Thiết bị phát tín hiệu cấp cứu cho vùng mất sóng di động

Qua 30 lần thử nghiệm định vị GPS và 50 gói tin LoRa, hệ thống đạt tỷ lệ định vị GPS thành công 93% (thời gian định vị lần đầu trung bình: 102 giây), tỷ lệ truyền LoRa thành công 94% với tầm hoạt động tin cậy 8-10 km ở khu vực ngoại thành (5 km ở khu vực nội thành), và độ trễ tổng thể từ lúc kích hoạt SOS đến khi hiển thị trên bảng điều khiển là 7-13 giây, trong đó độ trễ từ khi nhấn nút đến khi phát tín hiệu là 6 giây. Trong các lần thử nghiệm tích hợp toàn trình, hệ thống hoàn thành thành công 79% số lần. Các kết quả này cho thấy một thiết bị phát tín hiệu cấp cứu dựa trên LoRa, chi phí thấp và không cần thuê bao, có thể truyền dữ liệu vị trí khẩn cấp một cách tin cậy tại các khu vực không có sóng di động, là một giải pháp thực tế, có thể triển khai ở quy mô địa phương, bổ trợ cho các giải pháp vệ tinh hiện có tại các cộng đồng dễ bị ảnh hưởng bởi lũ lụt ở Việt Nam.

1. GIỚI THIỆU

Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng lũ lụt nặng nề nhất thế giới, với gần một nửa dân số sinh sống tại các khu vực có nguy cơ cao [2]. Lũ lụt tái diễn gần như hằng năm vào mùa mưa, và riêng năm 2025 đã gây ra hơn 85 trường hợp tử vong ở miền Bắc [1] và ít nhất 102 trường hợp khác tại khu vực Tây Nguyên [3]. Một hậu quả thường bị bỏ qua là việc mất sóng di động đúng vào lúc cần thiết nhất: đợt lũ tháng 11/2025 đã làm 552 trạm thu phát sóng (BTS, base transceiver station) trên cả nước ngừng hoạt động, trong đó riêng tỉnh Đắk Lắk có 246/460 trạm của VNPT và 240/415 trạm của Mobifone bị gián đoạn [3], [4], khiến người dân bị mắc kẹt không có cách nào gọi cứu trợ.

Vấn đề mất khả năng gọi cứu trợ khi hạ tầng di động bị gián đoạn hoặc không tồn tại cũng xảy ra ở các khu vực xa xôi và trong các tình huống thiên tai nói chung. Thiết bị định vị cá nhân khẩn cấp (Personal Locator Beacon, PLB) truyền tín hiệu SOS một chiều tới mạng vệ tinh COSPAS-SARSAT mà không mất phí thuê bao, nhưng có giá khoảng 250-350 USD và chỉ có một chức năng khẩn cấp duy nhất. Các thiết bị nhắn tin vệ tinh như Garmin inReach bổ sung tính năng nhắn tin hai chiều, nhưng yêu cầu phí thuê bao hàng tháng khoảng 15-65 USD, cộng với giá thiết bị 250-400 USD [5]. Cả hai loại đều phụ thuộc vào phần cứng vệ tinh nhập khẩu và chi phí định kỳ, khiến việc triển khai nhanh, chi phí thấp trên diện rộng tại các xã vùng lũ trở nên bất khả thi.

Điều này cho thấy một khoảng trống: cần một thiết bị chi phí thấp, không mất phí thuê bao, có thể báo cáo vị trí GPS và tín hiệu SOS tới một bộ thu cục bộ gần đó thay vì một vệ tinh ở xa. Công nghệ vô tuyến LoRa, cho phép truyền thông điểm-điểm tin cậy trong phạm vi vài kilomet với công suất thấp [6], là một giải pháp khả thi để lấp đầy khoảng trống này.

Từ đó, tôi đã thiết kế một thiết bị phát tín hiệu cấp cứu GPS di động, sử dụng một cặp bộ phát-thu LoRa chi phí thấp, với nút kích hoạt SOS đơn giản, tự động truyền vị trí GPS, và một bộ thu chuyển tiếp cảnh báo tới máy chủ và bảng điều khiển web để giám sát theo thời gian thực. Đóng góp chính là một hệ thống hoàn chỉnh hoạt động thực tế (bộ phát, đường truyền LoRa, bộ thu, máy chủ và giao diện web) hướng tới hỗ trợ người dân gặp nguy hiểm trong các đợt lũ lụt tại Việt Nam, có thể mở rộng sang các tình huống mất sóng khác.

