Giới thiệu dự án

Theo thống kê từ Bộ Xây dựng và Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), hệ thống chiếu sáng công cộng tiêu tốn từ 30% đến 40% tổng ngân sách năng lượng của các đô thị. Tuy nhiên, phần lớn hạ tầng chiếu sáng tại Việt Nam và các nước đang phát triển vẫn vận hành theo phương thức truyền thống: điều khiển thủ công hoặc hẹn giờ cố định qua tủ đóng cắt cơ khí, không có khả năng tự động hóa theo thời gian thực và thiếu cơ chế phản hồi trạng thái từ các cột đèn đơn lẻ. Khi xảy ra sự cố cháy bóng, chập tải hoặc rò rỉ điện, đơn vị quản lý thường mất từ 24 đến 48 giờ để tiếp nhận phản ánh và triển khai đội ngũ bảo trì tại hiện trường, làm gia tăng chi phí vận hành (OPEX) và ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn giao thông.

Khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã tập trung giải quyết bài toán cấp thiết này thông qua đề tài: "Thiết kế và thi công hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng công nghệ truyền thông GSM và LoRa". Đề tài đề xuất giải pháp mạng cảm biến không dây (WSN - Wireless Sensor Network) phân tầng thông minh, giải quyết triệt để các hạn chế về khoảng cách truyền dẫn, chi phí duy trì viễn thông và khả năng giám sát trạng thái tải AC thời gian thực.

       +-------------------------------------------------------------+
       |                   BLYNK CLOUD & MOBILE APP                  |
       |                (Giao diện Giám sát & Điều khiển)            |
       +------------------------------+------------------------------+
                                      | Internet (GSM/GPRS 2G/4G)
                                      v
       +-------------------------------------------------------------+
       |                        LORA GATEWAY                         |
       |    - TTGO T-Call ESP32 (Wi-Fi + SIM800L GSM/GPRS)           |
       |    - Module LoRa AS32-TTL-100 (SX1278 - 433 MHz)            |
       |    - RTC DS1302 + LCD 16x2 I2C + Nút nhấn Manual            |
       +------------------------------+------------------------------+
                                      |
                 +--------------------+--------------------+
                 | Sóng vô tuyến LoRa (433 MHz, CSS Modulation)
                 v                                         v
+----------------------------------+     +----------------------------------+
|          LORA NODE 1             |     |          LORA NODE n             |
| - Vi điều khiển Node (MCU)       |     | - Vi điều khiển Node (MCU)       |
| - Module LoRa AS32-TTL-100       | ... | - Module LoRa AS32-TTL-100       |
| - Cảm biến dòng ACS712-05B       |     | - Cảm biến dòng ACS712-05B       |
| - Module Relay cách ly quang     |     | - Module Relay cách ly quang     |
| - Đèn tải AC 220V                |     | - Đèn tải AC 220V                |
+----------------------------------+     +----------------------------------+

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

  1. Thiết kế phần cứng hoàn chỉnh: Chế tạo 01 trạm thu phát trung tâm (LoRa Gateway) và 03 trạm nút chấp hành (LoRa Nodes) vận hành độc lập, điều khiển tải điện áp 220V AC.
  2. Xây dựng cấu trúc mạng vô tuyến hình sao (Star Topology): Tối ưu hóa giao tiếp tầng vật lý LoRa tại băng tần miễn cấp phép ISM 433 MHz, đảm bảo cự ly phủ sóng ổn định đạt từ 1.2 km đến 3.0 km.
  3. Giám sát tải và chẩn đoán sự cố tự động: Tích hợp cảm biến dòng Hall ACS712 để đo lường dòng điện tiêu thụ tức thời, nhận diện chính xác sự cố cháy/đứt bóng với thời gian trễ phát hiện dưới 1.5 giây.
  4. Tích hợp lịch biểu thời gian thực và điều khiển đa phương thức: Đồng bộ hóa thời gian qua module Real-Time Clock DS1302, hỗ trợ đóng/cắt tự động theo khung giờ cài đặt kết hợp nút nhấn cứng cục bộ và giao diện đám mây.
  5. Cầu nối viễn thông di động - Internet: Tích hợp module SIM800L GPRS trên kit TTGO T-Call ESP32 để truyền tải toàn bộ telemetry và nhận lệnh điều khiển từ nền tảng IoT Blynk ở mọi vị trí địa lý.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Phạm vi triển khai: Mô hình thử nghiệm gồm 01 Gateway và 03 Node đèn chiếu sáng 220V AC trong khuôn viên đô thị/trường học.
  • Giới hạn kỹ thuật: Sử dụng băng tần 433 MHz với công suất phát sóng $100\text{ mW}$ ($20\text{ dBm}$); kênh truyền thông di động sử dụng giao thức gói dữ liệu GPRS trên nền mạng 2G/GSM; cấu hình giao tiếp LoRa chế độ UART qua module trung gian AS32.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng và so sánh giải pháp

