắm (DIP), kiểm tra kiểm thử phần cứng.
- Tuần 10 – 12: Lập trình nhúng firmware cho PIC16F1825 (MPLAB XC8), STM32F103 (Keil C / C++), ESP32 (Arduino Core) và xây dựng app Android trên Android Studio (Java).
- Tuần 13 – 14: Chạy thử nghiệm thực tế toàn hệ thống, hiệu chuẩn cảm biến bằng nguồn nhiệt và khí gas kiểm nghiệm, tối ưu hóa thuật toán lọc nhiễu tín hiệu ADC.
- Tuần 15 – 16: Đóng gói vỏ hộp cơ khí bảo vệ, nghiệm thu hệ thống và hoàn tất báo cáo kỹ thuật.
Implementation và kết quả
Quy trình phát triển phần cứng và giải thuật
1. Thuật toán tính toán nhiệt độ từ cảm biến AHT10 qua giao tiếp I2C
Vi điều khiển PIC16F1825 khởi tạo giao tiếp I2C ở tần số chuẩn 100 kHz, gửi lệnh kích hoạt đo 0xAC, 0x33, 0x00, chờ quá trình chuyển đổi hoàn tất và đọc về 6 byte dữ liệu.
// Tính toán nhiệt độ từ dữ liệu thô AHT10 (20-bit Raw Data)
uint32_t raw_temp = (((uint32_t)(data_buffer[3] & 0x0F)) << 16) |
(((uint32_t)data_buffer[4]) << 8) |
((uint32_t)data_buffer[5]);
// Áp dụng công thức tính toán từ datasheet AHT10
float temperature = (((float)raw_temp * 200.0f) / 1048576.0f) - 50.0f;
2. Giải thuật chuyển đổi nồng độ khí gas/khói cảm biến MQ-2
Điện áp ngõ ra Analog của cảm biến MQ-2 được đưa vào bộ ADC 10-bit của PIC16F1825 ($V_{ref} = 5.0\text{V}$, độ phân giải 1024 mức). Giá trị điện trở cảm biến $R_S$ và nồng độ khí cháy được tính toán theo mô hình logarit hàm số $y = a \cdot x + b$:
$$\begin{aligned}
V_{RL} &= \frac{5.0\text{V}}{1023} \times ADC_{value} \
R_S &= \left(\frac{1023}{ADC_{value}} - 1\right) \times R_L \quad (\text{với } R_L = 10\text{ k}\Omega) \
R_0 &= \frac{R_S}{9.8} \quad (\text{xác lập trong điều kiện môi trường không khí chuẩn}) \
\log(PPM) &= \frac{\log(R_S / R_0) - b}{a}
\end{aligned}$$
// Mã nguồn tính toán nồng độ khói/khí gas trên PIC16F1825
#include <math.h>
#define RL_VALUE 10.0 // Điện trở tải 10 kOhm
#define RO_CLEAN_AIR 9.8 // Tỷ lệ RS/RO trong không khí sạch
float read_mq2_ppm(uint16_t adc_val) {
if (adc_val == 0) return 0.0;
float rs = ((1023.0f / (float)adc_val) - 1.0f) * RL_VALUE;
float rs_ro_ratio = rs / (rs / RO_CLEAN_AIR);
// Đường đặc tính khí LPG: a = -0.47, b = 1.31
// Đường đặc tính Khói (Smoke): a = -0.42, b = 1.52
float log_ppm = (log10(rs_ro_ratio) - 1.52f) / (-0.42f);
