Mẫu trình bày Đồ Án BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA KHOA TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG (CT378) HỆ THỐNG CẢNH BÁO RÒ RĨ KHÍ GAS ỨNG DỤNG IOT CÁN BỘ HƯỚNG[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA KHOA TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG (CT378) HỆ THỐNG CẢNH BÁO RÒ RĨ KHÍ GAS ỨNG DỤNG IOT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN NHĨM SV THỰC HIỆN: TS Trần Nhựt Thanh Võ Nhựt Hoàng Trần Văn Lụm Nguyễn Đức Anh Phan Trương Hoài An Trương Trần Quốc Việt Tháng 10/2022 MSSV: B1806252 MSSV: B2012445 MSSV: B2012413 MSSV: B2012412 MSSV: B2012479 MỤC LỤC Trang DANH SÁCH HÌNH CHƯƠNG I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI .1 1.1 Tên đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài CHƯƠNG II MỤC TIÊU CỤ THỂ VÀ NỘI DUNG CHÍNH 2.1 Mục tiêu cụ thể 2.2 Nội dung CHƯƠNG III GIẢI PHÁP VÀ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3.1 Tìm hiểu đề tài 3.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống .11 3.3 Thiết kế phần cứng 12 3.4 Thiết kế phần mềm 14 CHƯƠNG IV 17 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 17 4.1 Kết thực 17 4.2 Ưu, nhược điểm hệ thống 17 4.2.1 Ưu điểm .17 CHƯƠNG V 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 DANH SÁCH HÌNH Trang Hình 3.1: Nguyên lí hoạt động giao thức MQTT Hình 3.2: Cơ chế hoạt động giao thứcMQTT Hình 3.3: Cơ chế hoạt động IOT Hình 3.4: Chú thích chân module cảm biến MQ2 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý module cảm biến khí gas MQ2 Hình 3.6: Vi điều khiển ESP8266 .9 Hình 3.7: Sơ đồ chân ESP8266 10 Hình 3.8: Ngoại hình cịi báo 5V 11 Hình 3.9: Kích thước cịi báo 5V 11 Hình 3.10: Sơ đồ tổng quan hệ thống .12 Hình 3.11: Sơ đồ đấu dây phần cứng .13 Hình 3.12: Đấu dây test mạch với test board 13 Hình 3.13: Hình ảnh 3D board mạch in 14 Hình 3.14: Lưu đồ giải thuật phần mềm 14 Hình 3.15: Giao diện điều khiển máy tính tảng Thinger.io 15 Hình 3.16: Giao diện điều khiển smartphone sử dụng app Thinger.io 16 ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG CHƯƠNG I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tên đề tài Ngày với phát triển vượt bậc khoa học kĩ thuật điện tử ứng dụng nhiều nhiều lĩnh vực thực tế để phục vụ nhu cầu: chăm sóc sức khỏe, bảo vệ tính mạng tài sản người Khi đời sống người cải thiện việc sử dụng bếp gas hay sản phẩm gas làm nhiên liệu đun nấu phổ biến Bên cạnh việc tiện lợi gas, vấn đề khác gas quan tâm là: an tồn sử dụng gas Khi người tiếp xúc trực tiếp với khí gas (vượt nồng độ cho phép định) thời gian dài dễ bị ngộ độc khí gas gây tử vong Khơng khí gas rị rỉ khơng khí dễ dàng bắt lửa gây cháy nổ, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn người sử dụng người xung quanh Vì vậy, vấn đề phát cố rò gas việc cần thiết với người thường xuyên sử dụng gas Đặt biệt biệt bạn sinh viên thường sử dụng bình gas mini khơng đảm bảo chất lượng, rị rỉ gas Xuất phát từ ý tưởng tình hình thực tế đề tài hay, có tính ứng dụng cao phát triển nên nhóm chọn đề tài an tồn sử dụng khí gas làm đề tài đồ án mơn học Trong thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa nay, người tiếp cận với Internet Việc cung cấp giải pháp thông báo qua Internet an tồn rủi ro ngơi nhà điều cần thiết Nhận thấy nhu cầu người dùng nên nhóm chúng em chọn “HỆ THỐNG CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS VÀ ỨNG DỤNG IOT” làm đề tài nghiên cứu học phần 1.2 Mục tiêu đề tài 1.2.1 Mục tiêu tổng quan Ứng dụng kiến thức học đo lường cảm biến xây dựng hệ thống đo lường sử dụng cảm biến cách hoàn chỉnh hoàn chỉnh ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Xây dựng hệ thống đo lường sử dụng cảm biến tảng IOT cho phép giám sát điều khiển từ xa 1.2.3 Mục tiêu cá nhân: Nắm bắt cấu trúc phần cứng, sơ đồ khối, nguyên lý làm việc mạch điều khiển Tìm hiểu lập trình ESP8266 Biết cách làm đồ án hoàn chỉnh phục vụ cho việc làm đồ án tốt nghiệp sau 1.2.2 Mục tiêu sản phẩm: Sản phẩm hoạt động ổn định với đầy đủ chức cần thiết cho việc “cảnh báo khí gas phịng chống cháy nổ” Sản phẩm nhỏ gọn mang tính thẩm mỹ cao Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn rị rỉ khí gas thu thập giá trị cảm biến hiển thị trạng thái hệ thống thông qua led Khi hệ thống phát khí gas vượt ngưỡng cho phép, hệ thống cảnh báo người dùng qua hệ thống thơng qua cịi, đồng thời người dùng cập nhật trạng thái điều khiển hệ thống thông qua smartphone, giúp người dùng nắm bắt thông tin khoảng cách xa đưa giải pháp phù hợp ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG CHƯƠNG II MỤC TIÊU CỤ THỂ VÀ NỘI DUNG CHÍNH 2.1 Mục tiêu cụ thể 2.1.1 Về mặt cá nhân Mỗi thành viên nhóm hiểu biết nắm bắt cấu trúc phần cứng, phần mềm, sơ đồ khối nguyên lí làm việc mạch điều khiển Hiểu biết lập trình Arduino cụ thể ESP8266 Hiểu biết module cảm biến khí gas MQ2 Giúp có thêm kinh nghiệm làm việc nhóm, lựa chọn linh kiện thiết bị phù hợp với đề tài làm đồ án phục vụ cho đồ án tốt nghiệp sau 2.1.2 Về mặt đồ án Hệ thống hoạt động ổn định với chức cần thiết cho việc cảnh báo khí gas Cụ thể phát khí gas vượt giá trị cho phép tiến hành cảnh báo trực tiếp nơi rò rỉ còi báo đèn Song song module cảm biến thu thập thơng tin cập nhật lên hệ thống Thinger.or sau thông báo đến Smartphone người dùng cách gọi điện gửi tin nhắn Hệ thống nhỏ, gọn, nhẹ, dễ sử dụng, dễ bảo trì, có tính thẩm mỹ cao Giúp hạn chế tượng cháy nổ, rò rỉ khí gas đảm bảo an tồn cho người sử dụng 2.2 Nội dung Tìm hiểu cấu tạo, cách đấu dây nguyên lý hoạt động module cảm biến khí gas MQ2 module wifi ESP8266 Tìm hiểu tảng IOT Thinger.io, giao thức MQTT xây dựng hệ thống cảnh báo rị rĩ khí gas ứng dụng IOT hoàn chỉnh ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG CHƯƠNG III GIẢI PHÁP VÀ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3.1 Tìm hiểu đề tài 3.1.1 Tìm hiểu giao thức MQTT MQTT (Message Queueing Telemetry Transport) giao thức mạng kích thước nhỏ (lightweight), hoạt động theo chế publish – subscribe (tạm dịch: xuất – đăng ký) theo tiêu chuẩn ISO (ISO/IEC 20922) OASIS mở để truyền tin nhắn thiết bị Giao thức hoạt động tảng TCP/IP MQTT thiết kế cho kết nối cho việc truyền tải liệu cho thiết bị xa, thiết bị hay vi điều khiển nhỏ có tài nguyên hạn chế ứng dụng có băng thông mạng bị hạn chế MQTT lựa chọn lý tưởng