Tiêu chí kỹ thuật Hệ thống có dây truyền thống Hệ thống không dây ZigBee Hệ thống Direct Cellular (1 SIM/đèn) Giải pháp Hybrid LoRa + GSM (Đề tài)
Chi phí cáp & hạ tầng (CAPEX) Rất cao (chi phí đào rãnh cáp đồng) Thấp (chỉ cần node thu phát) Thấp (không cần kéo dây tín hiệu) Rất thấp (chỉ lắp node tại đầu cột)
Chi phí cước viễn thông (OPEX) $0\text{ VNĐ}$ $0\text{ VNĐ}$ (phụ thuộc cổng LAN) Rất cao ($N \times \text{cước SIM hàng tháng}$) Tối ưu (chỉ 01 SIM duy nhất tại Gateway)
Phạm vi truyền dẫn mỗi node Bị giới hạn bởi chiều dài dây cáp Rất ngắn ($30 - 75\text{ m}$) Rộng (theo trạm phát sóng BTS) Rộng lớn ($1.5 - 5.0\text{ km}$ không cản)
Khả năng xuyên thấu vật cản Cao (dây dẫn vật lý) Kém (băng tần $2.4\text{ GHz}$ suy hao cao) Tùy thuộc vùng phủ mạng viễn thông Cực tốt nhờ điều chế Chirp Spread Spectrum
Khả năng chẩn đoán sự cố Thủ công (đo điện áp tại tủ) Có (nếu gói tin không bị drop) Có (chi phí duy trì cao) Tức thời qua cảm biến dòng và cảnh báo SMS/App

Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Đóng/cắt tải AC 220V từ xa độc lập cho từng node hoặc toàn bộ node; phát hiện sự cố đứt tải thông qua cảm biến dòng; truyền nhận dữ liệu qua LoRa 433 MHz; gửi cảnh báo về Gateway và đẩy dữ liệu lên ứng dụng Blynk; hiển thị trạng thái tại chỗ trên màn hình LCD 16x2 I2C.
  • Should have (Nên có): Tự động vận hành theo thời gian thực RTC DS1302 khi mất kết nối mạng di động; cơ chế định địa chỉ mã hóa gói tin 8-byte chống nhận chéo lệnh giữa các node.
  • Could have (Có thể mở rộng): Tính năng điều chỉnh độ sáng (Dimming PWM/Triac); tích hợp cảm biến ánh sáng quang trở (LDR) để tự động bật khi trời tối.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Khả năng mesh đa tầng giữa các LoRa Node; giao thức LoRaWAN Class C tiêu chuẩn công nghiệp.

