CHẾ TẠO THIẾT BỊ KẾT NỐI KHÔNG DÂY TẦM XA CHO ĐẦU BÁO CHÁY THÔNG THƯỜNG SỬ DỤNG SÓNG LORA

Nhóm thực hiện

Đặng Tuấn Tú

Ngô Xuân Tùng

Vũ Thị Thu Huyền

Trường Đại học PCCC

Tóm tắt – Lora (Long Range) là một chuẩn phát tín hiệu sóng điện từ không dây được ứng dụng trong những năm gần đây. Lora được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN), dùng để kết nối các thiết bị với băng thông thấp, khoảng cách truyền xa (1km – 10km) và tiết kiệm điện. Trong thời đại cách mạng Công nghệ 4.0 với những đặc điểm như vậy nên LoRa nổi lên là 1 công nghệ không dây cho các ứng dụng vạn vật kết nối (Internet of Things – IoT). Đặc biệt LoRa rất phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực báo cháy không dây tầm xa. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng LoRa trong lĩnh vực nông nghiệp, công nghệp tuy nhiên trong lĩnh vực PCCC & CNCH và đặc biệt là trong báo cháy tự động không dây thì chưa có nhiều nghiên cứu, ứng dụng. Trong bài báo này, chúng tôi thực hiện chế tạo thiết bị kết nối không dây tần xa cho đầu báo cháy thông thường để chuyển đổi hệ thống báo cháy thông thường sử dụng dây kết nối thành hệ thống báo cháy không dây tầm xa sử dụng công nghệ LoRa. Qua đó mở rộng phạm vi hoạt động của hệ thống báo cháy thông thường, từ đó có thể ứng dụng trong các khu dân cư, thôn xóm, các khu resort, các cơ sở có địa hình phức tạp không thể sử dụng hệ thống báo cháy tự động có dây v.v…

Từ khóa: LoRa, báo cháy không dây, Internet of Things…

1.Đặt vấn đề

Hiện tại ở Việt Nam hầu hết sử dụng hệ thống báo cháy có dây. Ưu điểm của hệ thống báo cháy có dây là: độ tin cậy cao, khả năng tương thích lớn[3]. Tuy nhiên hệ thống báo cháy có dây chỉ phù hợp cho các công trình vừa và nhỏ, hoặc các công trình tập trung, mới xây như: chung cư, văn phòng… Với các khu vực, cơ sở có diện tích rộng, địa hình phức tạp như khu dân cư,resort, trường học… hoặc đã xây từ lâu nhưng chưa có hệ thống báo cháy tự động thì việc triển khai dây để kết nối đầu báo cháy và tủ trung tâm trở nên khó, tốn kém. Thực tế công tác PCCC cho thấy chính các cơ sở trên lại tiềm ẩn nhiều nguy cơ cháy. Theo thống kê của Cục Cánh sát PCCC & CNCH, Bộ công an, chỉ tính riêng từ đầu năm 2018, trên cả nước xảy ra 5.959 vụ cháy, nổ trong đó xảy ra 2.829 vụ cháy nhà ở trong khu dân cư (chiếm 47,5%)[1]. Hầu hết các hộ dân cư trên cả nước đều không lắp đặt các hệ thống báo cháy hoặc chỉ có các đầu báo cháy tại chỗ. Hầu hết các đám cháy lại xảy ra vào ban đêm hoặc sau giờ làm việc. Do vậy tin báo cháy không truyền được ra ngoài, khi phát hiện cháy thì các đám cháy đã phát triển mạnh, vượt quá tầm khống chế của lực lượng, phương tiện tại chỗ [1].

Các hệ thống báo cháy không dây trên thị trường chủ yếu là các đầu báo cháy hoạt động độc lập trên hệ thống sử dụng các sóng radio thông thường nên phạm vị hoạt động thấp, giá thành cao.Ngoài ra trên thị trường cũng đã có các đầu báo cháy không dây kết nối mạng tuy nhiên các loại đầu báo này có giá thành cao, phải mất tiền thuê bao tháng, và tin báo cháy chỉ gửi đến các thành viên trong gia đình. Ngoài ra có các doanh nghiệp đã nghiên cứu và đưa ra thị trường hệ thống báo cháy không dây sử dụng các sóng không dây IoT như LoRa, Sixfog, Nb-IoT… tuy nhiên các hệ thống này có giá thành cao, các đầu báo cháy của hãng nào chỉ tương thích với tủ trung tâm của hãng đó.

