Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước thực trạng biến đổi khí hậu toàn cầu và nguy cơ khủng hoảng năng lượng, việc nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang trở thành định hướng ưu tiên tại Việt Nam. Trong các giải pháp chiếu sáng công cộng, hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời độc lập được triển khai ngày càng rộng rãi từ các đô thị, khu công nghiệp, vùng nông thôn đến những khu vực vùng sâu, vùng xa chưa tiếp cận được hệ thống lưới điện quốc gia. Nhờ khả năng hoạt động không phụ thuộc vào nguồn điện lưới, giải pháp này mang lại nhiều ưu điểm về tiết kiệm chi phí vận hành, giảm lượng phát thải và tăng tính linh hoạt khi thi công.

Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thực tế, các hệ thống đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời thường đối mặt với nhiều nguy cơ hư hỏng kỹ thuật như suy giảm chất lượng tấm pin quang điện (PV), hỏng pin lưu trữ, lỗi bộ điều khiển sạc hoặc cụm đèn LED hoạt động không ổn định. Hiện nay, công tác kiểm tra, phát hiện sự cố chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp thủ công thông qua việc cử nhân viên đến kiểm tra trực tiếp từng trụ đèn hoặc chờ phản ánh từ người dân. Phương thức này bộc lộ nhiều hạn chế: tiêu tốn nhân lực và chi phí đi lại, thời gian phát hiện hư hại kéo dài, khó xác định chính xác vị trí và nguyên nhân kỹ thuật, từ đó làm gián đoạn hệ thống chiếu sáng và ảnh hưởng đến an ninh trật tự, an toàn giao thông. Do đó, việc xây dựng một hệ thống giám sát từ xa theo thời gian thực có khả năng tự động nhận diện và gửi thông tin sự cố là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xây dựng hệ thống giám sát trạng thái hoạt động của đèn từ xa theo thời gian thực thông qua mạng truyền thông không dây LoRa; tự động phát hiện sự cố và gửi thông tin về thời gian, vị trí, nguyên nhân sự cố của đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời về trung tâm điều khiển một cách kịp thời và chính xác.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể gồm 5 nội dung:

  1. Tìm hiểu về các trường hợp gây hư hỏng chủ yếu cho đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời.
  2. Tìm hiểu và nghiên cứu về cách thức giao tiếp truyền thông không dây LoRa và module ESP32 để truyền dữ liệu.
  3. Xây dựng thuật toán truyền dữ liệu tối ưu nhất giữa trung tâm điều khiển và các hệ thống đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời.
  4. Sử dụng các cảm biến điện áp và cảm biến dòng điện để xác định điện áp và dòng điện của đèn tại thời gian thực.
  5. Thu thập các dữ liệu từ các cảm biến được truyền nhận thông qua truyền không dây LoRa để hiển thị trên màn hình LCD của từng đèn và trung tâm điều khiển; đồng thời hiển thị trên Web Server và ứng dụng di động Android đã được đồng bộ hóa với Web Server.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  • Phần cứng: Module vi điều khiển ESP32-WROOM-32, Arduino Uno R3, Arduino Pro Mini; module thu phát tín hiệu không dây LoRa SX1278 E32 433T20D kèm anten RF 433 MHz 3dBi; cảm biến dòng điện ACS712; cảm biến điện áp MH-Electronic; màn hình LCD 16x2 và LCD 20x4; bộ đèn đường năng lượng mặt trời thực tế công suất 300 W (kèm tấm pin quang điện 25 W).
  • Phần mềm: Môi trường lập trình Arduino IDE (ngôn ngữ C/C++); phần mềm cấu hình thông số truyền thông RF Setting V3; cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database và Firebase Authentication; nền tảng thiết kế ứng dụng Android Kodular; hệ thống giao diện Web Server.

Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung thiết kế và thử nghiệm hệ thống tự động phát hiện hư hỏng cho mô hình mạng gồm 2 đến 3 bộ đèn trong môi trường thực nghiệm với cự ly truyền nhận dữ liệu không dây nằm trong khoảng từ 500 m đến 1000 m.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên các nguyên lý kỹ thuật điện tử, truyền thông vô tuyến và công nghệ phần mềm:

  • Hệ thống chiếu sáng năng lượng mặt trời: Cấu tạo cơ bản gồm tấm pin quang điện (PV), bộ vỏ bảo vệ bằng nhôm/nhựa ABS chịu lực, cảm biến ánh sáng, hệ thống pin lưu trữ (lithium-ion hoặc gel), bộ điều khiển sạc và cụm đèn LED. Cơ chế nạp/xả diễn ra tự động theo chu kỳ ngày - đêm: ban ngày tấm PV chuyển đổi quang năng thành dòng điện DC để sạc vào pin lưu trữ; ban đêm cảm biến kích hoạt hệ thống xả năng lượng từ pin ra đèn LED. Các trường hợp hư hỏng được phân loại cụ thể gồm: sự cố pin lưu trữ (pin không được sạc, sạc không đầy, vừa sạc vừa xả, không xả, xả vượt mức, quá dòng hoặc quá nhiệt); sự cố tấm PV (không có dòng điện, bị che khuất hoặc nứt vỡ, sụt áp khi chiếu sáng mạnh); sự cố đèn LED (LED không sáng, sáng yếu, chớp tắt liên tục, không tắt vào ban ngày).
  • Công nghệ truyền thông LoRa (Long Range Radio): Kỹ thuật điều chế trải phổ Chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS) sử dụng xung up-chirp (mã hóa bit '1') và down-chirp (mã hóa bit '0') giúp duy trì khả năng chống nhiễu cao, cự ly truyền xa với công suất phát thấp. Băng tần nghiên cứu áp dụng là 433 MHz (phù hợp với quy định băng tần ISM tại Việt Nam và khu vực châu Á). Giao thức truyền dữ liệu sử dụng chuẩn bảo mật AES 128 và kích thước gói tin giới hạn khoảng 100 byte.
  • Cơ sở đo lường và tính toán cảm biến:
    • Cảm biến dòng điện ACS712 (loại 30 A): Hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall với điện áp tham chiếu 5 V, dải đo từ -30 A đến +30 A, điện áp ngõ ra tại 0 A là 2,5 V. Độ nhạy cảm biến được tính toán qua công thức: $$\Delta V = 4{,}5\text{ V} - 0{,}5\text{ V} = 4\text{ V}$$ $$\Delta I = 30\text{ A} - (-30\text{ A}) = 60\text{ A}$$ $$S = \frac{\Delta V}{\Delta I} = \frac{4}{60} \approx 0{,}066\text{ V/A} = 66\text{ mV/A}$$ Với bộ biến đổi ADC 10 bit ($V_{ADC} = \frac{5\text{ V}}{1023} \approx 4{,}88\text{ mV}$), độ phân giải dòng điện là: $$I_{ADC} = \frac{V_{ADC}}{S} = \frac{4{,}88}{66} \approx 0{,}074\text{ A} = 74\text{ mA}$$
    • Cảm biến điện áp MH-Electronic: Sử dụng nguyên lý cầu phân áp với hai điện trở nối tiếp $R_1 = 30\text{ k}\Omega$ và $R_2 = 7{,}5\text{ k}\Omega$. Tỷ số phân áp điện áp ngõ ra lấy tại $R_2$ được xác định: $$V_{out} = V_{in} \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2} = V_{in} \cdot \frac{7{,}5}{30 + 7{,}5} = \frac{1}{5} V_{in}$$ Hệ số này cho phép hạ mức điện áp đo tối đa 25 V DC về dải đo an toàn dưới 5 V của vi điều khiển.
    • Đánh giá dao động dòng điện: Xác định tổng sai số dao động dựa trên biểu thức: $$\varepsilon_{total} = \varepsilon_{base} + \varepsilon_{noise}$$

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm ba phương pháp chính:

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Thu thập, tổng hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật về đèn năng lượng mặt trời, công nghệ truyền thông LoRa, các giao thức kết nối IoT và vi điều khiển họ ATmega, ESP32.
  • Phương pháp phân tích và xử lý dữ liệu: Xây dựng các giải thuật phân tích chuỗi dữ liệu nhận được, nhận diện bất thường về ngưỡng dòng điện - điện áp để suy ra mã lỗi kỹ thuật tương ứng.
  • Phương pháp mô phỏng và thực nghiệm: Thi công mạch in thực tế, nạp chương trình điều khiển, lắp ráp mô hình trạm đèn thực nghiệm ngoài trời, kiểm tra hoạt động truyền nhận dữ liệu qua các khoảng cách và địa hình khác nhau.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm các thông số kỹ thuật đo lường trực tiếp từ cảm biến trên tấm PV và cụm pin đèn 300 W, kết hợp với dữ liệu truyền nhận vô tuyến ghi nhận tại các điểm tiếp nhận và máy chủ trung tâm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tán gồm hai thành phần chính: Khối tiếp nhận tại từng cột đèn (Node) và Khối trung tâm giám sát (Master).

Thiết bị / Module Vai trò trong hệ thống Thông số kỹ thuật chính
ESP32-WROOM-32 Xử lý tại khối trung tâm Master Tần số 40 MHz, Flash 4 MB, SRAM 520 KB, Wi-Fi 802.11n, Bluetooth 4.2
Arduino Pro Mini Xử lý tại khối tiếp nhận (Node) Vi điều khiển ATmega328P, nguồn 5 V, 14 chân Digital, 8 chân Analog
LoRa SX1278 E32 433T20D Truyền thông không dây tầm xa Tần số 433 MHz, công suất 20 dBm (100 mW), tốc độ baud 1200 - 115200 bps
Anten LoRa RF Khuếch đại sóng vô tuyến Chuẩn đầu cắm SMA đực, tần số 433 MHz, độ lợi 3 dBi, trở kháng 50 $\Omega$
Cảm biến dòng ACS712 Đo dòng điện sạc và xả Dải đo ±30 A, ngõ ra tương tự, độ nhạy 66 mV/A, cách ly điện 2,4 kV RMS
Cảm biến điện áp MH Đo điện áp tấm PV và pin lưu trữ Cầu phân áp $R_1=30\text{ k}\Omega, R_2=7{,}5\text{ k}\Omega$, dải đo $0{,}02445\text{ V} - 25\text{ V}$ DC
Tấm pin năng lượng mặt trời Cung cấp nguồn thực nghiệm Công suất cực đại 25 W, $V_{pv} = 6\text{ V}$, $V_{oc} = 7{,}2\text{ V}$, $I_{sc} = 4{,}58\text{ A}$
Màn hình LCD 16x2 / 20x4 Hiển thị thông số tại chỗ Giao tiếp I2C, hiển thị vị trí, mã sự cố và tên trạng thái hệ thống

Cơ chế định tuyến và truyền dữ liệu: Hệ thống áp dụng thuật toán định tuyến truyền dữ liệu tối ưu dựa trên nguyên lý thuật toán Dijkstra nhằm thiết lập đường truyền ngắn nhất từ các trạm đèn về trung tâm giám sát. Khi một node đèn (ví dụ: điểm F) phát hiện hư hỏng:

  • Nếu node F nằm trong vùng phủ sóng LoRa trực tiếp với trạm trung tâm M, gói tin sẽ được gửi thẳng về Master.
  • Khi khoảng cách vượt quá tầm truyền trực tiếp hoặc tín hiệu bị suy hao do nhà cao tầng, cây cối, địa hình, thuật toán tự động dò tìm các node trung gian nằm trong cự ly giao tiếp (như các điểm E, D, C, B) để thiết lập chuỗi truyền chuyển tiếp dạng chuỗi (multi-hop).
  • Hệ thống hỗ trợ cơ chế tự động chuyển điểm truyền: Trong trường hợp một điểm trung gian được chọn không phản hồi hoặc bị sự cố phần cứng, node phát sẽ tự động hủy tuyến đường lỗi và tái định tuyến sang một điểm kế cận khác có tổng cự ly đến Master là tối ưu nhất.