2. TỔNG QUAN HỆ THỐNG

Toàn bộ hệ thống được chia thành hai thiết bị vật lý giao tiếp với nhau qua LoRa, cùng với một backend biến dữ liệu nhận được thành giao diện theo dõi trực quan cho người giám sát tình huống. Bộ phát, do người gặp nguy hiểm mang theo, liên tục theo dõi trạng thái nút SOS và luôn giữ sẵn tín hiệu định vị GPS; khi nút được nhấn, thiết bị đóng gói tọa độ hiện tại thành một gói tin dữ liệu và gửi qua LoRa (Hình 1). Bộ thu, đặt tại trạm cố định trong phạm vi phủ sóng LoRa, lắng nghe các gói tin gửi đến và chuyển tiếp từng gói qua Wi-Fi tới máy chủ web ở backend (Hình 6). Máy chủ lưu trữ mọi gói tin vào cơ sở dữ liệu và cung cấp dữ liệu cho bảng điều khiển web, giúp đội cứu hộ có cái nhìn trực quan, theo thời gian thực về vị trí và trạng thái của từng thiết bị. Mục 3 và 4 mô tả chi tiết phần cứng và phần mềm của từng giai đoạn.

3. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1 Phần cứng bộ phát

Hình 1. Sơ đồ khối bộ phát

Bộ phát được xây dựng trên nền vi điều khiển ESP32-C3-WROOM2, đọc tọa độ từ module GPS Neo-M8N (board GY-GPSV3-NEO) qua liên kết nối tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) truyền các câu lệnh NMEA (National Marine Electronics Association) chuẩn, định dạng thành gói tin dữ liệu, và gửi gói tin qua module LoRa SX1278-ra-02 (RA-02) bằng giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface). Một nút SOS riêng cung cấp cơ chế kích hoạt cấp cứu thủ công được mô tả ở mục 4.1. Nguồn điện được cấp bởi pin Li-ion 1500 mAh 3.7V qua mạch sạc và bảo vệ TP4056, cho phép sạc lại pin qua cáp USB mà không cần tháo pin ra khỏi thiết bị; bộ điều chỉnh điện áp tích hợp trên board hạ điện áp đầu ra của TP4056 xuống mức 3.3V cho tầng logic. Một công tắc vật lý duy nhất điều khiển nguồn cho toàn bộ board. Module LoRa và module GPS đều sử dụng anten riêng, phù hợp với dải tần tương ứng: anten 433 MHz cho RA-02, và anten 1575.42 MHz (băng tần GPS L1) nối với Neo-M8N qua đầu nối IPEX.

Hình 2. Sơ đồ nối dây của bộ phát

Bảng 1: Các kết nối chính của bộ phát

Vỏ hộp bộ phát gồm hai phần in 3D (phần đế và phần nắp tương ứng) được cố định bằng bốn vít ở bốn góc. Phần đế được chia thành các khoang riêng biệt vừa với board mạch chính (MCU, tức vi điều khiển, và module LoRa), và module GPS, giữ cố định từng linh kiện và cách điện với nhau. Phần nắp có bố cục tương ứng, có các khe hở cho anten, cổng sạc, pin và nút SOS, cho phép đóng kín hoàn toàn vỏ hộp trong khi vẫn tiếp cận được các bộ phận này khi sử dụng. Thiết kế vỏ hộp này trực tiếp đáp ứng các tiêu chí chi phí thấp, nhỏ gọn và dễ mang theo đã đặt ra cho thiết bị ở mục 1.

Hình 5. Vỏ bộ phát, bản nguyên mẫu

Vỏ hộp bộ phát sau khi chế tạo khớp với thiết kế CAD trình bày ở Hình 3-4, xác nhận rằng các chi tiết in ra lắp khít với nhau đúng như mô hình và chứa vừa pin, board mạch và module GPS như dự kiến.

