Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu và sự nóng lên của Trái Đất đang gây ra nhiều hệ lụy tiêu cực đến tài nguyên nước, dẫn đến tình trạng suy giảm chất lượng nước, ô nhiễm môi trường và gia tăng tần suất thiên tai, lũ lụt cũng như hạn mặn. Tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) – trung tâm sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản của cả nước, ô nhiễm nguồn nước và xâm nhập mặn đã tác động trực tiếp đến đời sống dân sinh và kinh tế.

Theo số liệu báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn trong mùa khô 2015–2016 được tác giả dẫn chứng:

  • Tổng lượng mưa trên lưu vực sông thiếu hụt từ 20% đến 50% so với trung bình nhiều năm.
  • Mực nước thượng nguồn sông Mê Kông xuống mức thấp nhất trong vòng 90 năm.
  • Tình trạng thiếu nước ngọt khiến nước mặn xuất hiện sớm hơn 2 tháng, xâm nhập sâu từ 40 đến 93 km trên các hệ thống sông chính tại miền Tây (tăng 10–15 km so với các năm trước).
  • Tỉnh Vĩnh Long ghi nhận lần đầu tiên bị nước mặn tấn công; tỉnh Hậu Giang có hơn 40 ha lúa bị thiệt hại nặng; tỉnh Kiên Giang ghi nhận mặn xâm nhập sâu 3–4 km trên các sông lớn khiến 34.000 ha lúa bị ảnh hưởng; tại Cà Mau, diện tích lúa thiệt hại trên 18.000 ha (chiếm 56% diện tích lúa trên đất nuôi tôm).

Từ thực tiễn đó, việc thiết lập các thiết bị giám sát liên tục các thông số môi trường nước ngọt là nhu cầu cấp bách nhằm hỗ trợ người dân và cơ quan quản lý đưa ra quyết định nuôi trồng, tưới tiêu và xử lý kịp thời.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm:

  1. Thiết kế và thi công mô hình hệ thống quan trắc nước tự động thu thập các thông số môi trường nước ngọt gồm nhiệt độ, mực nước và độ pH.
  2. Thiết lập cơ chế truyền nhận dữ liệu qua mạng Internet (Web Server) và mạng viễn thông di động (SMS qua module GSM/GPRS) để giám sát và cảnh báo.
  3. Cho phép người dùng cài đặt các ngưỡng giới hạn đo từ giao diện Web, nhận tin nhắn cảnh báo tự động khi thông số vượt ngưỡng và điều khiển thiết bị chấp hành (động cơ bơm nước qua relay).
  4. Lưu trữ dữ liệu đo đạc phục vụ mục đích theo dõi dài hạn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Phần cứng gồm vi điều khiển, các cảm biến môi trường (nhiệt độ, khoảng cách siêu âm, độ pH), module truyền thông di động, module relay điều khiển, màn hình hiển thị và máy tính nhúng; phần mềm gồm chương trình điều khiển nhúng trên Arduino, chương trình thu thập/xử lý dữ liệu trên máy tính nhúng bằng Python, hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL và giao diện hiển thị web bằng PHP/HTML.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đồ án tập trung thiết kế và thử nghiệm mô hình quan trắc nước quy mô thực nghiệm nhỏ, công suất thấp, hướng đến môi trường nước ngọt phục vụ nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm hệ thống nhúng và công nghệ IoT. Cơ sở lý thuyết và kỹ thuật nền tảng được tác giả tổng hợp và sử dụng bao gồm:

  1. Khung lý thuyết và nguyên lý đo lường:

    • Nguyên lý đo nhiệt độ số: Dựa trên cấu trúc cảm biến bán dẫn tích hợp bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) nội bộ, truyền thông qua chuẩn 1 dây (1-Wire).
    • Nguyên lý đo khoảng cách bằng sóng siêu âm: Dựa trên thời gian truyền (Time of Flight) của sóng âm 40 kHz trong không khí với vận tốc 340 m/s để tính toán khoảng cách từ cảm biến tới mặt nước, từ đó xác định mực nước.
    • Nguyên lý đo pH bằng điện cực thủy tinh: Dựa trên phương trình Nernst mô tả mối quan hệ giữa điện thế xuất hiện tại bề mặt màng thủy tinh (chứa oxit silica, lithium, canxi) tiếp xúc với dung dịch chứa ion $H^+$ và điện cực so sánh $Ag/AgCl$.