Thiết kế kiến trúc và công nghệ phần cứng

+---------------------------------------------------------------------------------------+
|                                  KIẾN TRÚC PHẦN CỨNG CHI TIẾT                         |
+---------------------------------------------------------------------------------------+
| LORA GATEWAY:                                                                         |
| - Vi điều khiển: ESP32 Dual-Core Tensilica LX6 @ 240MHz (TTGO T-Call v1.4)            |
| - Module Viễn thông: SIMCom SIM800L (GSM/GPRS Quad-Band 850/900/1800/1900 MHz)        |
| - Module RF: AShining AS32-TTL-100 (Semtech SX1278 Core, 433 MHz, UART, 100mW)       |
| - Module Thời gian thực: Maxim Integrated DS1302 (Thạch anh 32.768 kHz)               |
| - Khối Hiển thị: Màn hình LCD 16x2 + Module I2C PCF8574T                             |
| - Khối Nguồn: Nguồn xung Buck 220V AC -> 5V DC/3A (Tụ đệm Low ESR 1000uF cho SIM800L) |
+---------------------------------------------------------------------------------------+
| LORA END NODE (Mỗi cột đèn):                                                          |
| - Vi điều khiển: Microchip ATmega328P / ESP32-WROOM                                   |
| - Module RF: AShining AS32-TTL-100 (433 MHz, giao tiếp UART Serial)                   |
| - Cảm biến dòng: Allegro ACS712ELCTR-05B-T (Độ nhạy 185 mV/A, cách ly 2.1 kV RMS)     |
| - Khối Chấp hành: Relay Songle 5V DC đóng cắt tiếp điểm 250V AC/10A qua Opto EL817    |
| - Tải Chiếu sáng: Bóng đèn AC 220V (40W - 100W)                                       |
+---------------------------------------------------------------------------------------+

Cấu trúc khung truyền dữ liệu (Data Packet Protocol)

Nhóm nghiên cứu thiết kế khung truyền tin tùy biến 8-byte gọn nhẹ, tối ưu hóa thời gian phát sóng trên không (Time on Air - ToA) của sóng LoRa:

+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
| Byte 0 (0xAA) |    Byte 1     |    Byte 2     |    Byte 3     |    Byte 4     |    Byte 5     |    Byte 6     | Byte 7 (0x55) |
+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
|  Header Frame | Target NodeID | Command Code  | Current High  |  Current Low  | Status Code   |  CRC-8 Check  |  Footer Frame |
+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+---------------+
  • Header/Footer: 0xAA và 0x55 định vị khung truyền và loại bỏ dữ liệu rác.
  • Target NodeID: Địa chỉ định danh từng nút mạng (0x01, 0x02, 0x03, hoặc 0xFF cho chế độ Broadcast toàn bộ).
  • Command Code: Mã thực thi (0x01: Bật tải, 0x02: Tắt tải, 0x03: Yêu cầu gửi Telemetry).
  • Current High/Low: Giá trị dòng điện $I_{\text{RMS}}$ sau khi biến đổi ADC 10-bit từ cảm biến ACS712.
  • Status Code: 0x00: Bình thường, 0xEE: Sự cố đứt bóng/mất tải khi Relay ON, 0xFF: Quá dòng/ngắn mạch.
  • CRC-8: Mã kiểm tra đa thức $X^8 + X^2 + X + 1$ đảm bảo toàn vẹn dữ liệu qua môi trường vô tuyến.

Implementation và kết quả

Thuật toán xử lý và mẫu mã nguồn thực thi

1. Thuật toán đo lường và tính toán dòng điện RMS trên LoRa Node

Nhằm loại bỏ nhiễu điện từ do đóng cắt Relay và sóng hài từ lưới điện xoay chiều 50 Hz ($T = 20\text{ ms}$), vi điều khiển tại LoRa Node thực hiện lấy mẫu liên tục trong 2 chu kỳ sóng điện áp ($40\text{ ms}$):

#include <Arduino.h>

const int CURRENT_SENSOR_PIN = A0;
const float SENSITIVITY = 0.185; // ACS712-05B: 185 mV/A
const float VREF = 5.0;          // Điện áp tham chiếu ADC 5V
const int ADC_RESOLUTION = 1024;

float calculateRMSCurrent() {
    unsigned long startTime = millis();
    unsigned long sampleCount = 0;
    float sumSquaredVoltage = 0.0;
    
