Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển đô thị thông minh và sự bùng nổ của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, Internet of Things (IoT) và mạng cảm biến không dây (WSN - Wireless Sensor Network) đã trở thành các hướng nghiên cứu trọng điểm nhằm đáp ứng nhu cầu quản lý, kiểm soát thiết bị tự động. Hệ thống chiếu sáng công cộng đóng vai trò then chốt trong hạ tầng kỹ thuật đô thị, các tòa nhà, nhà máy và khuôn viên giáo dục. Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống chiếu sáng hiện nay tại Việt Nam vẫn sử dụng hình thức điều khiển truyền thông có dây. Mặc dù có độ ổn định tín hiệu nhất định, hệ thống có dây bộc lộ nhiều hạn chế lớn như đường dây phức tạp, chi phí khảo sát và thi công tốn kém, khó sửa chữa khi xảy ra sự cố đứt ngầm và chi phí bảo trì định kỳ cao. Một số giải pháp cải tiến đã ứng dụng chuẩn không dây ZigBee, nhưng công nghệ này lại gặp trở ngại về cự ly truyền thông ngắn, suy hao mạnh khi gặp vật cản và khó triển khai ở những khu vực địa hình hiểm trở hoặc diện tích rộng lớn.

Nhằm giải quyết những thách thức trên, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng công nghệ truyền thông GSM và LoRa" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Hữu Khánh và Thái Thiên Thịnh, dưới sự hướng dẫn của GVC. Trương Ngọc Anh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài tập trung nghiên cứu sự kết hợp giữa công nghệ truyền thông diện rộng tầm xa, năng lượng thấp LoRa (Long Range) và mạng thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile Communications) để xây dựng hệ thống đèn chiếu sáng thông minh có khả năng tối ưu hóa chi phí vận hành và giám sát trạng thái từ xa.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định theo 4 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Nghiên cứu mô hình mạng cảm biến không dây WSN phổ biến, ứng dụng các công nghệ truyền thông không dây vào lĩnh vực chiếu sáng, từ đó thiết kế và thi công hệ thống đèn chiếu sáng phù hợp với yêu cầu thực tiễn; điều chỉnh và thực hiện các phương pháp kiểm tra để đánh giá hiệu năng hệ thống.
  2. Xây dựng hệ thống có chức năng điều khiển bật và tắt đèn từ xa, đồng thời đưa ra các cảnh báo về trạng thái sự cố hỏng hóc của đèn để kịp thời xử lý.
  3. Tìm hiểu các giao tiếp truyền nhận không dây sử dụng công nghệ LoRa với module TTGO T-Call ESP32 tích hợp SIM800L; nghiên cứu phương thức liên kết các nút cảm biến thành mô hình mạng cấu trúc hình sao (Star topology).
  4. Thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến thông qua tín hiệu truyền nhận LoRa để hiển thị lên màn hình LCD tại bộ điều khiển trung tâm, đồng thời đồng bộ dữ liệu giám sát và điều khiển thông qua giao diện ứng dụng Blynk trên nền tảng Internet.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mạng cảm biến không dây (WSN), công nghệ truyền thông vô tuyến LoRa, mạng truyền thông di động GSM/GPRS, vi điều khiển ESP32, các cảm biến dòng điện và hệ thống rơ-le điều khiển công suất đèn.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu, thiết kế và thi công thực nghiệm mô hình mạng cảm biến không dây quy mô nhỏ gồm 01 LoRa Gateway và 03 LoRa Node điều khiển các điểm đèn chiếu sáng sử dụng nguồn điện 220V, hướng tới khả năng ứng dụng thực tế trong khuôn viên trường học, khu công nghiệp hoặc tòa nhà.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện từ ngày 19/09/2023 và hoàn thành nộp báo cáo vào ngày 05/01/2024.

