Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo số liệu thống kê được tác giả trích dẫn trong đồ án, điện năng tiêu thụ cho mục đích chiếu sáng tại Việt Nam chiếm khoảng 35% tổng điện năng tiêu thụ quốc gia, cao hơn đáng kể so với mức trung bình khoảng 17% của thế giới. Trong đó, hệ thống chiếu sáng công cộng bộc lộ nhiều điểm hạn chế do thiết kế, công nghệ lắp đặt chưa tối ưu và việc sử dụng điện còn lãng phí. Dữ liệu từ Trung tâm Tiết kiệm Năng lượng Thành phố Hồ Chí Minh (ECC HCMC) chỉ ra rằng phần lớn các đô thị tại Việt Nam vẫn sử dụng đèn thủy ngân cao áp (tỷ lệ này tại Hà Nội là 52%, Bắc Giang là 65%, Hội An là 60%). Đây là loại đèn có mức tiêu hao năng lượng lớn và tuổi thọ trung bình thấp (khoảng 6.000 giờ).

Về phương thức vận hành, các hệ thống chiếu sáng truyền thống tại Việt Nam đa phần áp dụng mô hình điều khiển tập trung thông qua các tủ động lực. Một trạm biến áp hạ áp từ lưới điện trung thế sẽ cấp nguồn trực tiếp cho các tủ động lực, và mỗi tủ động lực sẽ điều khiển bật/tắt toàn bộ các cột đèn trên cả một tuyến đường. Phương thức điều khiển thủ công và phụ thuộc hoàn toàn vào tủ cục bộ khiến hệ thống trở nên cồng kềnh, chiếm diện tích xây dựng trạm, đồng thời công tác giám sát, bảo trì đòi hỏi nhân công phải đi rà soát định kỳ dọc tuyến đường để phát hiện sự cố.

Trước thực trạng đó, tác giả thực hiện đề tài "Thiết kế giám sát đèn chiếu sáng sử dụng mạng cảm biến công nghệ LoRa" nhằm đạt được các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan các giải pháp chiếu sáng đô thị hiện nay (đèn LED, đèn Metal Halide, năng lượng mặt trời, hệ thống điều khiển thông minh) và đánh giá các công nghệ truyền thông không dây (Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, LoRa).
  2. Thiết kế và chế tạo phần cứng nút mạng cảm biến (Node) lắp đặt trực tiếp trên từng cột đèn, có khả năng điều khiển đóng/cắt đèn bằng rơ-le và tự động chẩn đoán hỏng hóc bằng cảm biến quang trở.
  3. Thiết kế và chế tạo thiết bị chuyển tiếp trung tâm (Gateway) sử dụng máy tính nhúng kết hợp module vô tuyến để thu thập dữ liệu và chuyển tiếp lệnh điều khiển.
  4. Xây dựng cấu trúc định dạng bản tin truyền thông và lưu đồ thuật toán điều khiển cho toàn bộ hệ thống mạng cảm biến.
  5. Thiết kế phần mềm giao diện giám sát, điều khiển trên máy tính thông qua nền tảng Web Server.
  6. Thử nghiệm thực tế mô hình hệ thống với 4 cột đèn để kiểm tra khoảng cách truyền thông vô tuyến và kiểm chứng các kịch bản vận hành, báo lỗi.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống giám sát và điều khiển chiếu sáng đô thị ứng dụng mạng cảm biến không dây. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế mô hình thử nghiệm phần cứng và phần mềm, triển khai giao tiếp không dây trên dải tần số 433 MHz tại Việt Nam, thử nghiệm điều khiển và giám sát trên cụm 4 đèn thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng kỹ thuật mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) diện rộng công suất thấp (LPWAN), cụ thể là công nghệ LoRa (Long Range) do tập đoàn Semtech phát triển. LoRa hoạt động dựa trên kỹ thuật điều chế trải phổ Chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS), sử dụng các xung tín hiệu có biên độ không đổi và tần số quét biến thiên tuyến tính theo thời gian (up-chirp và down-chirp). Kỹ thuật này giúp tín hiệu đạt được độ nhạy thu cao (lên tới -148 dBm), chống nhiễu tốt và tăng cự ly truyền thông ở mức công suất phát thấp (100 mW hoặc 1 W).