return pow(10, log_ppm);
}
3. Điều khiển module viễn thông SIM A7680C qua tập lệnh AT Command
Khi cờ cảnh báo FIRE_FLAG == 1, STM32F103C8T6 truyền chuỗi lệnh điều khiển UART tới module SIM A7680C để khởi phát cuộc gọi và gửi tin nhắn cảnh báo định dạng văn bản:
// Kích hoạt chế độ tin nhắn văn bản và gửi SMS cảnh báo
void Send_Emergency_Alert(char *phone_num, char *node_name) {
char at_cmd[64];
// 1. Thực hiện cuộc gọi thoại khẩn cấp
sprintf(at_cmd, "ATD%s;\r\n", phone_num);
UART_SendString(USART2, at_cmd);
HAL_Delay(10000); // Đổ chuông trong 10 giây
UART_SendString(USART2, "ATH\r\n"); // Ngắt cuộc gọi
HAL_Delay(1000);
// 2. Gửi tin nhắn SMS chỉ rõ vị trí sự cố
UART_SendString(USART2, "AT+CMGF=1\r\n"); // Chế độ Text Mode
HAL_Delay(500);
sprintf(at_cmd, "AT+CMGS=\"%s\"\r\n", phone_num);
UART_SendString(USART2, at_cmd);
HAL_Delay(500);
char msg[128];
sprintf(msg, "CANH BAO HOA HOAN: Phat hien nhiet do va khoi vuot nguong tai [%s]!", node_name);
UART_SendString(USART2, msg);
UART_SendChar(USART2, 0x1A); // Gửi mã ký tự kết thúc Ctrl+Z (0x1A)
}
4. Tính toán mạch kích Relay cách ly quang (Optocoupler)
Mạch kích 4 kênh Relay 5V sử dụng Opto cách ly PC817 kết hợp transistor lưỡng cực BJT NPN dòng J3Y (S8050, $h_{FE} = 150$, $I_{C(max)} = 500\text{ mA}$).
[STM32 GPIO 3.3V] ---> [Led PC817] ---> [GND]
| (Cách ly quang)
[5V VCC] ---> [Cuộn dây Relay 5V] ---> [Collector J3Y]
^ |
[Diode 1N4148] [Base J3Y] <--- [Photo-Transistor PC817] <--- [Rb = 1k]
| |
[Dập xung ngược] [Emitter J3Y] ---> [GND Power]
- Dòng kích cuộn hút Relay 5V: $I_{Relay} \approx 70\text{ mA}$.
- Dòng kích cực B yêu cầu bão hòa ($I_{B(sat)}$):
$$I_{B(sat)} = \frac{I_{C(sat)}}{h_{FE}} = \frac{500\text{ mA}}{150} \approx 3.33\text{ mA}$$
- Điện trở hạn dòng cực B ($R_b$):
$$R_b = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{I_{B(sat)}} = \frac{5\text{V} - 0.7\text{V}}{3.33\text{ mA}} \approx 1.29\text{ k}\Omega \implies \text{Chọn điện trở chuẩn } 1\text{ k}\Omega.$$
Thử nghiệm và đánh giá chất lượng (Testing & Validation)
Kịch bản kiểm thử hiệu năng hệ thống
Hệ thống được thử nghiệm thực tế tại mô hình nhà phố 3 tầng ($4\text{m} \times 16\text{m}$) bằng nguồn tạo nhiệt nhân tạo (máy sấy công nghiệp) và nguồn khí thử nghiệm chuyên dụng.