Cơ sở kỹ thuật và phương pháp thiết kế

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng mạng cảm biến không dây (WSN) và các chuẩn truyền thông vô tuyến chuyên dụng:

  • Mạng cảm biến không dây (WSN): Là hệ thống gồm các nút mạng (Node) độc lập thu thập dữ liệu từ môi trường thông qua cảm biến, chuyển tiếp qua trạm gốc (Gateway) về trung tâm xử lý. Đồ án phân tích các cấu trúc mạng cơ bản gồm hình sao (Star), hình cây (Tree) và lưới (Mesh), đồng thời lựa chọn cấu trúc hình sao nhờ ưu điểm cấu hình đơn giản, giảm thiểu tối đa mức tiêu thụ năng lượng của các nút ở xa và duy trì độ trễ truyền thông thấp giữa nút và trạm gốc.
  • Công nghệ LoRa (Long Range): Là kỹ thuật điều chế vô tuyến do Semtech phát triển, dựa trên công nghệ trải phổ xung tuyến tính Chirp Spread Spectrum (CSS) với hai dạng tín hiệu up-chirp và down-chirp. Công nghệ này có khả năng truyền dẫn cự ly xa với mức năng lượng tiêu thụ thấp (công suất phát 100 mW đạt cự ly trên 3 km, 1 W đạt gần 10 km trong điều kiện lý tưởng). Các thông số kỹ thuật cốt lõi quyết định tốc độ và cự ly truyền bao gồm: Băng thông (BW: 125 kHz, 250 kHz, 500 kHz), Hệ số trải phổ (SF từ 7 đến 12) và Tốc độ mã hóa (CR từ 4/5 đến 4/8). Tại Việt Nam, hệ thống hoạt động trong dải tần ISM 433 MHz không cần cấp phép.
  • Công nghệ mạng di động GSM/GPRS: Mạng thông tin di động số thế hệ 2G/2.5G theo chuẩn của Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI), sử dụng các băng tần 900 MHz, 1800 MHz và 1900 MHz. Cấu trúc mạng GSM bao gồm ba phân hệ chính: Trạm di động (MS), Phân hệ trạm gốc (BSS gồm BTS và BSC), Phân hệ chuyển mạch mạng (NSS/SS gồm HLR, VLR, MSC, AuC, EIR) và Hệ thống vận hành, bảo trì (OSS). GPRS bổ sung khả năng truyền thông dữ liệu chuyển mạch gói, cho phép kết nối liên tục (always-on) để truyền dữ liệu M2M từ Gateway lên máy chủ.

Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật giữa LoRa và các chuẩn truyền thông không dây phổ biến được tổng hợp từ nội dung đồ án:

Tiêu chí kỹ thuật Bluetooth ZigBee Wi-Fi LoRa
Số thiết bị đầu cuối tối đa Phụ thuộc vào địa chỉ IP 255 thiết bị Hơn 64.000 thiết bị 10.000 thiết bị
Dòng tiêu thụ đỉnh 30 mA 30 mA 100 mA 28 mA
Vùng phủ sóng 10 m 10 – 100 m 100 m 3 – 15 km
Tốc độ truyền dữ liệu (Bit rate) 1 Mbps 250 kbps 11 Mbps và 54 Mbps 5.5 kbps
Kỹ thuật điều chế FHSS DSSS OFDM CSS

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thực nghiệm kỹ thuật:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, đối chiếu tài liệu kỹ thuật về các giao thức truyền thông không dây, tập lệnh điều khiển AT Command của modem GSM, giao thức kết nối UART, I2C, SPI và cấu trúc phần cứng của các dòng vi điều khiển nhúng.
  • Phương pháp thiết kế phần cứng: Tính toán thông số dòng, áp; thiết kế sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in (PCB) độc lập cho hai khối LoRa Gateway và LoRa Node.
  • Phương pháp lập trình và thiết kế giải thuật: Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển cho vi điều khiển tại Node và Gateway, định dạng khung bản tin truyền nhận qua LoRa, lập trình định thời gian thực bằng chip RTC và tích hợp giao thức truyền dữ liệu IoT qua Internet lên ứng dụng di động.
  • Phương pháp đo đạc thực nghiệm: Tiến hành đo đạc thực địa cự ly truyền nhận tín hiệu của module LoRa với các loại anten khác nhau; kiểm thử khả năng đọc giá trị cảm biến dòng điện khi bóng đèn hoạt động bình thường và khi xảy ra sự cố cháy, đứt tải.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc tổng thể và mô hình mạng

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mạng hình sao (Star topology) hoạt động ở băng tần 433 MHz. LoRa Gateway được bố trí tại trung tâm quản lý, đóng vai trò trạm gốc tiếp nhận lệnh từ người vận hành và điều phối mạng. Các LoRa Node được gắn trực tiếp trên từng cột đèn chiếu sáng hoạt động độc lập, giao tiếp hai chiều với LoRa Gateway qua sóng LoRa và chấp hành việc đóng ngắt tải điện 220V AC.