3.2 Phần cứng bộ thu

Hình 6. Sơ đồ khối bộ thu

Bộ thu sử dụng board phát triển ESP32 30 chân có tích hợp sẵn Wi-Fi. Bộ thu nhận gói tin dữ liệu từ bộ phát qua cùng loại module LoRa SX1278-ra-02 (giao tiếp SPI), sau đó chuyển tiếp từng gói tin qua Wi-Fi tới máy chủ web ở backend được mô tả ở mục 4.2. Vì bộ thu được thiết kế để đặt cố định tại trạm gốc thay vì mang theo người gặp nguy hiểm, bộ thu được cấp nguồn bởi pin 2000 mAh 3.7V lớn hơn, qua cùng loại mạch sạc và bảo vệ TP4056 dùng ở bộ phát.

Hình 7. Sơ đồ nối dây của bộ thu

Bảng 2: Các kết nối chính của bộ thu

Vỏ hộp bộ thu hiện chưa được hoàn thiện và được để lại như một hướng phát triển tiếp theo. Vì bộ thu hoạt động tại trạm gốc cố định thay vì được đeo trên người, vỏ hộp của nó không mang tính an toàn thiết yếu như của bộ phát, và một vỏ bảo vệ đơn giản sẽ được thiết kế sau khi xác định được vị trí lắp đặt và phương thức gắn cố định cuối cùng cho trạm gốc.

4. THIẾT KẾ PHẦN MỀM

4.1 Firmware

Bộ phát và bộ thu đều chạy firmware riêng, được xây dựng theo luồng dữ liệu thể hiện trong sơ đồ khối tương ứng (Hình 1 và 6) và được trình bày chi tiết dưới dạng thuật toán ở mục 5.1-5.2. Trên bộ phát, firmware liên tục thăm dò module GPS để luôn giữ sẵn tọa độ và kiểm tra trạng thái nút SOS; một gói tin dữ liệu, chứa mã định danh thiết bị, vĩ độ, kinh độ và cờ SOS, chỉ được tạo và truyền qua LoRa khi nút được nhấn, do đó bộ phát giữ im lặng trên kênh vô tuyến cho đến khi có tình huống khẩn cấp được báo hiệu. Trên bộ thu, firmware liên tục lắng nghe các gói tin LoRa gửi đến; mỗi khi nhận được một gói tin, nó được phân tích và chuyển tiếp ngay lập tức tới máy chủ ở backend được mô tả bên dưới.

4.2 Máy chủ Backend và Cơ sở dữ liệu

Hình 8. Sơ đồ thuật toán của phần mềm

Khi bộ thu chuyển tiếp một gói tin dữ liệu qua Wi-Fi, gói tin được gửi tới máy chủ backend xây dựng bằng Express.js thông qua yêu cầu HTTP POST. Máy chủ kiểm tra tính hợp lệ và lưu trữ từng gói tin nhận được vào cơ sở dữ liệu SQLite, duy trì một bản ghi liên tục cho mọi cập nhật vị trí và trạng thái nhận được từ từng thiết bị. Trang web (mục 4.3) truy vấn cơ sở dữ liệu này để hiển thị bản đồ trực tiếp và lịch sử, đảm bảo dữ liệu không bao giờ bị mất ngay cả khi không có ai đang xem bảng điều khiển vào thời điểm gói tin đến.

4.3 Bảng điều khiển Web

Hình 9. Bảng điều khiển Web : bản đồ trực tiếp và lịch sử nhận

Hình 10. Bảng điều khiển Web : lọc và lựa chọn thiết bị

Bảng điều khiển web là giao diện để đội cứu hộ theo dõi các tín hiệu cấp cứu gửi đến. Giao diện gồm ba phần chính:

Bảng trạng thái thiết bị: liệt kê từng thiết bị đã đăng ký theo tên, kèm chỉ báo trạng thái theo màu (xanh lá cho trực tuyến, đỏ cho ngoại tuyến), cho phép nhìn nhanh biết thiết bị nào đang hoạt động.

Bảng lịch sử nhận: một nhật ký có thể lọc và cuộn của mọi gói tin nhận được, hiển thị tên thiết bị, thời gian và tọa độ GPS cho từng mục. Người dùng có thể lọc nhật ký theo thiết bị và theo khoảng thời gian tùy chọn, và xóa các điểm đánh dấu trên bản đồ bằng một nút riêng.