môi trường như: Những nơi mà giá mạng viễn thông đắt đỏ băng thông thấp hay thiếu tin cậy Khi chạy thiết bị nhúng bị giới hạn tài nguyên tốc độ nhớ Bởi giao thức sử dụng băng thơng thấp mơi trường có độ trễ cao nên giao thức lý tưởng cho ứng dụng M2M (Machine to Machine) MQTT giao thức sử dụng Facebook Messager Amazon IoT Hình 3.1: Nguyên lí hoạt động giao thức MQTT ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Cơ chế hoạt động giao thức MQTT Một phiên MQTT chia thành bốn giai đoạn: kết nối, xác thực, giao tiếp kết thúc Client (máy khách) bắt đầu cách tạo kết nối Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) tới broker cách sử dụng cổng tiêu chuẩn cổng tùy chỉnh xác định nhà phát triển broker Các cổng tiêu chuẩn 1883 cho giao tiếp khơng mã hóa 8883 cho giao tiếp mã hóa – sử dụng Lớp cổng bảo mật (SSL) / Bảo mật lớp truyền tải (TLS) Trong trình giao tiếp SSL/TLS, máy khách cần kiểm chứng xác thực máy chủ Sau đó, Client gửi tin lên broker Publisher nhận tin từ broker Subscriber Quá trình kết nối giữ đến Kết thúc kết nối Sau kết thúc để truyền nhận MQTT, lại tiếp tục quay lại bước Hình 3.2: Cơ chế hoạt động giao thứcMQTT Ưu điểm giao thức MQTT: Truyền thông tin hiệu Tăng khả mở rộng Giảm đáng kể tiêu thụ băng thông mạng ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Rất phù hợp cho điều khiển thám Tối đa hóa băng thơng có sẵn Chi phí thấp Rất an toàn, bảo mật Được sử dụng ngành cơng nghiệp dầu khí, cơng ty lớn Amazon, Facebook, … Tiết kiệm thời gian phát triển Giao thức publish/subscribe thu thập nhiều liệu tốn băng thơng so với giao thức cũ Kết Nếu giao thức HTTP quan trọng hệ thống Internet nay, MQTT lại sử dụng hệ thống IOT Giao thức MQTT có tính Realtime cao, gọn nhẹ, dễ sử dụng Hầu hết sản phẩm IOT có sử dụng giao thức MQTT, MQTT cịn kết hợp với Server HTTP để lưu trữ truy cập liệu từ App web 3.1.2 Tìm hiểu tảng IOT thinger.io Internet vạn vật (IoT) gì? Thuật ngữ IoT hay Internet vạn vật đề cập đến mạng lưới tập hợp thiết bị thông minh công nghệ tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động giao tiếp thiết bị đám mây thiết bị với Nhờ đời chip máy tính giá rẻ công nghệ viễn thông băng thông cao, ngày nay, có hàng tỷ thiết bị kết nối với internet Điều nghĩa thiết bị hàng ngày bàn chải đánh răng, máy hút bụi, ô tô máy móc sử dụng cảm biến để thu thập liệu phản hồi lại người dùng cách thơng minh Internet vạn vật tích hợp “vạn vật” với Internet ngày Các kỹ sư máy tính thêm cảm biến xử lý vào vật dụng hàng ngày kể từ năm 90 Tuy nhiên, tiến độ ban đầu chậm chip cịn to cồng kềnh Loại chip máy tính cơng suất thấp gọi thẻ tag RFID, lần sử dụng để theo dõi thiết bị đắt đỏ Khi kích cỡ thiết bị điện toán dần nhỏ lại, chip trở nên nhỏ hơn, nhanh thông minh theo thời gian ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Chi phí tích hợp cơng suất điện toán vào vật dụng nhỏ bé giảm đáng kể Ví dụ: bạn thêm khả kết nối với tính dịch vụ giọng thoại Alexa vào MCU tích hợp sẵn RAM chưa đến MB, chẳng hạn cho công tắc đèn Nguyên ngành công nghiệp bất ngờ xuất với trọng tâm xoay quanh việc trang bị thiết bị IoT khắp ngóc ngách nhà, doanh nghiệp văn phòng Những