Nghiên cứu, thiết kế chế tạo nút cảm biến không dây kết hợp dùng nguồn nănglượng mặt trời sử dụng cho mạng cảm biến cảnh báo cháy

TRƯỜNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY KẾT HỢP DÙNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHO MẠNG CẢM BIẾN CẢNH BÁO CHÁY Hà Nội, 17/09/2021 MỤC LỤC Chương 1.Tình hình hỏa hoạn giải pháp khắc phục 1.1 Tình hình hoạn thêế giới 1.2 Tình hình hỏa hoạn Việt Nam 1.3 Giải pháp phòng chốếng hỏa hoạn 1.4 Ứng dụng mạng cảm biêến khống dây cảnh báo cháy 1.4.1 Mạng cảm biến không dây 1.4.2 Mạng cảm biến không dây cảnh báo cháy Chương 2: Thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng lượng mặt trời 2.1 Phân tích chức nút 2.1.1 Bộ cảm biến 2.1.2 Bộ xử lý 2.1.3 Bộ truyền thông 2.1.4 Bộ cảnh báo 2.1.5 Bộ nguồn 2.2 Các thiêết bị câần dùng 2.2.1 Modul arduino nano 2.2.2 Modul NRF24N01 2.2.3 DHT22 2.2.4 Cảm biến phát lửa(Flame sensor) 2.2.5 Cịi báo đơng Buzzer 2.2.6 Thiết kế mạch nguồn 2.2.6.1 Pin lượng mặt trời 2.2.6.2 TP4056 Mơ-đun sạc pin Li-Ion có bảo vệ 2.2.6.3 Pin – Ion 18650 2.2.6.4 Mạch ổn áp 5V (mạch tăng áp ) 2.3 2.3.1 Thiêết kêế nút cảm biêến Sơ đồ mạch nút cảm biến: 2.3.2 L ưu đồồ thuật toán Chương Kết 3.1 Kêết thực 3.2 Những vâến đêầ chưa thực MỞ ĐẦU Phòng cháy chữa cháy (PCCC) vấn đề quan tâm hàng đầu sản xuất sinh hoạt, để xảy cháy hậu khơng thể lường trước Tại Việt Nam, quy định PCCC tổ chức thành luật Phòng Cháy Chữa Cháy.Hàng năm, Nhà nước thường xuyên tổ chức tuần lễ, tháng cao điểm an tồn vệ sinh lao động phịng chống cháy nổ nhiều vụ cháy lớn xảy ra, gây nhiều thiệt hại lớn người Theo kết luận quan chức năng, phần lớn vụ cháy gây hậu nghiêm trọng hệ thống báo cháy không hoạt động khơng phát tín hiều cảnh báo kịp thời Thêm vào đó, hệ thống báo cháy khơng kết nối tới trung tâm PCCC nên phải thời gian lâu lực lượng chức tiếp cận khu vực hỏa hoạn.Việt Nam nằm khu vực có khí hậu gió mùa nên vào mùa khơ, nhiều khu vực rừng có nguy cháy cao Do địa hình hiểm trở, lực lượng kiểm lâm lâm trường mỏng, trang bị phòng cháy chữa cháy thiều thốn, nên để xảy cháy hậu nghiêm trọng.Từ thực tế nêu trên, phát sớm cảnh báo cháy kịp thời có ý nghĩa lớn tròng phòng chống cháy nổ, giúp hạn chế thiệt hại xảy hỏa hoạn.Với khả sử dụng lượng hiểu quả, mơ hình trao đổi thông tin tin cây, công nghệ mạng cảm biến không dây ngày chứng tỏ ưu điểm hệ thống giám sát tự động Từ yêu cầu thực tế đó, nhóm nghiên cứu chúng em chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo nút cảm biến không dây kết hợp dùng nguồn lượng mặt trời sử dụng cho mạng cảm biến cảnh báo cháy”, với mong muốn xây dựng nên hệ thống có khả giám sát liên tục cảnh báo sớm nguy cháy, giúp hạn chế tối đa hậu hỏa hoạn gây ra.Hiện nay, hệ thống cảnh báo cháy chưa tối ưu tính tự động chưa đảm bảo tính xác xử lý cách nhanh chóng.Mục tiêu đề tài nhằm xây dựng giải pháp tối ưu cho việc phát hỏa hoạn thực phương thức xử lý, chữa cháy cách nhanh