Hệ thống cảnh báo cửa từ xa cách 13 dặm (21 km) với LoRa – Không cần mạng lưới! (Heltec WiFi LoRa 32 V3)

Hệ thống cảnh báo cửa từ xa cách 13 dặm (21 km) với LoRa – Không cần mạng lưới! (Heltec WiFi LoRa 32 V3)

Hãy tưởng tượng bạn có thể theo dõi cửa trước của một cabin hẻo lánh, cổng của một nông trại, hoặc lối vào của một kho chứa đồ từ khoảng cách hơn 13 dặm (21 km)—mà không cần kết nối Wi-Fi, thẻ SIM di động, hoặc bất kỳ khoản phí hàng tháng nào. Đây không phải là một khái niệm viễn tưởng; đó là một thực tế khả thi khi sử dụng công nghệ LoRa (Tầm xa). Trong dự án này, chúng ta sẽ xây dựng một hệ thống giám sát cửa tầm xa sử dụng mô-đun Heltec Wi-Fi LoRa 32 V3, được đóng gói gọn gàng trong vỏ Meshnology N32 với pin 3000 mAh để hoạt động lâu dài, không phụ thuộc vào lưới điện.

Dự án này sử dụng cảm biến Hall effect để phát hiện cửa đang mở hay đóng và truyền trạng thái đó qua băng tần LoRa. Đây là một giải pháp hoàn hảo cho cabin, chuồng trại, kho chứa đồ, hoặc bất kỳ địa điểm nào bạn cần giám sát từ xa đáng tin cậy mà không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng hiện có. Bạn thậm chí có thể thêm một còi báo hoặc rơ-le vào bộ thu để tạo ra hệ thống báo động cục bộ.

Dưới đây là một số cách thực tế bạn có thể sử dụng dự án này:

• Giám sát cửa nhà kính từ xa để đảm bảo nó được đóng lại nhằm kiểm soát nhiệt độ.
• Kiểm tra xem cửa chuồng trại hoặc chuồng ngựa có bị bỏ mở sau khi bạn rời khỏi khu đất hay không.
• Tạo ra một hệ thống báo động an ninh tầm xa cho nhà kho hoặc xưởng làm việc.
• Nhận thông báo khi hộp thư hoặc cổng được mở.
• Giám sát việc ra vào khu vực có hàng rào hoặc công trường xây dựng.

Hướng dẫn này là phần thứ tư trong loạt bài về Wi-Fi LoRa 32 V3. Các video trước đã đề cập đến việc gửi dữ liệu nhiệt độ, đọc điện áp DC lên đến 150V, và điều khiển rơ-le từ xa—tất cả đều qua LoRa. Dự án này xây dựng dựa trên những khái niệm đó để tạo ra một hệ thống giám sát hoàn chỉnh và thực tế.

Phần cứng cần thiết

Để xây dựng dự án này, bạn sẽ cần các thành phần sau:

• 2 mô-đun Heltec Wi-Fi LoRa 32 V3
• 2 vỏ Meshnology N32 (hoặc vỏ tương tự)
• 2 pin LiPo 3000 mAh 3.7V
• 1 mô-đun cảm biến Hall effect (có đầu ra kỹ thuật số)
• 1 nam châm nhỏ (cho cửa)
• 1 còi báo (5V hoạt động với 3.3V) hoặc mô-đun rơ-le 5V
• 1 bóng bán dẫn NPN 2N2222 (cho mạch còi báo)
• 1 điện trở 1kΩ
• Dây nối và mỏ hàn

Vỏ Meshnology N32 là một lựa chọn tuyệt vời cho bản dựng này. Nó được thiết kế để chứa mô-đun Heltec và pin 3000 mAh, mang lại vẻ ngoài gọn gàng, chuyên nghiệp. Bạn cũng có thể sử dụng bảng mạch thử nghiệm đơn giản hoặc vỏ in 3D tùy chỉnh để bắt đầu.

Hướng dẫn đấu dây

Có hai mạch chính cần xây dựng: bộ phát và bộ thu. Bộ phát được kết nối với cảm biến Hall effect, trong khi bộ thu có thể được kết nối với còi báo hoặc mô-đun rơ-le để báo động.

Đấu dây bộ phát:

Thiết lập này rất đơn giản. Cảm biến Hall effect có bốn chân: VCC, GND, DO (Đầu ra kỹ thuật số) và AO (Đầu ra tương tự). Đối với dự án này, chúng ta chỉ cần đầu ra kỹ thuật số.

• VCC trên cảm biến kết nối với chân 3.3V trên bo mạch Heltec.
• GND trên cảm biến kết nối với chân GND trên bo mạch Heltec.
• DO trên cảm biến kết nối với GPIO 4 trên bo mạch Heltec.
• Chân AO để trống.