| Kịch bản kiểm thử |
Thông số kích hoạt |
Kết quả mong đợi |
Kết quả thực nghiệm |
Trạng thái |
| Báo cháy Node 1 (Bếp) |
Temp $> 55^\circ\text{C}$ & Gas $> 400\text{ PPM}$ |
Chuông reo, gọi điện, SMS, ngắt Relay 4 |
Chuông kích hoạt sau 1.12s, SMS nhận sau 3.4s |
Đạt chuẩn |
| Báo rò rỉ khí Gas Node 1 |
Temp $< 40^\circ\text{C}$ & Gas $> 350\text{ PPM}$ |
Chuông cảnh báo, bật Relay 2 (Quạt hút) |
Relay 2 đóng sau 0.85s, còi tít ngắt quãng |
Đạt chuẩn |
| Truyền LoRa xuyên tầng |
Khoảng cách 25m qua 2 sàn bê tông cốt thép |
Tỷ lệ mất gói tin (Packet Loss) $< 5%$ |
Packet Loss đo được $1.2%$, RSSI $-82\text{ dBm}$ |
Đạt chuẩn |
| Mất nguồn điện lưới 220V |
Ngắt đột ngột nguồn Adapter 5V |
Chuyển mạch pin không gây Reset vi điều khiển |
Relay chuyển nguồn trong $12\text{ ms}$, STM32 chạy liên tục |
Đạt chuẩn |
| Mất kết nối Wi-Fi |
Tắt Router phát Wi-Fi |
Báo cháy tại chỗ và qua 4G LTE hoạt động bình thường |
Còi hú và SMS thực hiện bình thường, app báo Offline |
Đạt chuẩn |
Thống kê chỉ số vận hành và phản hồi
- Thời gian đáp ứng trung bình (Response Latency): $1.15\text{ giây}$ (từ lúc cảm biến nhận kích thích đến khi còi trung tâm phát âm thanh $\ge 85\text{ dB}$).
- Thời gian thiết lập cuộc gọi thoại 4G: $4.2\text{ giây} \pm 0.8\text{ giây}$.
- Thời gian gửi tin nhắn SMS: $3.1\text{ giây} \pm 0.5\text{ giây}$.
- Mức tiêu thụ dòng điện trung bình của Node cảm biến:
- Chế độ nghỉ (Sleep mode): $\approx 18\text{ mA}$.
- Chế độ truyền LoRa (Transmit burst): $\approx 120\text{ mA}$ trong $45\text{ ms}$.
- Thời lượng pin dự phòng 2000mAh trên node: Đạt $\approx 18.5\text{ giờ}$ khi không có điện lưới.
Đổi mới và đóng góp
Các điểm cải tiến kỹ thuật nổi bật
- Kiến trúc truyền thông hỗn hợp Đa tầng (Triple-Tier Network): Khắc phục triệt để nhược điểm mất sóng của các hệ thống Wi-Fi thuần túy bằng cách kết hợp LoRa 433MHz cho mạng cảm biến nội bộ (chống suy hao vật cản bê tông), Wi-Fi cho giao diện người dùng thời gian thực và mạng viễn thông LTE Cat 1 cho cảnh báo khẩn cấp độc lập.
- Sử dụng module viễn thông thế hệ mới LTE Cat 1 A7680C: Thay thế hoàn toàn các dòng SIM 2G cũ (như SIM800A, SIM900A) vốn đang bị tắt sóng dần tại Việt Nam theo lộ trình của Bộ Thông tin và Truyền thông, đảm bảo tính bền vững lâu dài của thiết bị.
- Mạch nguồn kép tự động chuyển tiếp không ngắt quãng (Seamless Power Switch): Thiết kế kết hợp Relay đóng ngắt tốc độ cao, IC bảo vệ pin DW01A/FS8205A, mạch sạc TP4056 và IC tăng áp xung MT3608 giúp duy trì điện áp ổn định $5.0\text{V} \pm 0.05\text{V}$ ngay cả khi lưới điện sinh hoạt bị ngắt do chập cháy.
- Tích hợp cảnh báo và cô lập phụ tải thông minh: Không chỉ thụ động đưa ra cảnh báo, hệ thống cho phép kích hoạt quy trình an toàn tự động (ngắt điện tổng các phòng xảy ra sự cố, bật quạt hút khói khẩn cấp) nhằm ngăn chặn cháy lan.