Cấu hình phần cứng chi tiết

Bảng tổng hợp phần cứng và linh kiện sử dụng trong hệ thống:

Khối chức năng Phần cứng tại LoRa Gateway Phần cứng tại LoRa Node
Xử lý trung tâm Module TTGO T-Call ESP32 (tích hợp Wi-Fi/Bluetooth) Vi điều khiển nhúng chuyên dụng
Truyền thông không dây Module LoRa AS32-TTL-100 (UART, 433 MHz) & Modem SIM800L (GSM/GPRS) Module LoRa AS32-TTL-100 (UART, 433 MHz)
Cảm biến giám sát Không trang bị Module cảm biến dòng ACS712
Chấp hành điều khiển Nút nhấn cứng (bật/tắt toàn bộ hệ thống) Module Relay 5V kích đóng ngắt tải AC 220V
Định thời & Hiển thị Module thời gian thực DS1302 & Màn hình LCD 16x2 (I2C) Không trang bị
Nguồn cấp Nguồn chuyển đổi 5V DC Nguồn hạ áp 220V AC sang 5V DC cho mạch, 220V AC cho bóng đèn

Quy trình truyền nhận dữ liệu và xử lý sự cố

  • Cấu trúc bản tin: Mỗi LoRa Node được gán một địa chỉ định danh (ID) và kênh truyền riêng biệt. Bản tin điều khiển từ LoRa Gateway gửi đi qua module AS32-TTL-100 chứa các trường: Địa chỉ đích của Node, Kênh truyền và Lệnh trạng thái mong muốn (ON hoặc OFF).
  • Cơ chế lọc địa chỉ tại Node: Khi Gateway phát quảng bá gói tin LoRa, tất cả các Node trong vùng phủ sóng đều nhận được tín hiệu. Vi điều khiển tại từng Node tiến hành bóc tách gói tin và so sánh trường địa chỉ với địa chỉ lưu trong bộ nhớ. Nếu địa chỉ không trùng khớp, Node lập tức hủy bỏ gói tin. Nếu địa chỉ trùng khớp, vi xử lý sẽ giải mã lệnh điều khiển để kích hoạt relay tương ứng.
  • Giám sát dòng điện và phát hiện lỗi: Sau khi thực hiện lệnh đóng relay để cấp nguồn 220V cho đèn, cảm biến dòng ACS712 đo giá trị dòng điện chạy qua tải và gửi tín hiệu analog về vi điều khiển của Node.
    • Nếu dòng điện đo được nằm trong dải làm việc danh định: Đèn hoạt động bình thường.
    • Nếu relay đã đóng nhưng dòng điện qua ACS712 xấp xỉ 0A: Hệ thống nhận diện bóng đèn đã bị cháy đứt tóc, hỏng mạch hoặc đứt dây cấp nguồn.
  • Bản tin phản hồi: LoRa Node lập tức đóng gói bản tin gửi ngược về Gateway gồm: Mã địa chỉ đèn và Trạng thái thực tế (bình thường hoặc sự cố). LoRa Gateway nhận bản tin, bóc tách dữ liệu để cập nhật trạng thái lên màn hình LCD 16x2 tại trạm, đồng thời gửi dữ liệu qua Internet/GPRS lên ứng dụng Blynk để thông báo cho người quản lý.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh phát triển đô thị thông minh và nhu cầu tiết kiệm điện năng cho chiếu sáng công cộng. Tác giả chỉ ra nhược điểm của các hệ thống có dây truyền thống (chi phí lắp đặt cao, quản lý phức tạp) và hệ thống không dây dùng ZigBee (vùng phủ hẹp, cự ly ngắn). Từ đó, đề tài đề xuất mô hình chiếu sáng kết hợp LoRa và GSM nhằm mở rộng phạm vi truyền dẫn, duy trì tính ổn định và tối ưu chi phí vận hành. Chương này cũng nêu rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phân chia cấu trúc chức năng của toàn hệ thống gồm: Trung tâm điều khiển (Gateway), Khối chấp hành tại cột đèn (Node) và Hệ thống quản lý giám sát qua Internet.