chóng kịp thời Hệ thơng cần đảm bảo tính tối ưu lượng, hoạt động ổn đinh xác Giải pháp đưa nhằm đáp ứng yêu cầu sau: Quản lý thiết bị nút mạng ,Giám sát truy cập, điều khiển thông qua giao diện từ xa,Tự động đưa cảnh báo xử lý hỏa hoạn ,Sử dụng nguồn lượng mặt trời làm nguồn nuôi cho nút cảm biến nhằm đảm bảo tối ưu lượng tính ổn định hệ thống Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Cơ sở lý thuyết mạng cảm biến không dây,thông số kỹ thuật thiết bị,tính tốn thơng số mạch, tính chọn thiết bị phù hợp Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, mô mạch phần mềm máy tính => xây dựng mơ hình phần cứng => viết chương trình => test thử => Kết nối thử nghiệm Đối tượng:Nghiên cứu phương thức truyền liệu ,cách thức giao tiếp nguyên lý hoạt động thiết bị mạch,nghiên cứu xây dựng giao diện Phạm vi:Nghiên cứu lý thuyết,xây dựng mơ hình,thử nghiệm hương 1.Tình hình hỏa hoạn giải pháp khắc phục 1.1 Tình hình hỏa hoạn giới Hỏa hoạn vấn đề cần quan tâm có biện pháp khắc phục xảy hỏa hoạn để lại thiệt hại người Từ trước đến có nhiều biện pháp để vấn đề hỏa hoạn vấn mối lo ngại lớn người Sau số vụ hỏa hoạn lớn giới cho thấy hậu nghiêm trọng khơng phịng chống xử lý kịp thời: * Hỏa hoạn nhà thờ Đức Bà Paris(15/4/2019) Nhà thờ Đức bà Paris vào chiều 15/4/2019 (giờ địa phương) đến kiểm soát, song di sản văn hóa mà nước Pháp nhân loại sau vụ cháy khiến giới phải nuối tiếc Cơng trình hàng trăm năm tuổi in đậm ký ức người biết đến văn hóa Pháp nói riêng châu Âu nói chung Trong lịch sử nhân loại, nhiều vụ cháy lớn xảy ra, phá hủy cơng trình di sản văn hóa lớn giới Hình 1.1.1 Nhà thờ Đức Bà Paris bốc cháy ngùn ngụt ngày 15/4 * Cháy rừng Amazon Có 74.155 vụ cháy rừng Brazil từ tháng đến tháng năm 2019, đại diện cho số vụ cháy rừng cao kể từ Brasil bắt đầu thu thập liệu vào năm 2013, theo Cơ quan Vũ trụ Brasil, Viện nghiên cứu không gian quốc gia (INPE), sử dụng vệ tinh để theo dõi vụ cháy Hình 1.1.2 Cháy rừng Amazon (ảnh 1) Hơn 60 phần trăm Amazon nằm biên giới Brasil, nửa vụ cháy rừng xảy rừng nhiệt đới Amazon, khu rừng nhiệt đới lớn giới coi "quan trọng để chống lại ấm lên tồn cầu Hình 1.1.3 Cháy rừng Amazon ( ảnh 2) Có đám cháy bùng cháy rừng nhiệt đới bốn bang Amazon Brazil gồm Amazonas, Rondơnia, Mato Grosso Pará Ít 39.194 vụ cháy phát Amazonas, bang lớn Brazil (theo khu vực) có "vùng mưa nhiệt đới lớn giới" Brasil tuyên bố tình trạng khẩn cấp vào ngày 11 tháng Tuy nhiên thủ tướng Jair Bolsonaro yêu cầu từ chối giúp đỡ quốc gia G7, quốc gia châu Á, quốc gia châu Âu, Điều náy làm tệ hại dẫn đến khu vực rừng Amazon ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu 20% lượng oxy rừng Amazon cung cấp bay lên khí có ảnh hưởng liên quan đến trái đất sau Hình 1.1.4 Cháy rừng Amazon (ảnh 3) Bảng 1.1.1 Bảng thống kê vụ cháy/năm giới năm gần Thời gian Số vụ cháy 2020 875.489 vụ 2019 723.621 vụ 2018 712.862 vụ Thiệt hại Vật chất Con người Thiệt hại lên Chết