Trong học kỳ 2 môn Thiết kế Vi mạch tại FPT Jetking, hai sinh viên Châu Chí Luân và Nguyễn Thị Thu Thủy đã cho ra đời dự án Verilog – Điều khiển và Giám sát Nhiệt độ Thông minh. Đây là một mô hình hoàn chỉnh kết hợp FPGA, cảm biến thực tế, IoT và Telegram Bot, thể hiện rõ khả năng làm chủ công nghệ của sinh viên trong những ứng dụng mang tính thực tiễn cao như smart home và hệ thống giám sát môi trường.
Ý tưởng hình thành từ mong muốn “nhúng hóa” thế giới IoT
Dự án được bắt đầu từ mong muốn tạo ra một mô hình “Smart Cooling System” thu nhỏ, nơi phần cứng, FPGA và công nghệ IoT có thể phối hợp nhịp nhàng để giám sát nhiệt độ và phản hồi theo thời gian thực.
Sinh viên muốn khám phá cách một hệ thống nhúng liên kết với dữ liệu cảm biến thực tế, xử lý bằng Verilog tốc độ cao, điều khiển thiết bị qua relay và truyền tải thông tin lên nền tảng đám mây ThingsBoard. Đồng thời mô hình phải có khả năng cảnh báo qua Telegram và hỗ trợ điều khiển từ xa, giống những hệ thống làm mát phòng server hoặc smart home trong đời sống.
Mục tiêu của dự án và định hướng triển khai
Ngay từ đầu, nhóm đặt ra mục tiêu tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh từ thu thập dữ liệu đến xử lý và phản hồi. Trên FPGA, sinh viên phải thiết kế và mô phỏng giao tiếp cảm biến DHT11 bằng Verilog, xây dựng bộ điều khiển nhiệt độ tự động và thiết lập đường truyền UART giữa FPGA và ESP32.
Dữ liệu nhiệt độ được gửi lên ThingsBoard theo thời gian thực, hiển thị trên dashboard và đồng thời kích hoạt các thông báo nóng khẩn khi vượt ngưỡng cài đặt. Hệ thống còn cho phép điều khiển relay và quạt từ xa qua Internet, biến mô hình trở thành một trong những bài tập mang tính ứng dụng cao nhất của môn học.
Hành trình hiện thực hóa dự án
Để bắt đầu, nhóm dành thời gian nghiên cứu giao thức truyền dữ liệu của DHT11, phân tích từng mức timing ở cấp microsecond và thiết kế FSM để đọc đầy đủ bốn mươi bit dữ liệu.
Khi module cảm biến hoạt động ổn định, nhóm tiến hành xây dựng logic điều khiển trên FPGA, so sánh nhiệt độ đo được với giá trị cài đặt và đưa ra tín hiệu điều khiển relay hoặc quạt. Đồng thời, dữ liệu được xuất ra LED bảy đoạn và hiển thị lên LCD I2C để tăng tính trực quan.
Ở bước tiếp theo, nhóm thiết kế giao tiếp UART giữa FPGA và ESP32, lập trình ESP32 để nhận và gửi dữ liệu, publish lên ThingsBoard và kết nối với Telegram Bot. Cuối cùng, nhóm xây dựng dashboard IoT với các widget theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, trạng thái quạt và nút điều chỉnh ngưỡng nhiệt độ từ xa trước khi tiến hành kiểm thử thực tế và quay video demo hoàn chỉnh.
Khó khăn và cách nhóm vượt qua thử thách
Một trong những thách thức lớn nhất là giao tiếp với DHT11, vốn đòi hỏi độ chính xác rất cao về timing. Chỉ cần sai lệch vài microsecond là cảm biến sẽ trả về dữ liệu lỗi. Nhóm đã giải quyết bằng cách sử dụng bộ đếm chạy trên xung 50MHz để đo chính xác độ rộng xung và mô phỏng waveform bằng GTKWave mỗi khi gặp vấn đề.