Đấu dây bộ thu (Còi báo):

Để điều khiển còi báo, một bóng bán dẫn được sử dụng như một công tắc vì còi báo có thể tiêu thụ dòng điện lớn hơn mức chân GPIO của vi điều khiển có thể cung cấp an toàn. Mạch rất đơn giản:

• Dây dương của còi báo kết nối với chân 3.3V.
• Dây âm của còi báo kết nối với cực thu (collector) của bóng bán dẫn 2N2222.
• Cực phát (emitter) của bóng bán dẫn kết nối với GND.
• Cực gốc (base) của bóng bán dẫn kết nối với GPIO 4 trên bo mạch Heltec của bộ thu thông qua điện trở 1kΩ.

Đấu dây bộ thu (Rơ-le):

Nếu bạn muốn điều khiển một tải như đèn hoặc còi hú, bạn có thể sử dụng mô-đun rơ-le. Việc đấu dây thậm chí còn đơn giản hơn:

• VCC trên mô-đun rơ-le kết nối với chân 3.3V (hoặc 5V nếu sử dụng bộ chuyển đổi tăng áp).
• GND trên mô-đun rơ-le kết nối với GND.
• IN trên mô-đun rơ-le kết nối với GPIO 4 trên bo mạch Heltec.

Sau đó, bạn có thể kết nối tải AC hoặc DC của mình với các đầu ra của rơ-le. Rơ-le hoạt động như một công tắc điện từ, đóng mạch khi cửa được mở.

Đối với mạch còi báo, bóng bán dẫn 2N2222 được sử dụng để khuếch đại dòng điện từ chân GPIO. Một điện trở 1kΩ được đặt giữa chân GPIO và cực gốc để giới hạn dòng điện vào bóng bán dẫn. Còi báo được kết nối giữa 3.3V và cực thu, vì vậy khi bóng bán dẫn được bật, nó hoàn thành mạch và còi báo kêu.

Thiết lập phần mềm

Trước khi bạn có thể tải mã lên, bạn cần cài đặt phần mềm và thư viện cần thiết trong Arduino IDE của mình. Đầu tiên, hãy đảm bảo bạn đã cài đặt Arduino IDE. Sau đó, làm theo các bước sau:

1. Cài đặt hỗ trợ bo mạch ESP32: Mở Boards Manager (Tools > Board > Boards Manager), tìm kiếm "ESP32", và cài đặt gói của Espressif Systems.
2. Thêm URL bo mạch Heltec: Vào File > Preferences, và trong trường "Additional Boards Manager URLs", dán URL JSON https://resource.heltec.cn/download/package_heltec_esp32_index.json cho các bo mạch Heltec ESP32. Bạn có thể tìm thấy liên kết này trên trang tài liệu của Heltec. Sau đó, quay lại Boards Manager, tìm kiếm "Heltec ESP32", và cài đặt nó.
3. Cài đặt các thư viện: Vào Tools > Manage Libraries và cài đặt các thư viện sau:
   • Heltec ESP32 Dev Boards của Heltec Automation
   • Adafruit GFX Library của Adafruit (cài đặt tất cả các phụ thuộc khi được nhắc)
   • Robojax Heltec LoRa 32 thư viện (tải xuống tệp .zip từ liên kết trong mô tả video và cài đặt qua Sketch > Include Library > Add .ZIP Library).

Sau khi cài đặt các thư viện, bạn có thể chọn bo mạch chính xác bằng cách vào Tools > Board > Heltec ESP32 Arduino > Heltec Wi-Fi LoRa 32(V3). Đảm bảo cổng chính xác được chọn.

Giải thích mã

Dự án này sử dụng hai tệp mã riêng biệt: một cho bộ phát và một cho bộ thu. Cả hai đều được bao gồm trong thư viện Robojax Heltec LoRa 32 trong menu ví dụ. Mã phần lớn được viết sẵn; bạn chỉ cần điều chỉnh một vài biến chính ở đầu mỗi tệp để cấu hình mạng của mình.