Ba thông số cấu hình cốt lõi của công nghệ LoRa được tác giả phân tích và ứng dụng bao gồm:

  • Băng thông (Bandwidth - BW): Các mức phổ biến là 125 kHz, 250 kHz và 500 kHz. Băng thông càng hẹp thì khoảng cách truyền càng xa nhưng tốc độ truyền dữ liệu càng giảm.
  • Hệ số trải phổ (Spreading Factor - SF): Nhận giá trị nguyên từ 7 đến 12, xác định số lượng xung chirp dùng để mã hóa một bit dữ liệu. Giá trị SF càng lớn thì độ nhạy thu càng cao, giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) và truyền xa hơn, đổi lại thời gian truyền gói tin (Time on Air) lâu hơn.
  • Tốc độ mã hóa sửa sai (Coding Rate - CR): Nhận các giá trị từ 1 đến 4 (biểu thị dưới dạng 4/(CR+4) như 4/5, 4/6, 4/7, 4/8), bổ sung các bit kiểm tra lỗi vào payload nhằm khôi phục gói tin khi xảy ra lỗi đường truyền.

Để khẳng định tính phù hợp của LoRa đối với bài toán chiếu sáng đô thị, tác giả đã lập bảng so sánh tổng hợp giữa các chuẩn truyền thông không dây phổ biến:

Tiêu chí so sánh Bluetooth Zigbee Wi-Fi LoRa
Ứng dụng chính Thiết bị di động cá nhân Điều khiển, giám sát, thu thập thông tin Mạng băng thông rộng Điều khiển, giám sát, thu thập dữ liệu diện rộng
Số thiết bị trong mạng 255 Hơn 64.000 Phụ thuộc vào dải địa chỉ IP 10.000
Khoảng cách truyền 10 m 10 – 100 m 100 m 3 – 15 km
Dòng điện tiêu thụ 30 mA 30 mA 100 mA 28 mA
Công nghệ điều chế FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) CSS (Chirp Spread Spectrum)

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai trong đồ án bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật về các hệ thống chiếu sáng công cộng hiện hữu và các chuẩn truyền thông không dây.
  • Phương pháp tính toán, thiết kế kỹ thuật phần cứng: lựa chọn linh kiện, tính toán mạch chia điện áp cảm biến, mạch kích rơ-le, mạch nguồn hạ áp ổn định điện áp 5V và 3.3V, thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB).
  • Phương pháp lập trình hệ thống nhúng: lập trình vi điều khiển theo cấu trúc điều khiển trạng thái và ngắt, lập trình phần mềm Gateway trên nền tảng Linux, thiết kế giao thức truyền thông dạng khung bản tin định dạng cố định (fixed format).
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: đo đạc khoảng cách truyền nhận thực tế ngoài hiện trường, kiểm thử chức năng điều khiển từng đèn, điều khiển nhóm đèn và kiểm thử khả năng đáp ứng khi phát sinh sự cố phần cứng.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm các thông số kỹ thuật chính thức từ datasheet của nhà sản xuất (Semtech, AI-Thinker, Microchip/Atmel, Raspberry Pi Foundation), dữ liệu khảo sát hiện trạng chiếu sáng từ ECC HCMC và các báo cáo thử nghiệm đèn thông minh tại Khu công nghệ cao TP.HCM.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc mạng và mô hình tổng thể

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc hình sao (Star Topology). Trung tâm của hệ thống là khối Gateway kết nối với phần mềm giám sát qua mạng máy tính. Các nút cảm biến (Node) được gắn độc lập trên từng cột đèn chiếu sáng và liên lạc trực tiếp hai chiều với Gateway thông qua sóng vô tuyến LoRa dải tần 433 MHz (chuẩn băng tần ISM không cần cấp phép tại Việt Nam).

Tác giả cũng khảo sát ba dạng kiến trúc triển khai chiếu sáng trên thực địa: kiến trúc mạng một đường (các cột đèn xếp thẳng hàng), kiến trúc hai đường (các cột đèn bố trí song song hai bên đường cao tốc) và kiến trúc mạng ngã tư (đường phân nhánh, trong đó các đèn trên cùng một nhánh tuyến được gán chung địa chỉ nhóm để điều khiển đồng thời).