Bản đồ tương tác: xây dựng trên nền Leaflet/OpenStreetMap, hiển thị vị trí báo cáo của từng thiết bị dưới dạng điểm đánh dấu. Nhấp hoặc rê chuột vào một điểm đánh dấu sẽ hiện cửa sổ thông tin với tên thiết bị, trạng thái hiện tại (BẬT/TẮT) và thời điểm cập nhật trạng thái đó.

Kết hợp lại, các thành phần này giúp người điều phối thấy ngay thiết bị nào đang hoạt động, chúng đang ở đâu, và toàn bộ lịch sử vị trí đã báo cáo, qua đó biến một gói tin LoRa đơn lẻ thành một bản ghi có thể hành động và lưu trữ lâu dài trên bản đồ.

5. THUẬT TOÁN HỆ THỐNG VÀ MÔ HÌNH HIỆU NĂNG

Mục này mô tả logic hoạt động của từng phân hệ (bộ phát, bộ thu, máy chủ và trang web), tiếp theo là các mô hình toán học dùng để đánh giá hiệu năng của toàn bộ hệ thống trong giai đoạn thử nghiệm sau.

5.1 Thuật toán bộ phát

Hình 11. Sơ đồ thuật toán bộ phát

1. Bắt đầu chu trình điều khiển.
2. Kích hoạt module GPS và lấy tọa độ hiện tại của người dùng.
3. Kiểm tra xem nút SOS có được nhấn hay không.
4. Nếu được nhấn: đóng gói tọa độ thành gói tin dữ liệu và truyền tới bộ thu qua LoRa.
5. Nếu không được nhấn: không thực hiện hành động truyền tin trong chu kỳ này.
6. Quay lại bước 2 và lặp lại.

Như đã nêu ở trên, thuật toán này phản ánh đúng lưu đồ đã cung cấp: bộ phát chỉ gửi gói tin khi nút SOS được nhấn, thay vì truyền theo chu kỳ cố định.

5.2 Thuật toán bộ thu

Hình 12. Sơ đồ thuật toán bộ thu

1. Bắt đầu chu trình điều khiển.
2. Kích hoạt module thu LoRa để lắng nghe gói tin gửi đến.
3. Kiểm tra xem có gói tin nào được nhận hay không.
4. Nếu nhận được gói tin: chuyển tiếp tọa độ tới máy chủ backend.
5. Nếu không nhận được gói tin: không thực hiện hành động trong chu kỳ này.
6. Quay lại bước 2 và lặp lại.

5.3 Thuật toán máy chủ

Hình 13. Sơ đồ thuật toán máy chủ

1. Bắt đầu xử lý yêu cầu.
2. Nhận yêu cầu HTTP POST gửi đến từ bộ thu.
3. Kiểm tra xem dữ liệu thu thập được có hợp lệ hay không (đúng định dạng và trong phạm vi cho phép).
4. Nếu hợp lệ: lưu bản ghi vào cơ sở dữ liệu SQLite và trả về phản hồi cho bộ thu.
5. Nếu không hợp lệ: bỏ qua yêu cầu mà không lưu trữ.
6. Kết thúc xử lý và chờ yêu cầu tiếp theo.

5.4 Thuật toán trang web

Hình 14. Sơ đồ thuật toán trang web

1. Tải giao diện hiển thị của trang web.
2. Yêu cầu dữ liệu mới nhất từ máy chủ dưới dạng JSON.
3. Cập nhật tọa độ và trạng thái SOS hiển thị cho từng thiết bị.
4. Làm mới hiển thị trên màn hình (điểm đánh dấu bản đồ, bảng trạng thái thiết bị và nhật ký lịch sử).
5. Quay lại bước 2 và lặp lại, giữ cho bảng điều khiển luôn được cập nhật liên tục.

