HỆ THỐNG CẢNH BÁO KHÍ GAS SỬ DỤNG RASPBERRY

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Khoa Điện Điện tử Báo Cáo Môn Học GVHD TS Nguyễn Thanh Nghĩa BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH BÁO CÁO MÔN HỌC THỰC TẬP THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG TRONG CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ BÁO ĐỘNG KHÍ GAS SỬ DỤNG RASPBERRY PI HỌC KỲ II NĂM HỌC 2021 2022 GVHD TS Nguyễn Thanh Nghĩa Nhóm SV MSSV Nguyễn Quang Huy 19161240 Huỳnh Tấn Linh 19161255 Thành phố Hồ Chí Min.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH

BÁO CÁO MÔN HỌC

GVHD: TS Nguyễn Thanh Nghĩa

Nhận xét của giáo viên

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tháng 04 năm 2022

Giáo viên chấm điểm

PHỤ LỤC

Trang

DANH MỤC HÌNH ẢNH 1

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.2 MỤC TIÊU 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

1.4 GIỚI HẠN 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 GIỚI THIỆU 4

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 4

2.2.1 Bộ điều khiển Raspberry Pi 4 4

2.2.2 LCD 16x2 7

2.2.3 Cảm biến khí gas MQ-2 10

2.2.4 Module MCP- 3204 12

2.2.5 Còi báo động Buzzer 13

CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG 15

3.1 SƠ ĐỒ KẾT NỐI PHẦN CỨNG 15

3.2 CÁCH GỬI DỮ LIỆU TỪ RASPBERRY LÊN THINKSPEAK.COM 15

3.3 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 18

4.1 KẾT QUẢ 25

4.2 NHẬN XÉT 29

3.3 ĐÁNH GIÁ 29

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 30

5.1 KẾT LUẬN 30

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Hình ảnh Raspberry Pi 4 5

Hình 2.2 Hình ảnh LCD 16x2 7

Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển LCD 16x2 9

Hình 2.4 Hình ảnh cảm biến khí gas MQ2 10

Hình 2.5 Điều kiện làm việc tiêu chuẩn MQ2 10

Hình 2.6 Điều kiện môi trường MQ2 11

Hình 2.7 Đặc tuyến độ nhạy của cảm biến MQ-2 đối với một số chất khí 11

Hình 2.8 Sơ đồ chân Module MCP-3204 12

Hình 2.9 Còi Buzzer 5V DC 13

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối trên phần mềm Proteus 15

Hình 3.2 Đăng ký tài khoảng trên ThingSpeak 16

Hình 3.3 Tạo Data Channel 17

Hình 3.4 Lấy URL và API Key để upload dữ liệu 17

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng trên Proteus và Thingspeak 25

Hình 4.2 Kết quả mô phỏng trên Proteus và Thingspeak 26

Hình 4.3 Kết quả thực tế khi nồng độ gas <500 27

Hình 4.4 Kết quả trên web Thingspeak khi gas <500 27

Hình 4.5 Kết quả thực tế khi nồng độ gas >500 28

Hình 4.6 Kết quả trên Web ThingSpeak khi nồng độ gas >500 29

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao Một trong những ứng dụng quan trọng trong công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển thiết bị, giám sát môi trường từ xa Chính những điều đó đã góp phần rất lớn giúp con người có những thiết bị ngày một thông minh

và cảnh báo con người tránh được các nguy hiểm không phát hiện xử lí kịp thời

Nhìn chung, đề tài giám sát và báo động khí gas được các sinh viên thực hiện ở các đồ

án môn học xoay quanh các nội dung như: Thu thập giá trị cảm biến và báo động bằng chuông và hiển thị lên web Và nó chỉ có duy nhất một board mạch được sử dụng để đảm nhận xử lí mọi việc Do đó, việc thiết kế và mô phỏng “Hệ thống giám sát và báo động khí gas” là một nhu cầu hết sức cần thiết và đây chính là lý do mà nhóm nghiên cứu quyết định chọn đề tài này Đề tài này không những là một thực tại khách quan mà nó còn đóng vai trò đặc biệt quan trọng thực sự hiện tại cũng như trong tương lai sau này

Nội dung chính đề tài:

• Sử dụng KIT Raspberry Pi 4 cho bộ xử lý trung tâm

• Sử dụng cảm biến gas MQ-2 cho việc tiếp nhận nồng độ khí gas

• Sử dụng Module MCP-3204 để chuyển đổi tín hiệu Analog sang Digital

• Giám sát giá trị cảm biến ở các khu vực qua biểu đồ trên Web thingspeak.com

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay có lẽ khí gas chắc không còn xa lạ với mọi nhà bởi nó rất hữu ích giúp ta

ở hầu hết mọi hoạt động từ nấu nướng ở gia đình đến áp dụng nhiều trong các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp…Nhưng khi sử dụng nó cũng tồn tại các mối nguy hiểm như:

có rò rỉ ta không phát hiện kịp thời mà tiếp xúc và vô tình ngửi phải sẽ ảnh hưởng lớn đến sức khỏe, tính mạng Thậm chí, khi có tia lửa trong vùng không gian tồn tại khí gas sẽ gây

ra cháy nổ

Chính vì tồn tại những rủi ro hết sức nguy hiểm đó nên nhóm chúng em đã chọn và nghiên cứu một giải pháp đề phòng tránh đó là “Hệ thống giám sát và báo động khí gas” thông minh Hệ thống sẽ sử dụng cảm biến khí gas và đặt ở các vị trí có nguy cơ rò rỉ để thu thập tình trạng rò rỉ khí gas ở nơi đó Khi có nguy hiểm sẽ gửi tín hiệu bằng sóng vô tuyến về bộ xử lí trung tâm để bộ xử lí trung tâm điều khiển phát ra chuông cảnh báo, hiện thị lên màn hình LCD trong trường hợp có người ở gần khu vực đó để cảnh giác và hơn thế nữa, hệ thống sẽ gửi dữ liệu lên Web để hạn chế khả năng người không có mặt tại nơi

đó vẫn biết được tình trạng rò rỉ khí gas để tìm cách phòng chống và có biện pháp xử lý kịp thời

1.2 MỤC TIÊU

- Thu thập dữ liệu nồng độ khí gas hiển thị lên LCD

- Khi một khu vực nào đó của hệ thống gặp nguy hiểm, thì hệ thống sẽ có chuông báo động

- Hiển thị lên LCD khu vực bị rò rỉ khí gas

- Đưa dữ liệu lên Web thingspeak.com

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết

- Thiết kế khối cảm biến, khối hiển thị, khối báo động tại chỗ, đưa dữ liệu lên web

- Tạo tài khoản trên web thingspeak.com để liên kết và đưa dữ liệu lên

- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị

- Chạy mô phỏng thử nghiệm hệ thống trên phần mềm

- Chạy mô hình thực tế kiểm tra

- Cân chỉnh hệ thống

- Báo cáo đề tài môn học

1.4 GIỚI HẠN

- Hệ thống chỉ dừng ở mức độ giám sát từ xa và cảnh báo tại chỗ

- Chưa tối ưu được khả năng thông báo như: gọi điện và gửi tin nhắn về điện thoại

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU

Trong chương này là các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để

thực hiện kết nối và mô phỏng cho đề tài

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

- Thiết bị đầu vào: Module cảm biến khí gas MQ-2

- Thiết bị đầu ra: LCD 16x2, còi, đèn báo động

- Thiết bị điều khiển trung tâm: Raspberry Pi 4

- Module chuyển đổi Analog sang Digital: MCP-3204

- Thiết bị giám sát: máy tính, điện thoại có kết nối internet

2.2.1 Bộ điều khiển Raspberry Pi 4

Trên thị trường có rất nhiều vi điều khiển để xử lý hệ thống như: vi điều khiển hãng Microchip (tiêu biểu PIC 16F887, 18F4550, vi điều khiển hãng ATMEL (AT89C52), Raspberry Pi, Arduino

Trong phạm vi môn học Hệ thống nhúng trong công nghiệp chúng em lựa chọn bộ điều khiển trung tâm là Raspberry Pi 4

❖ Giới thiệu về Raspberry Pi 4:

Raspberry Pi là một chiếc máy tính tí hon chạy hệ điều hành Linux ra mắt vào tháng 2 năm 2012 Ban đầu Raspberry Pi được phát triển dựa trên ý tưởng tiến sĩ Eben Upton tại đại học Cambridge muốn tạo ra một chiếc máy tính giá rẻ để học sinh có thể dễ dàng tiếp cận và khám phá thế giới tin học Dự định khiêm tốn của ông đến cuối đời là có thể bán được tổng cộng 1000 bo mạch cho các trường học Raspberry Pi 4 là phiên bản với nhiều nâng cấp và cải tiến đáng kể so với Raspberry Pi 3 Lần đầu tiên chiếc máy tính nhỏ này cung cấp mức hiệu năng giống

như một PC cho hầu hết người dùng, trong khi vẫn giữ được các tính năng của dòng Raspberry Pi cổ điển, là một thiết bị có khả năng tính toán linh hoạt và tiết kiệm chi phí nhất Nó có thể được sử dụng trong mọi thứ, từ các ứng dụng Internet of Things, DIY, cho đến một chiếc máy tính để bàn hoàn thiện

❖ Thông số kỹ thuật:

Hình 2.1 Hình ảnh Raspberry Pi 4

• Chip: Raspberry Pi 4 được trang bị con chip Broadcom BCM2711 quad-core Cortex-A72 (ARMv8) 64 bit SoC @ 1.5GHz với đồ hoạ VideoCore VI GPU hỗ trợ OpenGL ES 3.0

• RAM: Có 3 lựa chọn mức RAM đó là 1GB, 2GB, hoặc 4GB LPDDR4-3200 SDRAM

• Lưu trữ: Khe cắm Micro-SD cho hệ điều hành và lưu trữ

• Video Output và Display I/F:

- 2 cổng micro HDMI lên đến 4K

- Cổng AV 3.5mm với composite video (và stereo audio) 2-lane MIPI DSI display port

• Audio – Stereo audio qua AV port, digital audio qua các cổng HDMI

• Ngõ audio 3.5mm: kết nối dễ dàng với loa ngoài hay headphone

• Kết nối:

- True Gigabit Ethernet (RJ45) cho phép kết nối Internet dễ dàng

- Dual band (2.4 GHz/5.0 GHz) 802.11b/g/n/ac WiFi 5

- Bluetooth 5.0 BLE Pi 4 sử dụng Bluetooth 5.0 cực nhanh, giúp truyền

dữ liệu nhanh hơn so với 4.2 của Pi 3

• Nguồn cung cấp

- 5V DC qua cổng USB-C (tối thiểu 3A)

- 5V DC qua header GPIO (tổi thiểu 3A)

- Cấp nguồn Ethernet (PoE) qua tùy chọn PoE HAT

• Kích thước – 85 x 56 mm (giống như các board model B)

• Phạm vi nhiệt độ làm việc 0 – 50°

❖ Ứng dụng của Raspberry Pi 4

Có nhiều ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp có thể kể đến như:

• Dùng Raspberry Pi 4 làm trung tâm giải trí đa phương tiện

• Internet TV

• Ổ đĩa sao lưu dự phòng trên mạng nội bộ

• Kết hợp với webcam làm hệ thống phát hiện chuyển động

• Nhận diện khuôn mặt

• Điều khiển robot

• Nhận và gửi tin nhắn GSM với USB 3G

• Điều khiển tắt/mở đèn trong nhà

• Hệ thống giám sát thông minh

• Và còn rất nhiều ứng dụng khác

LCD có rất nhiều dạng phân biệt theo kích thước từ vài kí tự đến hàng chục kí tự, từ 1 hàng đến vài chục hàng Phổ biến nhất mà ta hay gặp đó là LCD 16×2 có nghĩa là có 2 hàng, mỗi hàng có 16 kí tự

❖ Sơ đồ chân của LCD

LCD có nhiều loại và số chân của chúng cũng khác nhau nhưng có 2 loại phổ biến

là loại 14 chân và loại 16 chân, sự khác nhau là các chân nguồn cung cấp, còn các chân điều khiển thì không thay đổi