    // Lấy mẫu chính xác trong 40ms (2 chu kỳ sóng sin 50Hz)
    while (millis() - startTime < 40) {
        int rawADC = analogRead(CURRENT_SENSOR_PIN);
        // Chuyển đổi ADC sang điện áp (Điểm zero tĩnh của ACS712 ~ VCC/2 = 2.5V)
        float voltage = ((float)rawADC * VREF) / ADC_RESOLUTION;
        float voltageOffset = voltage - 2.500; // Khử mức DC offset
        
        sumSquaredVoltage += (voltageOffset * voltageOffset);
        sampleCount++;
    }
    
    if (sampleCount == 0) return 0.0;
    
    float meanSquaredVoltage = sumSquaredVoltage / sampleCount;
    float voltageRMS = sqrt(meanSquaredVoltage);
    float currentRMS = voltageRMS / SENSITIVITY; // Dòng điện hiệu dụng (Ampe)
    
    return currentRMS;
}

void processLampDiagnostic(bool relayState) {
    float current = calculateRMSCurrent();
    uint8_t statusCode = 0x00;
    
    // Nếu Relay đóng (yêu cầu đèn sáng) nhưng dòng RMS < 0.08A (tải 220V/40W ~ 0.18A)
    if (relayState == true && current < 0.08) {
        statusCode = 0xEE; // Báo động: Đứt bóng / Cháy sợi đốt / Mất nguồn lưới
    } else if (relayState == false && current > 0.05) {
        statusCode = 0xEF; // Báo động: Dính tiếp điểm Relay / Rò điện
    }
    
    sendLoRaPacket(NODE_ID, relayState ? 0x01 : 0x02, current, statusCode);
}

2. Thuật toán điều phối tại LoRa Gateway và tích hợp Blynk Cloud

Tại Gateway, ESP32 sử dụng hai cổng phần cứng Serial: Serial1 giao tiếp với SIM800L (tập lệnh AT Command/GPRS stack) và Serial2 giao tiếp với LoRa AS32-TTL-100:

#define BLYNK_PRINT Serial
#define BLYNK_HEARTBEAT 30
#include <TinyGsmClient.h>
#include <BlynkSimpleTinyGSM.h>

char auth[] = "Your_Blynk_Auth_Token";
char apn[]  = "v-internet"; // Cấu hình APN mạng Viettel/Vinaphone

TinyGsm modem(Serial1);

BLYNK_WRITE(V1) { // Nút điều khiển Đèn 1 từ Blynk App
    int switchState = param.asInt();
    uint8_t txPacket[8] = {0xAA, 0x01, (uint8_t)switchState, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x55};
    txPacket[6] = calculateCRC8(txPacket, 6);
    
    // Phát gói tin qua module LoRa AS32
    Serial2.write(txPacket, 8);
}

void parseLoRaResponse() {
    if (Serial2.available() >= 8) {
        uint8_t rxPacket[8];
        Serial2.readBytes(rxPacket, 8);
        
        if (rxPacket[0] == 0xAA && rxPacket[7] == 0x55) {
            uint8_t nodeID = rxPacket[1];
            uint8_t status = rxPacket[5];
            float current = ((rxPacket[3] << 8) | rxPacket[4]) / 1000.0;
            
            // Cập nhật trạng thái lên Blynk Dashboard
            if (nodeID == 0x01) {
                Blynk.virtualWrite(V2, current);
                if (status == 0xEE) {
                    Blynk.logEvent("lamp_fault", "CẢNH BÁO: Cột đèn 1 bị đứt bóng/mất dòng!");
                }
            }
        }
    }
}

Kết quả kiểm nghiệm và dữ liệu thực tế

1. Kiểm tra cự ly và độ ổn định truyền dẫn LoRa (Băng tần 433 MHz, Công suất $20\text{ dBm}$)

Quá trình đo đạc thực nghiệm được tiến hành tại khu vực nội bộ và ngoại vi khuôn viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh với 2 cấu hình ăng-ten:

Điều kiện thực nghiệm Khoảng cách đo Loại ăng-ten Tỷ lệ nhận gói tin thành công (PRR) Chỉ số RSSI trung bình Thời gian truyền nhận (Latency)
Đô thị có vật cản (Nhà cao tầng) $300\text{ m}$ Lò xo xoắn ($2\text{ dBi}$) $98.5%$ $-92\text{ dBm}$ $180\text{ ms}$
Đô thị có vật cản (Nhà cao tầng) $700\text{ m}$ Lò xo xoắn ($2\text{ dBi}$) $86.2%$ $-115\text{ dBm}$ $220\text{ ms}$
Tầm nhìn thẳng (Line-of-Sight) $1200\text{ m}$ Ăng-ten Rod Omni ($5\text{ dBi}$) $99.2%$ $-98\text{ dBm}$ $185\text{ ms}$
Tầm nhìn thẳng (Line-of-Sight) $2500\text{ m}$ Ăng-ten Rod Omni ($5\text{ dBi}$) $94.0%$ $-118\text{ dBm}$ $240\text{ ms}$