5.5 Mô hình đánh giá hiệu năng

Các phương trình sau định nghĩa các chỉ số dùng để đánh giá từng giai đoạn của hệ thống từ đầu đến cuối, từ việc thu nhận GPS đến hiển thị trên trang web. Phần lớn các phương trình đã được áp dụng để đánh giá; tuy nhiên, sai số vị trí Haversine (Phương trình 3), thông lượng (Phương trình 6), thời gian chiếm sóng (Phương trình 7) và thời lượng pin (Phương trình 14) chưa được áp dụng và được định nghĩa để phục vụ thử nghiệm trong tương lai.

5.5.1 Chỉ số GPS

Phương trình (1): Thời gian định vị lần đầu (TTFF)

$TTFF=t_{fix}-t_{start}$

Thời gian trôi qua giữa lúc kích hoạt module GPS (tstart) và lúc thu được tín hiệu định vị hợp lệ (tfix), đo lường tốc độ xác định vị trí người dùng của bộ phát sau khi bật nguồn.

Phương trình (2): Tỷ lệ định vị GPS thành công

$Availability=\frac{ValidFixes}{Attempts}\times 100\%$

Tỷ lệ số lần thử định vị GPS cho kết quả hợp lệ, phản ánh độ tin cậy của module GPS trong điều kiện thực tế (ví dụ: tán cây che phủ, khu vực đô thị nhiều nhà cao tầng, hoặc mây dày khi có bão).

Phương trình (3): Sai số vị trí (khoảng cách Haversine)

$d=2r\cdot arcsin\sqrt{{\sin }^2(\frac{\Delta \phi }{2}+cos({\phi }_1\left)cos\right({\phi }_2\left){\sin }^2\right(\frac{\Delta \lambda }{2})}$

Trong đó φ1,φ2 là vĩ độ và Δφ=φ2-φ1, Δλ=λ2-λ1 là chênh lệch vĩ độ và kinh độ (theo radian) giữa vị trí báo cáo và một vị trí tham chiếu đã biết, còn r là bán kính trung bình của Trái Đất (≈ 6.371 km). Đây là công thức khoảng cách đường tròn lớn (Haversine) tiêu chuẩn, dùng ở đây để định lượng sai số vị trí GPS bằng cách so sánh một lần định vị báo cáo với một điểm tham chiếu đã đo đạc.

5.5.2 Chỉ số LoRa

Phương trình (4): Tỷ lệ truyền thành công (TSR)

$TSR=\frac{Received}{Sent}\times 100\%$

Tỷ lệ số gói tin được truyền đi và nhận thành công, đo lường độ tin cậy của đường truyền LoRa.

Phương trình (5): Tỷ lệ mất gói tin (PLR)

$PLR=\frac{Sent-Received}{Sent}\times 100\%$

Phần bù của TSR, thể hiện tỷ lệ gói tin bị mất trong quá trình truyền. Theo định nghĩa, TSR+PLR=100%.

Phương trình (6): Thông lượng

$Throughput=\frac{Bits}{Time}$

Tốc độ dữ liệu thực tế đạt được qua đường truyền LoRa, đo lường hiệu suất truyền thông dưới cấu hình vô tuyến đã chọn.

Phương trình (7): Thời gian chiếm sóng (ToA)

$T_{sym}=\frac{2^{SF}}{BW}$

$T_{preamble}=(n_{npreamble}+4.25)\times T_{sym}$

$n_{payload}=8+max(\lceil \frac{8PL-4SF+28+16CRC-20IH}{4(SF-2DE)}\rceil \times (CR+4),0)$

$ToA=T_{preamble}+n_{payload}\times T_{sym}$

Trong đó SF là hệ số trải phổ (spreading factor), BW là băng thông (Hz), PL là độ dài gói tin (byte), CRC∈{0,1} cho biết có sử dụng CRC hay không, IH∈{0,1} cho biết có dùng header ngầm định (implicit header) hay không, DE∈{0,1} cho biết có bật tối ưu tốc độ dữ liệu thấp hay không, CR là tỉ lệ mã hóa (coding rate, 1-4), và npreamble là độ dài phần mở đầu (preamble) tính theo số ký hiệu (symbol). Thời gian chiếm sóng là khoảng thời gian một gói tin chiếm dụng kênh vô tuyến; đại lượng này quyết định trực tiếp mức độ chiếm dụng kênh và, cùng với giới hạn chu kỳ làm việc (duty-cycle) theo quy định khu vực, quyết định tốc độ truyền tối đa có thể duy trì được [7].

