Đồ án thiết kế hệ thống cảnh báo cháy trong chung cư nhà ở

Cảnh báo khí gas, cháy trong chung cư Nội dung đồ án: Sử dụng cảm biến lửa, nhiệt độ( dùng cảm biến nhiệt độ ds18b20), khói, khí độc ( dùng cảm biến MQ2) với phát hiện địa điểm cháy (tầng mấy), cảnh báo qua loa , bật bơm nước và nhắn tin về cho mn trong chung cư 2 mạch điện tương ứng vs 2 tầng trong chung cư ( có thể đặt thêm số mạch ) Có pin dự phòng để mất hiện hệ thống vẫn hạt động Có thể cài đặt tầng mấy , phòng bao nhiêu thông qua tin nhắn Có thể cài đặt sđt nhận thông báo thông qua nhắn tin

Bên mình chuyên nhận thiết kế các đồ án môn, tốt nghiệp chuyên ngành như: Cơđiện tử, Tự động hóa, Điện tử viễn thông, Cơ khí, Công nghệ thông tin, IOT…, dự

án cơ điện tử, tự động hóa

Luôn đảm bảo thời gian hoàn thành, chất lượng sản phẩm và giá cả

-Các bạn có nhu cầu hỗ trợ đồ án ,đặt đồ án, liên hệ :

👉 https://www.facebook.com/doangiaresv

👉 Số điện thoại & zalo : 0565271668

👉 Kênh YouTube, list đồ án :

https://www.youtube.com/c/doansinhviengiare/videos

#DienTuNGON

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khóa 64 Trường: Điện- Điện tử Ngành:

1 Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống cảnh báo cháy

2 Nội dung đề tài:

Đề tài “Thiết kế hệ thống cảnh báo cháy” với các đặc điểm và chức năng như sau:

- Là một thiết bị hỗ trợ cảnh báo cháy trong khu chung cư.

- Thiết bị sử dụng nguồn điện một chiều 12V/DC.

- Bật bơm nước và nhắn tin về cho người dùng khi phát hiện cháy thông qua cảm biến nhiệt độ, khí độc, …

- Có thể cài đặt hệ thống ở tầng mấy, phòng bao nhiêu thông qua tin nhắn SMS.

- Có khả năng cài đặt số điện thoại người dùng thông qua thông báo tin nhắn.

3 Thời gian giao đề tài: - -2023

4 Thời gian hoàn thành: - -2024

Tóm tắt nội dung đồ án

- Vấn đề thực hiện: Thiết kế hệ thống hỗ trợ cảnh báo cháy nổ trong khu chung cư

- Phương pháp thực hiện: Tìm hiểu các sản phẩm đã trên thị trường, các giao thức

điều khiển, các phương án để tương tác với người dùng và từ đó lựa chọn nguyên liệu thiết kế phù hợp và lên các ý tưởng triển khai

- Công cụ sử dụng:

 Phần mềm: Altium Designer sử dụng thiết kế mạch in cùng với phần mềm Visual Studio Code sử dụng platform.io cho ESP32

 Phần cứng: Vi điều khiển ESP32 đáp ứng kết nối WiFi và Bluetooth phục vụ

xử lý trung tâm, bộ nguồn 12V/DC, bơm nước, nút bấm, cảm biến lửa, nhiệt

độ, khí độc …

- Kết quả: Sản phẩm đã được kiểm thử chạy liên tục trong 3 ngày, tính ổn định

khá tốt và thân thiện với người sử dụng

- Tính thực tế của đồ án: Đồ án mang tính thực tế cao cho người sử dụng Có thể

hộ trợ cảnh báo cháy nổ trong khu chung cư

- Hướng phát triển: Sản phẩm có thể tích hợp thêm chức năng Mobile App và hỗ

trợ điều khiển bằng giọng nói để tăng sự tiện ích trong quá trình sử dụng

- Kỹ năng đạt được: Có tư duy thiết kế một sản phẩm thực tế, rèn luyện kỹ năng lên kế hoạch và tìm kiếm tài liệu