Thiết kế phần cứng nút cảm biến (Node)

Nút cảm biến được thiết kế dạng bo mạch nhúng khép kín đặt trong hộp bảo vệ gắn trên cột đèn, bao gồm 5 khối chức năng chính:

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ATmega328P hoạt động ở tần số thạch anh 16 MHz, điện áp cấp 5VDC, bộ nhớ Flash 32 KB, tích hợp sẵn các ngoại vi giao tiếp SPI, I2C, UART và bộ chuyển đổi ADC 10-bit.
  • Khối truyền thông vô tuyến: Sử dụng module LoRa Ra-02 (do AI-Thinker sản xuất, tích hợp chip Semtech SX1278). Module sử dụng mức điện áp 3.3VDC, công suất phát tối đa +20 dBm (100 mW), độ nhạy thu -148 dBm, hỗ trợ cổng kết nối anten ngoài IPEX giúp tối ưu cự ly thu phát. Giao tiếp giữa ATmega328P và Ra-02 thực hiện qua bus SPI (các chân MOSI, MISO, SCK, NSS), chân RESET nối với PB1 và chân ngắt DIO0 nối với PD2 của vi điều khiển.
  • Khối cảm biến quang: Sử dụng quang trở GL5537 (kích thước 5 mm, dải nhiệt độ hoạt động từ -30°C đến 70°C, điện trở trời tối đạt 2 MΩ, điện trở có ánh sáng từ 20 đến 45 kΩ, khi đặt sát nguồn sáng mạnh điện trở giảm xuống 500 Ω – 5 kΩ). Cảm biến được mắc nối tiếp với một biến trở $R_2 = 10\text{ k}\Omega$ tạo thành mạch phân áp đưa về chân ADC0 của ATmega328P: $$V_{out} = \frac{PR_1}{PR_1 + R_2} \times V_{in}$$ Cảm biến quang trở được lắp đặt khéo léo bên trong chao đèn, hướng trực tiếp vào bề mặt phát sáng của bóng đèn nhằm loại trừ tác động gây nhiễu từ ánh sáng mặt trời ban ngày hoặc ánh đèn xe lưu thông.
  • Khối công suất chấp hành: Sử dụng rơ-le định mức cuộn hút 5VDC, tiếp điểm đóng cắt chịu dòng tối đa 10A (tương thích các loại đèn đường LED công suất từ 30W đến 60W). Mạch điều khiển sử dụng transistor khuếch đại dòng kích cuộn hút, diode D3 dập xung điện áp ngược, optocoupler (cách ly quang ISO1) nhằm cách ly hoàn toàn phần điều khiển logic với phần động lực và LED D4 báo trạng thái đóng ngắt.
  • Khối nguồn: Nguồn điện xoay chiều 220VAC được hạ áp qua adapter chuyển đổi thành nguồn 9VDC. Mạch nguồn trên bo mạch sử dụng IC ổn áp LM7805 kết hợp hệ tụ lọc (C3, C4, C5, C6) để tạo nguồn 5VDC nuôi vi điều khiển và rơ-le, sau đó tiếp tục qua IC ổn áp AMS1117-3.3 tạo nguồn 3.3VDC cung cấp riêng cho module LoRa Ra-02.

Thiết kế phần cứng và phần mềm Gateway

Thiết bị Gateway giữ vai trò cầu nối dữ liệu, được đặt tại trạm quản lý và sử dụng nguồn điện lưới 220VAC:

  • Phần cứng Gateway: Sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3 làm bộ điều khiển trung tâm kết hợp với module LoRa Ra-02. Module Ra-02 kết nối trực tiếp với các chân GPIO của Raspberry Pi 3 thông qua giao thức SPI. Kết nối mạng diện rộng lên máy chủ giám sát được thực hiện qua cổng mạng Ethernet hoặc giao tiếp Wi-Fi tích hợp sẵn trên bo mạch Raspberry Pi.
  • Phần mềm Gateway: Thực hiện chức năng nhận bản tin điều khiển từ giao diện người dùng, đóng gói bản tin LoRa để phát vô tuyến xuống các Node; đồng thời thường trực lắng nghe dữ liệu phản hồi từ các Node, giải mã trạng thái và cập nhật tức thời vào cơ sở dữ liệu để hiển thị trên Web Server.