Do vậy các hệ thống báo cháy không dây trên chưa thể ứng dụng rộng rãi trong các khu dân cư, khu nhà ở hay các công trình có địa hình phức tạp.

Trên cơ sở đó, việc chế tạo hệ thống báo cháy không dây với giá thành rẻ, khoảng cách truyền xa là nhu cầu cấp thiết. Nhằm tận dụng các đầu báo cháy thông thường, các tủ báo cháy thông thường đang có trên thị trường, trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã chế tạo thiết bị kết nối không dây tầm xa cho đầu báo cháy thông thường sử dụng sóng LoRa. Thiết bị này khi được sử dụng sẽ biến đầu báo cháy thông thường kết nối bằng dây với tủ báo cháy trở thành đầu báo cháy không dây truyền tín hiệu thông qua sóng LoRa tới tủ báo cháy.

Với việc sử dụng các hệ thống báo cháy thông thường kết hợp với kỹ thuật phát sóng LoRa sẽ đảm bảo khoảng cách truyền xa (có thể đến 1km), mức tiêu thụ ít, năng lượng thấp, tiết kiệm chi phí, phù hợp để sử dụng cho các khu dân cư, khu nhà ở hay các công trình có địa hình phức tạp không thể sử dụng đầu báo cháy có dây.

2.Tổng quan về sóng LoRa

LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu thông qua sóng điện từ với khoàng cách lên đến hàng ki lô mét mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu. Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như cảm biến cho mạng IoT trong đó các cảm biến có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng ki lô mét và có thể hoạt động với nguồn điện dung lượng thấp như pin trong thời gian dài trước khi cần thay thế nguồn [2].

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dải tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc( cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hóa theo các chuỗi Chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hóa theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down – chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi [4]

Theo semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu LoRa có thể nhận được ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh.

Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:

430MHz cho châu Á

780MHZ cho Trung Quốc

433MHZ hoặc 866MHZ cho Châu Âu

915MHZ cho USA

Tại Việt Nam, theo Thông tư số 46/2016/TT-BTTTT ngày 26/12/2016 của Bộ Thông tin và truyền thông thì LoRa sử dụng theo tần số 433MHz và công suất dưới 10mW thì không phải xin giấy phép.

Nhờ sử dụng Chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các Chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate) [4]

Gói tin truyền qua LoRa (radio packet) có dạng như sau:

Trong đó:

• Preamble: Là chuỗi binary để bộ phận detect được tín hiệu của LoRa trong không khí.
• Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa CRC : cyclic redundancy check – mã dự phòng kiểm tra lỗi.
• Header: chứa thông tin về kích thước của Payload cũng như có Payload CRC hay không. Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo.
• Các bộ thu phát sóng của LoRa được triển khai thành node – gateway và kết nối với nhau thông qua các giao thức mạng trở thành mạng LoRaWan viết tắt của Long Range Wireless Area Network. Khi đó các bộ cảm biến, các thiết bị đầu cuối sẽ kết nối và truyền tín hiệu tới LoRa node, các LoRa node sẽ gửi dữ liệu thông qua sóng LoRa tới LoRa gateway. LoRa gateway sẽ được kết nối vào mạng internet hoặc mạng máy tính diện rộng bất kỳ (WAN) và từ đó gửi các dữ liệu thu thập được tới các máy chủ trung tâm chạy các ứng dụng khác nhau [2].Mô hình của LoRaWan được mô tả trong hình sau: nhận tin báo cháy kết nối với tủ báo cháy trung tâm có thể coi là gateway.