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện về mạng cảm biến không dây (WSN), bao gồm nguyên lý vận hành, đặc điểm hạn chế về năng lượng, khả năng tự tổ chức và ba cấu trúc mạng điển hình: Star, Tree, Mesh. Tác giả phân loại WSN theo môi trường hoạt động (trên cạn, dưới lòng đất, dưới nước, đa phương tiện và di động). Tiếp theo, chương phân tích và so sánh các chuẩn truyền thông không dây gồm Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee và LoRa thông qua bảng đối chuẩn chi tiết. Nội dung về LoRa đi sâu vào kỹ thuật điều chế CSS, các tham số cấu hình (BW, SF, CR), dải tần ISM 433 MHz, kiến trúc 4 tầng của mạng LoRaWAN và khảo sát các dòng module phần cứng (SX1278, E32, AS32-TTL-100). Phần cuối chương phân tích hệ thống mạng thông tin di động qua các thế hệ 2G (GSM), 2.5G (GPRS), 3G, 4G và 5G, trong đó làm rõ cấu trúc phân hệ mạng GSM (MS, BSS, NSS, OSS) và các tập lệnh gửi nhận dữ liệu GPRS phục vụ truyền thông M2M.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 là phần thiết kế kỹ thuật chi tiết của đồ án, bắt đầu từ việc xác định các yêu cầu và đặc tả hệ thống. Tác giả thiết kế sơ đồ khối và kiến trúc mạng hình sao liên kết giữa Gateway và các Node. Tại LoRa Node, đồ án trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch, tính toán công suất nguồn, lựa chọn module relay 5V, cảm biến dòng ACS712 và module thu phát AS32-TTL-100 giao tiếp qua UART. Tại LoRa Gateway, đồ án lựa chọn module trung tâm TTGO T-Call ESP32 tích hợp SIM800L, chip thời gian thực DS1302 để định thời bật tắt đèn theo giờ, màn hình hiển thị LCD 16x2 kết hợp mạch chuyển đổi I2C và cụm nút bấm cơ học ON/OFF toàn hệ thống. Chương này cung cấp hệ thống lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh gồm: thuật toán điều khiển tổng quát của Gateway, thuật toán tự động bật/tắt theo giờ từ DS1302, thuật toán kiểm tra trạng thái nhận/phản hồi gói tin LoRa, thuật toán đo dòng phát hiện lỗi tại Node và lưu đồ kết nối đồng bộ dữ liệu với giao diện giám sát Blynk.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế và kiểm tra đánh giá sản phẩm. Tác giả trình bày quy trình gia công bo mạch in PCB cho LoRa Gateway và LoRa Node, hàn lắp linh kiện và đóng gói phần cứng hoàn chỉnh trong các hộp nhựa bảo vệ chuyên dụng. Mô hình thực nghiệm được thi công với 3 cột đèn chiếu sáng gắn bóng tải 220V AC. Phần kiểm tra và đánh giá tập trung vào các hạng mục:

  • Thử nghiệm đo đạc khoảng cách truyền nhận vô tuyến của module LoRa AS32-TTL-100 qua 2 lần đo thực địa, đánh giá độ ổn định của liên kết không dây.
  • Thực hiện cải tiến và so sánh hiệu quả truyền dẫn trước và sau khi thay đổi loại anten cho module LoRa nhằm tối ưu cự ly kết nối.
  • Kiểm thử các trạng thái hiển thị của màn hình LCD 16x2: hiển thị trạng thái đang kết nối, trạng thái bật/tắt của từng đèn và trạng thái báo lỗi khi đèn gặp sự cố.
  • Kiểm tra tính năng đồng bộ giao diện điều khiển trên ứng dụng Blynk và hoàn thiện tài liệu hướng dẫn quy trình vận hành hệ thống.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết các kết quả đạt được sau quá trình thiết kế, thi công và thử nghiệm hệ thống chiếu sáng sử dụng LoRa và GSM. Tác giả đưa ra các nhận xét, đánh giá khách quan về ưu điểm và những điểm còn hạn chế của mô hình thực nghiệm, đồng thời đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật nhằm nâng cao khả năng ứng dụng thực tế trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công bộ thiết bị phần cứng hoàn chỉnh bao gồm 01 LoRa Gateway và 03 LoRa Node được thiết kế trên bo mạch in PCB chuyên dụng, lắp đặt an toàn trong vỏ hộp bảo vệ công nghiệp và kết nối với mô hình 3 cột đèn tải 220V AC.
  • Vận hành ổn định 3 phương thức điều khiển đèn độc lập:
    1. Điều khiển tại chỗ bằng nút bấm vật lý trên Gateway (cho phép bật hoặc tắt đồng loạt tất cả các đèn).
    2. Tự động hóa hoàn toàn việc đóng/cắt đèn theo thời gian thực nhờ module RTC DS1302.
    3. Giám sát trạng thái và điều khiển từ xa từng đèn riêng lẻ thông qua ứng dụng di động Blynk qua mạng Internet.
  • Khối giám sát sự cố sử dụng cảm biến dòng ACS712 hoạt động chính xác: khi xảy ra hiện tượng cháy bóng hoặc mất tải trên đường dây 220V, hệ thống phát hiện tức thời tình trạng không có dòng điện và gửi mã cảnh báo về Gateway để thông báo trực quan trên LCD 16x2 và giao diện Blynk.
  • Thực nghiệm đo kiểm cự ly truyền nhận LoRa ở băng tần 433 MHz cho thấy tín hiệu được duy trì tốt trong phạm vi thử nghiệm; việc thay đổi và nâng cấp loại anten thu phát đã cải thiện rõ rệt chất lượng truyền dẫn và cự ly liên lạc giữa Gateway và các Node.

Đóng góp kỹ thuật tự nêu

  • Đề xuất và hiện thực hóa thành công mô hình mạng chiếu sáng kết hợp công nghệ truyền thông kép LoRa và GSM/GPRS: LoRa phụ trách mạng cục bộ thu thập dữ liệu nội bộ với ưu thế cự ly xa, dòng tiêu thụ đỉnh thấp (28 mA) và hoàn toàn miễn phí băng tần; trong khi GSM/GPRS đóng vai trò cổng kết nối mạng diện rộng, cho phép người quản lý kiểm soát toàn bộ hệ thống từ bất kỳ vị trí nào có sóng di động mà không cần đầu tư hạ tầng cáp phức tạp.
  • Tích hợp giải pháp đo dòng trực tiếp bằng ACS712 tại từng điểm đèn, giúp xác định chính xác sự cố phần cứng thực tế của bóng đèn thay vì chỉ giám sát trạng thái logic đóng/ngắt của rơ-le điều khiển như các giải pháp thông thường.
  • Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết về sơ đồ nguyên lý mạch, bản vẽ PCB và lưu đồ giải thuật nhúng, làm tài liệu tham khảo cho các mô hình IoT giám sát điều khiển thiết bị ngoài trời.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