Bảng 1 Các chân và chức năng các chân của LCD 16x2

Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển LCD 16x2

Sơ đồ khối gồm có 4 phần: bộ điều khiển LCD, bảng ký tự LCD, bộ thúc tín hiệu các đoạn, đèn nền

• Display clear: Xóa/không xóa toàn bộ nội dung hiển thị trước đó

• Function set: Kiểu giao tiếp 8bit/4bit, số hàng hiển thị 1hàng/2hàng, kiểu

• tăng/giảm (Increment)

2.2.3 Cảm biến khí gas MQ-2

Cảm biến khí gas MQ-2 được sử dụng trong các thiết bị phát hiện rò rỉ khí gas trong gia đình và công nghiệp, thích hợp để phát hiện: LPG, i-butan, propan, metan, rượu, hydro, khói

Hình 2.4 Hình ảnh cảm biến khí gas MQ2

❖ Đặc điểm:

• Phạm vi phát hiện rộng

• Phản hồi nhanh và độ nhạy cao

• Hoạt động ổn định và lâu dài

• Mạch điện đơn giản

❖ Thông số kỹ thuật

A Điều kiện làm việc tiêu chuẩn

Hình 2.5 Điều kiện làm việc tiêu chuẩn MQ2

B Điều kiện môi trường

Hình 2.6 Điều kiện môi trường MQ2

C Cấu tạo mạch đo cơ bản

Cảm biến được cấu tạo bởi ống gốm micro AL2O3, lớp nhạy thiếc Dioxit(SnO2), điện cực đo và bộ gia nhiệt được cố định vào một lớp vỏ làm bằng nhựa và lưới thép không gỉ Lò sưởi cung cấp các điều kiện làm việc cần thiết cho công việc của các thành phần nhạy cảm MQ-2 có 6 chân, 4 chân trong số đó được

sử dụng để lấy các tín hiệu, và 2 chân sử dụng để cung cấp dòng điện làm nóng

D Đặc tuyến độ nhạy của cảm biến khi phát hiện một số chất khí

2.2.4 Module MCP- 3204

Raspberry pi không thể xử lý trực tiếp tín hiệu analog từ bên ngoài vào nên ta phải sử dụng thêm bộ chuyển đổi đó là module MCP-3204 để chuyển đổi tín hiệu analog sang digital rồi sau đó mới đưa vào Raspberry pi thông qua giao tiếp SPI

Hình 2.8 Sơ đồ chân Module MCP-3204

• Tốc độ đo max 100 ksps khi VDD = 5V

• Tốc độ đo max 50 ksps khi VDD = 2.7V

• Dải nhiệt độ hoạt động: -40°C to +85°C

• Sơ đồ chân MCP3208

- CH0-CH7: Kênh input ADC

- VDD: Nguồn 2.7-5.5V

- Vref: Điện áp so sánh

- AGND: Chân GND của input ADC thường nối DGND thông qua trở 0-10Ohm Mục đích hạn chế nhiễu và cách ly

- CLK: Xung clock của bộ SPI

- Dout: Ouput data SPI

- Din: Input data SPI

- CS/SHDN: Chọn chip SPI

- DGND: Chân nguồn GND

2.2.5 Còi báo động Buzzer

Buzzer là một thiết bị tạo ra tiếng còi hoặc tiếng bíp Có nhiều loại nhưng cơ bản nhất

là buzzer áp điện, là một miếng phẳng của vật liệu áp điện với hai điện cực Loại buzzer này đòi hỏi phải có các bộ dao động (hoặc vi điều khiển) để điều khiển nó Nếu bạn sử dụng điện áp một chiều, nó chỉ kêu lách cách Chúng được sử dụng ở những vị trí cần phát

ra âm thanh nhưng không quan tâm đến việc tái tạo âm thanh trung thực, như lò vi sóng, báo cháy và đồ chơi điện tử Chúng rẻ và kêu to mà không cần sử dụng nhiều năng lượng

Còi Buzzer 5VDC có tuổi thọ cao, hiệu suất ổn định, chất lượng tốt, được sản xuất nhỏ gọn phù hợp thiết kế với các mạch còi buzzer nhỏ gọn, mạch báo động

Hình 2.9 Còi Buzzer 5V DC

CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG 3.1 SƠ ĐỒ KẾT NỐI PHẦN CỨNG