2. Độ chính xác đo lường sự cố tải của cảm biến ACS712-05B

Thực nghiệm kiểm chứng dòng điện tải AC trên các mức công suất bóng đèn khác nhau:

Loại tải kiểm thử Dòng điện thực tế (Đo bằng Fluke 17B+) Dòng điện đo qua ACS712 & MCU Sai số tương đối Trạng thái chẩn đoán hệ thống
Đèn LED 40W (Bình thường) $0.182\text{ A}$ $0.176\text{ A}$ $3.29%$ NORMAL (Màn hình xanh)
Đèn sợi đốt 100W (Bình thường) $0.455\text{ A}$ $0.442\text{ A}$ $2.85%$ NORMAL (Màn hình xanh)
Tháo bóng đèn (Mô phỏng đứt bóng) $0.000\text{ A}$ $0.012\text{ A}$ (Nhiễu nền) N/A FAULT_DETECTED (Cảnh báo sau $1.15\text{ s}$)
Đứt dây pha cấp nguồn tải $0.000\text{ A}$ $0.010\text{ A}$ N/A FAULT_DETECTED (Cảnh báo sau $1.10\text{ s}$)

Đổi mới và đóng góp

  1. Kiến trúc mạng không dây phân tầng tối ưu hóa chi phí (Cost-Optimized Two-Tier Architecture): Thay vì trang bị module mạng di động 4G/LTE đắt đỏ cho từng cột đèn gây đội chi phí cước dữ liệu hàng tháng, giải pháp sử dụng công nghệ LoRa không tốn phí duy trì để gom dữ liệu cục bộ về Gateway tập trung, sau đó sử dụng duy nhất một luồng GSM/GPRS để kết nối Internet. Mô hình này giúp giảm đến $85%$ chi phí vận hành mạng viễn thông so với kiến trúc truyền thống.
  2. Khả năng chẩn đoán sự cố theo thời gian thực (Real-Time Fault Telemetry): Hệ thống không chỉ dừng lại ở việc gửi lệnh bật/tắt một chiều mà tạo thành vòng lặp điều khiển kín (Closed-Loop Feedback). Nhờ thuật toán tích phân căn bậc hai trung bình bình phương (RMS) trên vi điều khiển, mọi hiện tượng cháy bóng, đứt dây nguồn hoặc sụt áp đều được xác định chính xác và đẩy thông báo khẩn cấp tới smartphone của kỹ thuật viên chỉ trong vòng $1.2$ giây.
  3. Thiết kế phần cứng công nghiệp có khả năng kháng nhiễu cao: Toàn bộ mạch in PCB của Gateway và Node được thiết kế chuyên biệt, phân tách rõ ràng giữa khối công suất 220V AC và khối logic 5V/3.3V DC thông qua Optocoupler cách ly quang EL817. Mạch nguồn của trạm Gateway được bổ sung khối tụ lọc dung lượng cao ($1000\mu\text{F}$ Low ESR) giúp triệt tiêu hiện tượng sụt áp xung ($2\text{A}$ Peak Current) khi module SIM800L truyền gói tin GPRS.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                         KỊCH BẢN TRIỂN KHAI THỰC TẾ                              |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. KHUÔN VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC / BỆNH VIỆN / KHU CÔNG NGHIỆP:                      |
|    - 01 Gateway đặt tại phòng điều hành trung tâm, kết nối Internet qua GPRS/Wi-Fi.|
|    - 50 - 200 LoRa Nodes gắn trực tiếp trên các trụ đèn nội bộ.                  |
|    - Tự động bật 100% công suất từ 18:00 - 23:00; giảm 50% công suất sau 23:00.  |
|                                                                                   |
| 2. ĐƯỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN & MIỀN NÚI (ĐỊA HÌNH PHỨC TẠP):                    |
|    - Những nơi khó khăn trong việc kéo cáp quang điều khiển hoặc sóng di động yếu. |
|    - Cự ly LoRa xuyên qua đồi cây, vật cản lên đến 3 - 5 km.                     |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Phân tích tài chính và hiệu quả đầu tư (ROI)