  • Quy mô thử nghiệm phần cứng mới dừng lại ở mô hình quy mô nhỏ với 03 LoRa Node thử nghiệm, chưa đánh giá được hiệu năng mạng khi số lượng nút tăng lên hàng chục hoặc hàng trăm điểm đèn (nguy cơ xung đột gói tin và độ trễ truyền thông).
  • Hệ thống chưa trải qua quá trình vận hành kiểm thử dài ngày trong môi trường thời tiết khắc nghiệt ngoài trời (mưa bão, độ ẩm cao, biến thiên nhiệt độ lớn) để đánh giá độ bền của linh kiện và độ suy hao tín hiệu vô tuyến.
  • Việc kết nối Internet của Gateway vẫn phụ thuộc một phần vào nền tảng máy chủ trung gian đám mây Blynk và module modem 2G SIM800L (mạng 2G đang trong lộ trình dừng công nghệ tại nhiều khu vực).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng số lượng LoRa Node và triển khai thử nghiệm thực địa trên diện tích rộng hơn (như toàn bộ khuôn viên trường đại học hoặc một tuyến đường đô thị) nhằm đánh giá năng lực chịu tải của mạng hình sao.
  • Nâng cấp phần cứng truyền thông di động tại Gateway lên các module hỗ trợ 4G/LTE hoặc chuẩn mạng IoT diện rộng chuyên dụng (NB-IoT/LTE-M) để thay thế module 2G SIM800L.
  • Xây dựng hệ thống máy chủ cơ sở dữ liệu riêng biệt và giao diện trang web (Web Server) quản lý chuyên nghiệp độc lập, không phụ thuộc vào nền tảng Blynk.
  • Tích hợp thêm cảm biến ánh sáng môi trường (LDR/quang trở) và cảm biến phát hiện chuyển động tại các cột đèn để tự động điều chỉnh độ sáng (dimming) theo mật độ giao thông và ánh sáng tự nhiên, giúp nâng cao hơn nữa hiệu quả tiết kiệm điện.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng và mục đích cụ thể:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống Nhúng/IoT: Khóa luận là tài liệu tham khảo thực tế cho các môn học Đồ án môn học, Mạng cảm biến không dây, Vi điều khiển nâng cao và Đồ án tốt nghiệp.
  • Người nghiên cứu và kỹ sư thiết kế hệ thống giám sát từ xa: Có thể tham khảo phương pháp kết nối phần cứng và tập lệnh điều khiển module LoRa UART (AS32-TTL-100), kỹ thuật ghép nối ESP32 với modem GSM SIM800L và giải thuật phát hiện hỏng hóc tải AC bằng cảm biến Hall ACS712.
  • Các nội dung kỹ thuật có giá trị tham khảo cao nhất trong tài liệu bao gồm:
    • Bản vẽ sơ đồ nguyên lý chi tiết và cách tính toán công suất nguồn nuôi cho các khối chức năng của LoRa Node và LoRa Gateway tại Chương 3.
    • Hệ thống lưu đồ giải thuật nhúng xử lý bản tin truyền thông LoRa không đồng bộ, kiểm tra trạng thái logic của nút bấm và đọc giá trị cảm biến dòng điện.
    • Quy trình thử nghiệm, đóng gói sản phẩm phần cứng PCB và kỹ thuật lựa chọn anten vô tuyến nhằm tối ưu hóa cự ly truyền thông thực tế được trình bày tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống lại kết hợp cả hai công nghệ truyền thông không dây LoRa và GSM thay vì chỉ dùng một loại?

LoRa và GSM đảm nhận hai vai trò truyền thông bổ trợ nhau trong hệ thống:

  • LoRa là công nghệ mạng cục bộ diện rộng công suất thấp, hoạt động ở dải tần miễn phí 433 MHz, có dòng tiêu thụ đỉnh rất nhỏ (28 mA) và cự ly truyền dẫn từ 3 đến 15 km. LoRa được dùng để kết nối giữa Gateway và các cột đèn (Node) rải rác mà không tốn chi phí cước viễn thông cho từng cột đèn.
  • GSM/GPRS hoạt động qua hạ tầng mạng viễn thông di động, có vùng phủ sóng rộng khắp. GSM được tích hợp tại LoRa Gateway nhằm đóng vai trò cổng truyền thông liên lạc diện rộng, đẩy dữ liệu lên Internet (qua Blynk) và gửi cảnh báo trực tiếp đến điện thoại người vận hành ở bất kỳ khoảng cách nào.

2. Cảm biến dòng ACS712 tại LoRa Node hoạt động theo cơ chế nào để phát hiện đèn bị hỏng?

Module cảm biến ACS712 được mắc nối tiếp trên đường cấp nguồn 220V xoay chiều tới bóng đèn chiếu sáng. Khi vi điều khiển kích đóng rơ-le để bật đèn:

  • Nếu bóng đèn hoạt động bình thường, dòng điện chạy qua tải sẽ được cảm biến ACS712 đo lường và chuyển đổi thành mức điện áp analog gửi về chân ADC của vi điều khiển.
  • Nếu bóng đèn bị cháy đứt dây tóc hoặc đứt dây nguồn tải, mạch điện bị hở, giá trị dòng điện đo được sẽ xấp xỉ bằng 0A. Vi điều khiển lập tức phát hiện sự sai lệch giữa trạng thái đóng rơ-le và dòng điện thực tế, từ đó xác nhận đèn bị hỏng và đóng gói bản tin báo lỗi gửi về Gateway.

