3.1. Tong quan hệ thống
Dựa trên việc phân tích các cơ sở lý thuyết đã có và khảo sát các nghiên cứu và sản phẩm tương tự, nhóm đã đề xuất một mô hình thiết kế hệ thống định vi trong nhà như
sau.
@ Master node ————+ ToRa b Firebase—> f##, ThingsBoard —> & ThingsBoard UI Ì
@ Slave node —— Wi-Fi
Hình 3.1. Mô hình hoạt động cua hệ thống định vị trong nhà
(Nguồn: ThingsBoard.io) Nhóm thực hiện sé đặt các Master node tại các góc trong toà nhà dé đạt được độ bao phủ tốt nhất, các node khi đó sẽ nhớ vị trí GPS của nó, sau đó gửi tín hiệu yêu cầu đo đạc khoảng cách bằng chức năng truyền tín hiệu khứ hồi, sau khi nhận được giá trị
khoảng cách giữa Master node va Slave node, các Master node sẽ gửi các giá tri trên
cho dịch vụ lưu trữ đám mây Google Firebase. Master này sẽ tính ra vị trí của thiết
bị Slave node bằng phép đo ba cạnh tam giác và chuyên thành giá trị GPS. Kết quả
vị trí của Slave node sẽ được gửi lên một nền tảng IoT mã nguồn mở ThingsBoard thông qua giao thức MQTT. Vị trí của Slave node sẽ được hiền thị trực quan thông
qua điện thoại hay máy tính của chúng ta khi truy cập vào ThingsBoard Websocket.
Việc chuyên vị trí của Slave node thành GPS sẽ giúp hệ thống định vị được nhiều môi trường trong nhà một cách nhanh chóng mà không cần phải mô hình hoá toàn bộ
khu vực đó.
4l
3.2. Thiết kế node định vị LoRa sử dụng ESP32
3.2.1. Tổng quan về vi điều khiển ESP32
Module LoRa không thé kết nối mạng, mà bằng cách nào đó phải lay được dữ liệu từ LoRa, kết nối internet và gửi đữ liệu về server, sau đó ứng dụng desktop sẽ lấy đữ liệu từ server phục vụ cho công tác hiển thị.
Sử dụng Module ESP32-C3 làm thiết bị điều khiển và nhận dữ liệu từ LoRa, kết nối
Internet, gửi dữ liệu lên server lưu trữ online. ESP32-C3 là một module MCU mạnh
mẽ và linh hoạt, được rộng rãi sử dụng trong các thiết kế mach PCB hỗ trợ Wifi, Bluetooth va BLE. Sản phẩm này đã trở thành lựa chọn phổ biến trong các dự án liên quan đến IoT ngày nay. Nó có thê được áp dụng từ các mạng cảm biến tiết kiệm năng lượng cho đến các ứng dụng có độ phức tạp cao, bao gồm cả việc giải mã file MP3
và mã hóa các loại âm thanh khác.
Hình 3.2. Vi điều khiển ESP32-C3 (Nguôn: Semtech.com) ESP32-C3 có thê tích hợp với các bộ cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng
cụ thể khác thông qua GPIOs. ESP32-C3 tích hợp bộ vi điều khiển RISC-V lõi 32 bit với tốc độ xung nhịp tối đa là 160 MHz. Với 22 GPIO có thé định cấu hình, RAM trong 400 KB và hỗ trợ chế độ năng lượng thấp, nó có thể hỗ trợ nhiều trường hợp sử dụng khác nhau liên quan đến các thiết bi được kết nối.
Thông số kỹ thuật:
e_ 32-bit RISC-V vi xử lý đơn nhân, tốc độ xử lý lên đến 160 MHz
e 354KBROM
e 400 KB SRAM (16 KB dành cho cache)
e 8KBSRAM 6 RTC
e H6 trợ USB tốc độ cao/ bộ điều khiển JTAG
e_ Giao diện GPIO bao gồm:
o 1x UART, 1x IIC, I x IIS, 1 x SPI,11 x GPIO(PWM), 4 x ADC
o 1x Reset button, 1 x Boot button
CPU ESP-RISC-V là lõi 32 bit dựa trên RISC-V ISA bao gồm số nguyên cơ sở (I), phép nhân/chia (M) và phần mở rộng tiêu chuẩn được nén (C). Lõi có 4 tầng, theo thứ tự, scalar pipeline được tối ưu hóa về diện tích, công suất và hiệu suất. Lõi CPU phức hợp có giao diện bộ điều khiển ngắt (INTC), mô-đun gỡ lỗi (DM) và bus hệ thống (SYS BUS) dé truy cập bộ nhớ và thiết bị ngoại vi.
ESP32 có thé giao tiếp với LoRa thông qua chuẩn giao tiếp UART hoặc SPI. Sơ đồ mạch nguyên lý cho hệ thong định vi trong nhà với ESP32 va LoRa được thể hiện
như hình sau:
43
SINH RESET varareo
Hưưn n
Hàm có
an xD
HN xu
i S] susy scx ssn LẺ
+ aot Snare FE
co porno tx FS
eT os "va FE
=, 1T ry +
xn
a
trọ eeu FSIS
of
mo
xp „1ơ
= tế chữ px 2 cm
@Mp xi LL——+ 3b} rate
XI GD len
xi BÉ
ma đit
L ủ sen
a oooe Say snes
Sree mm
=m
Sr
Et `
anan
go”
vst
so
Tz
ea —
Ta rz
ta na
Hình 3.3. Sơ đồ mạch nguyên lý cho hệ thong định vị trong nhà với ESP32 va LoRa Giải thích mạch nguyên lý của hệ thống:
e_ Nguồn cấp cho esp:
100nF 10uF
C10
VDD3P3 VDD3P3 VDD3P3_RTC
VDD3P3_CPU
VDD SPI Ƒ 100nE
VDDA
00nFE
mm CIXCC C14
VDDA far TEC
MTMS SXxI2sn-EŒERE£T—C lIX CC —_—
GND
MTDI SX1280| BUSY =
MTCK MTDO
Hình 3.4. Các chân cấp nguon cho ESP32-C3 Chân 11 và chân 17 lần lượt là các chân cấp nguồn cho RTC IO va CPU IO, trong dải điện áp từ 3,0 V ~ 3,6 V. Nhóm thiết kế đã thêm các tụ điện lọc nguồn 0,1 uF gần
môi chân cap nguôn kỹ thuật sô.
Khi hoạt động như một chân cấp nguồn đầu ra, VDD_SPI có thé được cấp nguồn bởi
VDD3P3_CPU thông qua Rspi ( 3,3V). Khi không hoạt động như một chân cấp nguồn, VDD_ SPI có thé được sử dung làm GPIOI 1.
Chân 2, chân 3, chân 31 và chân 32 là các chân cấp nguồn analog, hoạt động ở 3.0 V
~ 3.6 V. Khi ESP32-C3 hoạt động ở chế độ truyền (TX), dòng điện tức thời sẽ cao
hơn và có thé gây ra sự có sập đường ray điện. Do đó, nhóm đã thêm một tụ điện 10
uF vào đường nguồn, tụ điện này có thể hoạt động cùng với tụ điện 0,1 uF. Ngoài ra,
nhóm đã thêm một mạch lọc LC gần chân 2 và chân 3 dé triệt sóng hài tần số cao.
Dòng định mức của cuộn cảm là 500 mA.
e Chan ENABLE (CHIP EN)
45
Dòng ESP32-C3 sử dụng nguồn điện hệ thống 3,3 V. Chip nên được kích hoạt sau khi nguồn đã ồn định. Nhà phát hành đã làm điều này bang cách trì hoãn kích hoạt chân 7 CHIP_EN sau khi nguồn 3,3 V được cấp. to là thời gian giữa nguồn được cấp cho đến lúc kích hoạt CHIP_EN, t¡ là thời gian khi tín hiệu CHIP_EN < VIL_nRST.
to và t¡ có giá tri 50 ps
VDDA, VDD3P3, VDD3P3_RTC, VDD3P3_CPU
CHIP_EN
Hình 3.5. Thời gian cấp nguon va reset của ESP32-C3
Dé đảm bảo nguồn cấp cho chip ESP32-C3 ồn định trong quá trình bật nguồn, nên thêm mạch trễ RC ở chân CHIP_EN. Nhóm đã thiết kế thêm mạch trễ RC thường là
R = 10 kO và C= I uF. CHIP_ EN có thé được sử dụng làm chân RESET của ESP32-
C3
e Strapping pin (phải HIGH trong khi khởi động)
ESP32 có ba chân Strapping pin là GPIO2, GPIO8, GPIO9. Phần mềm có thé đọc các
giá tri của GPIO2, GPIO8 và GPIO9 từ trường GPIO_STRAPPING trong thanh ghi
GPIO_STRAP REG. Theo mặc định, GPIO9 được kết nối với điện trở kéo lên bên trong. Nếu GPIO9 không được kết nối hoặc kết nối với mach trở kháng cao bên ngoài, giá trị bit được chốt sẽ là "1".
Internal pull-up
Hình 3.7. Cách vào các chế độ boot e©_ Thiết kế chân Anten
Cần thiết kế phan ra cho 2 anten của ESP32 và SX1280.
GND
Hinh 3.8. Thiét ké phan anten cho ESP32
47
2.5nH| CI8||J00pF_ RF Out.
“mw
C20 C21 C22
0.8pF 1.2pF 1.2pF
_GPIO0