Kiến trúc phần mềm và giám sát:

  • Tầng cơ sở dữ liệu: Dữ liệu mã sự cố, vị trí trạm và thời gian được ESP32 đẩy lên Firebase Realtime Database dưới định dạng cây JSON, quản lý truy cập thông qua dịch vụ Firebase Authentication.
  • Tầng giao diện người dùng:
    • Ứng dụng Android được xây dựng trên nền tảng Kodular, đồng bộ hóa trực tiếp với Firebase, cung cấp các màn hình đăng nhập, đăng ký, khôi phục mật khẩu và giám sát trực quan trạng thái từng cột đèn.
    • Trang Web Server tiếp nhận dữ liệu HTTP/HTTPS từ hệ thống để hiển thị chi tiết mã lỗi kỹ thuật phục vụ bộ phận điều hành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu ứng dụng năng lượng sạch gắn liền với xu hướng chiếu sáng thông minh. Tác giả chỉ rõ hạn chế của công tác tuần tra, bảo dưỡng đèn thủ công và đề xuất giải pháp giám sát tự động qua sóng LoRa. Nội dung chương cũng xác định rõ 5 nhiệm vụ trọng tâm, đối tượng phần cứng - phần mềm, giới hạn phạm vi mô hình thử nghiệm ở quy mô 2 đến 3 đèn và tóm lược bố cục toàn khóa luận gồm 6 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung hệ thống hóa toàn diện các kiến thức nền tảng:

  • Tổng quan về đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời, phân tích cấu tạo, nguyên lý nạp/xả chu kỳ ngày đêm và phân loại chi tiết các dạng hư hỏng liên quan đến pin lưu trữ, tấm pin quang điện PV và cụm đèn LED.
  • Nguyên lý công nghệ LoRa, kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum, phân bố băng tần theo từng khu vực địa lý, phân tích ưu điểm về cự ly - năng lượng cũng như giới hạn về băng thông gói tin (~100 byte).
  • Khảo sát thông số kỹ thuật chi tiết của các linh kiện phần cứng: vi điều khiển ATmega328P (trên Arduino Uno và Pro Mini), ESP32-WROOM-32, module LoRa E32 433T20D, cảm biến ACS712, module điện áp MH-Electronic, màn hình LCD và thông số tấm pin PV 25 W.
  • Giới thiệu tổng quan về Web Server, nền tảng phát triển ứng dụng di động Kodular, dịch vụ cơ sở dữ liệu đám mây Firebase (Authentication, Realtime Database) và môi trường lập trình Arduino IDE.

Chương 3: Tính toán, thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày các bước tính toán và thiết kế chi tiết toàn bộ hệ thống:

  • Phân tích yêu cầu kỹ thuật và xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, thuyết minh nhiệm vụ của khối Master và các khối tiếp nhận LoRa Node.
  • Tính toán điện học cho các mạch cảm biến: Xác định độ nhạy cảm biến dòng ACS712 đạt $66\text{ mV/A}$, độ phân giải ADC dòng điện đạt $74\text{ mA}$; tính toán hệ số phân áp $1/5$ cho cảm biến điện áp MH với điện trở $30\text{ k}\Omega$ và $7{,}5\text{ k}\Omega$; thiết lập công thức xác định độ dao động dòng điện tổng $\varepsilon_{total}$.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho hệ thống: Thiết lập giải thuật tìm đường truyền tối ưu dựa trên Dijkstra, giải thuật tự động chuyển điểm truyền khi mất kết nối, giải thuật phát hiện sự cố theo ngưỡng dòng/áp và lưu đồ đọc/truyền dữ liệu không dây qua LoRa tại các vi điều khiển.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý, cấu hình module LoRa E32 qua phần mềm RF Setting V3, thiết kế cấu trúc dữ liệu JSON trên Firebase và bố cục giao diện hiển thị cho ứng dụng Android và Web Server.

Chương 4: Thi công, lắp đặt hệ thống

Chương này phản ánh toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ thiết kế:

  • Chế tạo và gia công mạch in (PCB) cho bo mạch khối trung tâm Master, bo mạch khối tiếp nhận xử lý và mạch mở rộng cho các cảm biến. Tiến hành hàn lắp linh kiện, kiểm tra thông mạch và tích hợp hoàn thiện vỏ hộp cơ khí bảo vệ.
  • Lắp ráp cơ khí toàn bộ mô hình trạm đèn thực nghiệm với công suất đèn 300 W và tấm pin PV.
  • Thi công phần mềm: Lập trình mã nguồn C trên Arduino IDE nạp cho các vi điều khiển; hoàn thiện giao diện ứng dụng Android trên Kodular bao gồm các màn hình đăng nhập, phân quyền, bảng điều khiển giám sát; triển khai giao diện Web Server liên kết với máy chủ cơ sở dữ liệu.

Chương 5: Kết quả và đánh giá hệ thống

Chương 5 trình bày quá trình vận hành thử nghiệm hệ thống trong điều kiện thực tế theo ba kịch bản thử nghiệm:

  • Vận hành trường hợp 1: Thử nghiệm truyền nhận dữ liệu giữa điểm 00 đến các điểm lân cận với khoảng cách lần lượt là 190 m (đến điểm 03), 160 m (đến điểm 02) và 110 m (đến điểm 01); cự ly từ điểm 01 sang điểm 02 và 03 đạt 170 m. Hệ thống phát hiện chính xác sự cố mã 02 tại trạm 00 và tự động chuyển đổi điểm tiếp sóng khi gặp cản trở đường truyền, hiển thị đồng bộ mã lỗi lên LCD, Web Server và ứng dụng Android.
  • Vận hành trường hợp 2: Thử nghiệm cự ly truyền từ điểm 01 đến 03 là 180 m, điểm 01 đến 02 là 120 m và từ điểm 02 đến 03 là 140 m. Hệ thống ghi nhận và truyền tải thành công sự cố mã 05 tại điểm 01 về Master.
  • Vận hành trường hợp 3: Bố trí truyền từ điểm 00 sang điểm 01 với cự ly 120 m, tiếp tục chuyển tiếp từ điểm 01 về điểm 03 với cự ly 190 m. Hệ thống nhận diện chuẩn xác sự cố mang mã số 03 tại trạm 00.
  • Đánh giá tổng hợp: Khẳng định tính ổn định của giao tiếp LoRa, độ tin cậy của thuật toán định tuyến và tính toàn vẹn của dữ liệu gửi lên máy chủ đám mây.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tóm lược các kết quả chính đạt được về mặt thiết kế mạch, thuật toán định tuyến và khả năng giám sát từ xa. Đồng thời, chương này chỉ ra các hạn chế tồn tại của mô hình thử nghiệm và đề xuất các phương hướng nâng cấp hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm của đề tài được tổng hợp qua việc vận hành mô hình phần cứng trong môi trường thực tế với các số liệu ghi nhận cụ thể:

  • Khả năng truyền dẫn vô tuyến: Hệ thống truyền dữ liệu ổn định qua sóng LoRa 433 MHz ở các cự ly thực nghiệm phân đoạn gồm 110 m, 120 m, 140 m, 160 m, 170 m, 180 m và 190 m trong điều kiện có vật cản thực tế.
  • Khả năng nhận diện sự cố: Hệ thống đã phân tích chính xác các thông số điện áp, dòng điện theo thời gian thực và kích hoạt các mã cảnh báo sự cố kỹ thuật (điển hình như các mã sự cố 02, 03 và 05 trong các bài đo thực nghiệm).
  • Cơ chế tự chuyển điểm truyền: Thuật toán định tuyến hoạt động chính xác khi một đường truyền trực tiếp bị gián đoạn, tự động định tuyến lại gói tin qua các node trung gian lân cận để đảm bảo dữ liệu luôn được chuyển về khối trung tâm Master mà không bị mất gói tin.
  • Tính đồng bộ đa nền tảng: Dữ liệu giám sát từ hiện trường được hiển thị tức thời tại màn hình LCD 16x2 (ở từng trạm đèn), màn hình LCD 20x4 (tại trung tâm Master), đồng thời cập nhật theo thời gian thực lên cơ sở dữ liệu Firebase, giao diện Web Server và ứng dụng di động Android.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài:

  • Xây dựng thành công giải pháp phần cứng tích hợp hoàn chỉnh (vi điều khiển, cảm biến, module truyền thông tầm xa) có chi phí thấp, tiêu thụ ít điện năng, thích hợp ứng dụng cho hệ thống chiếu sáng độc lập không phụ thuộc hạ tầng viễn thông di động.
  • Ứng dụng thành công thuật toán Dijkstra vào mạng truyền thông LoRa phục vụ việc tìm đường truyền tối ưu và tự động chuyển tiếp gói tin, nâng cao độ tin cậy cho mạng cảm biến giám sát diện rộng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Quy mô thử nghiệm mới chỉ dừng lại ở số lượng nhỏ (2 đến 3 trạm đèn) trong môi trường bán thực nghiệm với cự ly dưới 1000 m, chưa đánh giá hết mức độ ảnh hưởng của môi trường đô thị mật độ cao với số lượng hàng trăm node cùng phát sóng.
  • Các cảm biến dòng điện ACS712 và cảm biến điện áp sử dụng có độ chính xác ở mức phổ thông, độ nhạy còn giới hạn trước các xung nhiễu nhỏ từ môi trường xung quanh.
  • Anten LoRa đi kèm có độ lợi 3 dBi tương đối thấp, giới hạn cự ly truyền thông khi gặp vật cản lớn.
  • Giao diện Web Server trong giai đoạn nghiên cứu chưa tích hợp chức năng lưu trữ lịch sử vận hành dài hạn để đánh giá mức độ suy giảm tuổi thọ của pin và tấm PV.

Hướng nghiên cứu tiếp được tác giả đề xuất:

  • Thay thế các cảm biến đo lường dòng điện và điện áp bằng các dòng cảm biến công nghiệp có độ chính xác và khả năng chống nhiễu cao hơn.
  • Nâng cấp anten truyền phát sóng LoRa sang các loại có độ lợi (gain) cao hơn nhằm mở rộng cự ly truyền thông giữa các trạm đèn.
  • Bổ sung chức năng lưu trữ lịch sử trạng thái hoạt động trên Web Server để theo dõi mức độ hư hỏng theo thời gian tại từng bộ đèn, hỗ trợ lập phương án bảo trì định kỳ.
  • Nghiên cứu và triển khai công nghệ mạng LoRa Mesh nhằm tối ưu hóa khả năng tự cấu hình mạng và tự phục hồi khi mở rộng hệ thống lên quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và các kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống Nhúng/IoT:

  • Tài liệu cung cấp cơ sở tính toán chi tiết cho việc thiết kế mạch đo dòng điện và điện áp dùng cảm biến ACS712 và cầu phân áp, đi kèm công thức tính toán độ phân giải ADC thực tế trên vi điều khiển ATmega.
  • Cung cấp giải pháp kỹ thuật mẫu về việc kết nối và truyền thông giữa module LoRa SX1278 E32 433T20D với vi điều khiển họ AVR và ESP32.
  • Cung cấp quy trình hoàn chỉnh về việc đồng bộ hóa dữ liệu từ các thiết bị nhúng hiện trường lên cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase, từ đó phân phối dữ liệu hiển thị đồng thời lên ứng dụng di động Android (nền tảng Kodular) và giao diện Web Server.
  • Cung cấp lưu đồ thuật toán và giải pháp định tuyến chuyển tiếp gói tin dựa trên thuật toán Dijkstra, có thể ứng dụng trực tiếp cho các bài toán mạng cảm biến không dây phục vụ thành phố thông minh hoặc nông nghiệp công nghệ cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng công nghệ truyền thông không dây nào và lý do lựa chọn công nghệ đó? Hệ thống sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa (Long Range Radio) thông qua module LoRa SX1278 E32 433T20D hoạt động ở tần số 433 MHz. Công nghệ này được lựa chọn vì sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS) cho phép truyền tín hiệu ở khoảng cách xa (từ vài km đến hơn 10 km tùy môi trường) với mức tiêu thụ năng lượng cực thấp, khả năng chống nhiễu cao và không phụ thuộc vào hạ tầng mạng viễn thông di động, rất phù hợp với các cụm đèn năng lượng mặt trời lắp đặt phân tán.

