Trong học kỳ 2 của khóa học Thiết kế Vi mạch, nhóm sinh viên Dương Minh An và Nguyễn Thanh Hào (lớp C1.2502.E0 – FPT Jetking) đã xuất sắc hoàn thành mô hình Giám sát Nhiệt độ – Độ ẩm – Khí Gas tích hợp FPGA và ESP32 IoT, ứng dụng Verilog RTL kết hợp IoT hiện đại. Sản phẩm không chỉ thể hiện khả năng lập trình FPGA vững vàng mà còn chứng minh sự hiểu biết toàn diện về hệ thống nhúng và kết nối IoT – đúng với định hướng “Kỹ sư thực hành chuẩn doanh nghiệp” của FPT Jetking.
Mục tiêu của dự án
Dự án hướng đến việc tạo ra một mô hình giám sát môi trường thời gian thực với ba thông số chính gồm nhiệt độ, độ ẩm và khí gas. Nhóm đã tự thiết kế toàn bộ module FPGA như UART, DHT11, MQ2, LED hiển thị, LCD, LED 7 đoạn và buzzer cảnh báo.
Hệ thống được kết nối ESP32 để gửi dữ liệu lên ThingsBoard, nhận lệnh điều khiển RPC và phản hồi lại cho FPGA. Giao diện hiển thị được xây dựng trực quan gồm LCD I2C, LED thanh 74HC595, LED 7 đoạn và dashboard realtime giúp hệ thống hoạt động ổn định liên tục.
Nhóm bắt đầu bằng việc phân tích luồng dữ liệu tổng thể giữa cảm biến, FPGA, ESP32 và IoT cloud. Sau đó xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ chân kết nối dựa trên FPGA board, ESP32 DevKit, DHT11, MQ2 và LCD. Toàn bộ logic được lập trình bằng Verilog cho các module đọc cảm biến, xử lý cảnh báo, truyền UART và hiển thị. ESP32 đảm nhiệm việc gửi dữ liệu telemetry lên ThingsBoard, nhận RPC điều khiển và trả lệnh cho FPGA. Cuối cùng, nhóm hoàn thiện dashboard gồm biểu đồ realtime, gauge đo, đèn cảnh báo và các nút điều khiển, trước khi đưa toàn hệ thống vào kiểm thử thực tế.
Những khó khăn và cách nhóm giải quyết
Các khó khăn lớn nhất xoay quanh timing giao tiếp DHT11, đồng bộ UART giữa FPGA và ESP32, xử lý tín hiệu analog MQ2 và độ trễ kết nối MQTT. Nhóm đã giải quyết bằng cách mô phỏng waveform timing, hiệu chỉnh clock divider UART, thử nghiệm lọc dữ liệu MQ2 và tối ưu code ESP32 để tránh timeout. Việc chia nhỏ module FPGA để test độc lập giúp nhóm dễ dàng xác định lỗi và tối ưu hiệu suất hệ thống.
Nhóm từng gặp sự cố cắm nhầm chân breadboard khiến LED nháy loạn không rõ nguyên nhân. Có những buổi tối cả nhóm cùng nhau debug DHT11 và chỉ vì thiếu một điện trở pull-up 10k mà hệ thống không chạy đúng. Khoảnh khắc khi dữ liệu hiển thị realtime trên ThingsBoard cũng là lúc cả nhóm cảm nhận rõ ràng thành quả của mô hình IoT hoàn chỉnh do chính mình tạo ra.
Điểm nổi bật của sản phẩm hoàn chỉnh
Sản phẩm sở hữu giao diện ThingsBoard trực quan, realtime và có thể điều khiển từ xa. Hệ thống mô phỏng môi trường thật với cảm biến đo khí gas, nhiệt độ và độ ẩm giống một hệ thống cảnh báo cháy mini. FPGA vận hành ổn định nhờ khả năng xử lý song song, đảm bảo độ chính xác dữ liệu. Các dạng hiển thị khác nhau từ LCD I2C đến LED thanh và LED 7 đoạn giúp hệ thống trực quan hơn, đồng thời phản hồi từ Cloud về FPGA gần như tức thì.
Dự án giúp nhóm nắm vững quy trình thiết kế hệ thống nhúng FPGA kết hợp IoT. Nhóm thành thạo giao tiếp UART, I2C, timing DHT11, đọc tín hiệu analog và lập trình ESP32 cùng giao thức MQTT. Quan trọng nhất, dự án giúp nhóm làm quen với cách xây dựng một sản phẩm hoàn chỉnh, từ thiết kế logic, lập trình, cloud cho đến giao diện người dùng. Kỹ năng teamwork, phân chia nhiệm vụ và quản lý thời gian cũng được nâng cao rõ rệt.
“Lần đầu tiên tự tay hoàn thiện một hệ thống IoT – FPGA từ phần dây điện đến dashboard. Khi thấy dữ liệu realtime trên ThingsBoard, tụi em cảm thấy vô cùng tự hào.” Giảng viên đánh giá cao thiết kế logic rõ ràng, cách module hóa các khối FPGA và khả năng kết hợp nhiều giao tiếp như UART, I2C, ADC. Giao diện ThingsBoard được xây dựng đẹp mắt và dễ sử dụng, mô hình có tính ứng dụng thực tế cao.
Bên cạnh đó, hệ thống có thể phát triển thêm tính năng calibrate cảm biến và tối ưu mã hiển thị LED 7 đoạn, đồng thời bổ sung sơ đồ xung và biểu đồ timing cho báo cáo. Tổng thể, đây là một bài tập xuất sắc và hoàn chỉnh, đủ tiêu chuẩn trở thành mô hình demo cho các khóa học tiếp theo của FPT Jetking.
Dự án “Verilog – Hệ thống Giám sát Nhiệt độ – Độ ẩm – Khí Gas qua FPGA & ESP32 IoT” không chỉ là một bài tập xuất sắc của sinh viên FPT Jetking mà còn là minh chứng rõ ràng cho năng lực thiết kế vi mạch và triển khai hệ thống IoT thực tế. Sản phẩm cho thấy sinh viên hoàn toàn đủ khả năng tạo ra những mô hình có tính ứng dụng cao, phù hợp nhu cầu doanh nghiệp và xu hướng công nghệ hiện nay.
Giảng viên Trương Huy Hoàng