khoảng tới gần 500 tỷ 6.539 người đôla Bị thương 24.956 người Thiệt hại lên Chết khoảng tới gần 521 tỷ 7.625 người đôla Bị thương 25.853 người Thiệt hại lên Chết khoảng tới gần 497 tỷ 6.423 người đôla Bị thương 23.519 người Nguyên nhân Sự cố chập cháy ,do người,thiên nhiên Sự cố chập cháy ,do người,thiên nhiên Sự cố chập cháy ,do người,thiên nhiên 2.2.5.2 TP4056 Mố-đun sạc pin Li-Ion có bảo vệ TP4056 pin Li-Ion đơn hồn chỉnh với sạc tuyến tính điện áp / dịng điện không đổi SOP40 với tản nhiệt TP4056 thành phần từ bên ngồi khiến cho TP4056 trở thành dụng cụ lý tưởng cho ứng dụng di động TP4056 phù hợp với nguồn điện USB nguồn Các tính khác TP4056 bao gồm cảm biến nhiệt độ pin, khóa điện áp thấp, sạc tự động, trạng thái LED để sạc kết thúc sạc Dịng điện: 1A Sạc xác: 1,5% Điện áp đầu vào: 4.5V-5.5V Điện áp sạc đầy: 4.2V ± 1% Đèn báo Led: màu đỏ sạc, Màu xanh sạc đầy Đầu cắm vào: micro USB / usb mini / usb-type-c Nhiệt độ làm việc: -10 ° đến + 85 ° Phân cực nghịch đảo: KHƠNG Hình 2.2.7 Mạch sạc pin Li-Ion có bảo vệ 2.2.5.3 Pin – Ion 18650 Pin sạc Li-ion 18650 pin sử dụng cơng nghệ Li-ion, sạc Trong giới đèn pin, pin Li-ion pin phố biến Viên pin có điện áp 3.7V, đường kính 1.8cm chiều dài 6.5cm Tuổi thọ pin 18650 hay pin Li-ion nói chung phụ thuộc vào số lần sạc Nói chung chịu 500 lần xả sạc đầy Tuy nhiên số tương đối, cịn phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ hoạt động pin, chất lượng sạc pin Hình 2.2.8 Pin - ion 18650        Dung lượng : 3400mAh Dòng xả : 10A Size : 18650 Kích thước khoảng : 18 mm x 65 mm/ viên Điê ˜n : 3.7V, sạc đầy đạt đến 4.2v HSX: Panasonic Xuất xứ : Japan 2.2.5.4 Mạch ổn áp 5V (mạch tăng áp ) Mạch tăng áp đơn giản lên 5v sử dụng IC LTC3440 - IC LTC3440 chuyển đổi nguồn DC sang DC với hiệu suất cao lên tới 96%, dòng tối đa lên tới 600mA - IC có tần số điều chỉnh từ 300 KHz đến MHz Hình 2.2.9 Mạch ổn áp Thông số kỹ thuật:     Đầu ra: 5V, lên tới 600ma, phụ thuộc cơng suất đầu vào Đầu vào: 0.9 -5V Trọng lượng: 5g Kích thước: 39*16*10mm (d*r*c) 2.3 Thiết kế nút cảm biến 2.3.1 Sơ đốầ mạch nút cảm biêến: Ta có thành phần sau: - Arduino nano: - Modul RF24L01: - Pin mặt trời 6-9V, 3x5cm: - Pin 18650 1200mah: - Mạch sạc pin 18560: Cảm biến DHT22, cảm biến lửa: Còi báo: Mạch ổn áp 5v: SƠ ĐỒ MẠCH NÚT CẢM BIẾN: Hình 2.3.9 sơ đồ mạch nút cảm biến 2.3.2 Lưu đốầ thuật tốn Mạng cảm biến khơng dây chống cháy rừng triển khai thực bao gồm thành phần bao gồm: - Nút thành viên - Nút trạm sở - Giao diện giám sát điều khiển Winform Các thành phần có khả thực giao tiếp qua lại với thơng qua tín hiệu truyền nhận không dây qua modul RF24l01 (giữa node trạm sở với node thành viên), thông qua cổng Serial port (giữa node trạm sở với giao diện giám sát điều khiển) NODE THÀNH VIÊN (SLAVE): Node thành viên node mang theo cảm biến lắp đặt môi trường xác định để giám sát số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, hồng ngoại) Hình 2.3.2 