  2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tích hợp hệ thống:

    • Thiết kế phần cứng theo từng khối chức năng riêng biệt: khối xử lý trung tâm, khối cảm biến, khối hiển thị, khối truyền thông di động, khối máy chủ dịch vụ và khối nguồn.
    • Lập trình nhúng vi điều khiển bằng ngôn ngữ Wiring/C++ trên môi trường Arduino IDE.
    • Lập trình kịch bản xử lý dữ liệu và giao tiếp nối tiếp trên máy tính nhúng bằng Python.
    • Xây dựng hệ thống máy chủ cơ sở dữ liệu và giao diện giám sát nền Web sử dụng PHP, HTML và SQL.

  3. Nguồn dữ liệu:

    • Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ các cảm biến phần cứng trong mô hình quan trắc.
    • Tài liệu kỹ thuật (datasheet), thông số linh kiện từ các nhà sản xuất bán dẫn và linh kiện điện tử.
    • Báo cáo thống kê tình hình xâm nhập mặn của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống quan trắc nước được thiết kế dựa trên sự phối hợp giữa hai khối xử lý: khối điều khiển ngoại vi cấp thấp (Arduino Mega 2560 R3) và khối xử lý/máy chủ dịch vụ cấp cao (Raspberry Pi).

Khối chức năng Linh kiện / Công nghệ Vai trò và thông số kỹ thuật
Xử lý trung tâm Kit Arduino Mega 2560 R3 Vi điều khiển ATmega2560 (16 MHz), 54 chân Digital (15 chân PWM), 16 chân Analog, 4 bộ UART, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB. Đảm nhận việc đọc dữ liệu cảm biến, điều khiển LCD, relay và giao tiếp với Module SIM và Raspberry Pi.
Máy chủ Web & CSDL Kit Raspberry Pi Máy tính nhúng chạy hệ điều hành Linux, tích hợp các chân GPIO và cổng giao tiếp UART. Cài đặt Web Server (Apache, PHP, SQL) và chạy script Python để nhận dữ liệu từ Arduino, lưu vào cơ sở dữ liệu và phục vụ giao diện người dùng.
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Đo nhiệt độ nước trong dải $-55^\circ\text{C}$ đến $+125^\circ\text{C}$ (độ chính xác $\pm 0.5^\circ\text{C}$ trong khoảng $-10^\circ\text{C}$ đến $+85^\circ\text{C}$), cấu hình độ phân giải từ 9 đến 12 bit qua thanh ghi, giao tiếp chuẩn 1-Wire.
Cảm biến mực nước SRF04 Cảm biến sóng siêu âm 40 kHz, dải đo từ 3 cm đến 6 m, góc quét $15^\circ$, sử dụng xung kích Trigger $10,\mu\text{s}$ và chân Echo để đo thời gian phản hồi.
Cảm biến pH DFRobot pH sensor Sử dụng điện cực thủy tinh kết hợp điện cực so sánh $Ag/AgCl$, đo điện thế (mV) tỉ lệ với nồng độ ion $H^+$ chuyển đổi sang thang đo pH (0–14).
Truyền thông di động Module SIM800A Module Quad-Band GSM/GPRS của AT-COM, điều khiển bằng tập lệnh AT qua giao tiếp UART (mức điện áp TTL/RS232), dùng khe Micro SIM để gửi/nhận tin nhắn SMS và thực hiện cuộc gọi.
Hiển thị tại chỗ LCD 20x4 + Module I2C Màn hình 4 hàng, mỗi hàng 20 ký tự, tích hợp IC điều khiển HD44780 kết hợp mạch chuyển đổi giao tiếp I2C (dùng 2 dây SDA, SCL) giúp tiết kiệm chân vi điều khiển.
Cơ cấu chấp hành Module Relay Relay đóng ngắt tiếp điểm điện (NO, NC, COM) điều khiển động cơ bơm nước vận hành theo ngưỡng cài đặt hoặc theo tín hiệu điều khiển.
Khối nguồn Mạch chuyển đổi điện áp Chuyển đổi và phân phối các mức điện áp nguồn phù hợp cho các linh kiện và board mạch trong hệ thống.