Bên cạnh đó, giao tiếp UART đôi khi gặp tình trạng mất ký tự do sai lệch baudrate, buộc nhóm phải tinh chỉnh đồng hồ và bổ sung cơ chế kiểm tra dữ liệu. Còn với IoT, việc timeout trong quá trình gửi dữ liệu được xử lý bằng buffer và cơ chế retry giúp hệ thống ổn định hơn.
Những khoảnh khắc đáng nhớ trong quá trình hoàn thiện
Trong suốt quá trình làm việc, nhóm có nhiều kỷ niệm khó quên. Lần đầu tiên cảm biến trả đúng giá trị lên LED bảy đoạn, cả nhóm đã vui mừng đến mức đứng dậy vỗ tay vì trước đó liên tục nhận được những con số “ảo” do lỗi timing. Một lần khác, khi relay bật tắt theo đúng nhiệt độ cài đặt, các bạn ví cảm giác đó như việc tự tay điều khiển một chiếc máy lạnh mini do chính mình thiết kế.
Sản phẩm có thể được xem là một mô hình thu nhỏ của hệ thống giám sát nhiệt độ thời gian thực trong thực tế khi toàn bộ logic điều khiển được viết bằng Verilog thuần mà không dùng vi điều khiển. FPGA trực tiếp đọc cảm biến và xử lý nhanh, ổn định. ESP32 đóng vai trò như IoT Gateway đưa dữ liệu ra Internet và gửi cảnh báo qua Telegram ngay khi vượt ngưỡng. Dashboard ThingsBoard hiển thị trực quan, cho phép điều chỉnh nhiệt độ và quan sát trạng thái relay từ bất kỳ đâu.
Kiến thức và kỹ năng nhóm đạt được sau dự án
Dự án giúp sinh viên nắm vững kỹ thuật thiết kế FSM trên FPGA, hiểu sâu về giao tiếp DHT11, UART, I2C và tư duy thiết kế hệ thống nhúng toàn trình.
Bên cạnh kiến thức kỹ thuật, nhóm còn học được cách phối hợp làm việc, phân chia nhiệm vụ hợp lý và xử lý lỗi trong môi trường phần cứng và IoT nhiều thành phần, đồng thời tự tin hơn khi triển khai các dự án lớn hơn trong lĩnh vực smart home hoặc giám sát môi trường.
Các thành viên mô tả lại quá trình chinh phục cảm biến và FPGA như một cuộc chiến thú vị. Một bạn hài hước kể rằng: “Lần đầu cảm biến trả đúng dữ liệu sau ba ngày debug mang lại cảm giác còn sung sướng hơn được qua môn”.
Thành viên khác chia sẻ rằng “Nhìn relay bật tắt theo thời gian thực giống như có một hệ thống máy lạnh mini do tụi mình tự làm.”
Thầy Trương Huy Hoàng – giảng viên hướng dẫn đánh giá đây là một bài tập xuất sắc, có tổ chức rõ ràng, thiết kế FSM tốt và khả năng tích hợp IoT hoàn chỉnh từ việc đo, xử lý, hiển thị, điều khiển đến cảnh báo qua Telegram. Demo thực tế mượt mà và các thành phần phối hợp chặt chẽ. Bên cạnh đó, thầy cũng gợi ý nhóm có thể tối ưu thêm thời gian giao tiếp DHT11, bố cục lại dashboard trực quan hơn và bổ sung biểu đồ lịch sử nhiệt độ trong phiên bản tiếp theo.
Đồ án Verilog – Điều khiển và Giám sát Nhiệt độ Thông minh cho thấy sinh viên FPT Jetking đã nắm vững tư duy lập trình FPGA, xử lý tín hiệu và tích hợp IoT vào hệ thống thực tiễn. Sản phẩm hoàn thiện là bước khẳng định rõ ràng năng lực ứng dụng công nghệ của các bạn, đồng thời tạo nền tảng vững chắc để tiếp tục phát triển ở các đồ án và học kỳ tiếp theo. Đây cũng là minh chứng cho chất lượng đào tạo thực chiến của FPT Jetking trong lĩnh vực thiết kế vi mạch và hệ thống nhúng.
Cùng xem demo đồ án của nhóm qua video bên dưới!
Giảng viên Trương Huy Hoàng