Cấu trúc bản tin truyền thông (Protocol)

Để đảm bảo đường truyền ổn định và tiết kiệm băng thông, tác giả xây dựng định dạng bản tin trạng thái phản hồi từ Node về Gateway có độ dài cố định 32 bit (4 byte):

Trường dữ liệu Số lượng bit Dải giá trị / Quy ước mã hóa Chức năng
Địa chỉ Node (ID) 16 bit 0000 đến FFFF (Hex) Định danh duy nhất cho từng cột đèn trong mạng
Vị trí (Location) 8 bit Mã số quy định theo tuyến đường, đường phố Xác định vị trí địa lý của đoạn đường lắp đặt cột đèn
Dự phòng (Unused) 6 bit Không sử dụng Dành cho việc mở rộng tính năng trong tương lai
Trạng thái đèn 2 bit 00: Đèn đang bật
01: Đèn đang tắt
10: Đèn bị lỗi/hỏng		 Thông báo trạng thái vận hành thực tế của bóng đèn

Thuật toán điều khiển và tự chẩn đoán lỗi

  • Tại nút cảm biến (Node): Sau khi khởi động và cài đặt thông số LoRa, Node khôi phục trạng thái làm việc trước đó. Nếu không nhận được lệnh từ Gateway, Node hoạt động theo chu kỳ gửi bản tin trạng thái định kỳ với thời gian quá hạn (timeout) là $T = 30\text{ giây}$. Khi nhận được bản tin LoRa từ Gateway, Node đối chiếu địa chỉ ID; nếu trùng khớp, Node kích hoạt rơ-le tương ứng và bật một cờ kiểm tra lỗi (check flag). Trong vòng 30 giây tiếp theo, vi điều khiển đọc giá trị từ bộ ADC kết nối với cảm biến quang trở:
    • Nếu trạng thái quang học đo được trùng khớp với trạng thái điều khiển mong muốn, cờ kiểm tra được xóa và Node gửi bản tin phản hồi xác nhận trạng thái bình thường về Gateway.
    • Nếu sau 30 giây trạng thái quang học không đạt yêu cầu (ví dụ: đã xuất lệnh bật rơ-le nhưng cảm biến không ghi nhận ánh sáng phát ra), hệ thống xác định đèn đã cháy hoặc đứt bóng, vi điều khiển gán mã trạng thái lỗi (10), xóa cờ kiểm tra và truyền bản tin cảnh báo sự cố về trung tâm.
  • Tại phần mềm Web Server: Cung cấp giao diện đồ họa hiển thị trực quan sơ đồ các cột đèn. Người vận hành có thể gửi lệnh bật/tắt riêng lẻ cho từng cột đèn hoặc bật/tắt đồng thời toàn bộ hệ thống; đồng thời giao diện hiển thị ngay lập tức cảnh báo màu đỏ hoặc thông báo lỗi tại vị trí cột đèn bị mất nguồn hoặc hỏng bóng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển đèn chiếu sáng đô thị

Chương 1 phân tích sự cần thiết của hệ thống chiếu sáng công cộng tại các đô thị hiện đại và làm rõ các tiêu chí kỹ thuật: đảm bảo độ rọi cho các phương tiện, an toàn an ninh, làm đẹp cảnh quan, tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ giám sát từ xa. Tác giả khảo cứu hiện trạng lưới đèn đường tại Việt Nam, chỉ rõ sự lạc hậu của các hệ thống cũ dùng tủ động lực điều khiển tập trung theo cụm. Đồng thời, chương này tổng hợp bốn giải pháp công nghệ hiện hành:

  1. Chiếu sáng LED: Giúp tiết kiệm tới 60% năng lượng so với đèn truyền thống, tuổi thọ đạt từ 30.000 giờ, hiệu suất chuyển đổi quang năng vượt trội, song chi phí đầu tư ban đầu cao và nhạy cảm với nhiệt độ môi trường.
  2. Đèn Metal Halide: Quang thông lớn, nhiệt độ màu lên tới 5500K, tuy nhiên thời gian khởi động kéo dài (15 – 20 phút), tuổi thọ chỉ từ 6.000 – 15.000 giờ. Điển hình là mô hình thử nghiệm tại Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) kết hợp cảm biến chuyển động giúp giảm 20% năng lượng và giảm 80% phát thải CO2.
  3. Sử dụng năng lượng tái tạo: Điển hình là hệ thống điện mặt trời áp mái tại Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Bách Khoa TP.HCM (giai đoạn 1 gồm 614 tấm pin IREX 260 Wp), tuy nhiên còn phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết và chi phí đầu tư lớn.
  4. Hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh: Dẫn chứng mô hình thử nghiệm tại Khu Công nghệ cao TP.HCM (Quận 9) do kỹ sư Việt Nam phát triển, giúp tiết kiệm 30 – 70% điện năng và 80% chi phí bảo trì.