5.5.3 Chỉ số Gateway và Máy chủ

Phương trình (8): Độ trễ tải lên HTTP

$T_{HTTP}=t_{response}-t_{request}$

Khoảng thời gian từ lúc bộ thu gửi yêu cầu HTTP POST đến lúc nhận được phản hồi từ máy chủ, đo lường độ trễ do Wi-Fi và chặng mạng giữa bộ thu và backend gây ra.

Phương trình (9): Độ trễ API của máy chủ

$T_{API}=t_{response}-t_{request}$

Thời gian máy chủ tự xử lý một yêu cầu và tạo ra phản hồi, tách riêng thời gian xử lý phía máy chủ khỏi thời gian truyền qua mạng.

Phương trình (10): Tỷ lệ ghi cơ sở dữ liệu thành công

$DBSuccess=\frac{SuccessfulInserts}{Attempts}\times 100\%$

Tỷ lệ số lần ghi vào cơ sở dữ liệu hoàn tất thành công, phản ánh độ tin cậy của lớp lưu trữ SQLite.

Phương trình (11): Độ trễ hiển thị

$T_{display}=t_{display}-t_{database}$

Khoảng thời gian từ lúc một bản ghi được lưu vào cơ sở dữ liệu đến lúc cập nhật đó xuất hiện trên trang web, phản ánh mức độ phản hồi của chu kỳ làm mới bảng điều khiển được mô tả ở mục 5.4.

5.5.4 Chỉ số cấp hệ thống

Phương trình (12): Độ trễ tổng thể của hệ thống

$T_{total}=T_{gps}+T_{lora}+T_{gateway}+T_{{}_{wifi}}+T_{server}+T_{web}$

Độ trễ từ đầu đến cuối, tính từ lúc bộ phát thu được tín hiệu định vị GPS đến lúc cập nhật xuất hiện trên trang web, thu được bằng cách cộng độ trễ đóng góp bởi từng giai đoạn trong chuỗi xử lý.

Phương trình (13): Độ tin cậy tổng thể của hệ thống

$Reliability=\frac{SuccessfulTests}{TotalTests}\times 100\%$

Tỷ lệ số lần thử nghiệm toàn trình, tính từ lúc nhấn nút đến lúc hiển thị trên trang web, thành công mà không gặp lỗi gói tin, yêu cầu hay cơ sở dữ liệu nào trong suốt quá trình.

5.5.5 Chỉ số nguồn điện

Phương trình (14): Thời lượng pin

$T_{runtime}=\frac{Capacity}{Current}$

Ước tính thời gian hoạt động giữa hai lần sạc, dựa trên dung lượng pin và dòng điện tiêu thụ trung bình của thiết bị. Chỉ số này mang tính bổ trợ và sẽ được báo cáo khi phù hợp thay vì là tiêu chí đánh giá chính.

6. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ

6.1 Phương pháp

Quá trình định vị GPS được thử nghiệm qua 30 lần, ghi nhận Độ suy giảm độ chính xác theo phương ngang (HDOP, Horizontal Dilution of Precision) của mỗi lần định vị, là chỉ số đo chất lượng hình học vệ tinh, cùng với các chỉ số được định nghĩa ở Phương trình 1-2 (TTFF, tỷ lệ định vị GPS thành công). Đường truyền LoRa được thử nghiệm với 50 gói tin truyền đi, ghi nhận Cường độ tín hiệu nhận được (RSSI, Received Signal Strength Indicator) và Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR, Signal-to-Noise Ratio) cho mỗi gói tin nhận thành công, cùng với các chỉ số được định nghĩa ở Phương trình 4-5 (TSR, PLR). Thời gian toàn trình, bao gồm tải lên HTTP (Phương trình 8), xử lý máy chủ (Phương trình 9), độ trễ hiển thị (Phương trình 11) và độ trễ tổng thể của hệ thống (Phương trình 12), được đo qua một bộ thử nghiệm toàn trình tích hợp riêng, và tỷ lệ thành công tổng thể của hệ thống (Phương trình 13) được tính trên các lần thử nghiệm đó. Các quan sát riêng lẻ theo từng lần thử không được lưu lại trong quá trình thử nghiệm; chỉ có các số liệu thống kê tổng hợp báo cáo dưới đây là khả dụng, và được trình bày ở đây như bằng chứng thực nghiệm chính cho đánh giá này.

