Thiết kế và thi công trạm quan trắc thời tiết

Đồ án thiết kế và thi công trạm quan trắc thời tiết - Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Nhật Quang
• Người hướng dẫn: GVC. ThS. Trương Ngọc Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công trạm quan trắc thời tiết
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế trạm quan trắc thời tiết thông minh

Đề tài thiết kế và thi công trạm quan trắc thời tiết được nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Hệ thống đáp ứng nhu cầu theo dõi biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp. Trạm quan trắc tự động thu thập nhiều chỉ số môi trường quan trọng. Các thông số bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển, tốc độ gió và hướng gió. Hệ thống còn đo lường lưu lượng mưa, cường độ ánh sáng, tiếng ồn cùng nồng độ khí CO2. Đặc biệt, thiết bị tích hợp cảm biến giám sát bụi mịn PM2.5 và PM10. Đây là những tác nhân ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Việc ứng dụng công nghệ vi điều khiển giúp thiết bị vận hành liên tục và ổn định. Dữ liệu đo đạc được số hóa và truyền tải nhanh chóng. Mô hình này mở ra giải pháp quan trắc môi trường chi phí thấp cho các khu đô thị và cơ sở sản xuất. Hệ thống thay thế phương pháp ghi chép thủ công tốn kém nhân lực. Trạm đo mang lại độ chính xác cao và cập nhật liên tục theo thời gian thực. Các trường đại học kỹ thuật đóng vai trò tiên phong trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị đo lường này. Sản phẩm thực tế khẳng định năng lực ứng dụng công nghệ IoT vào quản lý môi trường.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu đồ án trạm quan trắc khí tượng

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng một trạm quan trắc hoàn chỉnh. Hệ thống phải đảm bảo khả năng đo đạc chính xác các thông số thời tiết cơ bản. Nhóm nghiên cứu tập trung tối ưu hóa chi phí sản xuất phần cứng. Thiết bị hướng tới độ bền cao trong môi trường thời tiết khắc nghiệt ngoài trời. Nguồn cấp được thiết kế linh hoạt nhằm đảm bảo hoạt động liên tục 24/7. Trạm phải gửi dữ liệu đo đạc về trung tâm một cách tin cậy. Giao diện giám sát trên máy tính và điện thoại cần trực quan, dễ sử dụng. Đề tài chứng minh tính khả thi của việc nội địa hóa các thiết bị giám sát môi trường. Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng vững chắc cho các ứng dụng thực tế sau này.

1.2. Vai trò mạng cảm biến không dây trong thu thập dữ liệu

Mạng cảm biến không dây WSN giữ vai trò cốt lõi trong thu thập dữ liệu môi trường. Cấu trúc mạng gồm nhiều nút cảm biến phân tán trong không gian khảo sát. Các nút mạng đo đạc độc lập rồi truyền tín hiệu vô tuyến về trạm thu thập trung tâm. Cấu trúc này loại bỏ hoàn toàn hệ thống dây cáp phức tạp và tốn kém. Người vận hành dễ dàng di chuyển hoặc bổ sung các vị trí đo đạc mới. Khả năng mở rộng linh hoạt giúp mạng WSN thích nghi với nhiều địa hình phức tạp. Năng lượng tiêu thụ của từng nút mạng được tối ưu hóa ở mức tối thiểu. Điều này kéo dài tuổi thọ pin khi triển khai quan trắc tại thực địa. Công nghệ WSN mang lại tính tự động hóa cao và sự ổn định vượt trội.

II. Thách thức kỹ thuật khi thi công trạm quan trắc thời tiết

Thi công trạm quan trắc thời tiết ngoài trời đối mặt với nhiều khó khăn kỹ thuật. Khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam có độ ẩm cao và mưa bão lớn. Các linh kiện điện tử dễ bị oxy hóa và hư hỏng nếu không có lớp bảo vệ đạt chuẩn. Ngoài ra, việc duy trì khoảng cách truyền dữ liệu xa mà vẫn bảo đảm độ toàn vẹn tín hiệu là bài toán nan giải. Sóng vô tuyến thông thường như Wi-Fi hay Bluetooth có phạm vi truyền ngắn và tiêu tốn nhiều điện năng. Khi đặt trạm tại vùng hẻo lánh, nguồn điện lưới thường không có sẵn để cung cấp liên tục. Vấn đề đồng bộ hóa tín hiệu giữa các cảm biến vật lý cũng cần được giải quyết triệt để. Tín hiệu đo lường từ cảm biến công nghiệp thường gặp hiện tượng nhiễu xung điện từ môi trường. Nếu không xử lý khử nhiễu tốt, dữ liệu trả về sẽ sai lệch nghiêm trọng. Chi phí nhập khẩu trạm thời tiết thương mại từ nước ngoài rất đắt đỏ. Việc tự chủ thiết kế phần cứng và lập trình nhúng là hướng đi cấp thiết để giảm giá thành thiết bị.

2.1. Hạn chế về truyền thông khoảng cách xa và tiêu thụ điện

Các hệ thống truyền thông không dây phổ biến bộc lộ nhiều điểm yếu khi ứng dụng ngoài trời. Mạng Wi-Fi bị giới hạn phạm vi phủ sóng dưới 100 mét. Mạng di động 4G hay 5G tuy phủ sóng rộng nhưng lại có chi phí vận hành hàng tháng lớn. Đồng thời, module truyền phát di động tiêu thụ mức năng lượng rất cao. Điều này khiến thiết bị nhanh chóng cạn kiệt pin nếu sử dụng nguồn ắc quy hoặc pin mặt trời. Tín hiệu vô tuyến tần số cao cũng dễ bị suy hao nặng bởi cây cối và các tòa nhà cao tầng. Trạm quan trắc đòi hỏi một phương thức truyền tin tầm xa, tiêu hao năng lượng thấp và hoàn toàn miễn phí băng tần để vận hành liên tục.

2.2. Khó khăn trong tích hợp đa cảm biến và chống nhiễu

Việc tích hợp đồng thời nhiều cảm biến chuyên dụng tạo ra thách thức lớn về giao tiếp phần cứng. Mỗi loại cảm biến sử dụng giao thức và chuẩn tín hiệu điện áp khác nhau. Cảm biến cơ học như cánh quạt đo gió hay chong chóng hướng gió cần mạch đọc tín hiệu chính xác. Các dòng cảm biến chất lượng không khí lại yêu cầu dòng cấp ổn định để nung nóng đầu đo. Môi trường công nghiệp và đô thị thường xuất hiện xung nhiễu điện từ mạnh. Nhiễu này gây biến dạng khung dữ liệu khi truyền qua đường dây dài. Do đó, hệ thống cần có giải pháp chuẩn hóa giao thức kết nối công nghiệp. Đường truyền tín hiệu phải được cách ly và bảo vệ chống đột biến điện áp nhằm duy trì độ ổn định.

III. Giải pháp thi công trạm quan trắc thời tiết qua LoRa và RS485

Mô hình đề xuất tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM sử dụng cấu trúc phân tầng hiện đại. Hệ thống gồm hai nút cảm biến LoRa Node và một trạm thu trung tâm LoRa Gateway. Mỗi LoRa Node đảm nhận việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến ngoại vi. Các cảm biến chuyên dụng như hướng gió SN-3000-FXJT và cảm biến tốc độ gió sử dụng chuẩn RS485 Modbus RTU. Chuẩn truyền thông này giúp dữ liệu truyền tải ổn định và chống nhiễu vượt trội trên khoảng cách xa. Vi điều khiển xử lý và đóng gói các thông số môi trường thành gói tin tiêu chuẩn. Công nghệ LoRa truyền các gói tin vô tuyến về LoRa Gateway ở cự ly hàng cây số với năng lượng tiêu thụ cực thấp. Tại trạm trung tâm, LoRa Gateway nhận tín hiệu và giải mã dữ liệu an toàn. Thiết bị tích hợp vi điều khiển ESP8266 kết nối Wi-Fi để đưa dữ liệu lên máy chủ đám mây. Người giám sát theo dõi thông số thời tiết trực tiếp qua nền tảng Blynk hoặc giao diện Web. Giải pháp đảm bảo hệ thống vận hành liên tục và chính xác.

3.1. Ứng dụng chuẩn RS485 Modbus RTU đọc cảm biến

Chuẩn giao tiếp RS485 Modbus RTU được lựa chọn cho các cảm biến khí tượng chuyên dụng. Cảm biến hướng gió SN-3000-FXJT-N01-360 hoạt động ổn định với điện áp nguồn từ 10 đến 30 VDC. Thiết bị xác định chính xác 8 hướng gió chính hoặc đo góc quay từ 0 đến 359 độ. Vi điều khiển gửi khung truy vấn 8-byte qua cổng nối tiếp để đọc dữ liệu thanh ghi. Cảm biến phản hồi khung dữ liệu chứa giá trị đo và mã kiểm tra lỗi CRC16. Đường truyền vi sai của RS485 giúp triệt tiêu điện áp nhiễu đồng pha rất hiệu quả. Phương thức này cho phép nối dây dẫn dài hàng trăm mét mà không làm suy giảm tín hiệu số. Nhờ đó, việc thu thập thông số thời tiết đạt độ tin cậy tuyệt đối.

3.2. Truyền dẫn không dây LoRa và giám sát qua Blynk IoT

Công nghệ LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum trên dải tần ISM miễn phí. Tín hiệu LoRa có khả năng xuyên thấu vật cản tốt và khả năng chống nhiễu sóng vô tuyến cao. Các LoRa Node truyền dữ liệu đo đạc định kỳ về trạm LoRa Gateway mà không cần kết nối Internet trực tiếp. Tại trạm Gateway, vi điều khiển ESP8266 nhận gói dữ liệu vô tuyến, phân tích cú pháp và kết nối mạng Wi-Fi. Dữ liệu sau đó được đẩy tức thời lên nền tảng IoT Blynk và máy chủ điều khiển. Người dùng có thể cài đặt ngưỡng cảnh báo tự động khi nồng độ bụi hay nhiệt độ vượt mức an toàn. Giao diện bảng điều khiển hiển thị biểu đồ thời gian thực rất sinh động và trực quan.

IV. Hiệu quả ứng dụng trạm quan trắc thời tiết vào thực tiễn

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chế tạo thành công trạm quan trắc thời tiết hoàn chỉnh. Hệ thống chạy thử nghiệm ổn định trong các điều kiện môi trường thực tế. Độ trễ truyền dữ liệu từ các cảm biến về giao diện trung tâm duy trì ở mức thấp. Các thông số nhiệt độ, áp suất, tốc độ gió và bụi mịn hiển thị chính xác và đồng bộ. Giải pháp kết hợp chuẩn RS485 và sóng LoRa chứng minh tính ưu việt về độ bền và cự ly truyền dẫn. Mô hình trạm đo này có chi phí lắp đặt rẻ hơn nhiều so với thiết bị thương mại cùng phân khúc. Hệ thống mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong nông nghiệp thông minh, cảnh báo thiên tai và quản lý đô thị. Thiết bị hỗ trợ đắc lực cho các nhà quản lý trong việc đưa ra quyết định kịp thời. Thành công của đồ án khẳng định chất lượng đào tạo gắn liền với thực tiễn tại HCMUTE. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự báo sớm thời tiết cực đoan.

4.1. Khả năng nhân rộng mô hình trạm đo trong nông nghiệp

Mô hình trạm quan trắc thời tiết mang lại giá trị thực tiễn rất cao cho sản xuất nông nghiệp. Người nông dân cần thông tin chính xác về độ ẩm đất, lượng mưa và nhiệt độ để điều tiết tưới tiêu. Hệ thống cung cấp số liệu khí tượng liên tục giúp giảm thiểu thiệt hại do thời tiết biến động. Các trang trại canh tác công nghệ cao dễ dàng lắp đặt các LoRa Node trên diện tích rộng lớn mà không lo vướng víu dây cáp. Chi phí đầu tư ban đầu hợp lý giúp mô hình dễ dàng tiếp cận người sản xuất vừa và nhỏ. Việc kiểm soát tốt khí hậu vi mô góp phần tăng năng suất cây trồng và bảo vệ nguồn tài nguyên nước.

4.2. Định hướng tích hợp AI và mở rộng mạng lưới giám sát

Định hướng phát triển tương lai của trạm quan trắc là tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo. Dữ liệu chuỗi thời gian thu thập được sẽ trở thành nguồn tài nguyên quý giá để huấn luyện mô hình học máy. Hệ thống có thể tự động phân tích quy luật thời tiết cục bộ và dự báo sớm nguy cơ mưa dông hay lốc xoáy. Ngoài ra, việc mở rộng cấu trúc mạng LoRaWAN cho phép liên kết hàng trăm trạm đo vệ tinh vào một mạng lưới đô thị thông minh thống nhất. Nền tảng quản lý trung tâm sẽ cung cấp bản đồ số nhiệt độ và chất lượng không khí theo thời gian thực. Hướng đi này giúp nâng tầm đồ án thành giải pháp chuyển đổi số toàn diện cho công tác quản lý môi trường đô thị.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn biến phức tạp, Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề bởi các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa lớn cục bộ, rét đậm kéo dài, bão và áp thấp nhiệt đới trái mùa, cùng tình trạng hạn hán gay gắt gây thiếu hụt nước sinh hoạt, sản xuất và gia tăng nguy cơ cháy rừng. Thực tế này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc xây dựng các hệ thống quan trắc cảnh báo sớm nhằm chủ động theo dõi biến động khí tượng và giảm thiểu tổn thất về người và tài sản. Cùng với sự phát triển của công nghệ vạn vật kết nối (IoT) và kỹ thuật truyền thông không dây năng lượng thấp tầm xa LoRa, việc phát triển các trạm quan trắc tự động có khả năng thu thập và truyền dữ liệu liên tục về máy chủ từ xa trở thành giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế và thi công trạm quan trắc thời tiết" được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh lựa chọn thực hiện.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình trạm quan trắc thời tiết có khả năng đo đạc tự động các thông số khí tượng - môi trường bao gồm: tốc độ gió, hướng gió, lưu lượng mưa, nồng độ khí $\text{CO}_2$, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển, cường độ ánh sáng, độ ồn và nồng độ bụi mịn $\text{PM2.5}$, $\text{PM10}$. Hệ thống đảm bảo thu thập dữ liệu thời gian thực và giám sát liên tục 24/7 trên cả nền tảng web lẫn ứng dụng điện thoại thông qua kết nối Internet.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định theo văn bản gồm:

1. Nghiên cứu lý thuyết và phương thức giao tiếp truyền thông công nghiệp Modbus RS485.
2. Tìm hiểu cách thức giao tiếp Modbus RS485 trên vi điều khiển ESP8266; nghiên cứu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật và giao thức truyền dữ liệu của các loại cảm biến: cảm biến tốc độ gió (SN-3000-FSJT-N01), cảm biến hướng gió (SN-3000-FXJT-N01-360), cảm biến lưu lượng mưa (SN-YL-N01-3002), cảm biến khí $\text{CO}_2$ (SN-300BYH-CO2-M) và cảm biến không khí tích hợp đa thông số (SN-300BYH-M).
3. Lập trình vi điều khiển, xây dựng thuật toán truyền nhận dữ liệu và thiết kế giao diện hiển thị trên nền tảng phần mềm Blynk thông qua chip vi điều khiển ESP8266.
4. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, thi công mạch in (PCB) và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình hệ thống gồm 01 LoRa Gateway và 02 LoRa Node được tích hợp module thu phát không dây LoRa.
5. Tiến hành chạy thử nghiệm thực tế toàn bộ hệ thống, đo đạc khoảng cách truyền dẫn, kiểm tra độ ổn định và hiệu chỉnh hoàn thiện mô hình.
6. Tổng hợp số liệu thực nghiệm và hoàn thành báo cáo đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình phần cứng và giải thuật nhúng của trạm quan trắc thời tiết tự động sử dụng mạng cảm biến không dây kết hợp công nghệ LoRa và IoT.
• Phạm vi không gian: Hệ thống được bố trí thực nghiệm với cự ly truyền nhận dữ liệu không dây giữa các LoRa Node và LoRa Gateway trong phạm vi khoảng cách thực nghiệm tối đa 290 m. Cấu trúc phần cứng giới hạn gồm 01 Gateway quản lý 02 Node đo (Node 1 chứa 4 cảm biến: tốc độ gió, hướng gió, lưu lượng mưa, nồng độ $\text{CO}_2$; Node 2 chứa cảm biến đa chỉ số môi trường).
• Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện từ ngày 20/02/2024 đến ngày 21/06/2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết về mạng cảm biến không dây, kỹ thuật điều chế vô tuyến, các chuẩn truyền thông nối tiếp công nghiệp và giao thức mạng, cụ thể:

• Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN): Cấu trúc liên kết gồm các nút cảm biến thu thập thông tin độc lập tại các vị trí phân tán và chuyển tiếp dữ liệu về nút trung tâm thông qua sóng vô tuyến.
• Công nghệ mạng không dây tầm xa LoRa (Long Range): Dựa trên kỹ thuật điều chế trải phổ Chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS) do Semtech phát triển, cho phép giải mã tín hiệu ở mức công suất thấp hơn cả ngưỡng nhiễu môi trường, độ nhạy thu đạt mức -141 dBm. Đồ án sử dụng dải tần số 433 MHz (phân bổ cho khu vực Châu Á và Châu Âu) trên module Ra-02 tích hợp chip Semtech SX1278.
• Mạng truyền thông di động GSM/GPRS (2G): Dựa trên tiêu chuẩn của Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI), sử dụng module SIM800L hỗ trợ 4 băng tần để thiết lập kết nối truyền dữ liệu và tin nhắn SMS.
• Các chuẩn giao tiếp phần cứng:
  • Chuẩn UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Truyền dữ liệu nối tiếp không đồng bộ thông qua hai chân TX và RX, tốc độ truyền hỗ trợ từ 9600 bps đến 115200 bps, khung dữ liệu gồm bit Start, 5–9 bit dữ liệu, bit Parity và 1–2 bit Stop.
  • Chuẩn SPI (Serial Peripheral Interface): Truyền dữ liệu đồng bộ song công toàn phần (Full-duplex) theo mô hình Master - Slave gồm 4 đường tín hiệu: MOSI, MISO, SCLK và CS/SS.
  • Chuẩn RS485 (TIA/EIA-485-A): Phương thức truyền tín hiệu vi sai trên cặp dây xoắn, cự ly truyền dẫn cho phép tối đa 1219 m (tại tốc độ 100 kbps), khả năng kết nối tối đa 32 thiết bị trên cùng một bus bán song công 2 dây, sử dụng điện trở phối hợp trở kháng 120 $\Omega$ ở cuối đường truyền để triệt tiêu sóng phản xạ.
  • Giao thức truyền thông công nghiệp Modbus RTU: Giao thức tầng ứng dụng hoạt động theo cơ chế Master/Slave (Request/Reply). Đề tài sử dụng Mã chức năng 03 (Function Code 03 - Read Holding Registers) để truy vấn dữ liệu từ các thanh ghi nội tại của cảm biến với mỗi thanh ghi có dung lượng 2 byte, kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu bằng mã kiểm tra dư tuần hoàn 16-bit (CRC-16).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tác giả triển khai qua các bước:

1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và khảo sát hiện trạng: Phân tích số liệu quan trắc ô nhiễm không khí tại Thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 2016–2020 theo Quy chuẩn Quốc gia QCVN 42:2012/BTNMT, đối chiếu với thống kê nồng độ bụi $\text{PM2.5}$ theo bảng xếp hạng của IQAir năm 2023.
2. Phương pháp phân tích, thiết kế mạch điện tử: Phân tích sơ đồ khối, tính toán dòng điện và công suất tiêu thụ của từng khối linh kiện, thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý và vẽ bản vẽ mạch in PCB hai lớp.
3. Phương pháp lập trình nhúng và cấu hình nền tảng IoT: Sử dụng môi trường Arduino IDE để biên dịch mã nguồn C/C++ nạp cho vi điều khiển ESP8266; cấu hình các luồng dữ liệu (Datastream) và bảng điều khiển (Dashboard) trên nền tảng đám mây Blynk.
4. Phương pháp thử nghiệm và đo đạc thực nghiệm: Tiến hành bố trí các node cảm biến ngoài trời, đo đạc cự ly truyền nhận sóng LoRa qua các mốc cự ly thực tế, kiểm tra khả năng lưu chuyển dữ liệu từ cảm biến qua LoRa đến Gateway và đẩy lên Internet.
5. Phương pháp so sánh, đánh giá: Thu thập số liệu đo đạc thực tế từ trạm tự chế và đối chiếu trực tiếp với các thiết bị đo thương mại để kiểm tra sai số và độ ổn định.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

• Dữ liệu thứ cấp: Báo cáo chất lượng không khí của Sở Tài nguyên và Môi trường TP.HCM, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 42:2012/BTNMT, báo cáo thường niên của IQAir năm 2023.
• Dữ liệu sơ cấp: Số liệu cảm biến đọc trực tiếp từ các cổng RS485 Modbus RTU và các gói tin đo đạc thực tế tại hiện trường do hệ thống ghi nhận.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tầng gồm các nút cảm biến thu thập tại chỗ (LoRa Node), nút điều phối trung tâm (LoRa Gateway) và lớp ứng dụng hiển thị (Blynk IoT).

Kiến trúc phần cứng hệ thống

Toàn bộ hệ thống gồm 03 khối mạch chính được thiết kế trên bo mạch PCB chuyên dụng:

Thành phần hệ thống	Vi điều khiển trung tâm	Module truyền thông	Cảm biến tích hợp	Nguồn cấp
LoRa Node 1	NodeMCU ESP8266 CP2102	- LoRa Ra-02 SX1278 (433 MHz) - Mạch chuyển UART-RS485 (IC 74HC04D, XL485)	- Cảm biến tốc độ gió SN-3000-FSJT-N01 - Cảm biến hướng gió SN-3000-FXJT-N01-360 - Cảm biến lưu lượng mưa SN-YL-N01-3002 - Cảm biến khí $\text{CO}_2$ SN-300BYH-CO2-M	Pin mặt trời 50W, điều khiển sạc, ắc quy 12V, mạch Buck Mini-360 3A
LoRa Node 2	NodeMCU ESP8266 CP2102	- LoRa Ra-02 SX1278 (433 MHz) - Mạch chuyển UART-RS485	Cảm biến đa chỉ số SN-300BYH-M (Nhiệt độ, độ ẩm, $\text{PM2.5}$, $\text{PM10}$, tiếng ồn, áp suất, cường độ ánh sáng)	Hệ thống ắc quy và mạch Buck DC-DC Mini-360
LoRa Gateway	NodeMCU ESP8266 CP2102	- LoRa Ra-02 SX1278 (433 MHz) - Module GSM/GPRS SIM800L - Wi-Fi SoC (ESP8266 tích hợp)	Không có cảm biến (làm nhiệm vụ trạm thu thập trung gian)	Nguồn điện DC ổn định qua mạch giảm áp Buck Mini-360

Chi tiết các cảm biến công nghiệp và khung truyền Modbus RTU

Các cảm biến ngoại vi hoạt động với nguồn công nghiệp từ 10~30 VDC và giao tiếp thông qua chuẩn RS485 Modbus RTU (8 bit dữ liệu, không bit chẵn lẻ, 1 bit dừng):

• Cảm biến tốc độ gió (SN-3000-FSJT-N01): Phạm vi đo 0–70 m/s, độ phân giải 0.1 m/s, thời gian đáp ứng $\le 1\text{s}$. Khung truy vấn gửi từ vi điều khiển theo cấu trúc: 0x01 0x03 0x00 0x00 0x00 0x01 0x84 0x0A. Khung trả lời chứa giá trị tốc độ gió phóng đại gấp 10 lần giá trị thực (ví dụ nhận chuỗi dữ liệu phản hồi có giá trị thanh ghi là 0x0056 chuyển sang hệ thập phân là 86, tương ứng vận tốc gió thực tế là 8.6 m/s).
• Cảm biến hướng gió (SN-3000-FXJT-N01-360): Phạm vi đo 8 hướng chính (0–359.9 độ), thời gian phản hồi động $\le 0.5\text{s}$. Khung truy vấn: 0x01 0x03 0x00 0x01 0x00 0x01 0xD5 0xCA. Giá trị góc phản hồi từ thanh ghi được giải mã để xác định chính xác một trong 8 hướng địa lý.
• Cảm biến lưu lượng mưa (SN-YL-N01-3002), cảm biến khí $\text{CO}_2$ (SN-300BYH-CO2-M) và cảm biến môi trường (SN-300BYH-M): Dữ liệu được đọc định kỳ thông qua cơ chế phát vấn từng địa chỉ thanh ghi bằng lệnh Function Code 03.

Triển khai thuật toán và phần mềm giám sát

1. Giải thuật vi điều khiển tại LoRa Node: Sau khi khởi tạo cấu hình chân, cổng UART và bus SPI, vi điều khiển gửi tuần tự các chuỗi byte truy vấn Modbus RTU tới từng cảm biến qua mạch chuyển XL485. Khi nhận được khung phản hồi, chương trình tiến hành tính toán kiểm tra mã lỗi CRC-16, bóc tách các byte dữ liệu cao và thấp, nhân tỷ lệ quy đổi số thực và đóng gói toàn bộ các thông số môi trường thành chuỗi ký tự theo cấu trúc định sẵn. Chuỗi dữ liệu này được chuyển tới module LoRa Ra-02 để phát sóng vô tuyến ra không gian.
2. Giải thuật vi điều khiển tại LoRa Gateway: Gateway duy trì chế độ lắng nghe tín hiệu vô tuyến LoRa liên tục ở tần số 433 MHz. Khi nhận được gói tin, vi điều khiển phân tích tiền tố nhận dạng để xác định nguồn gửi là Node 1 hay Node 2, trích xuất các giá trị trường dữ liệu, đồng thời kiểm tra tính khả dụng của mạng Wi-Fi cục bộ để thực thi chương trình con giao tiếp với máy chủ Blynk. Trong trường hợp có cảnh báo hoặc cấu hình truyền dự phòng, module SIM800L được kích hoạt để truyền tin thông qua mạng di động.
3. Thiết lập giao diện điều khiển và giám sát Blynk: Trên nền tảng Blynk Cloud, tác giả tạo một Template thiết bị mới, cấu hình các kênh dữ liệu ảo (Virtual Pin Datastream) tương ứng với từng biến môi trường. Giao diện người dùng (Dashboard) được thiết kế kết hợp nhiều widget trực quan: widget Label (hiển thị tức thời giá trị số kèm đơn vị đo), widget Chart (vẽ đồ thị biểu diễn lịch sử biến thiên của nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ bụi mịn) và widget Image Gallery.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng Quan

Chương này khái quát tổng quan lĩnh vực quan trắc môi trường và sự cần thiết của hệ thống cảnh báo sớm thiên tai tại Việt Nam. Tác giả tổng hợp các số liệu thực tế về hiện trạng ô nhiễm không khí tại TP.HCM (giai đoạn 2016–2020), chỉ ra nồng độ bụi $\text{PM2.5}$ trung bình vượt 2.5 lần Quy chuẩn QCVN 42:2012/BTNMT, đạt mức cao nhất vào mùa khô do bụi lơ lửng và đốt rơm rạ. Đồng thời, văn bản dẫn chứng số liệu của IQAir năm 2023 xếp Việt Nam đứng thứ 22 trên toàn cầu với nồng độ $\text{PM2.5}$ trung bình 29.5 $\mu\text{g/m}^3$ (khu vực Hoàn Kiếm và Tây Hồ chạm ngưỡng ô nhiễm rất cao; AQI TP.HCM dao động từ 46 đến 89), so sánh với tình hình ô nhiễm toàn cầu tại Nam Á và Đông Nam Á. Từ đó, chương xác lập mục tiêu, giới hạn kỹ thuật (truyền thông LoRa 290 m, 01 Gateway, 02 Node) và lộ trình nghiên cứu cụ thể của đề tài.

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết kỹ thuật phục vụ việc thiết kế phần cứng và phần mềm. Nội dung bao gồm:

• Khái niệm, kiến trúc và đặc tính của mạng cảm biến không dây WSN.
• Bản chất kỹ thuật điều chế trải phổ Chirp (CSS) của công nghệ LoRa, các thông số ảnh hưởng đến cự ly và tốc độ truyền gồm băng thông (BW), hệ số trải phổ (SF), tỷ lệ mã hóa (CR), và sự phân bổ băng tần 433 MHz.
• Mạng di động 2G, cấu trúc hệ thống viễn thông GSM (Mobile Station, Base Station Subsystem, Switching System, OSS).
• Cơ chế truyền thông nối tiếp của UART, SPI, RS485 và giao thức Modbus RTU (cấu trúc PDU, ADU, hàm 03 đọc Holding Register và thuật toán CRC).
• Thông số kỹ thuật chi tiết của các linh kiện phần cứng sử dụng: Kit NodeMCU ESP8266 CP2102, mạch chuyển UART TTL-RS485 (chip 74HC04D và XL485), module thu phát RF SPI LoRa Ra-02 SX1278 (công suất phát 18±1 dBm, dòng phát 93 mA ở 433 MHz), module SIM800L, các cảm biến công nghiệp (SN-3000-FSJT-N01, SN-3000-FXJT-N01-360, SN-YL-N01-3002, SN-300BYH-CO2-M, SN-300BYH-M) cùng hệ thống nguồn độc lập gồm tấm pin mặt trời 50W, bộ điều khiển sạc, ắc quy 12V và mạch giảm áp Buck Mini-360 3A.
• Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE và nền tảng đám mây Blynk.

Chương 3: Thiết Kế Và Xây Dựng Hệ Thống

Chương 3 đi sâu vào quá trình tính toán và thiết kế kỹ thuật:

• Đưa ra yêu cầu hệ thống và xây dựng sơ đồ khối tổng quát cho trạm quan trắc.
• Phân tích và lựa chọn vi điều khiển điều khiển trung tâm tối ưu giữa các dòng chip dựa trên tiêu chí chi phí, chân kết nối và khả năng tích hợp mạng không dây.
• Tính toán lựa chọn dung lượng nguồn và công suất tiêu thụ cho từng khối: khối xử lý trung tâm, khối cảm biến và khối truyền nhận của LoRa Node 1, LoRa Node 2 và LoRa Gateway.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý chi tiết cho từng mạch thành phần: mạch điều khiển trung tâm, mạch giao tiếp RS485-TTL, mạch kết nối các cảm biến và mạch thu phát vô tuyến LoRa SPI.
• Tổng hợp sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống đảm bảo sự phối hợp đồng bộ giữa các thành phần điện tử.

Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương này mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế và xây dựng thuật toán:

• Quy trình thiết kế layout bo mạch in (PCB) và lắp ráp linh kiện thực tế cho LoRa Gateway, LoRa Node 1 và LoRa Node 2.
• Gia công cơ khí, bố trí lắp đặt mạch điện, cảm biến và bộ nguồn trong các tủ điện kỹ thuật chống chịu thời tiết ngoài trời.
• Thiết lập lưu đồ giải thuật cho toàn bộ chương trình nhúng: lưu đồ giải thuật chính của LoRa Gateway, lưu đồ giải thuật của LoRa Node 1 và LoRa Node 2.
• Xây dựng lưu đồ cho các chương trình con chuyên trách: chương trình con "Giao tiếp với Blynk", chương trình con "Gửi tin nhắn qua LoRa" và chương trình con "Nhận tin nhắn qua LoRa".

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá

Chương 5 công bố các dữ liệu thực nghiệm thu được sau khi triển khai hệ thống:

• Kết quả thử nghiệm đo khoảng cách truyền nhận vô tuyến LoRa qua 2 lần đo đạc thực tế ngoài trời, ghi nhận khả năng truyền thông tin cậy trong phạm vi bán kính 290 m.
• Kết quả hiển thị dữ liệu đo đạc thực tế từ LoRa Node 1 và LoRa Node 2 lên giao diện Web Dashboard và ứng dụng Blynk trên điện thoại di động.
• Bảng đối chiếu so sánh kết quả đo các thông số thời tiết của đề tài với thiết bị thương mại chuyên dụng nhằm xác minh độ tin cậy và sai số của hệ thống.
• Biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống và đưa ra các nhận xét, đánh giá toàn diện về chất lượng hoạt động của mô hình.

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Chương cuối cùng tổng kết mức độ hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu ban đầu của đề tài, đánh giá các điểm mạnh về mặt tích hợp công nghệ, khả năng giám sát từ xa và hoạt động tự chủ năng lượng. Đồng thời, tác giả thẳng thắn chỉ ra các điểm còn tồn tại của hệ thống và đề xuất các phương án mở rộng, cải tiến kỹ thuật trong các nghiên cứu tiếp theo.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Đề tài đã hoàn thành việc chế tạo và tích hợp hoàn chỉnh hệ thống quan trắc thời tiết tự động với các số liệu thực nghiệm được kiểm chứng trong văn bản:

• Thiết kế và chế tạo thành công bo mạch in PCB chuyên dụng cho 01 LoRa Gateway và 02 LoRa Node, hoạt động ổn định trong điều kiện lắp đặt thực tế.
• Giám sát đồng thời và chính xác 10 chỉ số môi trường: tốc độ gió (dải đo 0–70 m/s), hướng gió (8 hướng địa lý / 0–359.9 độ), lưu lượng mưa, nồng độ khí $\text{CO}_2$, nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi mịn $\text{PM2.5}$, bụi mịn $\text{PM10}$, áp suất không khí và cường độ ánh sáng.
• Cự ly truyền thông không dây bằng module LoRa Ra-02 SX1278 (433 MHz) giữa các nút cảm biến và gateway thu thập đạt khoảng cách đo thực nghiệm ổn định tối đa là 290 m.
• Dữ liệu môi trường được truyền dẫn liên tục và hiển thị trực quan theo thời gian thực trên cả hai nền tảng: ứng dụng di động Blynk và giao diện Web Dashboard 24/7.
• Cung cấp nguồn năng lượng độc lập cho trạm quan trắc ngoài trời (Node 1) bằng việc kết hợp tấm pin năng lượng mặt trời 50W, bộ điều khiển sạc và bình ắc quy 12V qua mạch giảm áp Mini-360 3A.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

• Ứng dụng cấu trúc mạng truyền thông phân tầng kết hợp (Hybrid Network): Sử dụng sóng vô tuyến công nghệ LoRa cho kết nối cục bộ giữa các node cảm biến ngoài trời về trạm trung tâm nhằm tối ưu hóa chi phí viễn thông và tiết kiệm năng lượng, sau đó tập trung dữ liệu tại Gateway để đẩy lên đám mây thông qua mạng Wi-Fi và mạng di động GSM/GPRS.
• Sử dụng chuẩn truyền thông công nghiệp vi sai RS485 kết hợp giao thức Modbus RTU cho các đầu dò ngoài trời nhằm loại bỏ nhiễu điện từ trên đường dây kéo dài và cho phép mở rộng ghép nối nhiều cảm biến chuyên dụng trên cùng một tuyến bus.

Đóng góp của đề tài

So với các công trình nghiên cứu và mô hình thử nghiệm trước đó, đồ án đã đạt được các đóng góp tự thân bao gồm:

• Tự thiết kế hoàn chỉnh hệ thống phần cứng từ khâu tính toán tải nguồn, vẽ sơ đồ nguyên lý đến gia công mạch in PCB thực tế cho toàn bộ các trạm, không phụ thuộc vào các module cắm dây thử nghiệm rời rạc, giúp mô hình đạt độ bền cơ học cao trong môi trường thời tiết thực tế.
• Tích hợp thành công số lượng lớn các cảm biến công nghiệp đa chỉ số trên nền tảng vi điều khiển chi phí thấp ESP8266, làm chủ kỹ thuật giải mã khung truyền Modbus RTU và thuật toán kiểm tra mã dư tuần hoàn CRC-16 trên chip nhúng.
• Xây dựng giải pháp quan trắc thời tiết có chi phí đầu tư linh kiện thấp nhưng vẫn đáp ứng đầy đủ các chỉ số khí tượng - môi trường tương đương các trạm quan trắc thương mại.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

Theo nội dung công bố trong văn bản đồ án, hệ thống còn tồn tại một số giới hạn kỹ thuật:

• Khoảng cách truyền dữ liệu bằng sóng LoRa trong môi trường thực nghiệm bị giới hạn trong phạm vi 290 m, phụ thuộc vào điều kiện vật cản địa hình và môi trường truyền sóng.
• Khả năng đẩy dữ liệu lên máy chủ Blynk của LoRa Gateway vẫn phụ thuộc chủ yếu vào vùng phủ sóng của mạng Wi-Fi cố định; sự phối hợp tự động chuyển mạng với module GSM SIM800L khi mất kết nối Internet chưa được tối ưu hóa hoàn toàn.
• Mức tiêu thụ năng lượng của các LoRa Node sử dụng vi điều khiển ESP8266 chưa được tối ưu triệt để do chưa áp dụng các chế độ ngủ sâu (Deep Sleep) ngắt quãng giữa các chu kỳ đo.

Hạn chế và hướng mở từ phạm vi nghiên cứu

Dựa trên giới hạn quy mô đề tài, hướng phát triển và hoàn thiện tiếp theo gồm có:

• Nâng cấp anten phát và thu có độ lợi (gain) cao hơn hoặc nghiên cứu ứng dụng giao thức mạng định tuyến LoRaWAN/LoRa Mesh để gia tăng cự ly truyền thông và mở rộng bán kính quan trắc vượt qua mốc 290 m.
• Lập trình chế độ quản lý năng lượng thông minh trên vi điều khiển ESP8266, đưa hệ thống vào trạng thái Deep Sleep và chỉ thức dậy đọc cảm biến định kỳ nhằm kéo dài thời gian hoạt động của bình ắc quy trong những đợt thời tiết âm u kéo dài.
• Tích hợp thêm bộ nhớ đệm ngoại vi (thẻ nhớ MicroSD hoặc chip nhớ EEPROM) tại trạm Gateway để ghi nhật ký dữ liệu ngoại tuyến (Data Logging), đảm bảo không bị thất thoát số liệu quan trắc khi xảy ra sự cố gián đoạn đường truyền Internet.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho nhiều đối tượng:

• Đối tượng phù hợp:
  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Thông tin (chuyên ngành IoT và Hệ thống nhúng) đang thực hiện đồ án môn học, khóa luận tốt nghiệp hoặc nghiên cứu khoa học.
  • Kỹ sư, kỹ thuật viên phát triển các sản phẩm đo đạc môi trường thông minh, nông nghiệp công nghệ cao hoặc các trạm giám sát thời tiết tại chỗ phục vụ phòng chống thiên tai.
• Các nội dung trọng tâm đáng tham khảo:
  • Phương pháp xây dựng thuật toán và cấu trúc mã nguồn giao tiếp chuẩn công nghiệp Modbus RTU Function 03 qua cổng UART/RS485 trên chip ESP8266.
  • Bản vẽ thiết kế nguyên lý và bố trí mạch in PCB phối ghép vi điều khiển với các module chức năng chuyên biệt: module LoRa Ra-02 SX1278 (chuẩn SPI), module SIM800L và mạch hạ áp DC-DC.
  • Phương pháp tính toán công suất tiêu thụ và phối ghép hệ thống năng lượng mặt trời độc lập (pin quang điện 50W, điều khiển sạc, bình ắc quy 12V) cho thiết bị nhúng đặt ngoài trời.
  • Quy trình cấu hình và xây dựng bảng điều khiển giám sát từ xa trên nền tảng đám mây Blynk IoT.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống quan trắc thời tiết trong đồ án gồm những nút phần cứng nào và phân chia nhiệm vụ đo đạc ra sao?

Hệ thống gồm 01 LoRa Gateway và 02 LoRa Node:

• LoRa Node 1: Đặt trong tủ điện chuyên dụng ngoài trời, kết nối 4 cảm biến công nghiệp gồm cảm biến tốc độ gió (SN-3000-FSJT-N01), cảm biến hướng gió (SN-3000-FXJT-N01-360), cảm biến lưu lượng mưa (SN-YL-N01-3002) và cảm biến khí $\text{CO}_2$ (SN-300BYH-CO2-M).
• LoRa Node 2: Kết nối với một cảm biến tích hợp đa thông số (SN-300BYH-M) để đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển, cường độ ánh sáng, độ ồn cùng nồng độ bụi mịn $\text{PM2.5}$ và $\text{PM10}$.
• LoRa Gateway: Đóng vai trò nút thu thập trung tâm, nhận dữ liệu không dây từ 2 Node qua sóng LoRa và chuyển tiếp toàn bộ dữ liệu lên máy chủ Blynk thông qua kết nối Wi-Fi.

2. Cảm biến tốc độ gió SN-3000-FSJT-N01 giao tiếp với vi điều khiển như thế nào và cách quy đổi dữ liệu thực tế ra sao?

Cảm biến tốc độ gió sử dụng chuẩn truyền thông công nghiệp RS485 và giao thức Modbus RTU. Vi điều khiển ESP8266 gửi khung truy vấn 0x01 0x03 0x00 0x00 0x00 0x01 0x84 0x0A (đọc 1 thanh ghi tại địa chỉ 0x0000). Cảm biến trả về khung dữ liệu có dạng 0x01 0x03 0x02 [Byte cao] [Byte thấp] [CRC thấp] [CRC cao]. Giá trị nhận được trong 2 byte dữ liệu lớn gấp 10 lần giá trị đo thực tế (ví dụ: dữ liệu trả về 0x0056 đổi sang hệ thập phân là 86 thì tốc độ gió thực tế là $86 / 10 = 8.6\text{ m/s}$).

3. Khoảng cách truyền nhận dữ liệu vô tuyến của module LoRa Ra-02 đạt được trong thực nghiệm là bao nhiêu?

Theo kết quả thử nghiệm thực tế ngoài trời được trình bày trong Chương 5 của đồ án, module LoRa Ra-02 SX1278 hoạt động ở tần số 433 MHz đạt được cự ly truyền nhận dữ liệu tin cậy tối đa là 290 m giữa các LoRa Node và LoRa Gateway.

4. Giải pháp cấp nguồn cho các trạm quan trắc ngoài trời được thiết kế như thế nào?

Để đảm bảo trạm hoạt động độc lập ngoài trời không cần nguồn điện lưới, tác giả thiết kế hệ thống nguồn năng lượng mặt trời cho Node 1 gồm: một tấm pin năng lượng mặt trời công suất 50W, một bộ điều khiển sạc mặt trời chuyên dụng, một bình ắc quy 12V để lưu trữ năng lượng và các mạch giảm áp xung Buck DC-DC Mini-360 3A để hạ điện áp xuống 5V và 3.3V cấp cho vi điều khiển và các module cảm biến.

5. Dữ liệu thời tiết được hiển thị và giám sát qua các công cụ nào trên ứng dụng Blynk?

Dữ liệu được hiển thị theo thời gian thực trên cả giao diện Web Dashboard và ứng dụng Blynk trên điện thoại thông qua các kênh dữ liệu ảo (Datastream). Giao diện sử dụng các widget nhãn (Label) để hiển thị tức thời giá trị đo kèm đơn vị của 10 thông số môi trường, kết hợp với widget biểu đồ (Chart) để vẽ đồ thị theo dõi lịch sử biến thiên của các thông số thời tiết theo thời gian.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công trạm quan trắc thời tiết" của sinh viên Nguyễn Hoàng Nhật Quang và Trương Huệ Trí (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã giải quyết thành công bài toán giám sát môi trường tự động từ xa bằng cách kết hợp công nghệ LoRa và IoT. Hệ thống làm chủ kỹ thuật thu thập 10 thông số khí tượng qua chuẩn công nghiệp Modbus RS485, thiết kế hoàn chỉnh bo mạch PCB và vận hành độc lập bằng nguồn năng lượng mặt trời 50W. Kết quả đo đạc thực nghiệm khẳng định cự ly truyền thông vô tuyến đạt 290 m và hiển thị dữ liệu thời gian thực ổn định trên nền tảng Blynk 24/7. Đây là tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao, cung cấp quy trình thiết kế và thực thi bài bản cho các nghiên cứu trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây và quan trắc môi trường thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan 1.3 Nhiệm Vụ Và Giới Hạn Của Đề Tài 1.1 Nhiệm Vụ - Nghiên cứu về chuẩn truyền thông giao tiếp Modbus RS485 - Tìm hiểu chuẩn truyền thông giao tiếp Modbus RS485 với ESP8266, tìm hiểu về cảm biến hướng gió (SN-3000-FXJT-N01-360), cảm biến tốc độ gió (SN- 3000-FSJT-N01), cảm biến lưu lượng mưa (SN-YL-N01-3002), cảm biến khí CO2 (SN-300BYH-CO2-M) và cảm biến không khí đo nhiều thông số gồm nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn, bụi mịn PM2.5 và PM10, áp suất không khí và cường độ ánh sáng (SN-300BYH-M). - Lập trình, thiết kế giao diện hiển thị và thao tác với phần mềm Blynk được thiết lập thông qua ESP8266. - Xây dựng mô hình hệ thống gồm một gateway và 2 node. Tại mỗi node sẽ có các loại cảm biến và module LoRa.

- Chạy thử nghiệm mô hình, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống. - Tiến hành viết báo cáo đồ án.2 Giới Hạn - Khoảng cách truyền dữ liệu trong phạm vi 290m. - Thiết kế mô hình gồm một Gateway và hai Node. Trong đó Node 1 là mô hình tủ điện gồm 4 loại cảm biến: tốc độ gió, hướng gió, CO2, lưu lượng mưa và Node 2 có 1 cảm biến đo nhiều thông số (nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn, bụi mịn PM2.5 và PM10, áp suất không khí, cường độ ánh sáng).

- Giám sát được các giá trị mà cảm biến đo được trên web và điện thoại.4 Phương Pháp Nghiên Cứu Lựa chọn vị trí: Chọn các vị trí chiến lược để đặt các trạm quan trắc sao cho đại diện cho chất lượng môi trường trong khu vực cụ thể. Thiết kế hệ thống: Xây dựng cấu trúc cần thiết cho trạm quan trắc, bao gồm việc lựa chọn và cài đặt cảm biến, hệ thống truyền dữ liệu và phần mềm phân tích. Cài đặt cảm biến: Lắp đặt các cảm biến để thu thập dữ liệu về các thông số 5 Chương 1: Tổng Quan môi trường cần thiết, như nồng độ bụi mịn PM2.5, PM10, CO2, nhiệt độ, độ ẩm. Thu thập dữ liệu: Sử dụng các cảm biến để thu thập dữ liệu môi trường tại các vị trí đã chọn.

Dữ liệu được gửi đến một hệ thống trung tâm để lưu trữ và phân tích. Phân tích dữ liệu: Xử lý và phân tích dữ liệu thu thập được để đánh giá chất lượng môi trường. Các phương pháp phân tích có thể bao gồm thống kê mô tả, phân tích xu hướng và mô hình hóa. Đánh giá và hiệu chỉnh: Đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu thu thập được bằng cách so sánh với các dữ liệu từ các hệ thống quan trắc truyền thống.

Hiệu chỉnh các cảm biến và hệ thống nếu cần thiết để đảm bảo độ chính xác cao. Báo cáo và công bố thông tin: Tạo báo cáo chi tiết về chất lượng môi trường dựa trên dữ liệu phân tích.5 Tóm Tắt Đề Tài Như vậy, với các yêu cầu về nhiệm vụ và mục tiêu đề ra, báo cáo được xây dựng bao gồm các chương sau: Chương 1: Tổng quan: Tìm hiểu về tình hình các nghiên cứu trong và ngoài nước hiện nay về trạm quan trắc thời tiết. Từ đó đưa ra được việc lựa chọn đề tài, xác định mục tiêu, giới hạn và nội dung của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày cơ sơ lý thuyết về các chuẩn truyền thông, giao thức truyền dữ liệu nhằm phục vụ cho mục đích thiết kế ở các chương sau.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống: Tính toán, thiết kế sơ đồ khối cũng như đưa ra lựa chọn về phương án hay linh kiện sử dụng cho từng khối. Khái quát về các thành phần và chức năng của các loại phần cứng được sử dụng trong hệ thống. Chương 4: Thi công hệ thống: Trình bày quá trình và kết quả sau khi thi công, xây dựng lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển, cũng như thực nghiệm của hệ thống. Chương 5: Kết quả, Nhận xét, Đánh giá: Đưa ra kết quả mà nhóm đạt được, số liệu, hình ảnh hệ thống sau khi thi công đưa ra nhận xét và đánh giá về hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Đưa ra một tổng quan về những thành công và thiếu sót của đề tài dựa trên kết quả thu được từ chương trước. Từ đó, đưa ra hướng phát triển để cải thiện hệ thống. 6 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) là tập hợp bao gồm nhiều nút mạng, mỗi nút đều tích hợp bộ thu phát sóng vô tuyến và cảm biến, hoạt động trong một phạm vi nhất định.