  • Quy mô tính toán: Hệ thống gồm 100 điểm đèn chiếu sáng công cộng (sử dụng bóng LED 100W thay thế bóng Sodium 250W cũ kết hợp điều khiển thông minh theo lịch biểu).
  • Điện năng tiết kiệm: Nhờ lập trình tự động đóng cắt chính xác theo thời gian thực và tự động tắt khi không cần thiết, mức tiết kiệm điện đạt $38%$, tương đương $15.330\text{ kWh/năm}$ (tiết kiệm khoảng $35.000.000\text{ VNĐ/năm}$).
  • Chi phí nhân công vận hành: Giảm $75%$ chi phí tuần tra kiểm tra cháy bóng định kỳ nhờ hệ thống cảnh báo tự động.
  • Thời gian hoàn vốn ước tính (Payback Period): Khoảng 14 đến 18 tháng sau khi đưa vào vận hành.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Phụ thuộc vào băng tần mạng 2G: Module SIM800L hoạt động trên nền tảng GSM 2G - mạng viễn thông đang trong lộ trình tắt sóng tại Việt Nam và quốc tế để chuyển dịch hoàn toàn sang 4G/5G.
  • Cấu trúc mạng sao đơn tầng (Single-Hop Star): Nếu một LoRa Node nằm hoàn toàn ngoài cự ly phủ sóng của Gateway do bị che khuất bởi địa hình quá sâu, node đó sẽ không thể tự định tuyến qua các node trung gian lân cận.
  • Tiêu hao năng lượng của cảm biến Shunt: Module ACS712 sử dụng nguyên lý Hall có dòng tiêu thụ tĩnh liên tục, chưa tối ưu cho các trạm node chạy hoàn toàn bằng pin/năng lượng mặt trời độc lập.

Hướng nâng cấp mở rộng

  1. Chuyển dịch sang viễn thông thế hệ mới: Thay thế module SIM800L bằng các module LTE Cat-1 hoặc NB-IoT/LTE-M (như SIM7080G, SIM7600E) đảm bảo tính tương thích lâu dài với hạ tầng mạng 4G/5G.
  2. Nâng cấp giao thức LoRa Mesh / LoRaWAN Class C: Phát triển thuật toán định tuyến lưới đa chặng (Multi-hop Mesh Routing), cho phép các cột đèn tự chuyển tiếp gói tin cho nhau để mở rộng bán kính điều khiển lên đến hàng chục kilomet.
  3. Tích hợp cảm biến môi trường và năng lượng tái tạo: Bổ sung cảm biến bụi mịn PM2.5, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm và tấm pin năng lượng mặt trời (Solar PV) tại mỗi cột đèn nhằm biến hệ thống thành hạ tầng Trụ đèn thông minh (Smart Pole) phục vụ Thành phố thông minh (Smart City).

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành Điện tử - Viễn thông, IoT: Tiếp cận bộ tài liệu thiết kế thực tế từ sơ đồ nguyên lý phần cứng, kỹ thuật layout PCB chống nhiễu, đến cấu trúc lập trình firmware nhúng C++ giao tiếp đa giao thức (UART, SPI, I2C).
  • Kỹ sư nhúng và Nhà phát triển IoT: Nắm bắt giải pháp xử lý triệt để bài toán sụt áp nguồn xung trên dòng chip viễn thông SIMCom và thuật toán lấy mẫu dòng xoay chiều RMS không dùng biến dòng CT cồng kềnh.
  • Doanh nghiệp và Ban Quản lý Đô thị: Sở hữu mô hình kiến trúc hạ tầng chiếu sáng hiệu quả với chi phí đầu tư ban đầu thấp, loại bỏ gánh nặng chi phí viễn thông hàng tháng mà vẫn đảm bảo tính năng giám sát toàn diện.
  • Cộng đồng nghiên cứu WSN: Dữ liệu thực nghiệm phong phú về độ nhạy thu RSSI, tỷ lệ mất gói PRR và cự ly truyền dẫn thực tế của sóng vô tuyến LoRa 433 MHz trong môi trường đô thị mật độ cao tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai một hệ thống Gateway - Node LoRa trong thực tế là gì?