Chu trình hoạt động của hệ thống:

  1. Arduino Mega 2560 liên tục đọc tín hiệu từ cảm biến DS18B20 (nhiệt độ), SRF04 (mực nước) và DFRobot pH (độ pH).
  2. Dữ liệu sau khi xử lý được hiển thị lên màn hình LCD 20x4 thông qua bus I2C và truyền đồng thời sang Raspberry Pi qua cổng UART.
  3. Script Python trên Raspberry Pi nhận dữ liệu nối tiếp, phân tích chuỗi và lưu các bản ghi vào cơ sở dữ liệu SQL.
  4. Giao diện Web được dựng bằng PHP hiển thị các thông số thời gian thực dưới dạng số liệu và đồ thị trực quan, đồng thời cung cấp biểu mẫu để người dùng đăng nhập và cấu hình lại các ngưỡng giới hạn (nhiệt độ, pH, mực nước).
  5. Khi dữ liệu đo vượt ngưỡng giới hạn cho phép hoặc khi có yêu cầu truy vấn từ người dùng qua tin nhắn SMS, Arduino sẽ điều khiển Module SIM800A gửi tin nhắn cảnh báo/báo cáo đến số điện thoại chỉ định và kích hoạt module relay điều khiển động cơ bơm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh thực tiễn của đề tài liên quan đến tình hình biến đổi khí hậu, hiện tượng ấm lên toàn cầu và tác động của hạn hán, xâm nhập mặn tại Việt Nam. Tác giả trích dẫn các số liệu thiệt hại cụ thể tại ĐBSCL trong mùa khô 2015–2016 để nhấn mạnh tính cấp thiết của việc xây dựng hệ thống giám sát chất lượng nước ngọt. Chương này cũng xác định rõ ràng mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu (cảm biến, vi điều khiển Arduino Mega 2560, máy tính nhúng Raspberry Pi, phần mềm máy chủ và viễn thông), phạm vi nghiên cứu thực nghiệm và bố cục tổng thể của đồ án tốt nghiệp gồm 5 chương chính cùng phần phụ lục hướng dẫn.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết và thông số kỹ thuật của các công nghệ phần cứng và chuẩn giao tiếp được áp dụng:

  • Giới thiệu cấu trúc, sơ đồ chân và thông số kỹ thuật của kit vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3 (chip ATmega2560, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB, 54 chân Digital, 16 chân Analog).
  • Tổng quan về máy tính nhúng Raspberry Pi, hệ điều hành Linux và cổng kết nối GPIO.
  • Nguyên lý hoạt động của các chuẩn giao tiếp dữ liệu: chuẩn 1 dây (1-Wire) với cơ chế định địa chỉ ROM 64-bit và mã kiểm tra CRC; chuẩn nối tiếp RS232 với các mức điện áp logic; chuẩn giao tiếp I2C với 2 đường tín hiệu SDA và SCL.
  • Cấu tạo và tập lệnh điều khiển màn hình LCD (IC HD44780) và module giao tiếp I2C cho LCD.
  • Cấu trúc bên trong, sơ đồ khối, tổ chức bộ nhớ thanh ghi Scratchpad/EEPROM và các chế độ phân giải chuyển đổi từ 9 đến 12 bit của cảm biến nhiệt độ DS18B20.
  • Nguyên lý phát và thu sóng siêu âm của cảm biến SRF04 (tần số 40 kHz, khoảng cách đo 3 cm – 6 m, góc quét $15^\circ$, vi điều khiển STC11).
  • Cấu tạo, thông số nguồn cấp và tập lệnh AT điều khiển Module GSM/GPRS SIM800A (các lệnh AT, AT+CMGF, AT+CMGS, ATD, AT+CMGR).
  • Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của relay đóng ngắt mạch điện với 3 chân COM, NO, NC.
  • Cơ sở lý thuyết về độ pH, công thức tính $\text{pH} = -\lg[\text{H}^+]$, cấu tạo điện cực thủy tinh kết hợp điện cực $Ag/AgCl$, và phương trình Nernst ứng dụng trong cảm biến pH DFRobot.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 trình bày quy trình thiết kế chi tiết phần cứng và giải thuật phần mềm:

  • Sơ đồ khối hệ thống tổng thể và phân tích chức năng của từng khối: khối xử lý trung tâm, khối Web Server, các khối cảm biến (nhiệt độ, mực nước, pH), khối hiển thị LCD, khối relay và khối chuyển đổi nguồn.
  • Sơ đồ nguyên lý kết nối chi tiết giữa Arduino Mega 2560 với cảm biến DS18B20, cảm biến siêu âm SRF04, cảm biến pH DFRobot, module SIM800A, màn hình LCD qua I2C và module relay điều khiển máy bơm.
  • Bảng tính toán dòng và áp tiêu thụ của các linh kiện để thiết kế mạch nguồn ổn áp.
  • Thiết kế lưu đồ giải thuật cho toàn bộ hệ thống: lưu đồ chương trình chính của bộ xử lý trung tâm, lưu đồ đọc giá trị cảm biến, lưu đồ điều khiển động cơ bơm, lưu đồ giao tiếp mạng di động qua lệnh AT, lưu đồ truyền nhận dữ liệu với Web Server qua UART và lưu đồ chương trình chính trên Raspberry Pi.
  • Quy trình cấu hình cổng UART trên Raspberry Pi và cài đặt Web Server (Apache, cơ sở dữ liệu SQL, giao diện PHP) trên hệ điều hành Linux.

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương 4 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được sau khi chế tạo và lập trình hoàn chỉnh mô hình:

  • Hình ảnh sản phẩm phần cứng hoàn chỉnh với các khối mạch được đấu nối và bố trí gọn gàng trong mô hình.
  • Kết quả hiển thị dữ liệu đo đạc thực tế (nhiệt độ, độ pH, khoảng cách/mực nước), các ngưỡng cài đặt giới hạn và trạng thái hoạt động của động cơ bơm (ON/OFF) trên màn hình LCD 20x4.
  • Kết quả giao diện Web Server trên Raspberry Pi: trang chủ hiển thị bảng dữ liệu thời gian thực; các đồ thị biểu diễn sự biến động theo thời gian của từng thông số (đồ thị nhiệt độ, đồ thị độ pH, đồ thị mực nước); trang đăng nhập xác thực người dùng và trang biểu mẫu cài đặt các ngưỡng giới hạn đo của cảm biến.
  • Kết quả giao tiếp mạng di động: hệ thống tự động gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến điện thoại người dùng khi các thông số vượt ngưỡng quy định và phản hồi tin nhắn báo cáo thông số hiện tại khi nhận được cú pháp truy vấn từ số điện thoại người dùng.

Chương 5: Kết luận và phạm vi ứng dụng

Chương 5 tổng kết lại toàn bộ kết quả nghiên cứu và chế tạo mô hình quan trắc nước, đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, nêu rõ phạm vi ứng dụng thực tế và đề xuất các định hướng phát triển tiếp theo của hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Hệ thống đã được thiết kế, thi công và thử nghiệm thành công với các kết quả cụ thể:

  1. Kết quả thực nghiệm kỹ thuật:

    • Thu thập chính xác và ổn định 3 thông số môi trường nước ngọt: nhiệt độ (cảm biến DS18B20), mực nước (cảm biến siêu âm SRF04), và độ pH (cảm biến điện cực DFRobot).
    • Hiển thị trực quan dữ liệu đo đạc và trạng thái motor bơm tại chỗ trên màn hình LCD 20x4 thông qua bus truyền thông I2C.
    • Thiết lập thành công kênh truyền nối tiếp UART giữa Arduino Mega 2560 và Raspberry Pi để lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu SQL.
    • Xây dựng hoàn chỉnh giao diện Web Server trên Raspberry Pi hỗ trợ giám sát số liệu trực tiếp, vẽ biểu đồ biến thiên lịch sử, phân quyền đăng nhập và tùy chỉnh ngưỡng cảnh báo.
    • Vận hành tin cậy module viễn thông SIM800A với tính năng gửi tin nhắn SMS cảnh báo khi giá trị vượt ngưỡng và phản hồi thông số môi trường theo yêu cầu người dùng qua tin nhắn SMS.
    • Tự động đóng/ngắt relay điều khiển động cơ bơm dựa trên giải thuật so sánh thông số đo với ngưỡng cài đặt.