2. Độ nhạy và độ phân giải của cảm biến dòng điện ACS712 30A được tính toán như thế nào trong đồ án? Cảm biến ACS712 30A có dải đo từ -30 A đến +30 A (biến thiên dòng điện $\Delta I = 60\text{ A}$), điện áp ngõ ra tương ứng từ 0,5 V đến 4,5 V (biến thiên điện áp $\Delta V = 4\text{ V}$). Độ nhạy của cảm biến được tính bằng: $$S = \frac{\Delta V}{\Delta I} = \frac{4}{60} \approx 66\text{ mV/A}$$ Khi giao tiếp với bộ ADC 10 bit của vi điều khiển (điện áp tham chiếu 5 V, bước lượng tử $V_{ADC} \approx 4{,}88\text{ mV}$), độ phân giải dòng điện của hệ thống đạt được là: $$I_{ADC} = \frac{4{,}88\text{ mV}}{66\text{ mV/A}} \approx 74\text{ mA}$$

3. Nguyên lý cảm biến điện áp MH-Electronic hoạt động ra sao và đo được mức điện áp tối đa là bao nhiêu? Module cảm biến điện áp hoạt động trên nguyên lý cầu phân áp với hai điện trở mắc nối tiếp gồm $R_1 = 30\text{ k}\Omega$ và $R_2 = 7{,}5\text{ k}\Omega$. Điện áp ngõ ra lấy trên $R_2$ bằng $1/5$ giá trị điện áp đầu vào: $$V_{out} = V_{in} \cdot \frac{7{,}5}{30 + 7{,}5} = \frac{V_{in}}{5}$$ Vì vi điều khiển nhận điện áp tương tự tối đa là 5 V nên dải điện áp ngõ vào tối đa an toàn mà cảm biến đo được là 25 V DC.

4. Khi đường truyền trực tiếp từ cột đèn về trạm trung tâm bị cản trở, hệ thống xử lý như thế nào? Hệ thống ứng dụng thuật toán định tuyến tối ưu dựa trên Dijkstra. Khi một node đèn nằm ngoài tầm phủ sóng hoặc tín hiệu truyền trực tiếp về Master bị chặn bởi nhà cao tầng, cây cối hoặc nhiễu, thuật toán sẽ tìm kiếm node lân cận có khoảng cách ngắn nhất để gửi gói tin chuyển tiếp (bắc cầu). Nếu điểm trung gian được chọn không nhận được dữ liệu, hệ thống tự động xem điểm đó bị nghẽn và thực hiện chuyển điểm truyền sang một trạm kế tiếp có tổng quãng đường về trung tâm là ngắn nhất.

5. Dữ liệu giám sát trạng thái và sự cố của các bộ đèn được hiển thị qua những giao diện nào? Dữ liệu giám sát bao gồm vị trí cột đèn, mã sự cố và tên trạng thái hư hỏng được hiển thị đồng bộ qua ba kênh: hiển thị tại chỗ qua màn hình LCD (màn hình LCD 16x2 đặt tại từng trạm đèn và LCD 20x4 đặt tại trạm Master); hiển thị trên ứng dụng di động Android (thiết kế qua nền tảng Kodular, đồng bộ với Firebase Realtime Database); và hiển thị trên giao diện trang Web Server kết nối qua Wi-Fi của vi điều khiển ESP32.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống tự động phát hiện hư hỏng cho đèn chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời" đã giải quyết thành công bài toán giám sát sự cố kỹ thuật từ xa cho các hệ thống chiếu sáng phân tán độc lập. Bằng việc kết hợp vi điều khiển ATmega, vi điều khiển ESP32 cùng công nghệ truyền thông tầm xa LoRa 433 MHz và các mạch đo dòng - áp chuyên dụng, nhóm nghiên cứu đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình phần cứng và phần mềm có khả năng tự động phát hiện, định tuyến và gửi thông tin sự cố theo thời gian thực. Hệ thống vận hành ổn định trong điều kiện thực nghiệm đa khoảng cách, hỗ trợ hiển thị dữ liệu đồng bộ trên LCD, ứng dụng di động Android và máy chủ Web Server. Nghiên cứu tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ IoT vào công tác quản lý hạ tầng năng lượng tái tạo và phát triển đô thị thông minh.