VI / EN
Quay lại danh sách dự án

Hệ Thống Quan Trắc Môi Trường & Cảnh Báo Bão Lũ Tự Động (IoT)

Trạm quan trắc khí tượng thủy văn IoT thông minh tích hợp vi điều khiển ESP32, cụm cảm biến khí quyển đa chỉ số, đo ngập siêu âm chống thấm JSN-SR04T với thuật toán lọc sóng đa tầng EMA và bộ lọc xác thực 15 giây chống báo giả 100%, đồ họa màu TFT LVGL v8 tại chỗ và bản đồ số Web GIS Supabase thời gian thực.

October 2026
Xem dự án
Team:
Võ Tá Dũng (Henry)
Võ Tá Dũng (Henry)(Technical Mentor & System Architect)
Thái Đặng Gia Khang(Embedded Hardware & Firmware Implementer)
IoT Automated Weather Monitoring & Flood Early Warning System

1. Tóm Tắt Đề Tài & Đặt Vấn Đề Thực Tiễn

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang khiến các hiện tượng thời tiết cực đoan như bão lớn, mưa lũ lịch sử, triều cường dâng cao diễn ra với tần suất ngày càng dày đặc và khó lường. Tại các đô thị lớn như TP. Hồ Chí Minh, các tỉnh duyên hải miền Trung và vùng đồng bằng sông Cửu Long, nước ngập dâng nhanh thường làm tê liệt các tuyến giao thông huyết mạch, gây chết máy phương tiện hàng loạt, sạt lở nguy hiểm và đe dọa trực tiếp đến tính mạng người dân.

Sơ đồ kiến trúc phân tầng 4 tầng của hệ thống quan trắc và cảnh báo bão lũ IoT
Sơ đồ kiến trúc phân tầng 4 tầng của hệ thống quan trắc và cảnh báo bão lũ IoT

Tuy nhiên, các trạm quan trắc thủy văn truyền thống hiện nay thường có kích thước rất cồng kềnh, chi phí đầu tư lên tới hàng trăm triệu đồng mỗi trạm, chu kỳ cập nhật dữ liệu chậm (1 đến 3 giờ/lần) và thiếu hẳn cơ chế cảnh báo khẩn cấp tại hiện trường cho người đi đường.

Đề tài "Hệ thống quan trắc môi trường và cảnh báo bão lũ tự động (IoT)" được nghiên cứu và chế tạo bởi học sinh Thái Đặng Gia Khang dưới sự hướng dẫn chuyên môn trực tiếp của Thầy Võ Tá Dũng (Henry) tại TP. Hồ Chí Minh (10/2026). Đề tài đã xây dựng một trạm quan trắc khí tượng thủy văn hoàn chỉnh, tự chủ công nghệ từ phần cứng đến phần mềm với chi phí cực thấp, độ chính xác cao và khả năng cảnh báo thời gian thực tức thì.

2. Kiến Trúc Hệ Thống Phân Tầng

Hệ sinh thái trạm quan trắc bão lũ IoT được tổ chức thành 4 tầng kiến trúc chặt chẽ:

+-----------------------------------------------------------------------------------------+
|                                  1. TẦNG THU THẬP & CẢM BIẾN                            |
|                                                                                         |
|   - BME280: Đo nhiệt độ (-40 đến 85°C), độ ẩm (0-100%), áp suất khí quyển (I2C)         |
|   - BH1750: Đo cường độ ánh sáng quang thông mặt trời (1 đến 65,535 Lux) qua I2C        |
|   - Cảm biến mưa điện dung: Đo cường độ mưa analog + ngưỡng kích hoạt giọt mưa          |
|   - Cảm biến tốc độ gió 3 chén: Ngắt xung kỹ thuật số quang học (0 đến 30 m/s)         |
|   - Đầu dò siêu âm công nghiệp JSN-SR04T IP67: Đo độ sâu ngập không tiếp xúc (20-600cm) |
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
                                           |
                                           v
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
|                                2. TẦNG XỬ LÝ BIÊN & GIAO DIỆN TẠI CHỖ                   |
|                                                                                         |
|   - Vi điều khiển ESP32-WROOM-32D: Lõi kép 240MHz, 520KB SRAM, FreeRTOS đa nhiệm        |
|   - Đường ống lọc sóng đa tầng: Bộ lọc trung vị -> Loại trừ xung Spike -> Lọc EMA       |
|   - Bộ lọc xác thực tính ổn định 15 giây: Triệt tiêu 100% cảnh báo giả                  |
|   - Màn hình đồ họa màu TFT LCD 2.8 inch (ILI9341 320x240) giao diện nhúng LVGL v8      |
|   - Còi báo động công suất lớn 85dB + Đèn tháp LED RGB chỉ thị nguy cơ                  |
|   - Cổng cấu hình mạng không chạm Captive Portal AP (192.168.4.1)                       |
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
                                           | (Giao thức HTTPS / WSS / REST)
                                           v
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
|                                   3. TẦNG ĐÁM MÂY DỮ LIỆU                               |
|                                                                                         |
|   - Supabase PostgreSQL 15: Bảng `sensor_logs` đánh chỉ mục thời gian B-Tree            |
|   - Động cơ Supabase Realtime: Đẩy dữ liệu qua WebSockets với độ trễ dưới 250ms         |
|   - Chính sách bảo mật hàng RLS bảo vệ an toàn API ghi dữ liệu                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
                                           |
                                           v
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
|                               4. TẦNG WEB GIS & CẢNH BÁO BẢN ĐỒ                         |
|                                                                                         |
|   - Cổng giám sát Web Next.js & Tailwind CSS tương thích máy tính và smartphone         |
|   - Bản đồ số Leaflet GIS phân vùng rủi ro ngập lụt bằng màu sắc trực quan              |
|   - Biểu đồ thời gian thực Recharts và hệ thống điều phối cứu hộ thiên tai              |
+-----------------------------------------------------------------------------------------+

3. Thiết Kế Mạch Phần Cứng & Phân Bổ GPIO

Sơ đồ khối nguyên lý kết nối phần cứng trung tâm vi điều khiển ESP32
Sơ đồ khối nguyên lý kết nối phần cứng trung tâm vi điều khiển ESP32

3.1. Cấu Hình Phần Cứng Cốt Lõi:

  • Bộ vi điều khiển trung tâm: ESP32-WROOM-32D (2 lõi Tensilica Xtensa LX6 tốc độ 240MHz, bộ nhớ RAM 520KB, Flash 4MB, tích hợp Wi-Fi 802.11 b/g/n).
  • Bus truyền thông I2C dùng chung (SDA: GPIO 21, SCL: GPIO 22):
    • Cảm biến môi trường tích hợp BME280 (địa chỉ 0x76) đo đồng thời nhiệt độ, độ ẩm và áp suất khí quyển để phát hiện áp thấp nhiệt đới trước khi mưa bão ập đến.
    • Cảm biến ánh sáng BH1750 (địa chỉ 0x23) đo cường độ sáng quang thông từ 1 đến 65,535 Lux.
  • Đo vận tốc gió cơ học: Cảm biến gió 3 chén nối chân ngắt ngoài GPIO 34. Khi gió thổi làm quay đĩa quang, vi điều khiển đếm xung để tính vận tốc: 
    v_gió (m/s) = (Số_xung / Δt) · 0.0875
  • Cảm biến siêu âm chống thấm nước: Module JSN-SR04T với đầu dò bọc kín đạt chuẩn chống bụi nước ngoài trời IP67 (Trigger: GPIO 5, Echo: GPIO 18).
  • Sơ đồ nguyên lý mạch hoàn chỉnh:
    Sơ đồ nguyên lý mạch hoàn chỉnh trạm quan trắc
    Sơ đồ nguyên lý mạch hoàn chỉnh trạm quan trắc

4. Xử Lý Tín Hiệu Nhúng & Thuật Toán Chống Báo Giả

4.1. Nguyên Lý Đo Mực Nước Bằng Sóng Siêu Âm Time-of-Flight

Nguyên lý hình học đo mực nước không tiếp xúc bằng sóng siêu âm Time-of-Flight
Nguyên lý hình học đo mực nước không tiếp xúc bằng sóng siêu âm Time-of-Flight

