Trong những tình huống mà người dùng không còn ý thức, hoặc còn nhưng không thể thực hiện bất kì thao tác nào trong việc vận hành thiết bị, thì thiết bị vẫn có thể được bất kỳ một người
GIỚI THIỆU
GIỚI THIỆU
Trong thời đại công nghệ phát triển, tội phạm ngày càng tinh vi, yêu cầu cần thiết phải có các giải pháp khẩn cấp để bảo vệ người dùng Khi gặp tình huống khẩn cấp, nếu không có thiết bị hoặc không đủ tỉnh táo, việc phát tín hiệu cảnh báo cho người có thể giúp đỡ là rất quan trọng Do đó, cần thiết kế một thiết bị gửi thông tin cảnh báo đơn giản, gọn nhẹ và hiệu quả Tôi đã nghiên cứu và phát triển thiết bị “Nút nhấn khẩn cấp sử dụng mạng Lora”, cho phép người dùng chỉ cần nhấn một nút để gửi thông báo khẩn cấp cùng vị trí của mình đến thiết bị trung tâm Thiết bị này sẽ xử lý thông tin và chuyển tiếp đến người có khả năng hỗ trợ đã được cài đặt trước.
Các giải pháp phát thông tin khẩn cấp hiện tại như gọi điện thoại và nhắn tin thường yêu cầu nhiều thao tác phức tạp, đòi hỏi sự tỉnh táo và thông tin cá nhân của người dùng Điều này không chỉ cần thiết bị đắt tiền mà còn phức tạp Do đó, giải pháp mới cần phải đơn giản trong vận hành, kinh tế và hiệu quả, đặc biệt trong các điều kiện như môi trường không có sóng điện thoại hoặc khi nguồn năng lượng bị hạn chế Mục tiêu của tôi trong nghiên cứu và phát triển đề tài này là tạo ra một thiết bị dễ sử dụng cho mọi đối tượng, có giá trị kinh tế dễ tiếp cận, hiệu quả cao và tiêu thụ ít năng lượng.
Trong những tình huống khẩn cấp khi người dùng không còn ý thức hoặc không thể thao tác với thiết bị, thiết bị vẫn cho phép bất kỳ ai thông báo khẩn cấp đến người có khả năng hỗ trợ mà không cần sự cho phép hay thông tin cá nhân của người dùng Tính năng này nâng cao khả năng sống sót cho người dùng trong các tình huống liên quan đến tính mạng.
Thiết bị nút nhấn sử dụng mạng Lora có khả năng truyền tải thông tin hiệu quả ngay cả trong môi trường không có sóng điện thoại hoặc internet, điều này tạo ra một ưu thế vượt trội so với các thiết bị gửi thông tin như smartphone hiện nay.
Thiết bị phát tín hiệu khẩn cấp, với giá trị kinh tế thấp và chức năng giới hạn, không phải là mục tiêu của các vụ cướp giật hàng ngày Điều này tạo ra một lợi thế cho thiết bị, giúp nó trở thành một công cụ an toàn và hiệu quả trong việc thông báo tình huống khẩn cấp.
Mặc dù thiết bị "Nút nhấn khẩn cấp sử dụng mạng Lora" có nhiều ưu điểm, nhưng cũng tồn tại nhược điểm đáng chú ý Thiết bị chỉ có khả năng truyền tải thông báo khẩn trong phạm vi 10km từ thiết bị trung tâm nhận và xử lý dữ liệu Hơn nữa, thiết bị nhận dữ liệu yêu cầu kết nối internet và nguồn điện liên tục, điều này hạn chế khả năng áp dụng thực tiễn của nó.
Thiết bị "Nút nhấn khẩn cấp sử dụng mạng Lora" được kỳ vọng sẽ là giải pháp hiệu quả trong việc giảm thiểu thiệt hại trong các tình huống khẩn cấp, đồng thời nâng cao tỷ lệ sống sót cho người sử dụng.
PHẠM VI ÁP DỤNG
Thiết bị "Nút nhấn khẩn cấp sử dụng mạng Lora" được thiết kế nhằm đơn giản hóa thao tác sử dụng, phù hợp với mọi đối tượng, đặc biệt là những người có khả năng gặp phải tình huống khẩn cấp Thiết bị này cho phép người dùng gửi cảnh báo và thông tin vị trí đến người khác hoặc các tổ chức cứu hộ, mang lại sự an toàn và hỗ trợ kịp thời trong các tình huống khẩn cấp.
- Người lái xe: Người lái xe có thể sử dụng thiết bị để gửi cảnh báo và vị trí của họ trong trường hợp tai nạn giao thông
Người đi bộ và người đi xe đạp có thể sử dụng thiết bị để gửi cảnh báo khi gặp sự cố hoặc cảm thấy bị đe dọa, giúp tăng cường an toàn cho họ trong quá trình di chuyển.
Người tham gia các hoạt động ngoài trời như vận động viên, người đi dã ngoại và các hoạt động khác cần sử dụng thiết bị cảnh báo khẩn cấp để đảm bảo an toàn khi ở xa cơ sở.
Người lao động độc lập trong môi trường công nghiệp hoặc hoang dã có thể sử dụng thiết bị để gửi cảnh báo khi gặp sự cố, đảm bảo an toàn và kịp thời nhận được sự trợ giúp.
Người già và người khuyết tật là những đối tượng có nhu cầu đặc biệt, và việc sử dụng thiết bị hỗ trợ giúp họ cảm thấy an tâm hơn khi di chuyển một mình.