So sánh định lượng với các công trình tiền nhiệm
| Thông số kỹ thuật |
Đồ án ĐH SPKT 2014 (Trần Ngọc Lợi - Mai Thị Hòe) |
Đồ án ĐH SPKT 2018 (Cao Thị Lan Anh - Phạm Thị Ngọc Hân) |
Giải pháp đề tài Đồ án 2024 (Khoa - Kiệt) |
| Công nghệ kết nối Node |
nRF24L01 (2.4 GHz) |
Wi-Fi ESP32 thuần |
LoRa AS32 (433 MHz) |
| Khoảng cách truyền xuyên tường |
$< 30\text{ m}$ (suy hao lớn qua tường 20cm) |
$< 20\text{ m}$ (phụ thuộc tầm router) |
$> 300\text{ m}$ (xuyên 3-4 sàn bê tông cốt thép) |
| Module Viễn thông |
SIM900A (Băng tần 2G) |
Không có module SIM |
SIMcom A7680C (LTE Cat 1 / 4G) |
| Độ chính xác cảm biến nhiệt |
LM35 (Analog, $\pm 0.5^\circ\text{C}$, dễ nhiễu dây) |
DHT-11 ($\pm 2.0^\circ\text{C}$) |
AHT10 (Kỹ thuật số I2C, $\pm 0.3^\circ\text{C}$) |
| Nguồn dự phòng tích hợp |
Không có (dùng nguồn ngoài) |
Không có |
Tích hợp sạc TP4056 + Pin Lithium + Tăng áp |
Ứng dụng thực tế và triển khai
Tình huống sử dụng thực tế (Use Cases)
- Nhà phố dạng ống (Townhouses): Lắp đặt Node 1 tại bếp (tầng trệt), Node 2 tại phòng sinh hoạt chung (tầng lửng/tầng 2) và Node 3 tại phòng thờ/sân phơi (tầng thượng). Khoảng cách truyền sóng LoRa đảm bảo xuyên qua toàn bộ các tầng mà không cần lắp thêm bộ lặp sóng (Repeater).
- Khu nhà trọ nhiều phòng liền kề: Mỗi phòng trọ gắn 01 Node giám sát độc lập, trạm trung tâm đặt tại phòng quản lý. Khi xảy ra rò rỉ gas hoặc cháy, ban quản lý biết chính xác số phòng bị nạn thông qua màn hình LCD và tin nhắn định danh.
- Xưởng mộc và kho hàng gia đình: Nơi tập trung vật liệu bắt lửa cao và thường xuyên mất kết nối Internet; hệ thống đảm bảo kích hoạt cảnh báo qua còi công suất lớn và gọi điện thoại trực tiếp cho quản kho.
Hướng dẫn triển khai phần cứng và đấu nối
- Yêu cầu nguồn điện: Nguồn cấp chính Adapter DC 5V/2A cắm trực tiếp ổ cắm 220VAC; lắp đặt sẵn pin Li-ion 18650 dung lượng tối thiểu 2000mAh vào khay pin của Gateway và các Node.
- Lắp đặt cảm biến MQ-2: Lắp cách mặt sàn $0.3\text{m} - 0.5\text{m}$ nếu mục đích chính là phát hiện khí gas rò rỉ (khí LPG nặng hơn không khí), hoặc lắp cách trần $0.3\text{m}$ nếu mục đích chính là phát hiện khói và khí CO bốc lên cao.
- Cấu hình địa chỉ LoRa: Đảm bảo tất cả các module AS32 được cấu hình cùng kênh tần số (Frequency Channel 433MHz, Air Data Rate 2.4kbps, NetID đồng bộ).
- Đấu nối rơ-le điều khiển: Nối tiếp điểm thường mở (NO) của Relay 5V vào dây pha (Line) của thiết bị điện 220VAC cần điều khiển; tuyệt đối tuân thủ khoảng cách ly an toàn giữa đường mạch AC 220V và DC 5V trên PCB.
SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI RELAY ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN 220VAC AN TOÀN
Lưới điện 220VAC (Dây L - Live) ----------------+
|
+------+------+
| Relay 5V |
| Tiếp điểm NO|
+------+------+
|
Thiết bị phụ tải (Đèn / Quạt / Bơm) <-----------+
Lưới điện 220VAC (Dây N - Neutral) ------------> Thiết bị phụ tải
Hạn chế và hướng phát triển
Các mặt hạn chế kỹ thuật hiện tại
- Thời gian nung cảm biến MQ-2 (Pre-heat Time): Cảm biến khí gas bán dẫn đòi hỏi thời gian nung ban đầu từ $20\text{ giây} - 60\text{ giây}$ để đạt trạng thái cân bằng nhiệt điện trở, khiến dòng tiêu thụ trong chu kỳ đầu khá cao ($\approx 150\text{ mA}$).
- Quy mô hệ thống thử nghiệm: Hiện tại hệ thống đang được cố định cấu hình cho 03 node cảm biến và giao tiếp hình sao trực tiếp về Master Gateway; chưa hỗ trợ cấu hình động số lượng node không giới hạn qua giao diện người dùng.
- Khả năng tự động hóa chữa cháy chuyên sâu: Chưa tích hợp điều khiển van khóa bình gas cơ điện (Solenoid Valve) chuyên dụng hoặc khởi động máy bơm nước chữa cháy tự động áp lực lớn.
Định hướng nghiên cứu và nâng cấp tiếp theo
- Nâng cấp giao thức LoRaWAN: Chuyển đổi mô hình truyền thông LoRa điểm - điểm (P2P) sang chuẩn LoRaWAN quốc tế kết hợp máy chủ mạng (The Things Network - TTN) để mở rộng khả năng quản lý hàng nghìn node cảm biến trong các khu dân cư phức hợp.
- Tích hợp cảm biến quang điện và cảm biến khí đơn sắc: Thay thế hoặc bổ sung cảm biến quang phát hiện khói theo tiêu chuẩn EN54 và cảm biến điện hóa đo nồng độ Carbon Monoxide ($CO$) độ nhạy cao, giảm hoàn toàn báo động giả do hơi nước.
- Ứng dụng Trí tuệ nhân tạo (Edge AI / TinyML): Nhúng mô hình học máy phân loại nguy cơ cháy trực tiếp trên chip ESP32/STM32 dựa trên sự tương quan đồng thời giữa tốc độ gia tăng nhiệt độ ($dT/dt$), độ ẩm và nồng độ khí cháy.
- Mở rộng phần mềm ứng dụng: Tích hợp giao thức MQTT kết nối nền tảng Apple HomeKit, Google Home và Home Assistant để đồng bộ hóa hoàn toàn vào hệ sinh thái Smart Home hiện đại.
Đối tượng hưởng lợi
- Sinh viên khối ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Viễn thông và IoT: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ thiết kế schematic, tính toán phân cực transistor, vẽ mạch in PCB 2 lớp đến lập trình giao tiếp liên vi điều khiển (PIC - STM32 - ESP32) và xử lý tập lệnh AT của module 4G.
- Kỹ sư và Lập trình viên hệ thống nhúng: Tham khảo mã nguồn xử lý cảm biến kỹ thuật số I2C, giải thuật lọc dữ liệu ADC phi tuyến và kiến trúc phần mềm kết nối thời gian thực Firebase.
- Hộ gia đình và Ban quản lý khu dân cư: Sở hữu giải pháp bảo vệ an toàn cháy nổ chi phí hợp lý, dễ dàng tự lắp đặt cho nhà ở gia đình, phòng trọ mà không cần đục phá tường hoặc bảo trì phức tạp.
- Doanh nghiệp và Nhà sản xuất thiết bị IoT dân dụng: Mô hình sẵn sàng để thương mại hóa thành sản phẩm đóng gói hoàn chỉnh, đáp ứng kịp thời nhu cầu chuyển dịch hạ tầng viễn thông từ 2G sang 4G/LTE tại thị trường Việt Nam.
