NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BÁO CHÁY ỨNG DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT HỒNG NGOẠI VÀ CAMERA
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 65 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BÁO CHÁY ỨNG DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT HỒNG NGOẠI VÀ CAMERA A STUDY OF FIRE ALARM SYSTEM IN APPLYING INFRARED THERMOMETER SENSORS AND CAMERAS Vũ Vân Thanh Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; vuvanthanh85@gmail.com Tóm tắt - Bài báo trình bày hướng nghiên cứu thiết kế hệ thống báo cháy từ xa ứng dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại camera Nhiệm vụ hệ thống ứng dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại kết hợp camera quan sát để tiến hành xác định thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh, kết thu hình ảnh quang phổ nhiệt máy tính Từ kết hệ thống phân tích đưa cảnh báo sớm để phát khả hỏa hoạn đe dọa sống, xuất trước thiết bị báo cháy truyền thống đưa cảnh báo tránh báo động giả khơng đáng có ngun nhân hút thuốc, quẹt lửa… Hệ thống ứng dụng cho nơi có nguy hỏa hoạn cao Khơng vậy, hệ thống cịn đo nhiệt từ xa ứng dụng an ninh y tế Kết báo đưa đánh giá khả cảnh báo sớm độ tin cậy hệ thống so với hệ thống báo cháy truyền thống Abstract - This paper will present the research on designing a remote fire alarm system in applying infrared thermometer sensors and cameras The main task of this system is the application of infrared temperature sensors combined with surveillance cameras to determine the change in temperature of the surrounding environment Result obtained is a heat spectral image on the computer From these results, the system will analyze and offer early warning to detect the possibility of life-threatening fires before the traditional fire alarm equipment gives warnings, and avoid the fake unnecessary alarms like smoking, lighters or matches The system can be applied to places with high fire danger Furthermore, this system can also measure the temperatures remotely for applications in security as well as in healthcare The article results present an evaluation of early warning ability and reliability of this system compared with that of a traditional fire alarm system Từ khóa - Cảm biến nhiệt hồng ngoại; PIC16F877A; báo cháy; lập trình Java; động Servo Key words - FIR sensor; PIC16F877A; Fire alarm; Java program; Servo motor Đặt vấn đề Ngày nay, việc chống cháy, bảo quản tài sản tính mạng cho người vấn đề cấp thiết cần nghiên cứu giải Tuy nhiên, với hệ thống báo cháy truyền thống ngõ vào đơn lấy tín hiệu từ cảm biến nhiệt, cảm biến khói [1], việc cảnh báo cháy xảy giá trị cảm biến phải đạt tới ngưỡng định đưa cảnh báo Điều có khuyết điểm việc đưa cảnh báo chậm dễ xuất cảnh báo giả nguyên nhân hút thuốc hay thử cảm biến quẹt lửa… [2] Sẽ nguy hiểm nơi chứa nhiều vật liệu dễ cháy giấy, nhựa… khả can thiệp cứu chữa kịp thời khó khăn Do đó, vấn đề đặt nơi cần kiểm soát chặt chẽ kịp thời khả cháy xảy ra, mà khơng có báo động giả Một giải pháp phát đám cháy thông qua hệ thống camera quan sát, kết hợp cảm biến nhiệt hồng ngoại để xác định nhiệt độ từ xa [3], kết quan sát quang phổ nhiệt giao diện hình máy tính, từ phân tích đưa kết cảnh báo cháy Hệ thống cảnh báo cháy trực tiếp chng báo, cịi hú hay cảnh báo thơng qua internet, điện thoại di động Camera mở rộng góc quan sát lên đến gần 3600 động Servo để tăng cường phạm vi giám sát cho hệ thống báo cháy Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt hồng ngoại MLX90614 giao tiếp với vi điều khiển thơng qua giao thức điều khiển SMbus thay chuẩn I2C truyền thống, với ưu điểm công suất tiêu thụ thấp, có tính time out, tức khả reset thiết bị slave thời gian giao tiếp nhiều thời gian, có khả kiểm tra lỗi gói tin Hệ thống sử dụng camera 2.0 Megafixel giao tiếp máy tính thơng qua chuẩn USB dùng giao diện viết ngơn ngữ lập trình Java nhằm xác định quang phổ nhiệt ảnh camera chụp, nhờ hệ thống động giúp cho cảm biến nhiệt quét toàn khung cảnh mà camera chụp, đồng thời trả giá trị nhiệt độ theo tọa độ qt qua, từ phần mềm phân tích đưa phổ màu tương ứng với giá trị nhiệt độ mà cảm biến nhiệt đo Phần mềm phổ màu này, dải nhiệt phổ màu lớn phạm vi rộng đưa cảnh báo đám cháy, mà tránh cảnh báo hệ thống cảnh báo cháy truyền thống Hình Quang phổ nhiệt đám cháy quan sát giao diện phần mềm máy tính Thiết kế hệ thống phần cứng Hệ thống bao gồm vi điều khiển PIC16F877A, cảm biến nhiệt hồng ngoại MLX90614, động servo, camera megafixel module sim900A GSM/GPRS 66 Vũ Vân Thanh CẢM BIẾN MLX90614 PIC16F877A ĐỘNG CƠ SERVO SIM900 GSM PC CAMERA Hình Sơ đồ khối hệ thống 2.1 Cảm biến nhiệt hồng ngoại MLX90614 Đây cảm biến nhiệt hồng ngoại đo nhiệt độ khơng cần tiếp xúc Nó tích hợp gồm cảm biến đo nhiệt hồng ngoại, khuếch đại nhiễu thấp, chuyển đổi ADC 17 bit, nên cho kết có độ phân giải xác cao (0.02oC), cho phép giao chuẩn SMbus, tín hiệu ngõ cấu hình theo 10 bit PWM, dải nhiệt độ đo từ -20 đến 1200C [4] S = ∗ D tan (α) (1) Với α góc nhìn cảm biến Bài báo khảo sát hệ thống với khoảng cách D=1m- 3m, tức khoảng cách đặt hệ thống báo cháy cách xa đối tượng quan sát 1m đến 3m, khoảng cách đủ với kích thước trần nhà trần quan, xí nghiệp Cảm biến kết nối với vi điều khiển thông qua chân SCL, chân 18 vi điều khiển SDA chân 23 vi điều khiển (Xem hình 4), sử dụng điện trở 4.7KΩ kết nối SDA với 5V SCL với 5V, tụ 0.1uF kết nối 5V Mass để lọc nhiễu tần số cao Kết nối thực tế mạch cảm biến MLX96014 lên testboard Hình Hình Mạch cảm biến MLX90614 Hình Góc nhìn cảm biến a lỗi b thiết lập góc đo 2.2 Động Servo Mục đích giúp cho cảm biến nhiệt qt tồn khung hình mà camera giám sát Bao gồm dây kết nối kết nối với nguồn 5V, nối với mass, nối với chân vi điều khiển để điều khiển góc quay theo chế độ PWM (điều chế độ rộng xung) với chu kỳ T=20ms(50Hz) Ví dụ để quay động vị trí 00, ta điều chế độ rộng xung TON =1.5ms, 900 TON =2ms, -900 TON =1ms Hình Động Servo Hình Sơ đồ kết nối hệ thống mạch điều khiển đo nhiệt Để thực hiên phép đo xác ta dựa vào cơng thức: 2.3 Module sim 900A Mục đích truyền liệu cảnh báo đám cháy thông qua tin nhắn SMS hay GPRS lên webserver, modun giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn truyền thơng nối ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 tiếp RS232 tốc độ baud 9600, chân TXD modun kết nối với chân RXD vi điều khiển ngược lại Modun sim thực thi nhờ tập lênh AT [5] 2.4 Máy tính Phần mềm lập trình giao diện máy tính viết ngơn ngữ Java, nhằm mục đích cho người sử dụng dễ dàng quan sát quang phổ đám cháy, đồng thời xử lý đưa cảnh báo sớm đám cháy tránh cảnh báo giả… 2.5 Vi điều khiển PIC16F877A Đây vi điều khiển hãng Philip, mục đích thu nhận liệu nhiệt độ từ cảm biến nhiệt sử dụng giao thức truyền thông SMbus thông qua chân Serial data (SDA) chân Serial Clock (SCL) Trong phần lập trình, ta đọc liệu từ nhớ RAM nội, nơi lưu trữ nhiệt độ môi trường (Ambient temperature TA) địa 0x006 nơi lưu trữ nhiệt độ đối tượng (Object temperature TO) địa 0x007 Độ phân giải phép đo 0.020C LSB, ta sử dụng công thức 2, 3, 4, phần đoạn mã lập trình để tính tốn nhiệt độ: tempData=(double)(((data_high&0x007)