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối trên phần mềm Proteus

❖ Giải thích nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Cảm biến khí gas MQ-2 sẽ thu thập giá trị khí gas từ môi trường và so sánh với ngưỡng cho phép do người dùng đặt Bên cạnh đó, những số liệu thu thập được sẽ được gửi lên web thinkspeak.com thông qua Raspberry và sẽ được vẽ thành một biểu đồ nồng

độ khí gas để dễ dàng theo dõi, kiểm soát Đồng thời giá trị nồng độ khí gas cũng sẽ được cập nhật trên LCD Khi nồng độ khí gas chưa vượt qua quá giới hạn cho phép thì đèn, còi Buzzer sẽ không có tín hiệu gì, LCD sẽ báo trạng thái an toàn Khí nồng độ khí gas vượt quá giá trị ngưỡng thì đèn đèn sẽ nhấp nháy, còi sẽ hú để báo hiệu và đồng thời LCD cũng sẽ báo phát hiện khí gas

3.2 CÁCH GỬI DỮ LIỆU TỪ RASPBERRY LÊN THINKSPEAK.COM

Bước 1: Cách tạo tài khoản ThinkSpeak:

Truy cập vào địa chỉ https://thingspeak.com và chọn Sign Up để đăng ký một tài khoản miễn phí Sau khi điền đầy đủ các thông tin yêu cầu, bạn sẽ nhận được email yêu cầu xác thực tài khoản email

Sau khi xác thực, bạn sẽ có thể login vào và thấy được các thông tin về tài khoản của mình

Hình 3.2 Đăng ký tài khoảng trên ThingSpeak

Bước 2: Tạo Data channel

Sau khi login, ta cần tạo một data channel để lưu trữ dữ liệu Trong My Channels, chọn New Channel và điền các thông tin cần thiết

Hình 3.3 Tạo Data Channel

Bước 3: Lấy URL cần thiết để upload dữ liệu Để upload hay lấy dữ liệu về bạn cần biết

URL để truy cập Mở channel mới tạo, tìm đến tab API Keys và sẽ thấy được các URL để get hay upload data:

Hình 3.4 Lấy URL và API Key để upload dữ liệu

Bước 4: Upload dữ liệu từ Raspberry

3.3 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

from goto import *

import time

import resource

import spidev

import RPi.GPIO as GPIO

# gui du lieu led thingspeak

GPIO.setup(12, GPIO.OUT, initial=GPIO.LOW)

GPIO.setup(buzzer_pin, GPIO.OUT) # DB7

# Ddinh nghia cac gia tri

LCD_WIDTH = 16 # So ky tu toi da tren 1 hang cua LCD

LCD_CHR = True

LCD_CMD = False

LCD_LINE_1 = 0x80 # LCD RAM address for the 1st line

LCD_LINE_2 = 0xC0 # LCD RAM address for the 2nd line

# Chuong trinh khoi tao LCD

# Chuong trinh xuat 4 bit du lieu ra cac chan

def lcd_byte(bits, mode):

#Gui du lieu len Thingspeak

thingspeak_post(gas)

pass

if name == ' main ' :

main()

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ

4.1 KẾT QUẢ

Khi lượng khí Gas ở hệ thống thay đổi thì sẽ lập tức cập nhật lên Web Thingspeak Nếu lượng khí Gas nhỏ hơn hoặc bằng 500 thì hệ thống an toàn, còi Buzzer tắt, đèn led báo động tắt, LCD hiển thị dòng chữ an toàn Nếu lượng khí Gas vượt mức 500 thì còi Buzzer kêu, đèn led báo động sáng, LCD hiển thị dòng chữ báo động Kết quả như phía dưới:

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng trên Proteus và Thingspeak Đây là kết quả mô phỏng khi điều chỉnh lượng Gas ở mức 419 ( có nghĩa là nồng

độ gas <500) thì trên màn hình LCD hiển thị nồng độ khí Gas và dòng dưới hiển thị “ AN

TOÀN” lúc này đèn chưa sáng và Buzzer chưa kêu, đồng thời lúc này trên Web ta thấy

được đồ thị nồng độ Gas và đèn báo cập nhật giá trị tương ứng