3.Chế tạo thiết bị

3.1 Chế tạo module truyền và nhận tín hiệu qua sóng LoRa

Để thu phát sóng LoRa có thể sử dụng các chip do hãng Semtech phát hành như SX1278, SX1276,SX1268…Nghiên cứu này sử dụng chip SX1278 để làm bộ thu phát LoRa do SX1278 có các thông số phù hợp với điều kiện ở Việt Nam như hoạt động tại băng tần 433MHz, công suất thấp, giá thành rẻ.Bên dưới là hình ảnh và sơ đồ chân kết nối của chíp SX1278 [5]

Toàn bộ hoạt động của IC Lora phải được điều khiển bởi một vi xử lý. Nghiên cứu này sử dụng vi xử lý ESP32S làm bộ điều khiển hoạt động cho chip LoRa do ESP32S là vi xử lý phổ thông , giá thành hấp dẫn dễ lập trình, tiêu thụ điện thấp [6]. Ngoài ra ESP32S tích hợp sẵn các kết nối khác như Wifi, Bluetooth, điều này mang lại khả năng mở rộng các chức năng kết nối mạng cho các đầu báo cháy, tủ báo cháy. Từ đó toàn bộ hệ thống báo cháy có thể coi là 1 mạng LoRaWan, có thể ứng dụng trong các lĩnh vực IoT, Smart home,Smart city…Dưới đây là hình ảnh và sơ đồ chân kết nối của ESP32S [6]

Trong nghiên cứu này thiết bị truyền tin báo cháy kết nối với đầu báo cháy có thể coi là node thiết bị

ESP32S và chíp LoRa được kết nối với nhau thông qua các chân như sơ đồ sau:

Các chân IO5, IO32, IO18, IO19 của các ESP32S được sử dụng để giao tiếp với đầu báo cháy hoặc tủ báo cháy.

3.2 Chế tạo module truyền tin báo cháy không dây kết nối với đầu báo cháy loại thường.

Các đầu báo cháy thông thường bao gồm: đầu báo khói, đầu báo nhiệt kiểu ngưỡng, đầu báo nhiệt kiểu tăng cường, nút bấm…Các loại đầu báo thông thường trên đều hoạt động theo cơ chế rơ le. Dây tín hiệu được nối từ tủ trung tâm đến 2 cực của đầu báo chính là dây cấp nguồn và nối với 2 cực của rơ le. Ở trạng thái bình thường rơ le ngắt, khi môi trường thay đổi đạt đến ngưỡng báo cháy thì rơ le đóng làm thông mạch được nối với tủ trung tâm và tủ trung tâm xuất tin báo động cháy (kêu chuông, còi, điều khiển các phương tiện khác v.v…). Như vậy 2 trạng thái đóng ngắt của đầu báo cháy có thể sử dụng làm tín hiệu truyền tới chân IO của ESP32S, từ đó ESP32S sẽ xử lý chuyển thành tin báo cháy và gửi qua sóng LoRa thông qua chíp SX1278.Tuy nhiên đầu báo cháy hoạt động với điện áp từ 12V – 24V, còn chân IO của ESP32S hoạt động với điện áp 3.3V do vậy tín hiệu từ chân của đầu báo cháy cần đi qua bộ khuếch đại thuật toán để hạ điện thế từ 12-24V thành 3.3V. Ngoài ra mạch khuếch đại thuật toán và module truyền tin sử dụng điện áp 5V nên cần mạch hạ áp đầu ra 5V cấp nguồn cho bộ khuếch đại thuật toán, và module truyền tin. Sơ đồ kết nối các module của thiết bị được diễn biến như sau:

3.3 Chế tạo module nhận tin báo cháy không dây kết nối với tủ báo cháy trung tâm loại thường

Tương ứng cơ chế hoạt động của các đầu báo cháy, các tủ báo cháy loại thường cũng có các kênh báo cháy hoạt động theo cơ chế Rơ-le. Tại chế độ thường trực mạch hở, dòng qua kênh báo cháy có cường độ nhỏ, tủ không báo cháy, khi có báo cháy mạch đóng, dòng qua kênh báo cháy có cường độ nhỏ, tủ không báo cháy, khi có báo cháy mạch đóng, dòng qua kênh báo cháy tăng cao, tủ chuyển trạng thái báo cháy. Với cơ chế hoạt động như vậy thì mỗi kênh báo cháy của tủ có thể được điều khiển từ chân IO của ESP32S trên gateway thông qua rơle. Sơ đồ kết nối được mô tả như hình dưới:

Để thiết bị hoạt động ta cần lập trình các quá trình xử lý và truyền tin qua LoRa cho vi điều khiển. Nghiên cứu này sử dụng công cụ Ardunio Studio kết hợp với các thư viện ESP32, thư viện LoRa để lập trình điều khiển ESP32S. Ngoài các khối lệnh để kết nối và cấu hình hoạt động cho ESP32S, SX1278 thì cấu trúc xử lý chính của chương trình như sau:

Tin báo cháy được gửi đi bao gồm các thông tin: mã thiết bị, trang thái, cháy hay không có cháy. Dựa vào mã thiết bị này gateway sẽ đưa ra tín hiệu báo cháy tương ứng với vị trí, khu vực có cháy.

Tương tự thiết bị gắn với đầu báo cháy, vi xử lý trong thiết bị cũng cần lập trình để điều khiển và xử lý xuất tín hiệu với các chân IO tương ứng. Ngoài các khối lệnh để kết nối và cấu hình hoạt động cho ESP32S, SX1278 thì cấu trúc xử lý chính của chương trình như sau:

Khi nhận được tin báo cháy, dựa vào mã thiết bị gateway sẽ kích hoạt chân IO tương ứng với kênh báo cháy do người dùng thiết lập sẵn.

ESP32S có 40 chân IO, tuy nhiên khoảng 22 chân đã sử dụng cho các mục đích như kết nối điều khiển SX1278, thẻ nhớ, các đèn LED thông báo…nên còn khoảng 18 chân IO còn trống để sử dụng cho các mục đích khác. Do vậy, về lý thuyết với việc sử dụng ESP32 thiết bị nhận tin báo cháy có thể kết nối tối đa đến 18 kênh báo cháy khác nhau. Nếu cần mở rộng thêm các kênh báo cháy có thể sử dụng thêm các chíp mở rộng IO cho ESP32.

Ngoài ra do ESP32 có tích hợp bộ thu phát sóng Wifi nên tín hiệu báo cháy khi được gửi đến gateway có thể đưa ra ngoài thông qua kết nối wifi này.Khi đó có thể xây dựng các ứng dụng để hiển thị chính xác nơi xảy ra cháy và kèm các thông tin mô tả hoặc gửi tin báo cháy lên các trung tâm thông tin chỉ huy chữa cháy. Đặc biệt với tính năng này còn giúp mở rộng hệ thống để phục vụ các công nghệ hiện đại như IoT, nhà thông minh, thành phố thông minh…[6]

5.Thử nghiệm hoạt động

Sau quá trình chế tạo các thiết bị được thử nghiệm hoạt động. Thực nghiệm cho thấy thiết bị nhận tín hiệu báo cháy có thể kết nối tốt với các đầu báo khói, đầu báo nhiệt kiểu ngưỡng, đầu báo nhiệt tăng cường và các loại nút ấn thông thường.

Khi chạy với điện thế 18V với trạng thái thường thì dòng điện tiêu thụ là 10mA, tương đương công suất 0.18W. Với trạng thái báo cháy dòng điện tăng lên 200mA tương đương công suất 3.6W. Theo thuật toán ở trên mỗi vòng đời chay module sẽ nghỉ trong 1000ms và thời gian chạy khoảng 200ms. Trong thời gian nghỉ dòng điện tiêu thụ là 0.8mA. Như vậy với 2 viên pin 9V có tổng dung lượng 1000mAh sẽ chạy được khoảng 600 giờ tương đương 45 ngày theo công thức:

Số giờ=[( dung lượng nguồn)/(giờ nghỉ x dòng nghỉ + giờ chạy x dòng chạy)] x (giờ nghỉ + giờ chạy).

Thời gian chạy của thiết bị chưa thực sự tối ưu do trong nghiên cứu chưa áp dụng các kỹ thuật lập trình ngủ sâu (deep sleep) hay ngủ đông (hibernation) đối với chip ESP32S. Khi áp dụng các kỹ thuật lập trình trên thì dòng điện tiêu thụ có thể xuống đến 0.01mA khi đó thời gian sử dụng pin có thể lên đến 300 ngày.

Để thử nghiệm khoảng cách tối đa có thể nhận vầ gửi tin, các thiết bị được bố trí như sau: Thiết bị nhận được đấu nối với tủ báo cháy được đặt trên tầng 4 của tòa nhà, độ cao từ 10-12m, thiết bị phát tín hiệu kết nối với đầu báo cháy được đặt tại các vị trí cách xa tòa nhà 100m, 300m, 500m,700m và có các vật cản thông thường như nhà, cây,… đầu báo cháy thông thường sử dụng sóng LoRa. Thiết bị đã mở rộng khả năng hoạt động đầu báo cháy thông thường, tủ báo cháy thông thường để có thể sử dụng trong các khu dân cư, các cơ sở có địa hình phức tạp không thể lắp đặt các hệ thống báo cháy sử dụng dây. Có thể thấy việc ứng dụng thành công sóng LoRa sẽ hứa hẹn mang lại nhiều giải pháp kỹ thuật đáp ứng nhu cầu ngày càng cấp bách trong lĩnh vực báo cháy tự động.

LoRa và mạng LoRaWan vẫn còn là công nghệ mới, cần tập trung nghiên cứu để nâng cao các đặc tính của thiết bị như mức tiêu thụ pin, khoảng cách truyền, tiết kiệm chi phí. Cần bổ sung các nghiên cứu sâu hơn về việc kết nối hệ thống với mạng internet, tiến tới trở thành các thành phần trong các ứng dụng IoT, nhà thông minh, thành phố thông minh…

Thực nghiệm cho thấy tại các khoảng cách 100m và 300m, hai thiết bị có thể thu nhận tín hiệu độ trễ thấp chưa đến 1s.Tại khoảng cách 500m, 2 thiết bị vẫn có thể gửi nhận tín hiệu tốt, tuy nhiên có độ trễ khoảng 5-8s. Tại khoảng cách 700, 2 thiết bị vẫn có thể gửi, nhận tin nhưng Ăng ten của 2 thiết bị là loại cơ bản có dạng cuộn cảm dài 5cm như trong ảnh.Chập chờn, lúc được, lúc không, và độ trễ lớn hơn tầm 10s.Như vậy thiết bị hiện tại có thể hoạt động tầm xa lến đến gần 700m. Khoảng cách này có thể tiến xa hơn nếu sử dụng các loại Ăng ten đắt tiền hơn và đặt cao hơn cho bộ nhận tín hiệu [5]

Việc điều khiển các Rơ le đóng ngắt các kênh báo cháy của tủ báo cháy tại các thiết bị nhận tín hiệu cũng đảm bảo chính xác, không có độ trễ.

6.KẾT LUẬN

Như vậy, nhóm tác giả đã thành công trong việc chế tạo thiết bị kết nối không dây tầm xa lĩnh vực PCCC & CNCH

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lê Quang Bốn, (2019), “Những vấn đề đặt ra trong công tác PCCC & CNCH đối với nhà ở kết hợp sản xuất, kinh doanh trong khu dân cư”, Kỷ yếu hội thảo khoa học Công tác PCCC & CNCH đối với nhà ở kết hợp sản xuất kinh doanh trong khu dân cư, Trường Đại học PCCC.

[2] Trần Văn Líc, Lê Hồng Nam (2018) : “Mạng không dây LoRa cho ứng dụng IoT tầm xa”. Tạp chí khoa học công nghệ – Đại học Đà Nẵng.

[3] Bùi Đình Thành, Trần Đình Tường, Nguyễn Đức Ánh (2003), Giáo trình báo cháy, chữa cháy tự động, NXB KHKT

[4] Phí Thị Thu(2017): Phân tích và đánh giá hiện năng mạng vô tuyến công suất thấp cự ly xa LPWAN. Học viện công nghệ bưu chính viễn thông.

[5] https://www.semtech.com/

[6] https://esp32.vn/

---

Nguồn: “Cuộc thi sáng tạo khoa học và công nghệ về PCCC và CNCH năm 2019”. -Hà Nội 2019.-Tr. 28-33.