  2. Giải pháp và đề xuất của tác giả:

    • Ứng dụng mô hình phân tầng xử lý: vi điều khiển Arduino chuyên trách đọc tín hiệu cảm biến thời gian thực, trong khi máy tính nhúng Raspberry Pi đảm nhận vai trò máy chủ lưu trữ, xử lý số liệu và giao tiếp người dùng qua mạng.
    • Kết hợp song song hai phương thức truyền thông (Internet qua Web Server và viễn thông di động qua SMS) giúp người dùng duy trì khả năng giám sát và nhận cảnh báo khẩn cấp ngay cả khi không có kết nối mạng Internet.

  3. Đóng góp của đề tài:

    • Hiện thực hóa một mô hình quan trắc môi trường nước ngọt chi phí hợp lý, dễ triển khai bằng cách kết hợp các linh kiện mã nguồn mở phổ biến (Arduino, Raspberry Pi) và cảm biến chuyên dụng.
    • Cung cấp tài liệu thiết kế nguyên lý phần cứng, lưu đồ giải thuật điều khiển và hướng dẫn cấu hình máy chủ nhúng chi tiết, có giá trị ứng dụng thực tiễn trong việc hỗ trợ giám sát chất lượng nước phục vụ nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các nội dung được tác giả trình bày và phạm vi thực hiện của đồ án, các hạn chế và hướng mở rộng bao gồm:

  • Hạn chế:

    • Mô hình mới được thử nghiệm ở quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm/mô hình thực nghiệm, công suất thấp, chưa được kiểm chứng dài ngày trong điều kiện môi trường tự nhiên khắc nghiệt ngoài trời (mưa gió, độ ẩm cao, bụi bẩn).
    • Cảm biến pH sử dụng điện cực thủy tinh cần được hiệu chuẩn định kỳ để duy trì độ chính xác của phép đo.
    • Số lượng chỉ tiêu quan trắc còn giới hạn ở 3 thông số cơ bản (nhiệt độ, mực nước, độ pH), chưa tích hợp thêm các chỉ tiêu quan trọng khác trong môi trường nước như độ mặn, độ oxy hòa tan (DO), hay độ đục.

  • Hướng phát triển tiếp theo:

    • Nâng cấp phần cứng, mở rộng công suất và tích hợp thêm các đầu dò cảm biến chuyên dụng (độ mặn, độ đục, oxy hòa tan) để đáp ứng toàn diện hơn cho môi trường nuôi trồng thủy sản nước lợ và nước mặn.
    • Thiết kế vỏ hộp bảo vệ đạt chuẩn công nghiệp chống nước, chống bụi để triển khai thực địa dài hạn tại các kênh rạch, ao hồ nuôi tôm cá.
    • Nghiên cứu giải pháp cấp nguồn độc lập sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp pin lưu trữ cho các trạm quan trắc đặt tại vùng sâu, vùng xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Nông nghiệp: Tham khảo quy trình thiết kế hệ thống nhúng thu thập dữ liệu (Data Acquisition System - DAQ) và ứng dụng Internet vạn vật (IoT).
  • Người nghiên cứu và phát triển hệ thống IoT: Học hỏi phương pháp giao tiếp liên bo mạch giữa Arduino và Raspberry Pi qua cổng UART, kỹ thuật lập trình module SIM qua tập lệnh AT, và phương pháp dựng Web Server nhẹ trên nền tảng Linux nhúng.
  • Các phần đáng tham khảo nhất trong tài liệu:
    • Chương 2: Cơ sở lý thuyết về nguyên lý hoạt động của chuẩn 1-Wire, cảm biến DS18B20, cảm biến SRF04 và công thức đo pH theo phương trình Nernst.
    • Chương 3: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch, bảng tính toán nguồn điện, và hệ thống lưu đồ giải thuật chi tiết cho từng khối chương trình.
    • Phần Phụ lục: Hướng dẫn chi tiết các bước đọc dữ liệu bằng Python, cấu hình cài đặt giới hạn trên Web Server và cú pháp tin nhắn SMS điều khiển hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối xử lý trung tâm và khối Web Server trong đồ án sử dụng các phần cứng nào và phân chia nhiệm vụ ra sao? Hệ thống sử dụng kit vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3 (chip ATmega2560) làm bộ xử lý trung tâm cấp thấp, có nhiệm vụ đọc dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến (DS18B20, SRF04, pH), điều khiển màn hình LCD 20x4, kích hoạt module relay và giao tiếp với module SIM800A. Máy tính nhúng Raspberry Pi đóng vai trò Web Server cấp cao chạy hệ điều hành Linux, nhận dữ liệu nối tiếp từ Arduino qua cổng UART, lưu vào cơ sở dữ liệu SQL và cung cấp giao diện Web bằng PHP/HTML cho người dùng giám sát và cấu hình.

2. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 giao tiếp với vi điều khiển theo chuẩn nào và có dải đo bao nhiêu? Cảm biến DS18B20 sử dụng chuẩn giao tiếp 1-Wire (truyền thông qua 1 dây tín hiệu duy nhất kết hợp điện trở kéo pull-up), có mã định danh 64-bit riêng biệt trong bộ nhớ ROM. Cảm biến hoạt động trong dải đo từ $-55^\circ\text{C}$ đến $+125^\circ\text{C}$, đạt độ chính xác $\pm 0.5^\circ\text{C}$ trong khoảng từ $-10^\circ\text{C}$ đến $+85^\circ\text{C}$, với độ phân giải có thể cấu hình từ 9 đến 12 bit (thời gian chuyển đổi tối đa ở mức 12 bit là 750 ms).

3. Cảm biến siêu âm SRF04 hoạt động theo nguyên lý nào để đo khoảng cách và mực nước? Cảm biến SRF04 hoạt động ở tần số sóng siêu âm 40 kHz. Khi nhận được xung kích có độ rộng $10,\mu\text{s}$ tại chân Trigger từ vi điều khiển, đầu phát sẽ phát ra 8 xung âm thanh với vận tốc lan truyền trong không khí là 340 m/s. Chân Echo được kéo lên mức cao và chỉ hạ xuống mức thấp khi sóng phản xạ chạm lại đầu thu. Vi điều khiển sử dụng bộ định thời (timer) để đo thời gian chân Echo ở mức cao, từ đó tính toán khoảng cách từ cảm biến đến mặt nước theo dải đo từ 3 cm đến 6 m với góc quét $15^\circ$.

4. Module SIM800A đóng vai trò gì và người dùng tương tác với hệ thống qua SMS như thế nào? Module SIM800A là module truyền thông GSM/GPRS Quad-Band giao tiếp với Arduino qua cổng UART bằng tập lệnh AT. Module có nhiệm vụ tự động gửi tin nhắn cảnh báo SMS đến số điện thoại người dùng khi một trong các thông số môi trường vượt quá giới hạn cài đặt. Đồng thời, người dùng có thể gửi tin nhắn truy vấn theo cú pháp quy định đến số thuê bao trên SIM800A để nhận tin nhắn phản hồi chứa toàn bộ giá trị đo đạc hiện thời của hệ thống.

5. Người dùng có thể cấu hình các ngưỡng đo của cảm biến bằng những cách nào? Người dùng có thể đăng nhập vào trang quản trị trên Web Server được lưu trữ tại Raspberry Pi để thiết lập các giá trị giới hạn đo (ngưỡng trên/dưới của nhiệt độ, mực nước, độ pH). Các giá trị cấu hình này được lưu lại và đồng bộ xuống vi điều khiển để làm mốc so sánh kích hoạt cảnh báo SMS và điều khiển động cơ bơm qua relay.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống quan trắc nước" của sinh viên Nguyễn Thanh Cường và Biện Quốc Thành (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình giám sát chất lượng nước ngọt tự động. Hệ thống tích hợp các cảm biến đo nhiệt độ, độ pH và mực nước kết hợp với bộ đôi xử lý Arduino Mega 2560 và Raspberry Pi. Giải pháp cung cấp đồng thời khả năng giám sát trực quan qua giao diện Web Server và cảnh báo tức thời qua mạng di động SMS, tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc mở rộng ứng dụng IoT trong quản lý nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản.