xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng

CHUYÊN ĐỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CẢNH BÁO VÀ PHÁT HIỆN CHÁY RỪNG Hà Nội, 2032021 MỤC LỤC I) ĐẶT VẤN ĐỀ 3 II) THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CẢNH BÁO VÀ PHÁT HIỆN CHÁY RỪNG 3 1 Mục tiêu thiết kế 3 2 Thiết kế hệ thống 4 2 1 Cảm biến đo nhiệt độ DHT21AM2301 4 2 2 Cảm biến độ ẩm HS1101 5 2 3 Cảm biến khói MQ 7 6 2 4 Hệ thống pin năng lượng mặt trời 7 2 5 hệ thống định vị tọa độ GPS Dforest Server 8 2 6 Camera AI 10 III) KẾT LUẬN 10 ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống nhận biết và cảnh báo cháy rừng giúp các lực l.

CHUYÊN ĐỀ: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CẢNH BÁO VÀ PHÁT HIỆN CHÁY RỪNG Hà Nội, 20/3/2021 MỤC LỤC I) ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống nhận biết cảnh báo cháy rừng giúp lực lượng chức phát sớm nhanh chóng khắc phục vấn đề cháy rừng Vấn đề vấn đề xã hội quan tâm Cháy rừng thảm họa gây nhiều thiệt hại tương đối lớn với tính mạng, tài sản người, tài nguyên rừng môi trường sống động vật hoang dã Chuyên đề tâp trung xây dựng thiết bị phát đám cháy thông qua hệ thống cảm biến nhiệt độ, khói camera Hệ thống có thêm định vị trạm quan trắc để dễ dàng nhận biết khu vực xảy cháy Bên cạnh đó, hệ thống đo thông số môi trường thông qua hệ thống cảm biến để phân tích khả cháy rừng gửi cảnh báo trung tâm thu thập liệu II) THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CẢNH BÁO VÀ PHÁT HIỆN CHÁY RỪNG Mục tiêu thiết kế Mục tiêu hệ thống thu thập thông số để cảnh báo phát đám cháy Tính thiết bị: • Thiết bị gọn nhẹ dễ dàng lắp đặt vị trí • Có thể thu thập hình ảnh 360o gửi trung tâm thu thập • Có định vị tọa độ khu vực xảy cháy • Thiết bị sử dụng pin lượng mặt trời làm nguồn cung cấp có hệ thống pin tích trữ lượng Thiết kế hệ thống Dữ liệu thu thập qua hệ thống cảm biến sau gửi trung tâm sóng lora liệu dược tổng hợp, phân tích đưa tỉ lệ xảy cháy rừng theo cấp độ Nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, hình ảnh Trạm quan trắc thu phát tín hiệu Lora Hệ thống thu thập phân tích xử lý thơng tin Hệ thống thị cảnh báo ( LoRa công nghệ phát triển Semtech, giao thức không dây thiết kế để truyền thông tầm xa lượng thấp LoRa cho phép truyền thông tin tới nhiều thiết bị với tốc độ cao, thiết bị kết nối với phạm vi rộng đặc biệt thiết bị LoRa trì kết nối chia sẻ liệu thời gia dài với lượng pin ) Hệ thống cảnh báo cháy rừng gồm hai thành phần: • Các trạm quan trắc đặt khu rừng với mục đích theo dõi tình hình: nhiêt độ, độ ẩm, khói, từ đưa cảnh báo trạng thái khu rừng cấp độ an toàn, nguy hiểm hay cháy để lưc lượng chức nắm bắt tình hình đưa giải pháp ứng phó kịp thời Hình 2.1biển hiệu cấp dự báo cháy rừng • Trạm trung tâm đặt cố định tạo ban quản lý rừng với chức xử lý thông tin từ trạm quan trắc đặt khu rừng gửi thị thơng tin dạng hệ thống đèn tín hiệu còi hú Sơ đồ khối hệ thống Khối cảm biến Khối điều khiển trung tâm Hệ thống tiếp nhận xử lý thơng tin Khối cảm biến: • Đọc gửi giá trị cảm biến khối điều khiển trung tâm • Tự cung cấp lượng hệ thống sạc pin lượng mặt trời • Có nhiều chế độ hoạt động để tiết kiệm lượng • Khối có vai trị thiết bị trung gian Một mặt, chuyển tiếp giá trị cảm biến Mặc khác, nhận lệnh thay đổi chế độ hoạt động gửi lại khối cảm biến Khối điều khiển trung tâm: • Nhận liệu cảm biến xử lý Kiểm tra nồng độ CO tăng bất thường để cảnh báo cháy • Hiển thị liệu hình LCD • Gửi liệu hệ thống • Chức khối đọc giá trị từ cảm biến gửi khối điều khiển trung tâm Ngồi ra,cịn có khả quản lý lượng như: tự sạc cho pin li-on lượng mặt trời, thay đổi chế độ hoạt động để tiết kiệm lượng, đọc giá trị dòng, áp pin 2.1 Module RF LoRa Sx1278 Đáp ứng yêu cầu nghiên cứu công nghệ truyền thông không dây với ưu điểm truyền xa, tiêu hao lượng Hình 2.1 module RF LoRa Sx1278 Module LoRa sử dụng chip SX1278 nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LoRa (Long Range), mang hai yếu tố quan trọng thu phát xa tiết kiệm nưng lượng Ngồi cịn có khả cấu hình để tạo thành mạng nên phát triển sử dụng nhiều nghiên cứu IoT Module Lora SX1278 có khả thu phát với khoảng cách 3000m Được tích hợp chuyển đổi giao tiếp chuẩn SPI SX1278 sang UART giúp cho việc giao tiếp dễ dàng Thông số kĩ thuật: • Chip SX1278 • Điện áp: 2.3- 5.5DVC • Điện áp giao tiếp: TTL • Tốc độ truyền nhận liệu: 1200- 115200 bps • Cơng suất: 100mW • Khoảng cách truyền: 3000m (khơng có vật cản) • Tần số: 410- 441MHZ • 512 bytes đệm 2.2 Cảm biến đo nhiệt độ DHT21AM2301 Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ DHT21AM2301 Tempertature Humidity Sensor sử dụng để đo nhiệt độ dộ ẩm khơng khí, khoảng cách dẫn truyền tín hiệu lên đến 20m giúp cho việc lắp đặt dễ dàng Kích thước nhỏ, khả thiêu thụ điện cực thấp, khoảng cách truyền dẫn, hiệu chỉnh hoàn toàn tự động khả chống nhiễu mạnh Hình 2.2.: Hình ảnh cảm biến độ ẩm, nhiệt độ DHT21AM2301 Thơng số kĩ thuật: • • • • • • Điện áp hoạt động: 3.3-5V Dải đo độ ẩm : 0-99,9% Dải đo nhiệt độ: -40-80 độ C Sai số độ ẩm:+-3% Sai số nhiệt độ: +-0.3 độ C Chuẩn giao tiếp: wire Họ cảm biến DHT bao gồm cảm biến độ ẩm điện dung điện trở nhiệt • Cảm biến độ ẩm điện dung: cảm biến tụ điện cấu tạo từ hai cực kim loại với chất điện mơi có nhiều lỗ rỗng Hơi nước qua lớp điẹn môi làm thay đổi tổng dung • Điện trở nhiệt hay Thermistor có trở kháng thay đổi cách rõ dệt tác dụng nhiệt, hẳn loại diện trở thông thường Nguyên lý làm việc: Giá trị cảm biến đo được, xuất chân SDA gồm 40 bits(5 bytes) là: humidity high, humidity low, temperature high, temperature low, parity bit Trong đó: • Humidity high, humidity low: giá trị độ ẩm • Temperature high, temperature low: giá trị nhiệt độ • Parity bit : giá trị nhận 2.3 Cảm biến độ ẩm HS1101 Cảm biến độ ẩm sử dụng loại HS1101, loại cảm biến độ ẩm sử dụng phổ biến sống với độ xác tương đối cao +2% Cảm biến HS1101 cảm biến điện dung Khi độ ẩm thay đổi, điện dung HS1101 thay đổi Do vậy, để đo độ ẩm người ta thiết kế mạch đo điện dung HS1101 Trong thực tế, người ta thường ghép nối HS1101 IC NE555 Khi giá trị điện dung HS1101 thay đổi làm thay đổi tần số đầu IC555 Như cần đo tần số đầu đo điện dung HS1101 Thơng số kỹ thuật: • Điện áp hoạt động: 5~10V • Giao tiếp: ngõ analog • Dải đo độ ẩm: đến 99%RH o • Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 100 C Hình 2.3 Sơ đồ mạch HS1101 2.4 Cảm biến khói Một số loại cảm biến khói thị trường: MQ-135; MQ-2; MQ-7 Chọn cảm biến MQ-7 đáp ứng mức tiêu thụ lượng thấp thích hợp sử dụng pin lượng mặt trời Khí CO sản phẩm cháy khơng hồn tồn Cacbon hợp chất Cacbon Hầu hết đám cháy bắt nguồn từ cháy khơng hồn tồn Do việc phát sớm khí CO có vai trị quan trọng việc cảnh báo sớm cháy rừng Hình 2.4 : hình ảnh cảm biến MQ-7 Nguyên lý hoạt động cảm biến: • Lớp cảm biến MQ-7 cấu tạo từ lớp bán dẫn SnO2 Chất có độ nhạy cảm thấp với khơng khí Nhưng mơi trường có chất gây cháy, độ dẫn điện thay đổi • Khi mơi trường sạch, điện áp đầu cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu tăng nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ-7 cao • Đơn vị đo cảm biến ppm (10-4%) (mật độ tương đối chất hỗn hợp cụ thể, trường hợp khơng khí) GND Ground VCC 3V-5V AOUT Analog output DOUT Digital outpout Bảng 1: Chức chân MQ-7 MQ-7 đo nồng độ CO khơng khí chuyển chân Aout Biến trở Module có chức điều chỉnh điện áp tham chiếu Khi MQ-7 phát khí CO đạt đến ngưỡng chân CO đảo trạng thái Voltage(V) Ampere(A) 120 95 75 2.5 65 Bảng 2:Điểm làm việc MQ-7 2.5 Hệ thống pin lượng mặt trời Để hệ thống quan trắc ổn định hoạt động thời gian dài mà không bị gián đoạn vấn đề hết lượng Hệ thống trang bị hệ thống pin lượng mặt trời để hoạt động vào ban ngày tích trữ lượng để sử dụng vào ban đêm Nguồn lượng mặt trời sử dụng phổ biến, tạoo điẹn nặng nơi có ánh sáng mặt trời với pin lượng mặt trời Tế bào quang điện (solar cell): thiết bị chuyển đổi lượng ánh sáng thành lượng điện nhờ hiệu ứng quang điện Được xem thiết bị điện có cá thơng số dòng, áp, điện trở thay đổi tiếp xúc với ánh sáng Tấm pin mặt trời(solar panel): nhiều tế bào quang điện ghép lại với thành mảng gọi module quang diện, tùy vào mức điện áp dòng điện yêu cầu mà module quang điện ghép song song nối tiếp tạo thành pin lượng mặt trời Hình 2.5: pin lượng mặt trời 2.6 hệ thống định vị tọa độ GPS Dforest Server Nhằm bảo đảm phát cảnh báo sớm cháy rừng, hệ thống gắn thêm định vị tọa độ trạm quan trắc để đảm bảo việc xác định nhanh chóng vị trí xảy cháy Hệ thống GPS (Global Posityoing System) thiết lập mạng lưới vệ tinh không gian bao quanh trái đất để cung cấp thông tin vị trí thời gian lúc, nơi trái đất điều kiện thời tiết Hệ thống GPS nhận hệ tọa độ giới WGS-84 (World Geodetic System 1984) làm sở hoạt động Hình 2.6: hệ thống định vị Mơ hình DForest Server DForest Server phần mềm quản trị giám sát trực tuyến, phát triển tảng công nghệ WebGIS, với tảng công nghệ đồ sử dụng Google Map, Here Map… đồ người dùng biên tập theo hệ toạ độ Việt Nam – VN2000 DForest Server để sử dụng để quản lý giám sát bảo vệ rừng trực tuyến, tảng đa thiết bị sử dụng (Smartphone, Tablet, Laptop, PC) với môi trường truy cập Web Browser DForest Server có chức sau: • Tiếp nhận thơng tin gửi từ thiết bị di động thông minh người dùng để kết nạp vào sử liệu hệ thống: lộ trình tuần tra, kiểm tra rừng; điểm cháy thông tin điểm cháy; khoanh vành cảnh báo nguy cháy rừng; khoanh vùng khu vực điều tra, kiểm tra rừng theo dự án • Kết xuất liệu để gửi đến thiết bị di động thơng minh có cài đặt ứng dụng DForest Collector người dùng: liệu đồ rừng theo người dùng biên tập; chia sẻ điểm cháy rừng; kết tuần tra kiểm tra rừng; kế hoạch lộ trình tuần tra, kiểm tra theo lập kế hoạch phân cơng…cho nhóm người dùng dự án tồn bộ; • Thơng kế, báo cáo: số vụ cháy rừng theo thời gian, diện tích, tình trạng rừng từ kết tuần tra kiểm tra 10 Ngồi chức trên, DForest Server cịn có chức phụ trợ khác theo nhu cầu sử dụng đơn vị quản lý giám sát bảo vệ rừng: • Tuỳ chọn loại đồ hiển thị tích hợp liệu GIS quản lý rừng theo xã, tiểu khu, khoảnh, lơ: • Cập nhật thông tin dự án quản lý giám sát bảo vệ rừng, điểm cháy rừng cảnh báo cháy rừng; • Kết xuất liệu theo biểu mẫu báo cáo, thống kế Exce Hình 2.7 mơ tả hệ thống DForest Server • • • • 2.7 Camera AI Camera phát hiện, cảnh báo cháy rừng, camera với cấu tạo đặc biệt, sử dụng công nghệ cảm biến phân tích đặc biệt để phát khói, phát đám cháy với khoảng cách lớn lên đến 5Km Hệ thống thiết kế nhỏ gọn có khả lắp đặt trạm quan trắc rừng nhằm đáp ứng khả cảnh báo sớm có khói xảy ra.Vì vậy, hệ thống máy tính kết hợp webcam quan sát thiết kế nhằm đáp ứng khả quan sát cảnh báo cháy Trong hệ thống, Webcam Logitech HDProC920 có độ phân giải 1080p, kết nối máy tính chuẩn USB, có khả quay phim 30 khung hình giây chụp ảnh đạt 15 megapixels Dựa sở so sánh vật thể hình ảnh trước sau, hệ thống nhận diện ảnh có đám khói đám lửa để tích hợp vào thống sau đo truyền nhanh liệu trung tâm Webcam đặt bệ xoay 360odo hệ thống bao qt tồn tầm nhìn theo chiều kim đồng hồ Bộ điều khiển cấp thấp bao gồm vi điều khiển có hiệu chỉnh PID cho trục xoay.Vận tốc chiều trục xoay điều khiển từ máy tính thơng qua chuẩn RS232 11 • Camera PTZ báo cháy nổ, ổn định mạng quang phổ nhiệt & quang học - Mô-đun nhiệt độ nhạy cao với độ phân giải 640 × 512 - NETD nhỏ 40 mk (@ 25 ° C, F # = 1,0) - Công nghệ xử lý ảnh nhiệt hàng đầu: Adaptive AGC, DDE, 3D DNR - Báo động nhiệt độ-bất thường đáng tin cậy -Thuật toán phát cháy nâng cao Mạng quang phổ nhiệt & quang phổ Máy ảnh PTZ ổn định trang bị tích hợp GPU hỗ trợ thuật tốn phân tích hành vi thơng minh, phát VCA xác cao báo thức thời gian thực Hình 2.8 hình ảnh số camera phát triển sử dụng Hình 2.9 Hệ thống tự động phát cháy rừng dựa nguyên lý phát khói 12 Hình 2.10 hình ảnh thu từ camera Hình 2.11 hình ảnh camera AI xuất xứ USA 13 Hình 2.12 trạm quan trắc hồn chỉnh lắp đặt III) KẾT LUẬN Chuyên đề đưa phận hệ thống cảnh báo cháy rừng 14 ... vực xảy cháy Bên cạnh đó, hệ thống đo thông số môi trường thông qua hệ thống cảm biến để phân tích khả cháy rừng gửi cảnh báo trung tâm thu thập liệu II) THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CẢNH BÁO VÀ... 2.6 hệ thống định vị tọa độ GPS Dforest Server Nhằm bảo đảm phát cảnh báo sớm cháy rừng, hệ thống gắn thêm định vị tọa độ trạm quan trắc để đảm bảo việc xác định nhanh chóng vị trí xảy cháy Hệ thống. .. lượng pin ) Hệ thống cảnh báo cháy rừng gồm hai thành phần: • Các trạm quan trắc đặt khu rừng với mục đích theo dõi tình hình: nhiêt độ, độ ẩm, khói, từ đưa cảnh báo trạng thái khu rừng cấp độ