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Yêu cầu đề tài 4

1.3 Phương hướng thiết kế 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Tổng quan về SMS 6

2.1.1 Cách hoạt động của SMS 6

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

2.1.2 Ưu điểm của dịch vụ SMS 7

2.1.3 Các loại tin nhắn SMS phổ biến hiện nay 7

2.2 Một số truyền thông giao tiếp trong mạch điện tử phổ biến hiện nay 8

2.2.1 Chuẩn truyền thông giao tiếp UART 8

2.2.2 Chuẩn truyền thông giao tiếp I2C 10

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 14

3.1 Yêu cầu thiết kế 14

3.2 Phần mềm thiết kế mạch Altium 14

3.3 Thiết kế mạch nguyên lý 15

3.3.1 Sơ đồ khối 15

3.3.2 Phương án thiết kế 16

3.3.3 Tính toán và lựa chọn thiết bị 17

3.3.4 Sơ đồ mạch nguyên lý 30

3.4 Layout mạch PCB 30

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 33

4.1 Tổng quan về Adruino IDE 33

4.2 Thiết kế phần mềm cho hệ thống 35

4.2.1 Tổ chức bộ nhớ flash 35

4.2.2 Lưu đồ thuật toán 35

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 37

5.1 Kết quả 37

5.2 Nhận Xét 38

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 39

6.1 Kết luận 39

6.2 Hướng phát triển 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Hình ảnh cháy chung cư mini 1

Hình 1 2 Hình ảnh khu chung cư sau đám cháy 3

Hình 1 3 Sơ đồ khối tổng quan 5

Hinh 2 1 Hình ảnh nhắn tin SMS 6

Hinh 2 2 Khung truyền giao thức UART 9

Hinh 2 3 Sơ đồ minh họa giao thưc I2C 11

Hinh 2 4 Khung truyền giao thức I2C 11

Hinh 2 5 Sơ đồ địa chỉ giao thức I2C 12

Hình 3 1 Giao diện phần mềm Altium 14

Hình 3 2 Sơ đồ khối phần cứng 15

Hình 3 3 Chip ESP32 19

Hình 3 4 Thiết kế khối xử lí trung tâm 20

Hình 3 5 Hình ảnh LCD16x2 21

Hình 3 6 Module I2C 23

Hình 3 7 Cảm biến khí gas MQ2 24

Hình 3 8 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 25

Hình 3 9 Sơ đồ thiết kế khối nút nhấn 26

Hình 3 10 Mạch giảm áp DC-DC Buck LM2596 27

Hình 3 11 Thiết kế khối nguồn cho hệ thống 27

Hình 3 12 Mạch Module Sim A7680C 28

Hình 3 13 Thiết kế mạch Module Sim 29

Hình 3 14 Sơ đồ thiết kế khối thiết bị 30

Hình 3 15 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 30

Hình 3 16 Đi dây cho mạch 31

Hình 3 17 Phủ đất 2 lớp Bottom và Top 31

Hình 3 18 Hình 3.14 Ảnh 3d của mạch mặt trước và sau 32

Hình 4 1 Giao diện phần mềm Adruino IDE 33

Hình 4 2 Vùng viết chương trình 34

Hình 4 3 Lưu đồ thuật toán của chương trình 36

Hình 5 1 Mạch sau khi hoàn thiện 37

Hình 5 2 Hệ thống đang chạy 37

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1 So sánh ESP32 và ESP8266 18Bảng 3 2 Sơ đồ chân LCD16x2 22

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề

- Trong năm 2020, cả nước xảy ra 5.354 vụ cháy, trong đó: 2.764 vụ cháy nhàdân (chiếm 51,62% tổng số vụ cháy) Tính riêng 5 tháng đầu năm 2021, toànquốc đã xảy ra 958 vụ cháy, thiệt hại: Làm 44 người chết, 64 người bị thương,

về tài sản uớc tính khoảng 265 tỷ đồng và 273,5 ha rừng Trong đó có 352 vụcháy nhà dân (chiếm 36,74%), 83 vụ cháy nhà ở kết hợp sản xuất, kinh doanh(chiếm 8,7%); đặc biệt gần đây, đã liên tiếp xảy ra một số vụ cháy tại các khudân cư, hộ gia đình, nhà ở kết hợp sản xuất, kinh doanh gây thiệt hại đặc biệtnghiêm trọng về người, ảnh hưởng đến an ninh, trật tự Qua số liệu trên chothấy tình hình cháy, nổ xảy ra tại khu dân cư, nhà ở hộ gia đình chiếm tỷ lệ cao

về số vụ, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và có diễn biến ngày càng phứctạp, nguy hiểm Các vụ cháy thường xảy ra vào ban đêm, trong các ngày nghỉ,

lễ, người dân thường chủ quan trong việc sử dụng nguồn lửa, nguồn nhiệt nhưthắp nhang, sử dụng thiết bị điện, sản xuất, kinh doanh hàng dễ cháy trong giađình nhưng không bảo đảm các điều kiện an toàn về PCCC làm phát sinh sự cốcháy, nổ và không phát hiện kịp thời dẫn đến cháy lan, cháy lớn

Hình 1 1 Hình ảnh cháy chung cư mini

- Về nguyên nhân xảy ra cháy, tập trung chủ yếu gồm:

 Ý thức chấp hành các quy định và trách nhiệm của chủ hộ gia đình, chủ

hộ kinh doanh chưa cao; người dân vẫn còn chủ quan, lơ là với công tácPCCC, chưa thực sự coi công tác PCCC là một công việc phải được thựchiện hàng ngày, ở mọi lúc, mọi nơi, lúng túng trong xử lý các tình huốngcháy, nổ; không duy trì các điều kiện an toàn về PCCC trong quá trìnhhoạt động; không trang bị các phương tiện, thiết bị PCCC tối thiểu (thiết

bị báo cháy, bình chữa cháy, dụng cụ phá rỡ…) hoặc có trang bị nhưngthiếu về số lượng và không bảo đảm chất lượng do không được kiểm trabảo dưỡng định kỳ, không biết thao tác, sử dụng phương tiện chữa cháynên không kịp thời phát hiện khi có cháy xảy ra dẫn đến cháy lớn, cháylan, nạn nhân dễ bị ngạt khói gây bất tỉnh và tử vong.

 Vi phạm các quy định an toàn trong sử dụng điện như: sử dụng dây dẫnđiện, thiết bị tiêu thụ điện kém chất lượng; không kiểm tra, tắt thiết bịtiêu thụ điện khi không sử dụng; tùy tiện câu mắc điện trong nhà để sửdụng, đấu nối không đúng kỹ thuật; lắp đặt thêm các thiết bị tiêu thụ điện

có công suất lớn dẫn đến quá tải Sơ xuất, bất cẩn trong việc quản lý, sửdụng nguồn lửa, nguồn nhiệt như: thắp nhang thờ cúng, đun nấu, đốtvàng mã không đảm bảo an toàn về PCCC…

 Vi phạm trong việc tồn chứa, sắp xếp hàng hóa, chất dễ cháy với khốilượng lớn ở khu vực kinh doanh không có giải pháp ngăn cháy lan, trêncác lối đi lại gây cản trở lối thoát nạn, không có lối thoát nạn dự phòng,chống tụ khói; tồn chứa, bảo quản, sử dụng chất khí, chất lỏng dễ cháy,hóa chất tác dụng với chất khác gây cháy, nổ… (ví dụ: tồn chứa bình gas,bếp gas, tồn chứa can, phuy, bồn chứa xăng dầu, axít, kim loại kiềm)

- Vấn đề thực trạng PCCC của khu chung cư, hộ gia đình

Theo thống kê, hiện cả nước có trên 26,87 triệu nhà ở hộ gia đình, trong đó cácnhà ở kết hợp kinh doanh được chuyển đổi từ nhà ở hiện hữu hoặc xây dựngmới có nhiều yếu tố chưa đáp ứng các yêu cầu về an toàn cháy nên có nguy cơxảy ra cháy, nổ cao…

 Các khu dân cư hiện hữu không được quy hoạch xây dựng đồng bộ chưađáp ứng về điều kiện an toàn PCCC như: Bố trí đường giao thông trongkhu dân cư chật hẹp, hệ thống đường dây điện gây cản trở xe chữa cháyhoạt động; không có hoặc không duy trì nguồn nước dự trữ chữa cháy;các nhà ở trong khu dân cư được xây dựng liền kề với nhau tạo thành ngõsâu, đường đi nhỏ nên khó triển khai hoạt động chữa cháy, CNCH….;các làng nghề sản xuất kinh doanh ngoài các đặc điểm nêu trên còn tồnchứa lượng chất cháy lớn, công tác quản lý trong sản xuất kinh doanh, sửdụng nguồn lửa, nguồn nhiệt, hệ thống, thiết bị điện… còn lỏng lẻo,đồng thời trong các khu dân cư tồn tại nhiều hộ gia đình, cơ sở sản xuất,kinh doanh, tồn chứa lượng lớn chất, hàng dễ cháy luôn tiềm ẩn nguy cơcháy, nổ cao

 Hệ thống điện của các hộ gia đình theo thiết kế ban đầu phục vụ đủ nhucầu sinh hoạt, ăn ở của người dân, tuy nhiên khi đời sống phát triển sửdụng nhiều thiết bị tiêu thụ điện; khi kết hợp với kinh doanh, buôn bánthì việc gia tăng phụ tải điện ít được quan tâm, cải tạo, nâng cấp để bảođảm an toàn; hệ thống điện sử dụng lâu ngày bị xuống cấp, đường dâyđiện không bảo đảm an toàn và thiếu việc lắp đặt các thiết bị bảo vệ nhưaptomat…Trong quá trình sử dụng có thể dẫn đến sự cố quá tải, chậpđiện… gây ra cháy, nổ

 Nhà ở hộ gia đình thường được xây dựng liền kề với nhau, ba mặt đều cónhà tiếp giáp, chỉ có 01 lối thoát nạn là cửa chính ra vào, lắp đặt nhiềulớp cửa; tại lô gia, ban công các tầng lắp đặt thêm chuồng cọp, lồng sắt,biển quảng cáo; nhiều nhà nằm trong ngõ, hẻm sâu nên việc thoát nạnkhi có sự cố cháy, nổ xảy ra rất khó khăn, thậm chí không thể thoát được

ra ngoài

 Nhà ở kết hợp sản xuất, kinh doanh tiềm ẩn nhiều nguy cơ xảy ra cháy,

do kết hợp giữa sinh hoạt và kinh doanh nên trong nhà thường chứa rấtnhiều hàng hóa, vật dụng, chất dễ cháy; các khoảng trống trong nhà đượctận dụng tối đa cho việc chứa hàng hóa, máy móc, thiết bị sản xuất và cảthiết bị phục vụ sinh hoạt hằng ngày, lấn chiếm lối ra thoát nạn, khôngbảo đảm khoảng cách an toàn PCCC nên khi xảy ra cháy, nổ dẫn đếncháy lan, cháy lớn

Hình 1 2 Hình ảnh khu chung cư sau đám cháy

- Thực trạng các hệ thống cảnh báo cháy nổ hiện nay

Hệ thống báo cháy có nhiệm vụ là phát hiện ra đám cháy sớm nhất qua các cảmbiến và thông báo cho mọi người Giúp chúng ta có thể đưa ra những biện pháp,nhằm giảm thiệt hại thấp nhất về cả con người lẫn tài sản Hiện nay có hai giảipháp báo cháy là hệ thống cảnh báo cháy thủ công và hệ thống cảnh báo cháy tựđộng:

 Hệ thống cảnh báo cháy và nổ thủ công là một hệ thống mà người sửdụng hoặc người quản lý phải thực hiện các biện pháp cảnh báo hoặc báođộng khi họ nhận thức được có sự cố cháy hoặc nguy cơ nổ trong môitrường của họ Điều này thường bao gồm việc sử dụng các thiết bị vàcông cụ thủ công, không được tự động hóa Hệ thống cảnh báo cháy và

nổ thủ công thường được sử dụng trong các tình huống hoặc môi trườngnhỏ hoặc đặc biệt, nơi mà việc sử dụng hệ thống tự động có thể khôngcần thiết hoặc không hiệu quả Tuy nhiên, hệ thống này thường khôngđáp ứng được yêu cầu an toàn cao hơn và không cung cấp khả năng phảnứng tự động nhanh chóng như hệ thống cảnh báo cháy và nổ tự độngđược tự động hóa.

 Hệ thống báo cháy tự động không chỉ là một cái chuông, mà là hệ thốnggồm tập hợp các thiết bị có nhiệm vụ phát hiện và báo động khi có cháyxảy ra Việc phát ra các tín hiệu cháy có thể được thực hiện tự động bởicác đầu dò (khói, nhiệt, lửa…); bởi con người (thông qua nút nhấn khẩncấp) Hệ thống phải hoạt động liên tục 24/24 giờ kể cả khi mất điện Hệthống báo cháy có thể cung cấp các chức năng chính như sau: Cảnh báo

tự động cho con người trong tòa nhà biết có cháy và thông tin sơ tán,truyền tín hiệu thông báo cháy cho cơ quan PCCC hoặc các đơn vị ứngphó khẩn cấp khác, ung cấp tín hiệu điều khiển thiết bị ngoại vi…

1.2 Yêu cầu đề tài

Dựa trên những vấn đề đã trình bày ở mục 1.1 thì hệ thống cảnh báo cháy nổ cầnđáp ứng những yêu cầu sau:

- Điện áp đầu vào thiết bị 12V/DC

- Hệ thống hoạt động chính xác và ổn định

- Kích thước nhỏ gọn

- Khả năng điều khiển đa hướng

- Giao diện điều khiển cho người dùng đơn giản dễ sử dụng

- Có khả năng hoạt động độc lập

- Có thể cài đặt số tầng qua SMS

- Tự động phát hiện nguy cơ cháy nổ trong khu chung cư

1.3 Phương hướng thiết kế

Dựa trên những yêu cầu đặt ra của đề tài em đã xây dựng sơ đồ khối tổng quan củathiết bị như sau:

Hình 1 3 Sơ đồ khối tổng quan

 Các thiết bị sẽ hoạt động độc lập với nhau và được điều khiển bởi người dùngthông qua mạng Module Sim

 Người dùng tương tác với giao diện điều khiển và gửi các yêu cầu cài đặt tới hệthống

 Khối xử lý trung tâm sẽ xử lý dữ liệu được nhận từ khối cảm biến và thông báotới người dùng thông qua tin nhắn

 Người dùng có thể reset hệ thống qua nút nhấn thủ công

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Error: Reference source not found trình bày về cơ sở lý thuyết một cái nhìntổng quan về SMS Bên cạnh đó Error: Reference source not found còn nếu ra một

số các giao thức truyền thông phổ biến trên mạch điện tử hiện nay

2.1 Tổng quan về SMS

2.1.1 Cách hoạt động của SMS

SMS (Short Message Services) là dịch vụ nhắn tin ngắn Sở dĩ có tên gọi này

vì nội dung chứa trong một SMS không được vượt quá 160 ký tự (nếu là tiếng Việt

có dấu thì không quá 70 ký tự) SMS được cung cấp bởi tất cả các nhà mạng viễnthông trên toàn cầu và bất cứ ai sở hữu điện thoại đã gắn sim đều sẽ sử dụng đượcdịch vụ này

Hình 2 1 Hình ảnh nhắn tin SMS

Nói một cách hình tượng, SMS là dịch vụ chuyển phát nhanh từ người gửi đếnngười nhận với hàng hóa cần vận chuyển là các ký tự Các ký tự chứa trong SMS sẽđược nhập về tổng kho là Trung tâm lưu trữ tin nhắn (SMC) của từng nhà mạng,sau đó dựa vào vị trí của thuê bao (Home Location Register – HLR) nhận SMS,SMC sẽ gửi dữ liệu chứa trong SMS đến trạm di động gần nhất của thuê bao đótrước khi chuyển vào số điện thoại cần nhận

Quy trình gửi và nhận 1 SMS diễn giải thì dài dòng nhưng lại diễn ra cựcnhanh, chính vì vậy bạn có thể nhận SMS gần như tức thì sau khi người gửi nhấnlệnh gửi

2.1.2 Ưu điểm của dịch vụ SMS

Dù hiện nay có rất nhiều dịch vụ gửi tin nhắn bằng hình ảnh, âm thanh rất phổbiến và được nhiều người dùng như Messenger, Zalo, Viber, … Nhưng SMS vẫn

có được chỗ đứng của nó Ưu điểm của dịch vụ SMS thể hiện rõ ở những điểm sau:

- SMS là một chuẩn giao thức được hỗ trợ trên hầu hết các điện thoại di động

và thiết bị di động, không phụ thuộc vào nền tảng hoặc hệ điều hành cụ thể.Điều này tạo ra tính tương thích rộng rãi và đa dạng Tin nhắn SMS thường

có độ tin cậy cao và ít bị chặn bởi các hạn chế của mạng di động Điều nàylàm cho nó trở thành một phương tiện truyền thông đáng tin cậy

- Những dịch vụ nhắn tin đa phương tiện như Messenger, Zalo, Viber đòi hỏingười dùng phải kết nối internet mới sử dụng được Nhưng với khả nănghoạt động tốt trên cả 3 nền tảng di động cơ bản là GSM, CDMA và TDMA,tất cả người dùng điện thoại di động chỉ cần ở trong khu vực có sóng đều cóthể sử dụng được dịch vụ này Số lượng người dùng điện thoại di động hiệnnay tại Việt Nam đạt hơn 94%, và tất cả các thuê bao di động này đều có thểnhận được tin nhắn SMS Chính vì vậy, khi có những thông tin quan trọngcần phát tán rộng khắp để cảnh báo, việc sử dụng SMS sẽ chuyển tải nộidung cần thiết đến gần như toàn thể người dân một cách cực kỳ nhanhchóng

- SMS là một dịch vụ dễ sử dụng mà hầu hết tất cả mọi người đều biết cách sửdụng Điều này giúp nó trở thành một công cụ truyền thông hiệu quả chonhiều mục đích, từ gửi tin nhắn cá nhân đến quảng cáo kinh doanh Theothống kê thì tỉ lệ người dùng mở xem các email quảng cáo chỉ tầm 20 đến40% nhưng gần như 100% đều mở xem tin nhắn SMS khi nhận được

2.1.3 Các loại tin nhắn SMS phổ biến hiện nay

Có rất nhiều loại tin nhắn SMS để doanh nghiệp lựa chọn nhằm mục đíchchăm sóc khách hàng hay quảng cáo sản phẩm, dịch vụ Trong số đó, loại tin nhắnSMS được sử dụng phổ biến nhất hiện nay phải kể đến:

a) Tin Nhắn Thương Hiệu – SMS Brandname / Brandname SMS

Tin nhắn thương hiệu (SMS Brandname hay Brandname SMS) là một giải phápMarketing thông qua tin nhắn trên thiết bị điện thoại di động Qua đó, tên thươnghiệu sẽ được hiển thị ở phần người gửi (sender, from) của tin nhắn thay vì giốngnhư các số điện thoại thông thường dưới dạng 079xxx

b) Tin Nhắn gửi ra từ đầu số

Khác với SMS Brandname, tin nhắn đầu số được gửi ra từ một trong các dạngđầu số như sau:

- Đầu số 6xxx hoặc 8xxx: Chất lượng gửi tin nhắn khá ổn định và độ nhậndiện thương hiệu ở mức trung bình

- Đầu số di động cố định: Khi gửi SMS đến nhiều người, người dùng cuối sẽnhận được tin nhắn từ một số di động duy nhất, chẳng hạn như 09xxx Loạihình tin nhắn này có chất lượng tương đối tốt và giúp tiết kiệm đến 50% chiphí so với tin nhắn SMS Brandname Tuy nhiên, độ nhận diện thương hiệulại được đánh giá ở mức khá thấp.

- Đầu số di động ngẫu nhiên: Khi gửi tin nhắn SMS cho nhiều người, mỗingười có thể nhận được một tin nhắn từ các đầu số khác nhau Đây là loại tinnhắn có chi phí rẻ nhất nhưng độ ổn định thấp hơn so với các loại tin nhắnSMS khác

c) Tin Nhắn Đa Phương Tiện – MMS

Dịch vụ tin đa phương tiện MMS (Multimedia Messaging Service) là mộtgiải pháp gửi tin nhắn hàng loạt cho phép truyền tải nội dung văn bản, âm thanh,hình ảnh động đến người dùng cuối

d) Flash SMS – USSD

Flash SMS cũng tương tự như các tin nhắn văn bản khác nhưng được gửi trựctiếp đến màn hình chủ của điện thoại di động, cho phép người dùng đọc và tươngtác ngay lập tức trên màn hình mà không phải mất thời gian mở tin nhắn từ hộp thưđến

2.2 Một số truyền thông giao tiếp trong mạch điện tử phổ biến hiện nay 2.2.1 Chuẩn truyền thông giao tiếp UART

UART hay bộ thu-phát không đồng bộ đa năng là một trong những hình thứcgiao tiếp kỹ thuật số giữa thiết bị với thiết bị đơn giản và lâu đời nhất Bạn có thểtìm thấy các thiết bị UART trong một phần của mạch tích hợp (IC) hoặc dưới dạngcác thành phần riêng lẻ Các UART giao tiếp giữa hai nút riêng biệt bằng cách sửdụng một cặp dẫn và một nối đất chung

a) Sử dụng giao tiếp UART

Trong một sơ đồ giao tiếp UART:

- Chân Tx (truyền) của một chip kết nối trực tiếp với chân Rx (nhận) của chipkia và ngược lại Thông thường, quá trình truyền sẽ diễn ra ở 3.3V hoặc 5V.UART là một giao thức một master, một slave, trong đó một thiết bị đượcthiết lập để giao tiếp với duy nhất một thiết bị khác

- Dữ liệu truyền đến và đi từ UART song song với thiết bị điều khiển (ví dụ:CPU)

- Khi gửi trên chân Tx, UART đầu tiên sẽ dịch thông tin song song này thànhnối tiếp và truyền đến thiết bị nhận

- UART thứ hai nhận dữ liệu này trên chân Rx của nó và biến đổi nó trở lạithành song song để giao tiếp với thiết bị điều khiển của nó

UART truyền dữ liệu nối tiếp, theo một trong ba chế độ:

- Full duplex: Giao tiếp đồng thời đến và đi từ mỗi master và slave

- Half duplex: Dữ liệu đi theo một hướng tại một thời điểm

- Simplex: Chỉ giao tiếp một chiều

b) Khung truyền giao thức UART

Dữ liệu truyền qua UART được tổ chức thành các gói Mỗi gói chứa 1-bit bắtđầu, 5 đến 9-bit dữ liệu (tùy thuộc vào UART), một bit chẵn lẻ tùy chọn và 1 hoặc2-bit dừng

Hình 2 2 Khung truyền giao thức UART Bit bắt đầu

Đường truyền dữ liệu UART thường được giữ ở mức điện áp cao khi khôngtruyền dữ liệu Để bắt đầu truyền dữ liệu, UART truyền sẽ kéo đường truyền từmức cao xuống mức thấp trong một chu kỳ clock Khi UART nhận phát hiện sựchuyển đổi điện áp cao xuống thấp, nó bắt đầu đọc các bit trong khung dữ liệu ở tần

và tổng số là chẵn, UART sẽ biết rằng các bit trong khung dữ liệu đã thay đổi

Bit dừng

Để báo hiệu sự kết thúc của gói dữ liệu, UART gửi sẽ điều khiển đườngtruyền dữ liệu từ điện áp thấp đến điện áp cao trong ít nhất khoảng 2 bit

Có thể tóm tắt lại như sau Quá trình truyền dữ liệu diễn ra dưới dạng các gói

dữ liệu, bắt đầu bằng một bit bắt đầu, đường mức cao được kéo xuống đất Sau bitbắt đầu, năm đến chín bit dữ liệu truyền trong khung dữ liệu của gói, theo sau là bitchẵn lẻ tùy chọn để xác minh việc truyền dữ liệu thích hợp Cuối cùng, một hoặc

nhiều bit dừng được truyền ở nơi đường đặt ở mức cao Như vậy là kết thúc mộtgói.

UART là giao thức không đồng bộ, do đó không có đường clock nào điềuchỉnh tốc độ truyền dữ liệu Người dùng phải đặt cả hai thiết bị để giao tiếp ở cùngtốc độ Tốc độ này được gọi là tốc độ truyền, được biểu thị bằng bit trên giây hoặcbps Tốc độ truyền thay đổi đáng kể, từ 9600 baud đến 115200 và hơn nữa Tốc độtruyền giữa UART truyền và nhận chỉ có thể chênh lệch khoảng 10% trước khi thờigian của các bit bị lệch quá xa

Mặc dù UART là giao thức cũ và chỉ có thể giao tiếp giữa một master và slaveduy nhất, nhưng nó dễ thiết lập và cực kỳ linh hoạt Do đó, bạn có thể gặp nó khilàm việc với các dự án vi điều khiển UART có thể là một phần của hệ thống màbạn sử dụng hàng ngày, mà có thể bạn không nhận ra

c) Ưu và nhược điểm của UART

Không có giao thức truyền thông nào là hoàn hảo, nhưng UART thực hiệnkhá tốt công việc của nó Dưới đây là một số ưu và nhược điểm quyết định xem nó

có phù hợp với yêu cầu của đề tài hay không:

- Ưu điểm:

+ Chỉ sử dụng hai dây

+ Không cần tín hiệu clock

+ Có một bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi

+ Cấu trúc của gói dữ liệu có thể được thay đổi miễn là cả hai bên đềuđược thiết lập cho nó

+ Phương pháp có nhiều tài liệu và được sử dụng rộng rãi

- Nhược điểm:

+ Kích thước của khung dữ liệu được giới hạn tối đa là 9 bit

+ Không hỗ trợ nhiều hệ thống slave hoặc nhiều hệ thống master+ Tốc độ truyền của mỗi UART phải nằm trong khoảng 10% của nhau

2.2.2 Chuẩn truyền thông giao tiếp I2C

a) Sử dụng giao tiếp UART

- I2C (Inter – Integrated Circuit) là 1 giao thức giao tiếp nối tiếp đồng

bộ được phát triển bởi Philips Semiconductors, sử dụng để truyền

nhận dữ liệu giữa các IC với nhau chỉ sử dụng hai đường truyền tín

hiệu

- Các bit dữ liệu sẽ được truyền từng bit một theo các khoảng thời gianđều đặn được thiết lập bởi 1 tín hiệu đồng hồ

- Bus I2C thường được sử dụng để giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại

IC khác nhau như các loại vi điều khiển, cảm biến, EEPROM, …

b) Cách thức hoạt động giao thức I2C

- Cấu tạo:

+ I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu:

+ SCL - Serial Clock Line: Tạo xung nhịp đồng hồ do Master phát đi

+ SDA - Serial Data Line: Đường truyền nhận dữ liệu.

Hình 2 3 Sơ đồ minh họa giao thưc I2C

+ Thiết bị Master là 1 vi điều khiển, nó có nhiệm vụ điều

khiển đường tín hiệu SCL và gửi nhận dữ liệu hay lệnh

thông qua đường SDA đến các thiết bị khác

+ Các thiết bị nhận các dữ liệu lệnh và tín hiệu từ thiết bị Master đượcgọi là các thiết bị Slave Các thiết bị Slave thường là các IC, hoặcthậm chí là vi điều khiển

+ Master và Slave được kết nối với nhau như hình trên Hai đường busSCL và SDA đều hoạt động ở chế độ Open Drain, nghĩa là bất cứthiết bị nào kết nối với mạng I2C này cũng chỉ có thể kéo 2 đườngbus này xuống mức thấp (LOW), nhưng lại không thể kéo được lênmức cao Vì để tránh trường hợp bus vừa bị 1 thiết bị kéo lên mức caovừa bị 1 thiết bị khác kéo xuống mức thấp gây hiện tượng ngắn mạch