Từ các phân tích trên, tác giả đề xuất giải pháp thiết kế một mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ LoRa kết hợp đèn LED, khắc phục nhược điểm kéo dây phức tạp của mạng truyền thông có dây và phạm vi phủ sóng hẹp của Zigbee.

Chương 2. Tổng quan về mạng truyền thông không dây

Chương 2 trình bày có hệ thống các khái niệm và nguyên lý lan truyền sóng điện từ trong truyền thông không dây (WLAN, WPAN, LPWAN). Tác giả so sánh đặc tính kỹ thuật của bốn chuẩn không dây phổ biến: Bluetooth (phạm vi hẹp dưới 10m, dễ nhiễu), Wi-Fi (băng thông lớn nhưng công suất tiêu thụ cao 100 mA, độ trễ và khả năng xuyên tường hạn chế), Zigbee (công suất thấp nhưng phạm vi hoạt động chỉ từ 10 – 100m, cần bộ lặp repeater nếu diện tích rộng) và LoRa (cự ly từ 3 – 15 km, dòng tiêu thụ chỉ 28 mA, dung lượng mạng lên tới 10.000 thiết bị).

Tiếp đó, chương đi sâu vào cơ chế vật lý của LoRa: kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS), phân tích toán học tác động của 3 thông số cấu hình (BW, SF, CR) đến tốc độ dữ liệu (Data Rate) và ngân sách đường truyền (Link Budget). Tác giả cũng tổng thuật về các dải tần số không cấp phép (169 MHz, 433 MHz, 868 MHz, 915 MHz) và xác định băng tần 433 MHz là phù hợp theo quy định tại Việt Nam. Về phần cứng, chương đánh giá hai nhóm module LoRa trên thị trường: nhóm giao tiếp UART tích hợp vi điều khiển trung gian (như dòng Ebyte E32) và nhóm giao tiếp SPI thuần cấu hình trực tiếp thanh ghi (như AI-Thinker LoRa Ra-01/Ra-02, Heltec, RFM98W dùng chip SX1278). Cuối chương, tác giả xây dựng ba mô hình kiến trúc mạng chiếu sáng tương ứng với các cấu trúc giao thông thực tế: kiến trúc một đường, kiến trúc hai đường và kiến trúc ngã tư.

Chương 3. Xây dựng hệ mô hình mạng cảm biến

Chương 3 là chương trọng tâm về kỹ thuật, trình bày quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo toàn bộ hệ thống từ cấp độ linh kiện đến hệ thống. Tác giả đặt ra các mục tiêu thiết kế cho nút cảm biến: công suất tiêu thụ nhỏ, cự ly truyền đạt tới 3.000 m, tự động báo lỗi sự cố, kích thước nhỏ gọn và giá thành thấp.

Nội dung chương trình bày chi tiết các tính toán kỹ thuật:

  • Lựa chọn cảm biến quang trở GL5537 giá thành khoảng 3.000 VNĐ thay cho phương án đo dòng điện bằng biến dòng hay IC chuyên dụng nhằm giảm chi phí và độ cồng kềnh của mạch; bố trí cảm biến trong hộp đèn để khử nhiễu sáng ngoại vi.
  • Thiết kế mạch đóng ngắt rơ-le 5V/10A có bảo vệ cách ly quang (opto ISO1) và transistor khuếch đại dòng.
  • Thiết kế mạch ghép nối module LoRa Ra-02 với vi điều khiển ATmega328P thông qua bus SPI chuẩn.
  • Thiết kế bo mạch nguồn 2 tầng ổn áp hạ từ nguồn adapter cấp qua IC LM7805 (ra 5V) và IC AMS1117-3.3 (ra 3.3V) kèm sơ đồ tính chọn tụ lọc nhiễu sụt áp.
  • Xây dựng cấu trúc bản tin 32 bit và thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển chương trình chính, chương trình con ngắt xử lý dữ liệu và thuật toán tự kiểm tra lỗi 30 giây cho Node.
  • Thiết kế phần cứng Gateway sử dụng Raspberry Pi 3 ghép nối module LoRa Ra-02 qua các chân GPIO/SPI; xây dựng lưu đồ thuật toán tiếp nhận, giải mã bản tin và thiết kế giao diện điều khiển trên nền Web Server kết nối cơ sở dữ liệu.

