Trong xu hướng chuyển dịch mạnh mẽ sang các hệ thống thông minh và tự động hóa, bài toán giám sát và điều khiển nhiệt độ ngày càng trở nên quan trọng trong cả lĩnh vực dân dụng lẫn công nghiệp. Từ nhà thông minh, kho lạnh, trung tâm dữ liệu cho đến dây chuyền sản xuất, việc đo lường chính xác và phản hồi kịp thời là yếu tố then chốt đảm bảo an toàn và hiệu suất vận hành.
Xuất phát từ nhu cầu đó, sinh viên FPT Jetking đã thực hiện đồ án “Verilog – Điều khiển & Giám sát Nhiệt độ thông minh”, một project tiêu biểu của học kỳ 2 môn Thiết kế Vi mạch, tích hợp đồng thời FPGA, Verilog RTL và nền tảng IoT cloud để xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh từ cảm biến đến điều khiển từ xa.
Thông tin tổng quan về đồ án và nhóm thực hiện
Dự án được thực hiện bởi hai sinh viên Châu Chí Luân và Nguyễn Thị Thu Thủy, lớp C1.2502.E0, và được đánh giá là đồ án xuất sắc của học kỳ 2 tại FPT Jetking.
Sản phẩm thuộc nhóm project mô hình hoàn chỉnh tích hợp FPGA + IoT + Verilog RTL, trong đó toàn bộ logic điều khiển trung tâm được xây dựng trực tiếp trên nền tảng FPGA, thay vì chỉ sử dụng vi điều khiển như các mô hình IoT phổ biến.
Nhóm sinh viên mong muốn xây dựng một hệ thống vừa mang tính học thuật cao, vừa bám sát các mô hình ứng dụng thực tế trong nhà thông minh và công nghiệp.
Đề tài được lựa chọn với hai định hướng rõ ràng. Thứ nhất là khai thác cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường thật. Thứ hai là kết hợp FPGA với nền tảng IoT cloud để tạo ra một hệ thống có khả năng giám sát tại chỗ và điều khiển từ xa, tương tự các hệ thống giám sát nhiệt độ đang được triển khai rộng rãi trong thực tế.
Thông qua đề tài này, nhóm hướng đến việc làm chủ đồng thời cả thiết kế phần cứng số lẫn kiến trúc hệ thống IoT hiện đại.
Ngay từ đầu, dự án được đặt ra với mục tiêu xây dựng một hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ hoàn chỉnh trên nền tảng FPGA. Nhiệt độ được đo bằng cảm biến DHT11, hiển thị trực tiếp trên LCD và LED 7 đoạn, đồng thời truyền dữ liệu qua UART sang ESP32.
Thông tin nhiệt độ sau đó được gửi lên ThingsBoard để người dùng có thể giám sát từ xa và thiết lập ngưỡng nhiệt độ mong muốn. Khi vượt ngưỡng, hệ thống có khả năng điều khiển relay để mô phỏng bật hoặc tắt thiết bị làm mát và sưởi, hình thành một vòng điều khiển khép kín từ cảm biến đến cơ cấu chấp hành.
Kiến trúc hệ thống và quá trình triển khai
Dự án bắt đầu bằng việc nghiên cứu kỹ cảm biến DHT11, chuẩn truyền dữ liệu và yêu cầu timing. Từ đó, nhóm thiết kế các module Verilog bao gồm module đọc cảm biến, module UART TX và RX, logic điều khiển trung tâm và bộ điều khiển giao tiếp I2C cho LCD.
Sơ đồ khối được xây dựng theo chuỗi FPGA – ESP32 – cloud – relay – LCD, trong đó FPGA đóng vai trò xử lý trung tâm, ESP32 đảm nhiệm kết nối mạng và ThingsBoard là nền tảng hiển thị và điều khiển từ xa.
Song song với phần cứng, nhóm thiết kế dashboard trên ThingsBoard để hiển thị nhiệt độ theo thời gian thực và cho phép người dùng thay đổi ngưỡng điều khiển. Sau khi hoàn thiện từng khối, toàn bộ hệ thống được tích hợp và kiểm thử trên mô hình thực tế.
Thử thách lớn trong quá trình thực hiện
Một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất là việc đồng bộ UART giữa FPGA và ESP32, đòi hỏi kiểm soát chính xác baudrate và timing từng bit. Bên cạnh đó, việc đọc dữ liệu từ cảm biến DHT11 yêu cầu tuân thủ chặt chẽ các xung timing, chỉ cần sai lệch nhỏ cũng có thể dẫn đến dữ liệu sai hoàn toàn.