6.2 Kết quả

Bảng 3 tóm tắt phạm vi thử nghiệm được thực hiện cho từng phân hệ. Bảng 4 báo cáo kết quả tổng hợp trên toàn bộ các lần thử nghiệm.

Bảng 3: Tổng quan thử nghiệm

Bảng 4: Tổng hợp kết quả thực nghiệm

6.3 Thảo luận

Bản mẫu thể hiện khả năng định vị GPS, truyền thông LoRa và tích hợp máy chủ đáng tin cậy trong điều kiện thử nghiệm. Định vị GPS thành công trong 93% số lần trong tổng 30 lần thử, với thời gian định vị lần đầu trung bình là 102 giây; đúng như dự kiến, khả năng nhìn thấy vệ tinh và chất lượng định vị tốt hơn rõ rệt ở điều kiện ngoại thành (trung bình 5 vệ tinh nhìn thấy, HDOP 2.3) so với điều kiện nội thành (trung bình 3 vệ tinh nhìn thấy), phản ánh mức độ che khuất bầu trời lớn hơn do các tòa nhà ở khu vực đô thị đông đúc.

Về đường truyền LoRa, 47 trong số 50 gói tin truyền đi được nhận thành công (TSR = 94%, PLR = 6%). RSSI trung bình -42 dBm cho thấy tín hiệu nhận được mạnh, còn SNR trung bình -8 dB không phải là dấu hiệu của đường truyền yếu vì điều chế trải phổ của LoRa được thiết kế để giải điều chế chính xác ngay cả khi công suất tín hiệu thấp hơn mức nhiễu nền, nên SNR âm đi kèm tỷ lệ truyền thành công 94% là phù hợp với việc LoRa hoạt động đúng như thiết kế. Tầm hoạt động tin cậy tối đa đo được là 8-10 km ở điều kiện ngoại thành, giảm còn khoảng 5 km ở điều kiện nội thành, phản ánh sự suy hao bổ sung từ các tòa nhà và vật cản khác, và là một tầm hoạt động thực tế cho đường truyền LoRa điểm-điểm công suất thấp ở cấu hình này.

Về phía máy chủ, các lần tải lên HTTP hoàn tất trong 1-3 giây với thời gian xử lý phía máy chủ khoảng 130 ms, và chỉ 0.5% số lần tải lên cùng 0.7% số lần ghi cơ sở dữ liệu bị lỗi. Trang web phản ánh dữ liệu mới trong vòng 1.3 giây kể từ khi dữ liệu đến cơ sở dữ liệu, đưa độ trễ toàn trình (tính từ lúc định vị GPS đến lúc cập nhật xuất hiện trên bảng điều khiển) xuống còn 7-13 giây, với độ trễ phát hiện SOS là 6 giây riêng cho bước từ khi nhấn nút đến khi phát tín hiệu. Đối với trường hợp sử dụng là thông báo khẩn cấp, điều này đưa hệ thống vào khung thời gian mà người điều phối sẽ thấy cảnh báo mới chỉ trong vài giây kể từ khi được gửi đi.

Trong số các lần thử nghiệm tích hợp toàn trình, 30 lần thành công và 8 lần thất bại, cho tỷ lệ thành công tổng thể của hệ thống là 79%. Vì con số này phụ thuộc vào việc mọi giai đoạn trong chuỗi xử lý phải thành công liên tiếp (định vị GPS, truyền LoRa, tải lên HTTP và lưu trữ cơ sở dữ liệu), một tỷ lệ tổng hợp ở mức cao 70% là phù hợp với tỷ lệ định vị GPS 93% và TSR 94% nhân với nhau cùng các tỷ lệ lỗi nhỏ hơn của các giai đoạn sau. Điều này cho thấy độ tin cậy định vị GPS và khả năng truyền gói tin LoRa là hai yếu tố đóng góp lớn nhất vào các lỗi toàn trình, và là mục tiêu cải thiện hiệu quả nhất để nâng cao độ tin cậy tổng thể trong tương lai.

Cần lưu ý rằng các phép đo riêng lẻ theo từng lần thử không được lưu lại trong đợt thử nghiệm này, do đó các số liệu trên không thể được đối chiếu độc lập với dữ liệu thô và nên được xem là kết quả tổng hợp đã ghi nhận của tôi thay vì một bộ dữ liệu có thể kiểm chứng đầy đủ. Các đợt thử nghiệm sau nên ghi lại từng lần thử riêng biệt để có thể xác minh và phân tích kết quả chi tiết hơn.

7. KẾT LUẬN

Đề tài đã trình bày quá trình thiết kế, chế tạo và đánh giá một thiết bị phát tín hiệu cấp cứu di động, chi phí thấp, dùng cho khu vực không có sóng di động, hướng chủ yếu tới các tình huống khẩn cấp do lũ lụt tại Việt Nam. Hệ thống kết hợp một bộ phát di động (ESP32-C3, GPS, LoRa, nút SOS) gửi gói tin vị trí qua LoRa khi được kích hoạt, với một bộ thu đặt tại trạm gốc chuyển tiếp dữ liệu qua Wi-Fi tới backend Express.js/SQLite và bảng điều khiển web trực tiếp.

Thử nghiệm xác nhận chuỗi xử lý hoạt động tin cậy từ đầu đến cuối: tỷ lệ định vị GPS thành công 93%, tỷ lệ truyền gói tin LoRa thành công 94% trong tầm hoạt động 8-10 km (ngoại thành) đến 5 km (nội thành), và độ trễ từ SOS đến bảng điều khiển là 7-13 giây, với hệ thống hoàn chỉnh thành công 79% số lần trong các thử nghiệm tích hợp.

Các hạn chế chính bao gồm: dữ liệu riêng lẻ theo từng lần thử không được lưu lại trong đợt thử nghiệm này, vỏ hộp bộ thu chưa hoàn thiện, và hệ thống hiện chỉ hoạt động theo cơ chế SOS mà không có tín hiệu định kỳ (heartbeat) giữa các lần khẩn cấp. Hướng phát triển tiếp theo nên ưu tiên việc ghi lại đầy đủ dữ liệu từng lần thử, hoàn thiện vỏ hộp bộ thu, đánh giá khả năng bổ sung tín hiệu trạng thái định kỳ công suất thấp song song với cảnh báo SOS, và thử nghiệm trong điều kiện lũ lụt thực tế cùng triển khai nhiều bộ thu.

Tài liệu tham khảo

[1] Wikipedia, 2025 Northern Vietnam floods. https://en.wikipedia.org/wiki/2025_Northern_Vietnam_floods

[2] News on Air (All India Radio), Heavy Rains Trigger Floods, Landslides in Vietnam; Death Toll Reaches 90. https://www.newsonair.gov.in/heavy-rains-trigger-floods-landslides-in-vietnam-death-toll-reaches-90

[3] Asia News Network, Floods in Vietnam leave 102 people dead and missing, hundreds of thousands of homes inundated. https://asianews.network/floods-in-vietnam-leave-102-people-dead-and-missing-hundreds-of-thousands-of-homes-inundated/

[4] Vietnam.vn, Dak Lak: urgently restore telecommunications infrastructure to serve rescue work. https://www.vietnam.vn/en/dak-lak-khan-truong-khoi-phuc-ha-tang-vien-thong-phuc-vu-cong-tac-cuu-ho-cuu-nan

[5] OutdoorGearLab, Best Satellite Communicators. https://www.outdoorgearlab.com/topics/camping-and-hiking/best-personal-locator-beacon

[6] Q. M. Qadir, T. A. Rashid, N. K. Al-Salihi, B. Ismael, A. A. Kist, and Z. Zhang, "Low Power Wide Area Networks: A Survey of Enabling Technologies, Applications and Interoperability Needs," IEEE Access, vol. 6, pp. 77454–77473, 2018. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2883151

[7] Semtech Corporation, SX1272/3/6/7/8: LoRa Modem Designer’s Guide, AN1200.13. https://www.mouser.com/pdfdocs/semtech-lora-modem-design.pdf