Lưu đồ thuật tốn cho node thành viên Node có nhiệm vụ đọc giá trị đo từ mạng, thực mã hoá gửi tín hiệu node trạm sở để báo cáo, giá trị môi trường trở nên bất thường kích hoạt cịi cảnh báo tự chuyển thời gian cập nhật trạng thái mạnh 1s/lần Bên cạnh node thành viên kiếm tra tín hiệu điều khiển từ node trạm sở để thực nhiệm vụ điều khiển từ người dùng từ node trạm sở NODE TRẠM CƠ SỞ (MASTER): Node trạm sở node k mang cảm biến Node làm nhiệm vụ header cấp địa cho toàn mạng, thu nhận tất dịng tín hiệu từ node tồn mạng truyền về, phân tích xử lý tín hiệu đưa lên giao diện giám sát điều khiển winform Node trạm sở node trung gian giúp người dùng thực lệnh điều khiển cho mạng việc giao tiếp với winform thông qua cổng serial port Node có chế độ điều khiển thực từ winform: Hình 2.3.3 Thuật Tốn cho node trạm sở Chế độ main: chế độ cập nhật liên tục tín hiệu từ tất node mạng xử lý đưa toàn hiển thị lên winform Chế độ detail: chế độ giúp người dùng giám sát chi tiết node Ở chế độ này, node trạm sở lọc tín hiệu nhận từ node mạng gửi lên tín hiệu từ node người dùng định từ winform Hình 2.3.4 Thuật tốn chế độ main Chế độ gồm khối: - khối xử lý tín hiệu đẩy lên serialport khối xử lý tín hiệu từ serialport gửi Hình 2.3.5 Hình khối xử lý tín hiệu từ serial port Chế độ detail dùng giám sát điều khiển chi tiết thông tin node tồn mạng Hình 2.3.6 Thuật tốn cho chế độ detail Ở trạng thái này, node trạm sở thực lọc tín hiệu nhận gửi lên cổng serial port liệu gửi từ node chọn bao gồm: ID node, địa đăng ký mạng, nhiệt độ, độ ẩm, tín hiệu hồng ngoại, thời gian cập nhật Người dùng điều khiển thay đổi thời gian cập nhật node + Khi thoát khỏi trạng thái detail, node trở trạng thái câp nhật ban đầu hương Kết 3.1 Kết thực … 3.2 Những vấn đề chưa thực Bên cạnh ưu điểm, thành tựu đạt được, hệ thống mạng cảm biến chống cháy rừng nhóm em có vài hạn chế, vấn đề nhóm em chưa thực để cải thiện mơ hình: Việc giám sát điều khiển chưa linh hoạt, cứng nhắc, chưa giúp người dùng cấu hình, can thiệp sâu vào mạng cảm biến: cụ thể giao diện giám sát sơ xài chưa hiển thị chi tiết giá trị cảm biến lên trực tiếp nút mà phải hiển thị qua list view, chưa hiển thị đường cấu hình nút cảm biến mạng, dẫn đến việc giao diện chưa thực dễ dàng cho việc giám sát Hướng khắc phục: tìm hiểu thêm lập trình winform, tìm hiểu cách sử dụng control động (dynamic controll) để việc sử dụng controll linh hoạt Việc phát hiện, khắc phục lỗi node mạng xảy bị hạn chế chưa thực Cụ thể: nút bị lỗi (mất tín hiệu, cảm biến hỏng, nguồn có vấn đề) dẫn đến việc hoạt động khơng nút mạng nút, hệ thống khơng thể tìm vị trí phát nút hỏng nên ln nút cảm biến gây hao phí tài ngun Hướng khắc phục: tìm hiểu thêm modul rf24l01 cách sử dụng chức mạng Khả quan sát, đo đạc node chưa đủ mạnh phạm vi cảm biến Cụ thể: nút cảm biến sử dụng cảm biến phát lửa dang sơ cấp phạm vi nhỏ (chỉ 80cm) cảm biến DHT22 có phạm vi đo nhiệt độ độ ẩm giới hạn nhỏ chưa đủ với tiêu chuẩn môi trường rừng, (trong đám cháy rừng nhiệt độ lên cao) nên việc đo đạc gặp vấn đề xảy cố Hướng khắc phục: tìm hiểu thêm nhiều loại cảm biến khác cách thức kết hợp cảm biến để đạt phạm vi mong muốn Khả giám sát bị hạn chế chưa có khả đưa lên internet Cụ thể: mạng cảm biến chống cháy rừng nhóm em thực chưa có phận kết nối với internet, dẫn đến liệu giám sát máy có nút trạm sở nên khả giám sát không linh hoạt Hướng khắc phục: tìm hiểu modul giúp kết nối internet giao thức lập trình wed đưa liệu lên internet Hướng phát triển đề tài: + Mở rộng danh mục cảm biến nhằm biến nút cảm biến thành nút đa chức năng, không đo nhiệt độ độ ẩm mà có khả đo nhiều loại số môi trường tuỳ thuộc vào yêu cầu người dùng + cải thiện khả giám sát điều khiển phần giao diện thành chuyên nghiệp đa dạng linh hoạt + Thêm khả đưa liệu lên internet cho mạng cảm biến nhằm giúp người sử dụng giám sát nơi thời điểm không máy sở + Thêm tính khác cho nút cảm biến khả kiểm tra nguồn nuôi khả tự chuyển sang chế độ nghỉ phát lượng thấp khả định vị nút nhằm giúp việc theo dõi rõ ràng xác KẾT LUẬN Chúng em nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị dùng để cảnh báo cháy rừng phương pháp : thay đổi nhiệt độ ,độ ẩm xuất tia lửa Các kết thực nghiệm nhà ,ngoài trời cho thấy thuật toán đáp ứng yêu cầu đề ra.Với khả bật : - thiết kế nhỏ gọn,sử dụng nguồn lượng mặt trời để cung cấp - tiết kiệm chi phi kéo dây điện hàng nghìn met - đảm bảo khả cảnh báo cháy rừng nơi rừng sâu,những nơi chưa có điện - có khả truyền phát khơng dây nhanh gọn - lắp đặt sử dụng dễ dàng - giá thành hợp lý ,rất phù hợp để sử dụng việc sử dụng làm thiết bị báo cháy rừng TÀI LIỆU THAM KHẢO NGHIÊN C¥U TÍCH HỢP MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ ZIGBEE – Tạp chí khoa học cơng nghệ HaUI Sách Các cảm biến đo lường điều khiển Sách Cảm biến ứng dụng theo xu hướng đại Sách Arduino lập trình IOT Sử dụng modul rf24l01 – thu phát sóng vơ tuyến 2.4ghz với arduino – Arduino.vn ¥ng dụng: truyền liệu không dây, từ xa, mạng nội đơn giản rf24l01 – making.vn Sách Lập trình C# từ đến nâng cao – tác giả: Phạm Công Ngô Sách Learn C# in one day and learn it well Giáo trình Đo lường cảm biêến – Lế Chí Kiến 10 Mạng Cảm Biêến Khồng Dây Trến Nếồn Kyỗ Thuật IP ... 1.4 Ứng dụng mạng cảm biêến khống dây cảnh báo cháy 1.4.1 Mạng cảm biến không dây 1.4.2 Mạng cảm biến không dây cảnh báo cháy Chương 2: Thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng lượng... cầu thực tế đó, nhóm nghiên cứu chúng em chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu, thiết kế chế tạo nút cảm biến không dây kết hợp dùng nguồn lượng mặt trời sử dụng cho mạng cảm biến cảnh báo cháy? ??, với mong muốn... mạng cảm biến cảnh báo cháy sử dụng lượng mặt trời hương 2: Thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng lượng mặt trời 2.1 Phân tích chức nút Để xây dựng mạng cảm biến, trước hết phải xây dựng nút