3. Cấu hình phần cứng của khối xử lý trung tâm tại LoRa Gateway gồm những thành phần nào?

LoRa Gateway sử dụng bo mạch tích hợp TTGO T-Call ESP32 làm vi xử lý trung tâm. Bo mạch này tích hợp sẵn vi điều khiển ESP32 hiệu năng cao (hỗ trợ Wi-Fi và Bluetooth) cùng modem GSM/GPRS SIM800L. Kết nối ngoại vi của Gateway bao gồm:

  • Module LoRa AS32-TTL-100 giao tiếp qua cổng nối tiếp UART để phát/nhận tín hiệu vô tuyến 433 MHz tới các Node.
  • Module thời gian thực DS1302 dùng để duy trì thời gian thực chính xác cho tính năng hẹn giờ bật/tắt đèn tự động.
  • Màn hình LCD 16x2 kết hợp mạch chuyển đổi giao tiếp I2C để hiển thị thông tin trạng thái tại chỗ.
  • Cụm nút bấm vật lý phục vụ điều khiển đóng/ngắt khẩn cấp toàn bộ hệ thống.

4. Quy trình phân loại và xử lý bản tin LoRa giữa Gateway và các Node diễn ra như thế nào?

Bản tin phát đi từ LoRa Gateway được cấu trúc gồm các trường dữ liệu: Mã địa chỉ Node đích, Số hiệu kênh truyền và Lệnh điều khiển (ON/OFF). Khi Gateway phát tín hiệu qua module AS32-TTL-100:

  • Tất cả các Node trong phạm vi phủ sóng đều nhận được gói tin và tiến hành đọc trường địa chỉ.
  • Các Node có địa chỉ không trùng khớp với mã đã được cấu hình sẽ tự động bỏ qua gói tin, không xử lý.
  • Node có địa chỉ trùng khớp sẽ giải mã lệnh điều khiển để kích đóng/ngắt rơ-le, đọc cảm biến dòng ACS712 và đóng gói bản tin phản hồi (chứa mã số đèn và trạng thái hoạt động bình thường hay sự cố) gửi ngược lại LoRa Gateway.

5. Kết quả thực nghiệm đo khoảng cách truyền nhận LoRa ghi nhận được những điểm gì đáng chú ý?

Quá trình thử nghiệm đo cự ly truyền thông của module LoRa AS32-TTL-100 ngoài thực địa cho thấy tín hiệu vô tuyến phụ thuộc rất lớn vào thông số cấu hình và phụ kiện anten. Nhóm tác giả đã tiến hành đo đạc 2 lần và ghi nhận sự cải thiện rõ rệt về khoảng cách truyền nhận sau khi tiến hành thay đổi, nâng cấp loại anten thu phát cho module LoRa, qua đó chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng LoRa trong việc truyền tín hiệu điều khiển đèn chiếu sáng ở cự ly xa mà không cần sử dụng đường dây cáp tín hiệu vật lý.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hữu Khánh và Thái Thiên Thịnh đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống đèn chiếu sáng thông minh ứng dụng công nghệ truyền thông LoRa và GSM/GPRS. Bằng việc kết hợp vi điều khiển ESP32, module LoRa AS32-TTL-100, modem SIM800L và cảm biến dòng ACS712, hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu về điều khiển bật/tắt từ xa, tự động hóa theo thời gian thực và tự động phát hiện, cảnh báo lỗi bóng đèn hỏng về trung tâm điều khiển. Kết quả thực nghiệm trên mô hình 3 cột đèn 220V khẳng định tính khả thi của giải pháp trong việc tối ưu hóa chi phí lắp đặt, giảm thiểu điện năng tiêu thụ và nâng cao hiệu quả quản lý chiếu sáng cho các khuôn viên trường học, tòa nhà và khu công nghiệp.