Mã bộ phát (Door Alarm TX):

Mở mã bộ phát từ File > Examples > Robojax Heltec LoRa 32 > Door Alarm TX. Các cài đặt chính bạn cần sửa đổi là:

• Chân cảm biến cửa: Đây là chân GPIO kết nối với đầu ra kỹ thuật số của cảm biến Hall Effect. Mặc định là chân 4, nhưng bạn có thể thay đổi nếu bạn đã nối dây khác đi.
• Chuỗi văn bản: Bạn có thể thay đổi văn bản được hiển thị và truyền đi, chẳng hạn như "Door is OPEN" và "Door is CLOSED". Giữ nguyên dấu ngoặc kép vì chúng là chuỗi.
• Khóa bảo mật: Đây là một chuỗi bí mật phải khớp giữa bộ phát và bộ thu. Nó ngăn các thiết bị LoRa khác kích hoạt báo động của bạn. Thay đổi giá trị này thành một giá trị duy nhất.
• Tần số: Điều này phải được đặt đúng tần số cho khu vực của bạn (ví dụ: 915 MHz cho Hoa Kỳ, 868 MHz cho Châu Âu). Nó phải khớp với tần số của bộ thu.
• Công suất TX: Điều này đặt công suất truyền tính bằng dBm. Bạn có thể đặt từ 2 đến 20. Đối với thử nghiệm tầm ngắn, giá trị thấp như 2 là đủ. Đối với thử nghiệm tầm xa 13 dặm, nó được đặt ở mức 20. Công suất cao hơn sẽ làm pin cạn nhanh hơn.

Mã bộ thu (Door Alarm RX):

Mở mã bộ thu từ File > Examples > Robojax Heltec LoRa 32 > Door Alarm RX. Các cài đặt chính là:

• Chân rơ le: Chân GPIO kết nối với rơ le hoặc mạch điều khiển còi. Mặc định là chân 4.
• Thời lượng báo động: Biến này đặt thời gian rơ le hoặc còi hoạt động sau khi nhận được tín hiệu "Door Open". Mặc định là 1000 mili giây (1 giây). Bạn có thể tăng lên 10.000 hoặc 20.000 ms nếu muốn báo động kêu lâu hơn.
• Khóa bảo mật: Điều này phải giống hệt với khóa bạn đã đặt trong mã bộ phát.
• Tần số: Điều này phải khớp với tần số của bộ phát cho khu vực của bạn.

Sau khi bạn đã cấu hình các cài đặt này, bạn có thể tải mã lên từng bo mạch tương ứng.

Dự án trực tiếp và trình diễn

Trong video, dự án được trình diễn cả trên bàn làm việc và trong một tình huống thực tế. Trong phòng thí nghiệm, bộ phát được kết nối với cảm biến Hall Effect, và một nam châm được sử dụng để mô phỏng việc đóng mở cửa. Khi nam châm ở gần cảm biến, hệ thống hiển thị "CLOSED," và khi nó được gỡ ra, nó hiển thị "OPEN." Trạng thái này được truyền đến bộ thu, kích hoạt còi hoặc rơ le.

Thử nghiệm thực tế liên quan đến việc gắn cảm biến Hall Effect và nam châm lên một cánh cửa. Khi cửa được mở, bộ thu ngay lập tức hiển thị "OPEN" và kích hoạt báo động. Đóng cửa gửi tín hiệu "CLOSED" và tắt báo động.

Để chứng minh khả năng tầm xa, bộ phát được đặt trên một chân máy bên hồ với tầm nhìn thẳng không bị che khuất. Bộ thu sau đó được lái đến một vị trí cách hơn 13 dặm (21 km). Ở khoảng cách này, bộ thu vẫn có thể thu được tín hiệu và hiển thị dữ liệu được truyền, chứng minh sức mạnh và độ tin cậy của LoRa cho truyền thông ngoài lưới điện.

Đối với thử nghiệm phạm vi, bạn có thể đặt công suất TX ở mức 20 dBm. Tuy nhiên, để sử dụng hàng ngày trong phòng thí nghiệm hoặc khoảng cách ngắn, đặt ở mức 2 dBm sẽ tiết kiệm pin. Với pin 3000 mAh, bộ phát có thể hoạt động trong vài ngày, tùy thuộc vào công suất truyền và tần suất cập nhật.

Chương

• [00:00] Giới thiệu về Hệ thống Cảnh báo Cửa Từ xa
• [01:04] Tổng quan về Chuỗi Dự án LoRa
• [02:01] Tổng quan về Linh kiện và Phần cứng
• [05:42] Vỏ Meshnology N32 và Tùy chọn Pin
• [07:20] Lắp ráp Vỏ Meshnology N32
• [11:41] Kiểm tra Đầu nối và An toàn Pin
• [12:22] Đấu dây Cảm biến Hall và Rơ-le
• [13:51] Đấu dây Còi với Transistor
• [17:48] Lắp ráp Cuối cùng và Điều chỉnh Cảm biến
• [23:20] Cài đặt Phần mềm và Thư viện
• [27:42] Cấu hình và Tải lên Mã Phát
• [30:22] Cấu hình và Tải lên Mã Thu
• [31:56] Trình diễn trong Phòng thí nghiệm Hệ thống Báo động Cửa
• [33:03] Kiểm tra trên Cửa Thực tế
• [34:08] Kiểm tra Phạm vi 13 Dặm và Kết luận