Chương 4. Kết quả thực nghiệm và hướng phát triển

Chương 4 ghi lại quá trình chế tạo sản phẩm hoàn chỉnh và kết quả thực nghiệm tại hiện trường. Tác giả đã gia công đóng hộp thành công các nút cảm biến Node nhỏ gọn và bộ Gateway điều khiển trung tâm kết nối máy tính.

Chương trình thực nghiệm tiến hành đánh giá cự ly truyền thông vô tuyến ngoài trời (thực hiện qua 2 lần đo kiểm khoảng cách thực tế) và kiểm chứng 4 kịch bản vận hành trên mô hình 4 cột đèn:

  1. Điều khiển từng đèn riêng biệt: Thử nghiệm gửi lệnh bật/tắt độc lập đèn số 3 từ giao diện máy tính; kết quả đèn số 3 phản hồi chính xác và trạng thái cập nhật ngay trên Web Server.
  2. Điều khiển toàn bộ 4 đèn: Gửi lệnh đồng loạt bật cả 4 đèn; Gateway phát bản tin quảng bá và cả 4 Node phản hồi thành công, hiển thị đồng bộ trên giao diện.
  3. Thử nghiệm sự cố đèn lỗi không sáng được: Tạo sự cố ngắt nguồn bóng đèn nhưng rơ-le vẫn kích đóng; sau chu kỳ kiểm tra 30 giây, quang trở không ghi nhận ánh sáng, Node đã gửi mã lỗi 10 về Gateway và giao diện Web lập tức hiển thị cảnh báo đèn bị hỏng.
  4. Thử nghiệm sự cố mất điện nguồn: Mô phỏng hiện tượng mất điện lưới cục bộ và cấp điện trở lại; hệ thống khôi phục trạng thái ổn định và tự động đồng bộ lại thông tin với Gateway.

Cuối chương, tác giả đề xuất định hướng phát triển thuật toán tiết kiệm năng lượng linh hoạt hơn và mở rộng gắn thêm các cảm biến quan trắc chất lượng không khí lên cột đèn.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng: Thiết kế và đóng gói thành công các nút cảm biến Node nhỏ gọn, hoạt động ổn định với nguồn cấp lưới thông qua adapter và mạch ổn áp kép 5V / 3.3V; lắp ráp hoàn thiện bộ Gateway trung tâm từ Raspberry Pi 3 và module LoRa Ra-02.
  • Xây dựng giao thức truyền thông tối ưu: Thiết lập giao thức truyền nhận vô tuyến 433 MHz với độ dài bản tin 32 bit, đáp ứng đầy đủ yêu cầu định danh (16 bit), vị trí (8 bit) và trạng thái đóng cắt/báo lỗi (2 bit).
  • Phát triển phần mềm giám sát trực quan: Xây dựng thành công giao diện Web Server trên máy tính cho phép điều khiển linh hoạt hai chiều (bật/tắt từng đèn hoặc toàn bộ tuyến đèn) và giám sát trạng thái trực tiếp theo thời gian thực.
  • Kiểm chứng thực nghiệm các kịch bản sự cố: Kiểm chứng thành công thuật toán tự kiểm tra lỗi trong 30 giây thông qua cảm biến quang trở; hệ thống nhận diện chính xác và gửi cảnh báo về Gateway khi bóng đèn xảy ra sự cố cháy, hỏng hoặc khi mất nguồn điện.

Đóng góp của đề tài

  • Đề xuất một giải pháp kỹ thuật khả thi, chi phí thấp nhằm thay thế phương thức điều khiển thủ công bằng tủ động lực truyền thống tại các đô thị Việt Nam.
  • Khắc phục triệt để nhược điểm tốn kém chi phí dây dẫn của hệ thống chiếu sáng có dây, đồng thời giải quyết bài toán cự ly hạn chế của các mạng không dây tầm ngắn như Zigbee hay Wi-Fi nhờ ứng dụng công nghệ LoRa với khả năng truyền xa từ 3 km (mục tiêu thiết kế) đến 10 km (theo thông số module).
  • Đưa ra giải pháp phát hiện sự cố đèn hỏng tự động bằng mạch quang trở chi phí chỉ khoảng 3.000 VNĐ đặt bên trong hộp đèn, giúp đơn vị quản trị đô thị phát hiện chính xác vị trí hỏng hóc từ xa mà không cần cử nhân công rà soát định kỳ dọc tuyến đường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống thực nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm với 4 cột đèn và 1 Gateway, chưa triển khai thử nghiệm trên tuyến đường đô thị thực tế có mật độ lưu thông và vật cản lớn.
  • Mô hình mạng dừng lại ở cấu trúc hình sao điểm - đa điểm (Star Topology), chưa tích hợp thuật toán định tuyến Mesh (mạng lưới) để mở rộng vùng phủ sóng khi có các chướng ngại vật phức tạp che chắn tín hiệu vô tuyến.
  • Giải pháp chẩn đoán hỏng bằng quang trở đòi hỏi kỹ thuật lắp đặt khắt khe bên trong chao đèn để tránh hiện tượng báo sai do ánh sáng mặt trời hoặc đèn xe chiếu rọi.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu thuật toán điều chỉnh công suất chiếu sáng động (Dimming) theo thời gian và lưu lượng phương tiện giao thông nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả tiết kiệm điện năng.
  • Tận dụng hạ tầng cột đèn và mạng truyền thông LoRa sẵn có để tích hợp thêm các cảm biến quan trắc môi trường (như cảm biến bụi mịn, nhiệt độ, độ ẩm, phát hiện nồng độ khí thải độc hại), xây dựng hệ thống giám sát môi trường đô thị tích hợp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên, kỹ sư và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính và Hệ sinh thái Internet of Things (IoT).

Những nội dung có giá trị tham khảo và ứng dụng trực tiếp bao gồm:

  • Thiết kế nguyên lý hoàn chỉnh của mạch nút cảm biến sử dụng vi điều khiển ATmega328P kết hợp module vô tuyến LoRa Ra-02 (SX1278) giao tiếp qua bus SPI.
  • Mạch công suất đóng cắt rơ-le có bảo vệ cách ly quang học bằng transistor và optocoupler, hạn chế tối đa xung nhiễu điện áp ngược từ tải động lực gây treo vi điều khiển.
  • Sơ đồ mạch nguồn hạ áp đa cấp chống sụt áp và lọc nhiễu tần số cao (sử dụng kết hợp LM7805 và AMS1117).
  • Cấu trúc đóng gói khung bản tin nhị phân dung lượng nhỏ (32 bit) và thuật toán tự kiểm tra chẩn đoán lỗi phần cứng dùng cảm biến quang, phù hợp làm tài liệu mẫu cho các đồ án tốt nghiệp về hệ thống nhúng và mạng cảm biến không dây diện rộng (LPWAN).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lại lựa chọn công nghệ LoRa thay vì các chuẩn không dây phổ biến khác như Wi-Fi, Bluetooth hay Zigbee?
Dựa trên bảng so sánh kỹ thuật ở Chương 2, Wi-Fi tiêu thụ dòng điện rất lớn (khoảng 100 mA) và cự ly chỉ đạt khoảng 100 m; Bluetooth có phạm vi truyền rất ngắn (khoảng 10 m); còn Zigbee dù tiêu thụ năng lượng thấp nhưng cự ly hoạt động bị giới hạn trong khoảng 10 – 100 m, khó đáp ứng các tuyến đường đô thị kéo dài hàng km trừ khi phải bố trí nhiều bộ lặp (repeater) phức tạp. Trong khi đó, LoRa hoạt động với dòng tiêu thụ chỉ 28 mA, sử dụng điều chế Chirp Spread Spectrum giúp cự ly truyền thông đạt từ 3 đến 15 km, dung lượng mạng hỗ trợ lên tới 10.000 thiết bị, hoàn toàn tối ưu cho bài toán truyền dữ liệu dung lượng nhỏ ở khoảng cách xa với chi phí thấp.

2. Nút cảm biến nhận biết và phân biệt trạng thái đèn bình thường hay bị cháy, hỏng bằng phương pháp nào?
Tác giả sử dụng cảm biến quang trở GL5537 kết hợp với một biến trở 10 kΩ mắc thành mạch phân áp nối vào chân ADC0 của ATmega328P, đặt khéo léo bên trong hộp đèn để đón trực tiếp ánh sáng từ bóng đèn. Sau khi nhận lệnh điều khiển bật rơ-le từ Gateway, một cờ kiểm tra (check flag) được kích hoạt trong 30 giây. Nếu sau 30 giây này, giá trị điện áp đọc từ cảm biến quang trở vẫn báo trời tối (tức bóng đèn không phát sáng dù rơ-le đã đóng), vi điều khiển kết luận bóng đèn đã bị cháy hoặc đứt mạch và truyền bản tin mang mã lỗi trạng thái 10 về trung tâm.

3. Bản tin phản hồi từ Node về Gateway có dung lượng bao nhiêu bit và các trường dữ liệu được phân bổ như thế nào?
Bản tin có độ dài cố định là 32 bit, bao gồm 4 trường dữ liệu:

  • 16 bit đầu: Địa chỉ định danh của Node (từ 0000 đến FFFF).
  • 8 bit tiếp theo: Mã vị trí tuyến đường, đường phố đặt cột đèn.
  • 6 bit kế tiếp: Dự phòng, chưa sử dụng.
  • 2 bit cuối: Báo trạng thái đèn (00 là đèn đang bật, 01 là đèn đang tắt, 10 là đèn đang hỏng).

4. Khối Gateway trung tâm được xây dựng từ các linh kiện phần cứng nào và kết nối với máy tính bằng cách nào?
Khối Gateway được cấu thành từ hai thành phần chính: bo mạch máy tính nhúng Raspberry Pi 3 và module truyền thông LoRa Ra-02 (chip SX1278). Hai khối này liên kết vật lý với nhau thông qua bus giao tiếp SPI trên các chân GPIO của Raspberry Pi. Để kết nối với máy tính và phần mềm giám sát, Raspberry Pi 3 sử dụng mạng có dây (Ethernet) hoặc mạng không dây (Wi-Fi), truyền nhận dữ liệu trực tiếp với giao diện Web Server và cơ sở dữ liệu.

5. Tác giả đã tiến hành những kịch bản thực nghiệm nào để đánh giá hoạt động của hệ thống?
Trong Chương 4, tác giả đã tiến hành đo kiểm cự ly truyền vô tuyến thực tế ngoài trời qua 2 lần thử nghiệm, đồng thời kiểm chứng hệ thống qua 4 kịch bản vận hành trên cụm 4 cột đèn:

  1. Gửi lệnh điều khiển bật/tắt riêng biệt đèn số 3.
  2. Gửi lệnh điều khiển đồng loạt bật/tắt toàn bộ 4 đèn.
  3. Tạo sự cố giả lập đèn bị cháy (không phát sáng) và kiểm tra khả năng phát hiện lỗi sau 30 giây của Node cũng như hiển thị cảnh báo trên Web Server.
  4. Thử nghiệm sự cố mất điện nguồn đột ngột và đánh giá khả năng tự khôi phục, đồng bộ lại trạng thái khi có điện trở lại.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế giám sát đèn chiếu sáng sử dụng mạng cảm biến công nghệ LoRa" của tác giả Nguyễn Đức Mạnh đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa hệ thống chiếu sáng đô thị theo định hướng tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí nhân công vận hành. Bằng việc làm chủ công nghệ điều chế LoRa dải tần 433 MHz, tác giả đã thiết kế và chế tạo thành công phần cứng nút cảm biến dựa trên vi điều khiển ATmega328P, bộ thu phát Gateway sử dụng Raspberry Pi 3 cùng phần mềm giao diện giám sát Web Server trực quan. Kết quả kiểm nghiệm thực tế trên cụm 4 đèn đã chứng minh hệ thống hoạt động ổn định, điều khiển linh hoạt hai chiều, tự động nhận diện và cảnh báo chính xác sự cố bóng đèn hỏng trong thời gian 30 giây, mang lại giá trị thực tiễn cao cho việc ứng dụng công nghệ IoT vào phát triển đô thị thông minh tại Việt Nam.