vật dụng thơng minh tự động truyền nhận liệu qua Internet Tất “thiết bị điện tốn vơ hình” cơng nghệ liên quan gọi chung Internet vạn vật IoT hoạt động nào? Một hệ thống IoT thông thường hoạt động thông qua việc thu thập trao đổi liệu theo thời gian thực Một hệ thống IoT có ba thành phần: Thiết bị thơng minh Đây thiết bị, giống tivi, camera an ninh thiết bị tập thể dục trao cho khả điện toán Thiết bị thu thập liệu từ môi trường xung quanh, thao tác nhập liệu người dùng mô thức sử dụng truyền nhận liệu qua Internet từ ứng dụng IoT Ứng dụng IoT Ứng dụng IoT tập hợp dịch vụ phần mềm có chức tích hợp liệu nhận từ thiết bị IoT khác Ứng dụng sử dụng cơng nghệ máy học trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích liệu đưa định sáng suốt Những định truyền trở lại thiết bị IoT sau đó, thiết bị IoT phản hồi lại liệu đầu vào cách thông minh Giao diện đồ họa người dùng Một nhóm thiết bị IoT quản lý thông qua giao diện đồ họa người dùng Các ví dụ phổ biến bao gồm ứng dụng di động trang web sử dụng để đăng ký kiểm soát thiết bị thông minh ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Hình 3.3: Cơ chế hoạt động IOT 3.1.3 Tìm hiểu module cảm biến khí gas MQ2 Hình 3.4: Chú thích chân module cảm biến MQ2 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý module cảm biến khí gas MQ2 MƠ TẢ CẢM BIẾN ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG MQ2 cảm biến khí gas Nó cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất có độ nhạy cảm thấp với khơng khí Nhưng mơi trường có chất ngây cháy, độ dẫn thay đổi Chính nhờ đặc điểm người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi từ độ nhạy sang điện áp Khi môi trường điện áp đầu cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu tăng nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 cao MQ2 hoạt động tốt môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, chất khí gây cháy khác Nó sử dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng mạch đơn giản chi phí thấp ỨNG DỤNG Ứng dụng để phát khí gas, khí gây cháy Áp dụng cho việc phịng chống cháy nổ THƠNG SỐ KỸ THUẬT Nguồn hoạt động : VDC Tín hiệu đầu : Analog (AO) Digital (DO) 3.1.4 Tìm hiểu vi điều khiển ESP8266 Hình 3.6: Vi điều khiển ESP8266 Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua kit phát triển dựa chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng đặc biệt sử dụng trực tiếp trình biên dịch Arduino để lập trình nạp code, điều khiến việc sử dụng lập trình ứng dụng ESP8266 trở nên đơn giản ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua dùng cho ứng dụng cần kết nối, thu thập liệu điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt ứng dụng liên quan đến IoT Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua sử dụng chip nạp giao tiếp UART ổn định CP2102 có khả tự nhận Driver tất hệ điều hành Window Linux, phiên nâng cấp từ phiên sử dụng IC nạp giá rẻ CH340 Đặc tính bật Module thu phát Wifi ESP8266: Tích hợp nút nhấn Tích hợp chip chuyển usb – uart CH340 Full IO : 10 GPIO, Analog, 1SPI , UART, I2C/I2S, PWM,v.v… Được hỗ trợ cộng đồng lớn mạnh Nodemcu Sơ đồ chân: Hình 3.7: Sơ đồ chân ESP8266 3.1.5 Tìm hiểu cịi báo 5V 10 ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Hình 3.8: Ngoại hình cịi báo 5V Thơng số kỹ thuật Điện áp: 5Vdc Tần số hoạt động: 2Khz -5Khz Kích thước: 12mm* 8.5mm Trọng lượng: 1g Kích thước sản phẩm Hình 3.9: Kích thước còi báo 5V 3.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống 11 ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Hình 3.10: Sơ đồ tổng quan hệ thống Sơ đồ tổng quan hệ thống chia làm nhiều phần nhỏ khác kết nối giao thức MQTT tảng IOT Thinger.io Ở trường, kit vi điều khiển ESP8266 lấy liệu từ cảm biến, điều khiển cấu chấp hành tải liệu lên cloud Thinger Từ người dùng quan sát điều khiển từ xa thông qua laptop tảng Thinger app Thinger.io thông qua smartphone 3.3 Thiết kế phần cứng 12 ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Hình 3.11: Sơ đồ đấu dây phần cứng Ở sơ đồ đấu dây mạch điện này, sử dụng nguồn 5V cấp vào từ adapter, chân tín hiệu analog A0 module cảm biến khí gas MQ2 nối vào chân A0 vi điều khiển, sử dụng switch để lựa chọn có sử dụng cịi hay khơng tắt cịi nhận biết tình hình khí gas Ngồi đèn led màu xanh đỏ thể trạng thái gas có bị rị rĩ hay khơng, trạng thái bình thường led sáng màu xanh ngược lại led sáng màu đỏ Hình 3.12: Đấu dây test mạch với test board 13 ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Hình 3.13: Hình ảnh 3D board mạch in 3.4 Thiết kế phần mềm Nguyên lý hoạt động hệ thống: trường, hệ thống sử dụng module cảm biến khí gas MQ2 để phát khí gas bị rị rĩ, vi điều khiển ESP8266 đọc liệu analog từ module cảm biến khí gas Nếu liệu ngưỡng bình thường, đèn led màu xanh còi báo tắt Nếu liệu vượt mức cho phép, đèn led nhấp nháy màu đỏ, còi báo bật để báo hiệu cho người sử dụng biết để kịp thời xử lý Ngoài ra, người dùng cịn giám sát điều khiển hệ thống thơng qua máy tính smartphone thơng qua tảng IOT Thinger.io 3.4.1 Lưu đồ giải thuật 14 ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Hình 3.14: Lưu đồ giải thuật phần mềm Giải thích lưu đồ: Khi bắt đầu hệ thống xem người dùng có muốn sử dụng cịi hay khơng, người dùng sử dụng cịi khí gas bị rị rĩ (giá trị analog ≥ 400) cịi kêu led sáng đỏ báo hiệu tình trạng nguy hiểm Ngược lại, khí gas khơng bị rị rĩ led xanh sáng, cịi tắt báo hiệu trạng thái bình thường Nếu người dùng khơng sử dụng cịi có đèn led hoạt động báo hiệu trạng thái khí gas có bị rị rĩ hay khơng Ngồi ra, cơng tắc cịi cịn sử dụng với mục đích tắt cịi người dụng nhận thấy tình trạng nguy hiểm hệ thống tiến hành khắc phục 3.4.2 Giao diện điều khiển máy tính Giao diện giám sát điều khiển máy tính Thinger gồm có: - Gas value: giá trị đọc từ cảm biến khí gas - System status: trạng thái hệ thống (đỏ khí gas rị rĩ, xanh hệ thống bình thường) - Switch: cơng tắc bật tắt còi - Gas value chart: biểu đồ thể giá trị cảm biến khí gas theo thời gian 15 ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Hình 3.15: Giao diện điều khiển máy tính tảng Thinger.io 3.4.2 Giao diện điều khiển smart phone Giao diện điều khiển smartphone tương tự máy tính 16 ĐỒ ÁN CUỐI KỲ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG Hình 3.16: Giao diện điều khiển smartphone sử dụng app Thinger.io 17