Khoảng cách từ đầu dò đến mặt nước (d_) và mực nước ngập dâng (H_) được tính toán:

Khoảng cách đo: d_đo = (t_echo · v_âm_thanh) / 2
v_âm_thanh (m/s) = 331.3 + (0.606 · T_BME280)
Mực nước ngập: H_ngập = H_mốc - d_đo

4.2. Đường Ống Khử Nhiễu Sóng Nước Đa Tầng

Lưu đồ giải thuật đo khoảng cách siêu âm khử nhiễu đa tầng
Lưu đồ giải thuật đo khoảng cách siêu âm khử nhiễu đa tầng

Sóng nước do xe cộ chạy qua hoặc rác trôi dạt thường gây ra các xung khoảng cách dị biệt. Firmware áp dụng chuỗi 3 bộ lọc liên hoàn:

  1. Bộ lọc trung vị (Median Filter) cửa sổ 7 mẫu: Loại bỏ triệt để các xung nhiễu rơi tự do.
  2. Cửa van vận tốc (Spike Velocity Gate): Loại trừ ngay các mẫu biến thiên |Δ d| > 25 cm/s vì mực nước tự nhiên không thể dâng nhanh đột ngột như vậy.
  3. Bộ lọc trung bình trượt hàm mũ (EMA): 
    d_ema(k) = 0.20 · d_hợp_lệ(k) + 0.80 · d_ema(k-1)

4.3. Bộ Lọc Xác Thực Tính Ổn Định 15 Giây

Lưu đồ thuật toán bộ lọc xác thực tính ổn định trong cửa sổ thời gian 15 giây
Lưu đồ thuật toán bộ lọc xác thực tính ổn định trong cửa sổ thời gian 15 giây

Để tránh trường hợp xe tải chạy qua tạo sóng nước tạt vào cảm biến làm còi hú báo động sai, hệ thống tích hợp bộ lọc thời gian 15 giây độc quyền:

  • Khi mực nước vượt ngưỡng cảnh báo (10cm, 20cm, 35cm), một bộ đếm thời gian được kích hoạt.
  • Còi báo động và đèn cảnh báo chỉ được bật khi mực nước ngập duy trì liên tục trong suốt T ≥ 15.0 giây.
  • Nếu nước rút hoặc hạ thấp trước 15 giây, trạng thái được hủy an toàn, đạt tỷ lệ loại bỏ báo động giả 100%.

5. Giao Diện Đồ Họa TFT LVGL & Cổng Web GIS Bản Đồ Số

5.1. Màn Hình Đồ Họa Màu TFT LCD 2.8 Inch Với LVGL v8

Bố cục giao diện hiển thị đồ họa 7 thẻ chỉ số trên màn hình màu TFT LCD 2.8 inch
Bố cục giao diện hiển thị đồ họa 7 thẻ chỉ số trên màn hình màu TFT LCD 2.8 inch

Trạm quan trắc được trang bị màn hình màu độ nét cao 320x240 pixels điều khiển bằng thư viện LVGL v8 chuyên nghiệp. Giao diện chia thành 7 khối thẻ thông tin trực quan: Nhiệt độ, Độ ẩm, Áp suất khí quyển, Ánh sáng mặt trời, Trạng thái mưa, Tốc độ gió và Thước đo mực nước ngập sinh động. Khi có báo động, viền màn hình tự động chớp nháy màu đỏ khẩn cấp cảnh báo người dân đi đường.

5.2. Cấu Hình Wi-Fi Không Chạm Qua Captive Portal

Lưu đồ giải thuật cấu hình mạng Wi-Fi không chạm qua cổng Captive Portal AP
Lưu đồ giải thuật cấu hình mạng Wi-Fi không chạm qua cổng Captive Portal AP

Khi mất kết nối Wi-Fi hoặc lắp đặt tại địa điểm mới, trạm tự động phát Access Point riêng (MUALU_IOT_CONFIG tại IP 192.168.4.1). Kỹ thuật viên hiện trường chỉ cần dùng điện thoại quét mã kết nối, chọn mạng Wi-Fi và hiệu chuẩn khoảng cách mốc H_ mà không cần tháo hộp hay nạp lại code.

5.3. Cổng Web Dashboard Giám Sát & Bản Đồ Số GIS

Phối cảnh kiến trúc giao diện Web Dashboard Next.js, bản đồ số GIS và radar rủi ro
Phối cảnh kiến trúc giao diện Web Dashboard Next.js, bản đồ số GIS và radar rủi ro

Nền tảng quản lý tập trung xây dựng trên Next.js và Supabase Realtime:

  • Bản đồ số Leaflet.js: Hiển thị vị trí trạm đo với các vùng cảnh báo đổi màu theo thời gian thực (Xanh lá: An toàn < 10cm, Vàng: Chú ý 10-20cm, Cam: Cảnh báo 20-35cm, Đỏ: Nguy hiểm ngập sâu > 35cm).
  • Đồ thị thời gian thực: Trực quan hóa lượng mưa tích lũy, tốc độ gió và mực nước với độ trễ truyền dữ liệu dưới 250 mili-giây.

6. Kết Quả Đo Kiểm Thực Nghiệm

6.1. Độ Chính Xác Đo Mực Nước Thủy Văn Thực Tế

Thực nghiệm kiểm chứng đo đạc trong bể thử nghiệm đối chứng với thước đo cơ khí chuẩn:

| Mực nước chuẩn (H_) | Mực nước đo được (H_) | Sai số tuyệt đối (Δ H) | Trạng thái cảnh báo | | :--- | :--- | :--- | :--- | | 0.0 cm (Mặt đường khô ráo) | 0.2 cm | +0.2 cm | Bình thường (An toàn) | | 10.0 cm (Mức ngập ngưỡng 1) | 9.8 cm | -0.2 cm | Chú ý (Cảnh báo Vàng) | | 20.0 cm (Mức ngập ngưỡng 2) | 19.7 cm | -0.3 cm | Ngập lụt (Cảnh báo Cam) | | 35.0 cm (Mức ngập ngưỡng 3) | 35.3 cm | +0.3 cm | Nguy hiểm (Báo động Đỏ) | | 50.0 cm (Mức ngập sâu cực đoan) | 50.4 cm | +0.4 cm | Đường tê liệt |

Sai số tuyệt đối trung bình (MAE): 0.28 cm (đạt độ chính xác cao trong dung sai ±0.5 cm)

Đồ thị thực nghiệm kiểm chứng đặc tính đáp ứng mực nước và hiệu quả bộ lọc 15 giây
Đồ thị thực nghiệm kiểm chứng đặc tính đáp ứng mực nước và hiệu quả bộ lọc 15 giây

6.2. Đo Đạc Độ Trễ Truyền Nhận & Độ Tin Cậy Mạng

Đồ thị kết quả đo đạc độ trễ truyền nhận dữ liệu qua các môi trường mạng
Đồ thị kết quả đo đạc độ trễ truyền nhận dữ liệu qua các môi trường mạng

  • Mạng Wi-Fi trạm đo: Độ trễ trung bình 186 ms, tỷ lệ truyền thành công 99.8%.
  • Mạng di động 4G LTE: Độ trễ trung bình 420 ms, tỷ lệ truyền thành công 99.4%.
  • Chi phí linh kiện (BOM): Chỉ khoảng ~1.350.000 VNĐ (~$55 USD), tiết kiệm hơn 98% kinh phí so với trạm thủy văn chuyên dụng.

7. Kết Luận & Giá Trị Thực Tiễn

Hệ thống quan trắc môi trường và cảnh báo bão lũ tự động IoT đã chứng minh tính khả thi cao trong việc ứng dụng công nghệ nhúng mã nguồn mở phục vụ phòng chống thiên tai tại các đô thị và địa phương Việt Nam. Dự án mở ra hướng đi mới cho các mô hình trạm đo thời tiết thông minh giá rẻ, góp phần bảo vệ an toàn tính mạng và tài sản cho cộng đồng.