Câu hỏi thường gặp
1. Yêu cầu phần cứng và hạ tầng mạng để triển khai hệ thống là gì?
Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới 220VAC cấp cho các bộ chuyển đổi Adapter 5VDC/2A tại Gateway và các Node, mạng Wi-Fi băng tần 2.4GHz kết nối Internet và 01 SIM di động (Micro-SIM/Nano-SIM) hỗ trợ mạng 4G LTE đã đăng ký gói cước cuộc gọi/SMS cơ bản.
2. Hệ thống xử lý thế nào khi nhà bị ngắt điện hoặc mất mạng Internet?
Mạch nguồn dự phòng tích hợp trên các bo mạch sẽ tự động kích hoạt pin Lithium 3.7V duy trì hoạt động trong hơn 6 giờ. Khi mất Wi-Fi, dữ liệu không thể gửi lên ứng dụng di động, nhưng chuông báo động tại chỗ và tính năng gọi điện thoại/gửi tin nhắn SMS khẩn cấp qua module 4G A7680C vẫn hoạt động độc lập và chính xác 100%.
3. Sóng LoRa 433MHz có bị can nhiễu bởi sóng Wi-Fi hoặc Bluetooth trong nhà không?
Không. Sóng LoRa hoạt động ở dải tần số $410\text{ MHz} - 441\text{ MHz}$ (Sub-GHz) với kỹ thuật điều chế trải phổ Chirp (CSS), hoàn toàn tách biệt với dải tần $2.4\text{ GHz}$ của Wi-Fi và Bluetooth, giúp tín hiệu có khả năng chống nhiễu cao và xuyên qua nhiều tầng bê tông cốt thép.
4. Chi phí chế tạo toàn bộ hệ thống là bao nhiêu và thời gian hoàn vốn (ROI)?
Tổng chi phí linh kiện phần cứng cho 01 trạm trung tâm và 03 node cảm biến vệ tinh dao động từ 1.800.000 đến 2.300.000 VNĐ. So với các hệ thống báo cháy có dây chuyên dụng (thường trên 15.000.000 VNĐ), giải pháp tiết kiệm hơn 80% chi phí ban đầu và loại bỏ hoàn toàn chi phí bảo trì dây dẫn định kỳ.
5. Có thể mở rộng thêm số lượng node cảm biến hoặc thiết bị điều khiển không?
Hoàn toàn có thể. Do sử dụng kiến trúc truyền thông phân tán qua sóng vô tuyến LoRa, hệ thống có thể mở rộng lên tới 20 – 30 node cảm biến phụ và tăng số lượng kênh Relay điều khiển bằng cách cập nhật danh sách địa chỉ ID trong firmware của vi điều khiển trung tâm STM32F103C8T6.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống báo cháy kết hợp điều khiển thiết bị cho nhà phố" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp giữa an toàn cháy nổ và tự động hóa dân dụng. Bằng việc kết hợp sáng tạo các công nghệ tiên tiến gồm vi điều khiển STM32/PIC, truyền thông vô tuyến LoRa xuyên vật cản, kết nối đám mây Firebase qua Wi-Fi ESP32 và kênh cảnh báo khẩn cấp LTE Cat 1 SIM A7680C, hệ thống đảm bảo tính toàn vẹn thông tin và tốc độ phản ứng tức thời khi xảy ra sự cố hỏa hoạn.
Công trình không chỉ đạt độ tin cậy cao về mặt kỹ thuật thông qua các kết quả thực nghiệm chuẩn xác mà còn mang giá trị thực tiễn sâu sắc, cung cấp giải pháp bảo vệ tính mạng và tài sản tối ưu, chi phí thấp cho các hộ gia đình đô thị. Đây là nền tảng vững chắc để tiếp tục mở rộng phát triển thành các sản phẩm thương mại hóa thuộc hệ sinh thái đô thị thông minh trong tương lai.