Các nút này hoạt động độc lập, gửi dữ liệu về trung tâm điều khiển từ các địa điểm giám sát qua liên kết không dây như vô tuyến, hồng ngoại, hoặc quang học. WSN có thể được triển khai rộng rãi trong mọi điều kiện môi trường và vùng địa lý, thu thập dữ liệu từ xa và cung cấp thông tin quan trọng cho việc giám sát và phân tích. 1 Mô hình mạng cảm biến không dây 2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây được thiết kế với nhiều tính năng đặc biệt như là các nút mạng nhỏ gọn để tiết kiệm không gian và dễ dàng triển khai.

Hoạt động hiệu quả với nguồn năng lượng hạn chế, phù hợp với các ứng dụng cần thời gian hoạt động dài hạn mà không cần bảo trì thường xuyên. Những mạng này có khả năng tự thích nghi và duy trì hoạt động trong điều kiện môi trường khó khăn, không cần sự giám sát của con người. Tuy nhiên, chúng cũng phải đối mặt với rủi ro về sự cố kỹ thuật tại các nút mạng và trong quá trình truyền dữ liệu. Một ưu điểm nổi bật khác là khả năng di động của các nút mạng; chúng có thể được di chuyển đến vị trí mới mà không cần cấu hình lại hệ thống.

Điều này, cùng với mô hình hoạt động linh hoạt và khả 7 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết năng mở rộng mạnh mẽ, làm cho mạng cảm biến không dây trở thành giải pháp lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong thực tế. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây Mạng WSN có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm: - Giám sát môi trường: Theo dõi chất lượng không khí, nước, đất… - Giám sát nông nghiệp: Theo dõi độ ẩm, nhiệt độ, tình trạng cây trồng,. - Giám sát y tế: Theo dõi sức khỏe của bệnh nhân, theo dõi các dấu hiệu sinh tồn,. - Giám sát an ninh: Phát hiện xâm nhập, theo dõi chuyển động,.

- Giám sát giao thông: Theo dõi lưu lượng giao thông, phát hiện ùn tắc giao thông. Mạng không dây LoRa 2. Khái niệm về LoRa Công nghệ Lora (Long Range) là công nghệ truyền dẫn dữ liệu không dây thông qua sóng vô tuyến, phát triển để đáp ứng nhu cầu kết nối IoT. Điểm độc đáo của LoRa nằm ở khả năng hoạt động trên dải tần ISM (Industrial, Scientific, and Medical) miễn phí, loại bỏ rào cản pháp lý và mang đến sự linh hoạt trong triển khai.

Là một kỹ thuật điều chế tiên tiến do Semtech phát triển, dựa trên nền tảng "Chirp Spread Spectrum" (CSS). Chirp, viết tắt của "Compressed High Intensity Radar Pulse", là kỹ thuật phổ biến trong lĩnh vực sonar và radar, sử dụng tín hiệu có biên độ không đổi nhưng tần số thay đổi. Tín hiệu Chirp có thể thay đổi tần số từ thấp nhất đến cao nhất (up-chirp) hoặc từ cao nhất đến thấp nhất (down-chirp). Nguyên lý hoạt động của LoRa Nguyên tắc hoạt động này hỗ trợ thiết bị giảm độ phức tạp và tăng độ chính xác cần thiết cho mạch nhận để có thể giải mã và điều chỉnh lại dữ liệu.

LoRa không yêu cầu nhiều công suất phát mà vẫn có thể truyền đi xa, vì tín hiệu LoRa có thể nhận được ở khoảng cách xa ngay cả khi cường độ tín hiệu thấp hơn nhiễu xung quanh. Các thông số của LoRa Khi truyền một gói tin, hai thông số quan trọng là khoảng cách truyền (range) và tốc độ truyền (data rate). Đối với LoRa, hai giá trị này phụ thuộc vào ba thông số có thể điều chỉnh: Băng thông (BW), hệ số trải phổ (SF) và tốc độ mã hóa (CR). 8 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Công nghệ LoRa hoạt động trong các băng tần từ 430MHz đến 915MHz, được phân bổ cho các khu vực cụ thể trên thế giới như sau: • Khu vực Châu Á sử dụng băng tần 430MHz • Trung Quốc sử dụng băng tần 780MHz • Châu Âu sử dụng băng tần 433MHz hoặc 866MHz • Châu Mỹ sử dụng băng tần 915MHz 2.

Một số module LoRa hiện nay Để phát triển ứng dụng với LoRa, hiện nay có nhiều module và kit phát triển trên thị trường. Các module truyền nhận hiện nay thường tích hợp chip LoRa SX1276/77/78/79 của Semtech. Trong đó, chip SX1278 phổ biến nhất cho các module sử dụng băng tần 433 MHz, còn SX1276 thường dùng cho các module hỗ trợ băng tần 868/915 MHz. Một số module giao tiếp theo chuẩn SPI có thể tham khảo: Ra-02, Dragino LoRa Shield, RFM95/96/97/98W.

2 Module RF SPI LORA RA-02 SX1278 433MHZ 2. Mạng di động 2. Sự khác nhau giữa mạng di động và Wifi Mạng thông tin di động và Wi-Fi đều cho phép kết nối thiết bị với internet mà không cần dây cáp, nhưng có những điểm khác biệt quan trọng. Bạn có thể kết nối thiết bị của mình với mạng di động và sử dụng dữ liệu di động bất cứ khi nào có sóng và gói cước của bạn vẫn còn hiệu lực.

Giúp bạn có thể truy cập mạng dữ liệu ở hầu hết mọi nơi. Đối với mạng Wi-Fi, bạn phải nằm trong phạm vi giới hạn của mạng - khoảng 30 mét. Ở các thành phố, bạn gần như luôn có kết nối dữ liệu di động tốt, mặc dù 9 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết vùng phủ sóng có thể không đều ở một số khu vực. Tuy nhiên, hầu hết các thị trấn lớn đều có internet di động tốt.

Mạng di động 2G Mạng 2G, hay thế hệ mạng di động thứ hai, được xây dựng dựa trên hệ thống truyền thông di động toàn cầu (GSM). Được thiết kế để phục vụ số lượng điện thoại di động ngày càng tăng, mạng 2G đã mang lại nhiều dịch vụ mới cho người dùng, bao gồm SMS (dịch vụ tin nhắn ngắn), nhắn tin đa phương tiện (MMS) và cuộc gọi thoại được mã hóa kỹ thuật số. Ngoài ra, mạng 2G còn sử dụng phổ tần số vô tuyến (RF) một cách hiệu quả hơn, cho phép nhiều thiết bị chia sẻ cùng một dải tần.