Để khắc phục, nhóm sử dụng mô phỏng waveform để kiểm tra chi tiết từng bit UART TX và RX. Các module được tách riêng và kiểm thử độc lập trước khi tích hợp, giúp giảm thiểu lỗi khi ghép toàn hệ thống.
Một trong những kỷ niệm đặc biệt nhất là thời điểm hệ thống lần đầu hiển thị đúng nhiệt độ trên LCD và đồng thời cập nhật dữ liệu chính xác trên ThingsBoard. Việc nhìn thấy dữ liệu đi từ cảm biến, qua FPGA, lên cloud và quay trở lại điều khiển relay đã mang lại cảm giác rất mạnh mẽ về một hệ thống IoT hoàn chỉnh.
Có những lúc UART truyền sai ký tự, cả nhóm phải soi từng waveform bit để tìm lỗi baudrate. Chính những giờ debug căng thẳng đó đã giúp sinh viên hiểu sâu hơn bản chất của giao tiếp số và hệ thống thời gian thực.
Điểm khác biệt của sản phẩm hoàn thiện
Điểm nổi bật lớn nhất của dự án nằm ở việc toàn bộ logic điều khiển được viết bằng Verilog RTL trên FPGA, thay vì dựa vào vi điều khiển. Điều này giúp sinh viên tiếp cận trực tiếp tư duy thiết kế phần cứng số và hệ thống thời gian thực ở mức thấp.
Hệ thống vừa có khả năng giám sát tại chỗ thông qua LCD và LED, vừa giám sát từ xa qua cloud. Ngoài ra, khả năng điều khiển relay cho phép mô phỏng các thiết bị làm mát và sưởi, mở rộng tiềm năng ứng dụng trong nhiều kịch bản thực tế.
Sau khi hoàn thành dự án, sinh viên nắm vững hơn về thiết kế UART, giao tiếp cảm biến, I2C và điều khiển hiển thị trên nền tảng FPGA. Kỹ năng debug hệ thống bằng waveform, test phần cứng và kiểm tra dữ liệu trên cloud được nâng cao rõ rệt.
Quan trọng hơn, dự án giúp sinh viên hình thành tư duy thiết kế hệ thống tổng thể, nơi phần cứng, phần mềm và hạ tầng cloud được kết nối thành một chuỗi thống nhất.
Một thành viên trong nhóm chia sẻ rằng việc xây dựng được một hệ thống mà dữ liệu đi từ cảm biến đến FPGA, từ cloud quay lại điều khiển thiết bị đã giúp hiểu rõ hơn cách các hệ thống IoT và điều khiển công nghiệp vận hành trong thực tế, thay vì chỉ học rời rạc từng công nghệ riêng lẻ.
Đánh giá chuyên môn từ giảng viên hướng dẫn
Theo nhận xét của giảng viên, dự án có cấu trúc hệ thống rõ ràng, tích hợp tốt nhiều khối chức năng và thể hiện khả năng làm chủ Verilog RTL kết hợp giao tiếp và IoT. Đây là một mô hình học tập rất sát với các hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ đang được sử dụng trong thực tế.
Bên cạnh đó, giảng viên cũng gợi ý nhóm có thể mở rộng thêm các thuật toán điều khiển như PID, bổ sung cơ chế lọc nhiễu và tối ưu giao diện dashboard để nâng cao hơn nữa tính ứng dụng trong tương lai.
Đồ án Verilog – Điều khiển & Giám sát Nhiệt độ thông minh không chỉ là một bài tập học kỳ, mà là một minh chứng rõ nét cho phương pháp đào tạo thực hành chuyên sâu tại FPT Jetking. Thông qua các project tích hợp FPGA và IoT, sinh viên được tiếp cận trực tiếp với các bài toán hệ thống thực tế, từ cảm biến, xử lý số cho đến hạ tầng cloud.
Những đồ án như vậy đang góp phần đào tạo nên thế hệ kỹ sư vi mạch và hệ thống nhúng có tư duy hệ thống, sẵn sàng tham gia vào lĩnh vực tự động hóa và công nghiệp thông minh trong tương lai.
Xem demo đồ án của nhóm qua video bên dưới!
Giảng viên Trương Huy Hoàng