Về phần cứng, trạm Gateway yêu cầu nguồn cấp ổn định 5V DC với dòng định mức tối thiểu 3A (có tụ đệm chống sụt áp cho module di động), bộ vi điều khiển hỗ trợ tối thiểu 2 cổng phần cứng UART và ăng-ten LoRa ngoài có độ lợi từ $3\text{ dBi}$ đến $5\text{ dBi}$. Các trạm Node cần được đóng gói trong hộp chống nước chuẩn IP65/IP66, có mạch cách ly quang giữa phần điều khiển và lưới điện AC 220V.

2. Giới hạn số lượng LoRa Node mà một Gateway có thể quản lý là bao nhiêu?

Với kiến trúc định địa chỉ 1-byte trong giao thức tùy biến của đề tài, một Gateway có thể quản lý theo lý thuyết tối đa 254 nút mạng. Tuy nhiên, để tránh xung đột kênh truyền vô tuyến (Packet Collision) do nhiều node cùng gửi dữ liệu đồng thời, trong thực tế một Gateway nên duy trì từ 50 đến 120 nodes với chu kỳ truyền telemetry phân bổ xen kẽ (Time Division Multiplexing).

3. Hệ thống có thể tích hợp với các nền tảng SCADA hoặc Server quản lý tập trung có sẵn không?

Hoàn toàn khả thi. Do Gateway sử dụng vi điều khiển ESP32, firmware có thể dễ dàng cấu hình lại để gửi dữ liệu trực tiếp về các máy chủ trung tâm qua giao thức MQTT/MQTTS, HTTP POST RESTful API hoặc Modbus TCP/IP thay vì sử dụng nền tảng Blynk Cloud.

4. Khi mạng di động GSM/GPRS bị mất sóng hoặc nghẽn mạng, hệ thống hoạt động như thế nào?

Hệ thống được thiết kế với cơ chế tự chủ cục bộ (Decentralized Fail-safe). Khi mất kết nối GPRS/Internet, khối thời gian thực RTC DS1302 độc lập tại Gateway vẫn tiếp tục đếm giờ và kích hoạt các bản tin LoRa điều khiển đóng/tắt đèn theo đúng lịch biểu đã nạp trong bộ nhớ EEPROM. Kỹ thuật viên cũng có thể sử dụng các nút nhấn cứng trên mặt tủ Gateway để vận hành trực tiếp.

5. Chi phí đầu tư phần cứng cho 01 Node và 01 Gateway là bao nhiêu?

Chi phí linh kiện chế tạo mẫu thử nghiệm:

  • 01 LoRa Gateway (ESP32, SIM800L, AS32 LoRa, DS1302, LCD, Nguồn xung, Vỏ hộp): Khoảng $650.000 - 800.000\text{ VNĐ}$.
  • 01 LoRa Node (MCU, AS32 LoRa, ACS712, Relay cách ly, Nguồn hạ áp, Vỏ hộp IP65): Khoảng $250.000 - 320.000\text{ VNĐ}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng công nghệ truyền thông GSM và LoRa" của nhóm tác giả Nguyễn Hữu Khánh và Thái Thiên Thịnh dưới sự hướng dẫn của GVC. Trương Ngọc Anh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu và thực nghiệm đề ra. Bằng việc kết hợp sáng tạo giữa công nghệ vô tuyến tầm xa LoRa 433 MHz và mạng truyền thông di động GSM/GPRS, đề tài đã chứng minh một giải pháp chiếu sáng thông minh khả thi, tiết kiệm năng lượng, hoạt động ổn định và giải quyết hiệu quả bài toán tối ưu chi phí hạ tầng tại Việt Nam. Kết quả của đồ án mở ra tiềm năng lớn cho việc ứng dụng rộng rãi trong các dự án khuôn viên thông minh, khu công nghiệp và lộ trình xây dựng đô thị thông minh bền vững.