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
TÌNH HÌNH HIỆN TẠI CỦA CÁC HỆ THỐNG CỨU HỘ KHẨN CẤP
2.1.1 Các vấn đề gặp phải trong việc truyền tải thông tin vị trí trong tình huống khẩn cấp
Truyền tải thông tin vị trí trong tình huống khẩn cấp là rất quan trọng để đảm bảo phản ứng nhanh chóng và hiệu quả từ các dịch vụ cứu hộ Tuy nhiên, các hệ thống cứu hộ hiện nay vẫn gặp phải nhiều vấn đề và hạn chế trong việc truyền tải thông tin vị trí của người dùng.
Độ chính xác của vị trí là một thách thức lớn trong việc truyền tải thông tin địa lý Các hệ thống định vị hiện đại, như GPS và mạng di động, thường gặp khó khăn khi tín hiệu bị che khuất hoặc không khả dụng, dẫn đến thông tin vị trí không chính xác.
Thời gian phản ứng của dịch vụ cứu hộ có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi việc truyền tải thông tin vị trí mất quá nhiều thời gian Điều này đặc biệt xảy ra trong các môi trường có kết nối mạng không ổn định hoặc khi gặp phải điều kiện thời tiết xấu.
Kết nối mạng không ổn định có thể xảy ra, đặc biệt ở các khu vực nông thôn hoặc xa xôi, dẫn đến việc giảm khả năng truyền tải thông tin vị trí hoặc thậm chí gây mất kết nối hoàn toàn.
Các hệ thống cứu hộ cần có khả năng tích hợp và tương thích với nhiều thiết bị và giao thức truyền thông khác nhau Tuy nhiên, sự không tương thích giữa các hệ thống và thiết bị có thể gây khó khăn trong việc truyền tải thông tin vị trí một cách chính xác và kịp thời.
Bảo mật thông tin cá nhân là yếu tố quan trọng cần được xem xét khi truyền tải thông tin vị trí để đảm bảo sự giúp đỡ nhanh chóng.
Để nâng cao hiệu quả của các hệ thống cứu hộ khẩn cấp, cần tập trung vào việc cải thiện độ chính xác, thời gian phản ứng, khả năng tích hợp và bảo mật thông tin người dùng Sự đổi mới trong phát triển các hệ thống này là rất cần thiết để đáp ứng những thách thức hiện tại.
2.1.2 Hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống cứu hộ truyền thống Đánh giá về hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống cứu hộ truyền thống là một phần quan trọng để đảm bảo sự phản ứng nhanh chóng và hiệu quả trong xử lý các tình huống khẩn cấp Dưới đây là một số đánh giá về các yếu tố này:
Hệ thống cứu hộ truyền thống thường phụ thuộc vào cuộc gọi điện thoại hoặc thông báo từ người dùng để phát hiện tình huống khẩn cấp, điều này có thể dẫn đến sự chậm trễ trong phản ứng Trong những trường hợp mà người dùng không thể giao tiếp hoặc xác định vị trí, thời gian phản hồi có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Hiệu suất của các hệ thống cứu hộ truyền thống có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng trong các tình huống khẩn cấp, đặc biệt là khi gặp phải thời tiết xấu, mất kết nối mạng hoặc ở những khu vực không có tín hiệu Những yếu tố này làm giảm khả năng truyền tải thông tin, dẫn đến hiệu suất hoạt động không hiệu quả của hệ thống.
Độ tin cậy của thông tin là yếu tố quan trọng, vì thông tin từ người dùng đôi khi có thể không chính xác hoặc không đầy đủ Điều này có thể dẫn đến sự hiểu lầm và hạn chế trong việc đưa ra phản ứng đúng đắn.
Các hệ thống cứu hộ truyền thống phụ thuộc vào các tổ chức như cơ quan cứu hộ, cảnh sát và dịch vụ y tế để phản ứng trong các tình huống khẩn cấp Tuy nhiên, thời gian phản ứng và phương thức hỗ trợ của họ có thể không đáp ứng kịp thời nhu cầu cụ thể của từng tình huống.
Các hệ thống cứu hộ truyền thống thường sử dụng thiết bị như điện thoại di động và đài phát thanh, nhưng điều này có thể hạn chế khả năng cung cấp thông tin vị trí chính xác và đáng tin cậy.
Mặc dù hệ thống cứu hộ truyền thống thể hiện hiệu suất và độ tin cậy trong một số tình huống, nhưng chúng vẫn tồn tại nhiều hạn chế cần cải thiện để đáp ứng nhu cầu đa dạng và phức tạp của xã hội hiện đại.
2.1.3 Thách thức khi triển khai hệ thống cứu hộ trong các môi trường đa dạng
Triển khai hệ thống cứu hộ trong các môi trường đa dạng như đô thị, nông thôn và vùng xa xôi gặp nhiều thách thức kỹ thuật và môi trường Những thách thức này bao gồm việc đảm bảo khả năng tiếp cận, thích ứng với điều kiện địa lý khác nhau và tối ưu hóa nguồn lực cứu hộ để đáp ứng kịp thời trong các tình huống khẩn cấp.
CÔNG NGHỆ VÀ PHƯƠNG PHÁP HIỆN ĐẠI TRONG LĨNH VỰC AN TOÀN VÀ CỨU HỘ
2.2.1 Tổng quan về các công nghệ định vị và truyền thông hiện đại
Các công nghệ định vị và truyền thông hiện đại như GPS, LoRa và mạng di động đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin trong các hệ thống cứu hộ khẩn cấp Những công nghệ này không chỉ giúp xác định vị trí chính xác mà còn đảm bảo việc kết nối và truyền tải dữ liệu hiệu quả, góp phần nâng cao khả năng phản ứng và cứu trợ trong các tình huống khẩn cấp.
- GPS là một hệ thống định vị toàn cầu dựa trên mạng lưới các vệ tinh được đặt trong quỹ đạo của Trái Đất
Các thiết bị GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh và sử dụng dữ liệu này để xác định vị trí với độ chính xác cao.
- Thông tin vị trí được truyền đi thông qua tín hiệu radio hoặc kết nối dây nối để sử dụng hoặc chia sẻ với các hệ thống khác
- LoRa là một công nghệ truyền thông không dây được thiết kế để có khả năng truyền dẫn xa và tiêu thụ năng lượng thấp
- Các thiết bị LoRa sử dụng một phương thức truyền dẫn gọi là "chirp spread spectrum" để truyền dữ liệu ở khoảng cách xa mà không cần nhiều năng lượng
LoRa là công nghệ lý tưởng cho việc truyền tải dữ liệu nhỏ, đồng thời có khả năng truyền tải thông tin vị trí thông qua giao thức LoRaWAN.
Mạng di động là một hệ thống giao tiếp không dây, hoạt động dựa trên các trạm cơ sở và thiết bị di động như điện thoại di động và máy tính bảng.
- Các thiết bị di động giao tiếp với các trạm cơ sở thông qua sóng radio để truyền tải thông tin giữa các thiết bị và mạng
- Mạng di động cung cấp khả năng kết nối liên tục và liên lạc trong nhiều điều kiện khác nhau, từ đô thị đến vùng nông thôn
Các công nghệ như GPS, LoRa và mạng di động đóng vai trò quan trọng trong việc định vị và truyền tải thông tin vị trí cho các hệ thống cứu hộ khẩn cấp Sự kết hợp này giúp xác định vị trí chính xác, truyền tải dữ liệu ở khoảng cách xa, và kết nối để chia sẻ thông tin, từ đó xây dựng các hệ thống cứu hộ hiện đại và hiệu quả.
2.2.2 Ưu điểm và hạn chế của từng công nghệ
- Độ chính xác cao: GPS cung cấp thông tin vị trí với độ chính xác rất cao, thường trong khoảng vài mét đến vài chục mét
- Phạm vi toàn cầu: GPS hoạt động trên toàn cầu, cung cấp khả năng định vị ở bất kỳ nơi nào trên Trái Đất
GPS có khả năng hoạt động độc lập, không cần phụ thuộc vào bất kỳ mạng lưới nào, cho phép nó hoạt động hiệu quả ngay cả trong những khu vực không có mạng di động hoặc LoRa.
- Cần tầm nhìn trực tiếp với vệ tinh: Để đảm bảo độ chính xác, các thiết bị
LoRa sở hữu khả năng truyền dẫn dữ liệu xa mà không tiêu tốn nhiều năng lượng, điều này khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc truyền tải thông tin từ các thiết bị cứu hộ ở khoảng cách lớn.
- Tiêu thụ năng lượng thấp: LoRa tiêu thụ năng lượng rất ít, cho phép các thiết bị hoạt động trong thời gian dài mà không cần sạc lại
- Chi phí thấp: Thiết bị LoRa có giá thành thấp và cài đặt hạ tầng cũng không đòi hỏi nhiều chi phí
Tốc độ truyền dữ liệu của công nghệ LoRa thấp hơn so với nhiều công nghệ khác, điều này ảnh hưởng đến khả năng truyền tải thông tin trong thời gian ngắn.
- Giới hạn về dung lượng dữ liệu: LoRa có giới hạn về dung lượng dữ liệu mà nó có thể truyền dẫn trong một khoảng thời gian nhất định
Mạng di động đảm bảo kết nối liên tục, cho phép truyền tải thông tin vị trí và cung cấp hỗ trợ kịp thời trong các tình huống khẩn cấp.
Mạng di động có khả năng truyền tải dung lượng dữ liệu lớn, giúp cung cấp thông tin chi tiết và đa dạng trong các tình huống khẩn cấp.
- Phụ thuộc vào hạ tầng: Mạng di động phụ thuộc vào hạ tầng cơ sở phức tạp và đòi hỏi việc duy trì và nâng cấp định kỳ
Việc sử dụng mạng di động trên các thiết bị như điện thoại di động có thể tiêu tốn một lượng năng lượng lớn.
2.2.2.4 Việc tích hợp các công nghệ
Hệ thống cứu hộ khẩn cấp được phát triển nhờ sự kết hợp của các công nghệ tiên tiến như GPS, LoRa và mạng di động, cho phép định vị chính xác và truyền tải thông tin vị trí trong thời gian thực Điều này đảm bảo hỗ trợ nhanh chóng và hiệu quả trong các tình huống khẩn cấp.
Mặc dù tích hợp các công nghệ mang lại nhiều lợi ích, nhưng nó cũng đặt ra thách thức trong việc quản lý và duy trì hạ tầng Đặc biệt, việc thiết lập các chuẩn giao tiếp là cần thiết để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị và hệ thống khác nhau.
Việc kết hợp công nghệ GPS, LoRa và mạng di động có thể tạo ra các hệ thống cứu hộ khẩn cấp hiệu quả Tuy nhiên, điều này đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng và áp dụng kỹ thuật cao để tối ưu hóa hiệu suất, đáp ứng các yêu cầu cụ thể của từng tình huống khẩn cấp.
MẠNG LORA VÀ TIỀM NĂNG TRONG VIỆC XÂY DỰNG HỆ THỐNG CỨU HỘ KHẨN CẤP
2.3.1 Đặc điểm của mạng LoRa và lợi ích của việc sử dụng LoRa trong các ứng dụng an toàn và cứu hộ
Mạng LoRa (Long Range Radio) là công nghệ truyền thông không dây với khả năng truyền dẫn xa và tiêu thụ năng lượng thấp Việc sử dụng LoRa trong các ứng dụng an toàn mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng kết nối ổn định, tiết kiệm năng lượng và khả năng phủ sóng rộng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và bảo mật trong truyền thông.
• Đặc điểm của mạng LoRa:
LoRa sở hữu khả năng truyền dẫn dữ liệu xa, có thể đạt khoảng cách lên đến vài km trong điều kiện môi trường lý tưởng và thậm chí lên đến hàng chục km trong những điều kiện thuận lợi.
Công nghệ LoRa nổi bật với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép các thiết bị hoạt động lâu dài mà không cần sạc pin Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu sự ổn định và liên tục, như trong các hệ thống cứu hộ.
Băng thông linh hoạt của LoRa cho phép người dùng điều chỉnh băng thông truyền dẫn từ hẹp đến rộng, phù hợp với các yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.
Thiết bị LoRa có chi phí thấp và việc cài đặt hạ tầng không tốn nhiều ngân sách, khiến LoRa trở thành lựa chọn kinh tế lý tưởng cho các ứng dụng cần tiết kiệm.
• Lợi ích của việc sử dụng LoRa trong các ứng dụng an toàn và cứu hộ:
LoRa cung cấp khả năng định vị chính xác, giúp xác định vị trí cụ thể của thiết bị, từ đó hỗ trợ người cứu hộ trong việc tìm kiếm và cứu nạn hiệu quả.
LoRa cho phép truyền tải thông tin vị trí trong thời gian thực, giúp người cứu hộ nhanh chóng và hiệu quả trong các tình huống khẩn cấp.
LoRa cung cấp khả năng kết nối ổn định với khả năng truyền dẫn xa và tiêu thụ năng lượng thấp, đặc biệt hiệu quả trong các môi trường khó khăn như khu vực nông thôn hoặc những vùng xa xôi.
LoRa có khả năng tích hợp dễ dàng với các hệ thống cứu hộ hiện đại như GPS và mạng di động, giúp tạo ra những hệ thống cứu hộ toàn diện và hiệu quả hơn.
Việc áp dụng công nghệ LoRa trong các ứng dụng an toàn và cứu hộ mang lại nhiều lợi ích đáng kể, như khả năng định vị chính xác và truyền tải thông tin vị trí trong thời gian thực Hơn nữa, LoRa có thể tích hợp dễ dàng với các công nghệ khác, góp phần xây dựng các hệ thống cứu hộ khẩn cấp hiệu quả và đáng tin cậy.
2.3.2 Các dự án và nghiên cứu liên quan đến việc áp dụng LoRa
Nhiều dự án và nghiên cứu hiện nay đang ứng dụng công nghệ LoRa nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy cho hệ thống cứu hộ khẩn cấp Dưới đây là một số ví dụ điển hình.
The Things Network (TTN) là một cộng đồng toàn cầu dành cho các nhà phát triển IoT, ứng dụng công nghệ LoRaWAN Cộng đồng này đã thực hiện nhiều dự án cứu hộ khẩn cấp, sử dụng LoRa để truyền tải thông tin vị trí và các thông tin quan trọng khác trong các tình huống khẩn cấp.
Hệ thống Cảnh báo Khẩn cấp Dựa trên LoRa (LEAS) là một dự án nghiên cứu do các nhà nghiên cứu tại các trường đại học và tổ chức nghiên cứu phát triển Dự án này áp dụng công nghệ LoRa để thiết lập một hệ thống cảnh báo khẩn cấp, nhằm ứng phó với các tình huống nguy hiểm như động đất, lũ lụt và tai nạn giao thông.
Hệ thống tìm kiếm và cứu hộ dựa trên công nghệ LoRa đã được các tổ chức cứu hộ như lực lượng cứu hỏa và cứu nạn hàng hải thử nghiệm và triển khai Công nghệ này cho phép định vị chính xác và truyền tải thông tin vị trí của người cần cứu hộ, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình tìm kiếm và cứu hộ.
Nhiều thành phố thông minh đang áp dụng công nghệ LoRa vào các dự án cứu hộ khẩn cấp, nhằm nâng cao hiệu quả quy trình phản ứng trong các tình huống khẩn cấp như tai nạn giao thông, hỏa hoạn và thảm họa tự nhiên Các dự án này thường tích hợp LoRa để tối ưu hóa khả năng hỗ trợ và quản lý tình huống khẩn cấp.
PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN – PHÂN TÍCH THIẾT KẾ
PHẦN CỨNG
3.1.1 LÝ DO CHỌN PHẦN CỨNG
ESP8266 là một hệ thống trên chip (SoC) tích hợp bộ vi điều khiển Tensilica L106 32-bit và kết nối Wi-Fi, cho phép lập trình tương tự như Arduino Với 11 chân GPIO và một đầu vào analog, ESP8266 mang lại tính linh hoạt cao, giúp thiết bị dễ dàng kết nối với mạng và Internet.
ESP8266 là một ứng dụng IoT nổi bật, hỗ trợ lưu trữ máy chủ web và cho phép kết nối với điện thoại thông minh cũng như các thiết bị khác Nhờ vào chi phí thấp và tính tiện ích cao, ESP8266 mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong lĩnh vực Internet vạn vật.
ESP8266 trở thành một trong những lựa chọn phổ biến nhất cho các dự án IoT hiện nay
LoRa (Long Range Radio) là một giao thức truyền dữ liệu tầm xa, cho phép truyền tải thông tin ở khoảng cách vài kilomet mà không cần khuếch đại công suất và tiêu thụ năng lượng thấp Công nghệ này áp dụng kỹ thuật CSS (Chirp Spread Spectrum) để mã hóa và truyền tải dữ liệu hiệu quả.
Mạng LoRa nổi bật với khả năng truyền dữ liệu xa, chống nhiễu hiệu quả và đảm bảo độ an toàn thông tin cao Những ưu điểm này rất phù hợp với mục tiêu tối giản hóa quy trình vận hành của thiết bị trong các dự án.
• Khả năng định vị chính xác: cho phép định vị chính xác với độ sai số không đáng kể tại mọi vị trí trên Trái Đất
Module NEO6-M có giá thành thấp nhưng hiệu suất cao, lý tưởng cho việc tối ưu hóa chi phí sản phẩm và dễ dàng tiếp cận với mọi đối tượng người dùng.
• Tính tiện lợi: Bot chat Telegram vô cùng dễ sử dụng và là phương thức truyền tin hiệu quả hoàn toàn miễn phí
Lập trình viên có khả năng tùy biến giao diện và tính năng của bot chat, mang đến sự đa dạng cho người dùng Hệ thống máy chủ của Telegram được bảo mật với mã hóa đầu cuối, đảm bảo an toàn cho dữ liệu Bên cạnh đó, với mạng lưới máy chủ toàn cầu, Telegram vẫn duy trì khả năng hoạt động ổn định ngay cả khi một số máy chủ gặp sự cố.
Lý do này nhấn mạnh tính linh hoạt, khả năng truyền dữ liệu xa, chi phí thấp và tính an toàn của các thành phần phần cứng được lựa chọn, phù hợp với mục tiêu và yêu cầu ban đầu của dự án.
Hình 3.1: Hình ảnh thực tế NodeMCU ESP8266
Hình 3.2: Sơ đồ chân nodeMCU ESP8266
ESP8266 là một hệ thống trên chip (SoC) do công ty Espressif của Trung Quốc sản xuất, tích hợp bộ vi điều khiển 32-bit Tensilica L106 và kết nối Wi-Fi trong một board nhỏ Chip này có 11 chân GPIO đa dụng và một đầu vào analog, cho phép lập trình tương tự như Arduino Trong số 17 chân GPIO của ESP8266, 6 chân từ chân 6 đến chân 11 được sử dụng cho giao tiếp.
ESP8266 là một module kết nối Wi-Fi, cho phép kết nối với mạng và Internet Nó có khả năng lưu trữ máy chủ web với các trang web thực, giúp smartphone và các thiết bị khác dễ dàng kết nối Điều này tạo ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực Internet of Things (IoT).
Với tính linh hoạt, tiện ích và chi phí thấp, ESP8266 đã trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu cho các dự án IoT hiện nay.
Hình 3.3: Hình ảnh thực tế module Lora Ra-01
Hình 3.4: Sơ đồ chân module Lora Ra-01
Modue Lora Ra-01 là sản phẩm của công ty ShenZhen AI-thinker CO.,LTD, được thành lập vào năm 2012 và chuyên về Internet of Things (IoT) Ai-thinker là một doanh nghiệp công nghệ cao chuyên thiết kế, nghiên cứu và phát triển các sản phẩm tích hợp, bao gồm module wireless và IoT.
Trong dự án này, tôi đã lựa chọn giao thức truyền dữ liệu Lora do khả năng truyền xa và mức tiêu thụ năng lượng thấp của module Lora Ra-01.
Module Lora Ra-01 sử dụng phương thức SPI để giao tiếp với vi xử lý
Hình 3.5: Hình ảnh thực tế module GPS NEO-6M
Hình 3.6: Sơ đồ chân module GPS NEO-6M
Module GPS NEO-6M, phát triển bởi U-blox - công ty con của Viện công nghệ liên bang Thụy Sĩ, là một giải pháp định vị toàn cầu sử dụng hệ thống vệ tinh Mỹ Được thành lập năm 1998, U-blox cung cấp module GPS với khả năng định vị nhanh và chính xác, cùng nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng, lý tưởng cho các ứng dụng chạy bằng pin.
Hình 3.7: Hình ảnh giao diện bot chat Telegram
Bot Telegram là một ứng dụng chat được phát triển bởi Pavel Durov, một chuyên gia truyền thông mạng xã hội người Nga, và hoạt động trên nền tảng ứng dụng Telegram, nổi bật với tính bảo mật cao kể từ khi ra mắt vào năm 2013 Bot Telegram có nhiều ứng dụng đa dạng, bao gồm thay thế website, tạo công cụ thanh toán và tổ chức trò chơi, tùy thuộc vào khả năng của lập trình viên Trong đồ án này, tôi chọn sử dụng bot Telegram vì những tính năng linh hoạt và tiềm năng mà nó mang lại.
• Các bước tạo 1 bot chat telegram:
Bước 1: Tạo tài khoản Telegram
Bước 2: Đăng nhập vào tài khoản Telegram và tìm kiếm từ khóa
“BotFather” và nhấn vào tài khoản BotFather
Hình 3.8: Hình ảnh sau khi tìm kiếm từ khóa “BotFather”
Bước 3: Nhập “/newbot” để tạo bot mới
Hình 3.9: Hình ảnh sau khi tạo bot mới
Bước 4: Đặt tên cho bot
Hình 3.10: Hình ảnh sau khi đặt tên cho bot
Bước 5: Đặt username cho bot
Hình 3.11: Hình ảnh tạo thành công sau khi đặt username cho bot
Sau khi tạo bot chat thành công, BotFather sẽ gửi một tin nhắn chứa token cần thiết để phát triển mã cho dự án.
Khối nhận dữ liệu GPS
Khối truyền dữ liệu Lora qưefqwer
Khối nhận dữ liệu Lora
Truyền dữ liệu lên bot Telegram và thông báo cho người nhận
Khối truyền dữ liệu Khối nhận dữ liệu
Khối kết nối Wi-fi
Hình 3.12: Sơ đồ khối toàn hệ thống
Bảng 3.1: Điện áp sử dụng cho khối truyền
Module Dòng điện sử dụng tối đa Điện áp sử dụng
GIAO THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU
UART (Universal Asynchronous Receiver – Transmitter) là một giao thức truyền dữ liệu không đồng bộ phổ biến giữa các thiết bị kỹ thuật số Trong giao thức này, một thiết bị Master chỉ giao tiếp với một thiết bị Slave duy nhất Mỗi thiết bị có hai chân giao tiếp: chân Tx (truyền) và chân Rx (nhận) Chân Tx của thiết bị này kết nối với chân Rx của thiết bị kia và ngược lại Khi truyền dữ liệu, thiết bị truyền sẽ chuyển đổi dữ liệu từ dạng song song sang dạng nối tiếp, trong khi thiết bị nhận sẽ chuyển đổi dữ liệu từ dạng nối tiếp về dạng song song để giao tiếp với vi xử lý của nó.
UART truyền dữ liệu nối tiếp theo 3 chế độ:
- Full duplex: dữ liệu truyền đồng thời đến và đi từ mỗi thiết bị
Dữ liệu truyền bằng giao thức UART được đóng thành các gói Mỗi gói chứa
1 bit bắt đầu, 5-9 bit dữ liệu, 1 bit chẵn lẻ và 1 hoặc 2 bit dừng:
Khi bắt đầu truyền dữ liệu, UART kéo đường truyền dữ liệu xuống mức điện áp thấp từ mức cao, điều này cho phép nó nhận diện sự thay đổi và bắt đầu đọc dữ liệu trong khung dữ liệu Quá trình này diễn ra tại tần số tốc độ truyền đã được cài đặt trước.
Khung dữ liệu chứa thông tin thực tế được truyền tải, thường có kích thước từ 5-8 bit khi sử dụng bit chẵn lẻ, và có thể mở rộng đến 9 bit nếu không áp dụng bit chẵn lẻ.
Bit chẵn lẻ là phương pháp kiểm tra lỗi trong quá trình truyền dữ liệu, giúp phát hiện sự thay đổi dữ liệu do nhiều yếu tố như khoảng cách truyền, bức xạ điện từ hoặc tốc độ truyền không khớp Nếu bit chẵn lẻ là 0, tổng số bit 1 trong khung dữ liệu phải là số chẵn; ngược lại, nếu bit chẵn lẻ là 1, tổng số bit 1 phải là số lẻ Khi không đáp ứng các điều kiện này, UART sẽ phát hiện lỗi trong quá trình truyền Tùy thuộc vào hệ thống, lỗi có thể được bỏ qua hoặc gây ra tạm dừng, yêu cầu khởi động lại hệ thống.
- Bit dừng: để dừng việc truyền gói tin, thiết bị truyền sẽ điều khiển đường truyền kéo lên mức cao trong ít nhất 2 bit
UART là một giao thức truyền dữ liệu không đồng bộ, không sử dụng xung clock để điều chỉnh tốc độ truyền Do đó, trước khi tiến hành truyền dữ liệu qua UART, người dùng cần thiết lập tốc độ truyền đồng bộ cho cả hai thiết bị đầu và cuối.
Trong dự án này, tôi sử dụng giao thức truyền dữ liệu UART để kết nối vi xử lý của khối truyền với module GPS, do module GPS đã được cấu hình sẵn.
SPI (Giao thức giao tiếp ngoại vi nối tiếp) là một giao thức truyền dữ liệu đồng bộ phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng hiện nay Một trong những ưu điểm nổi bật của SPI là khả năng truyền dữ liệu liên tục mà không bị gián đoạn, vượt trội hơn so với các giao thức khác như UART hay I2C, nơi mà dữ liệu có thể bị giới hạn.
Giao tiếp SPI cho phép một thiết bị được cấu hình là Master kết nối với một hoặc nhiều thiết bị Slave Thông thường, vi điều khiển đảm nhận vai trò Master, trong khi các thiết bị ngoại vi như cảm biến, màn hình và chip nhớ hoạt động như Slave.
Với mỗi thiết bị thực hiện giao tiếp SPI, sẽ có 4 chân để kết nối:
The SS/CS (Slave Select/Chip Select) pin is used by the Master device to select which Slave device will receive the signal This pin from the Master connects directly to the SS/CS pin of the Slave device.
- Chân SCLK (Clock): đường cho tín hiệu xung đồng bộ
- Chân MOSI (MasterOut/Slave In): Chân dùng để truyền dữ liệu từ Master đến Slave Chân MOSI của Master sẽ được nối với chân MOSI của Slave
- Chân MISO (Master In/Slave Out): Chân dùng để truyền dữ liệu từ Slave đến Master Chân MISO của Master sẽ được nối với chân MISO của Slave
Các bước truyền dữ liệu bằng giao thức SPI:
- B1: Master ra tín hiệu xung clock Tín hiệu này sẽ được đồng bộ với tất cả các thiết bị trong mạng
- B2: Master chuyển chân SS/CS sang mức thấp Điều này sẽ kích hoạt Slave
- B3: Master sẽ gửi dữ liệu theo đường MOSI theo từng bit một và Slave sẽ đọc dữ liệu theo từng bit một
- B4: Nếu cần phản hồi, Slave sẽ gửi lại dữ liệu cho Master theo đường
Khi ngừng truyền dữ liệu, Master chỉ cần nâng chân SS/CS lên mức cao, điều này sẽ tạm dừng quá trình truyền cho đến khi chân này trở lại mức thấp.
Để thiết lập giao tiếp giữa một thiết bị Slave và nhiều thiết bị Master, thiết bị Master cần phải có nhiều chân SS/CS Nếu thiết bị Master chỉ có một chân CS/SS, các chân In/Out dữ liệu của thiết bị Slave phải được kết nối nối tiếp với nhau.
Trong dự án này, tôi sử dụng giao thức SPI để kết nối Vi xử lý với Module Lora Ra-01, vì Module Lora Ra-01 đã được cấu hình sẵn để hỗ trợ giao thức SPI.
LoRa (Long Range Radio) là một giao thức truyền dữ liệu tầm xa, được thiết kế để truyền tải thông tin ở khoảng cách lên đến vài kilomet Công nghệ này nổi bật với khả năng tiêu thụ năng lượng cực thấp mà không cần khuếch đại công suất, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu.
LoRa áp dụng công nghệ CSS (Chirp Spread Spectrum), sử dụng các xung Chirp để mã hóa và truyền tải dữ liệu Hiện nay, mạng LoRa đang trở nên phổ biến toàn cầu trong các dự án IoT, quản lý tài nguyên và các hệ thống kết nối không dây khác.
Mạng LoRa có nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng truyền tải dữ liệu xa hàng kilomet miễn phí, khả năng xuyên tường, tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp, khả năng chống nhiễu tốt và độ an toàn thông tin cao Tuy nhiên, LoRa cũng tồn tại một số nhược điểm như tốc độ truyền không nhanh bằng các công nghệ khác, giới hạn dung lượng truyền tải và hiệu suất bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như mật độ bức xạ, điều kiện môi trường và vật cản Trong dự án này, tôi đã chọn công nghệ LoRa vì những đặc tính của nó phù hợp với mục tiêu tối giản hóa phương thức vận hành thiết bị, nhờ vào việc truyền dữ liệu không dây miễn phí và dễ dàng trong quá trình cài đặt.
PHẦN MỀM
Khởi chạy modue GPS và Module Lora
Nhận dữ liệu GPS từ module GPS
Truyền dữ liệu vị trí cho khối nhận bằng module Lora Ra-01
Bắt đầu button_state= false Đúng
=true button_state= trueNgắt ngoài
Sau khi khởi động, khối truyền dữ liệu sẽ thiết lập kết nối với module GPS NEO6-M và module Lora Ra-01, đồng thời khởi tạo biến button_state với giá trị "false" Trong chương trình chính, vi xử lý liên tục thu thập dữ liệu từ module GPS và kiểm tra giá trị của button_state Khi người dùng nhấn nút, vi xử lý thực hiện ngắt ngoài, thay đổi giá trị button_state thành "true" và tiếp tục chương trình chính Nếu button_state là "true", vi xử lý sẽ gửi thông tin vị trí đã lưu qua module Lora Ra-01 trước khi tiếp tục thu thập dữ liệu vị trí.
Để đảm bảo thiết bị báo tin khẩn cấp hoạt động hiệu quả, cần giữ module GPS NEO-6M trong trạng thái hoạt động liên tục Điều này giúp tránh tình trạng vi xử lý phải chờ đợi, từ đó tối ưu hóa quá trình thu thập dữ liệu về vị trí.
Nhận dữ liệu từ module Lora Ra-01
Truyền dữ liệu lên bot Telegram
Khởi chạy module Lora Bắt đầu
Hình 3.22: Lưu đồ khối nhận dữ liệu
Sau khi được cấp nguồn, khối nhận dữ liệu sẽ thiết lập kết nối với Wifi, module Lora Ra-01 và máy chủ Telegram Vi xử lý sẽ chờ nhận dữ liệu từ khối truyền dữ liệu Khi dữ liệu được truyền đến, vi xử lý sẽ nhận thông qua module Lora Ra-01 và ngay lập tức gửi lên máy chủ Telegram qua kết nối Wifi Máy chủ Telegram sẽ chuyển tiếp thông tin vị trí người dùng qua Bot chat cho người nhận đã được cài đặt trước Sau khi hoàn tất quá trình truyền dữ liệu, vi xử lý sẽ trở lại trạng thái chờ cho đến khi có dữ liệu tiếp theo được gửi đến.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
KẾT QUẢ SAU KHI HOÀN THÀNH THI CÔNG
Hình 4.1: Hình ảnh thực tế khối truyền dữ liệu sau khi thi công
Hình 4.3: Hình ảnh khối truyền dữ liệu sau khi hoàn thiện
Hình 4.4: Hình ảnh khối nhận dữ liệu sau khi hoàn thiện
KẾT QUẢ CHẠY THỰC NGHIỆM
Sau khi khởi động, khối nhận dữ liệu sẽ kết nối với mạng Wi-fi và bot chat Telegram đã được cài đặt trước Khi kết nối thành công, khối nhận dữ liệu sẽ gửi tin nhắn "Bot started up" để thông báo rằng nó đã kết nối thành công với mạng Wi-fi và bot chat Telegram, sẵn sàng gửi dữ liệu khi có yêu cầu từ khối truyền dữ liệu.
Hình 4.6: Hình ảnh thông báo của bot chat Telegram sau khi nhấn nút
Sau khi nhấn nút, một thông báo sẽ được gửi đến người nhận đã được cài đặt trước đó Thông báo này chứa một đường link, và khi người nhận nhấn vào đường link, họ sẽ được dẫn đến vị trí của người nhấn nút thông qua ứng dụng Google Maps.
Hình 4.7: Hình ảnh màn hình khi người nhận thông báo nhấn vào đường link
• Về thao tác vận hành:
Hệ thống được thiết kế nhằm tối giản hóa thao tác vận hành, cho phép người dùng thực hiện mọi chức năng chỉ với một lần nhấn nút duy nhất.
• Về độ trễ tín hiệu:
Thời gian từ khi nhấn nút đến khi nhận thông báo qua bot chat Telegram là 9 giây Độ trễ này phụ thuộc vào khoảng cách giữa khối truyền và khối nhận, cũng như tốc độ mạng Wifi kết nối với khối nhận Đặc biệt, 9 giây là độ trễ được đo trong bán kính 100m giữa khối truyền và khối nhận.
• Về sai số vị trí:
Sai số vị trí đo được là +5m khi thiết bị phát tín hiệu trong nhà và +1m khi đo ngoài trời Mức sai số này được coi là không đáng kể so với mục đích sử dụng của thiết bị.
Thực nghiệm cho thấy khối truyền có thời gian sử dụng khoảng 3 ngày khi sử dụng cục pin 2000mAh Người dùng có thể tùy chỉnh dung lượng pin để kéo dài thời gian sử dụng thiết bị.
• Về khoảng cách truyền tín hiệu:
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khoảng cách truyền tín hiệu Lora trong thành phố đạt khoảng 300m, điều này khác với lý thuyết do phụ thuộc vào điều kiện môi trường và cơ sở vật chất trên đường truyền Thực nghiệm cũng cho thấy rằng số lượng vật cản trên đường truyền càng nhiều thì hiệu suất truyền tín hiệu càng giảm.
Đèn LED màu xanh của module GPS NEO6-M sẽ chớp tắt liên tục trong quá trình hoạt động, cho thấy rằng module đang hoạt động và cập nhật vị trí của khối truyền dữ liệu.
• Về kích thước vật lý:
Do hạn chế về điều kiện kinh tế, kích thước sản phẩm vẫn lớn hơn so với mục tiêu ban đầu Sản phẩm vẫn còn cồng kềnh so với mục đích sử dụng chính là nhấn nút.
TÓM LƯỢC VÀ KẾT LUẬN
TÓM LƯỢC
Sản phẩm đã hoàn thành mục tiêu truyền thông tin khẩn cấp nhanh chóng với thao tác nhấn nút đơn giản, nhưng cần cải thiện kích thước vật lý và độ hoàn thiện Đề tài phát triển nút nhấn thông báo vị trí khẩn cấp sử dụng công nghệ mạng LoRa tập trung vào việc nâng cao quy trình cứu hộ và phản ứng trong tình huống khẩn cấp, đặc biệt tại những khu vực có mạng di động yếu hoặc thiếu hạ tầng viễn thông Dự án kết hợp tính linh hoạt của mạng LoRa và khả năng định vị chính xác, nhằm tạo ra hệ thống truyền thông hiệu quả giữa người cần cứu hộ và đội ngũ cứu hộ.
Nút nhấn thông báo vị trí khẩn cấp cho phép người dùng gửi thông tin vị trí ngay lập tức trong các tình huống khẩn cấp như tai nạn giao thông, thảm họa tự nhiên hoặc tình trạng y tế Hệ thống sử dụng công nghệ mạng LoRa để truyền tải thông tin vị trí trong thời gian thực và trên phạm vi rộng, đảm bảo hoạt động hiệu quả ngay cả trong các môi trường có nhiều rủi ro hoặc hạn chế về viễn thông.
Dự án này nổi bật với khả năng định vị chính xác và truyền tải thông tin vị trí trong thời gian thực, cùng với sự dễ dàng trong việc vận hành hệ thống Hơn nữa, hệ thống còn tích hợp các tính năng bảo mật nhằm bảo vệ an toàn dữ liệu truyền tải và thông tin cá nhân của người dùng.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn là một lĩnh vực quan trọng, yêu cầu nghiên cứu và phát triển các thuật toán và phương pháp mới nhằm cải thiện khả năng truyền dữ liệu trên mạng LoRa Điều này đặc biệt cần thiết trong các môi trường phức tạp và có nhiều nhiễu, nơi mà hiệu suất truyền dẫn có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Để nâng cao tính bảo mật, cần triển khai các biện pháp mã hóa và xác thực mạnh mẽ nhằm bảo vệ an toàn cho dữ liệu truyền tải và thông tin cá nhân của người dùng.
Phát triển ứng dụng di động là quá trình tạo ra các ứng dụng hoặc giao diện người dùng thân thiện, giúp người dùng dễ dàng gửi thông tin vị trí khẩn cấp và nhận phản hồi từ hệ thống một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Tiến hành kiểm tra và triển khai thực tiễn là bước quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và khả năng thích ứng của hệ thống Các cuộc thử nghiệm thực tế giúp xác định tính hiệu quả của hệ thống trong các điều kiện cụ thể, từ đó đảm bảo rằng nó hoạt động tối ưu trong môi trường thực.
Tích hợp hệ thống nút nhấn thông báo vị trí khẩn cấp với các hệ thống cứu hộ khác là cần thiết để phát triển một giải pháp toàn diện và hiệu quả Nghiên cứu cách kết nối các hệ thống này sẽ nâng cao khả năng phản ứng và cứu hộ trong các tình huống khẩn cấp.
Dự án này mang lại tiềm năng lớn trong việc nâng cao khả năng phản ứng và hiệu suất của hệ thống cứu hộ khẩn cấp nhờ vào công nghệ mạng LoRa Hơn nữa, nó có thể được phát triển để đảm bảo tính linh hoạt, độ tin cậy và bảo mật tối ưu cho người sử dụng.