Do đó cần có 1 điện trờ (từ 1 – 4,7 kΩ) để giữ mặc định ở mức cao

- Khung truyền I2C:

Hình 2 4 Khung truyền giao thức I2C

+ Khối địa chỉ:

Thông thường quá trình truyền nhận sẽ diễn ra với rất

nhiều thiết bị, IC với nhau Do đó để phân biệt các thiết bị

này, chúng sẽ được gắn 1 địa chỉ vật lý 7-bit cố định

Hình 2 5 Sơ đồ địa chỉ giao thức I2C

+ Bit Read/Write:

Bit này dùng để xác định quá trình là truyền hay nhận dữ liệu

từ thiết bị Master Nếu Master gửi dữ liệu đi thì ứng với bit này

bằng ‘0’, và ngược lại, nhận dữ liệu khi bit này bằng ‘1’

+ Bit ACK/NACK:

Viết tắt của Acknowledged / Not Acknowledged Dùng để so

sánh bit địa chỉ vật lý của thiết bị so với địa chỉ được gửi tới Nếu

trùng thì Slave sẽ được đặt bằng ‘0’ và ngược lại, nếu không thì

mặc định bằng ‘1’

+ Khối bit dữ liệu:

Gồm 8-bit và được thiết lập bởi thiết bị gửi truyền đến thiết bị

nhân Sau khi các bit này được gửi đi, lập tức 1 bit ACK/NACK

được gửi ngay theo sau để xác nhận rằng thiết bị nhận đã nhận

được dữ liệu thành công hay chưa Nếu nhận thành công thì bit

ACK/NACK được set bằng ‘0’ và ngược lại

- Quá trình truyền nhận dữ liệu:

+ Bắt đầu: Thiết bị Master sẽ gửi đi 1 xung Start bằng cách

kéo lần lượt các đường SDA, SCL từ mức 1 xuống 0

+ Tiếp theo đó, Master gửi đi 7-bit địa chỉ tới Slave muốn

giao tiếp cùng với bit Read/Write

+ Slave sẽ so sánh địa chỉ vật lý với địa chỉ vừa được gửi tới

Nếu trùng khớp, Slave sẽ xác nhận bằng cách kéo đường

SDA xuống 0 và set bit ACK/NACK bằng ‘0’ Nếu không

trùng khớp thì SDA và bit ACK/NACK đều mặc định bằng

‘1’

+ Thiết bị Master sẽ gửi hoặc nhận khung bit dữ liệu Nếu

Master gửi đến Slave thì bit Read/Write ở mức 0 Ngượclại nếu nhận thì bit này ở mức 1

+ Nếu như khung dữ liệu đã được truyền đi thành công, bit

ACK/NACK được set thành mức 0 để báo hiệu cho Mastertiếp tục

+ Sau khi tất cả dữ liệu đã được gửi đến Slave thành công,

Master sẽ phát 1 tín hiệu Stop để báo cho các Slave biết quátrình truyền đã kết thúc bằng các chuyển lần lượt SCL,SDA từ mức 0 lên mức 1

- Các chế độ hoạt động của I2C:

+ Chế độ chuẩn (standard mode) với tốc độ 100 kBit/s

+ Chế độ tốc độ thấp (low speed mode) với tốc độ 10 kBit/s

Ngoài ra, khác với giao tiếp SPI chỉ có thể có 1 Master, giao tiếp

I2C cho phép chế độ truyền nhận dữ liệu giữa nhiều thiết bị Master khác

nhau với thiết bị Slave Tuy nhiên quá trình này có hơi phức tạp vì thiết bị

Slave có thể nhận 1 lúc nhiều khung dữ liệu từ các thiết bị Master khác

nhau, điều đó đôi khi dẫn đến xung đột hoặc sai sót dữ liệu nhận được

Để tránh điều đó, khi làm việc ở chế độ này, mỗi thiết bị Master cần

phát hiện xem đường SDA đang ở trạng thái nào

Nếu SDA ở mức 0, nghĩa là đang có 1 thiết bị Master khác đang có

quyền điều khiển và phải chờ đến khi truyền xong

Ngược lại nếu SDA ở mức 1, nghĩa là đường truyền SDA đã an toàn

Nó thường được sử dụng trong lĩnh vực truyền thông và xử lý tín hiệu để phân tích

và hiểu cấu trúc tần số của một tín hiệu

Phổ tần thường được biểu diễn bằng một đồ thị, trong đó trục hoành thườngbiểu thị tần số và trục tung biểu diễn cường độ (hoặc năng lượng) của tín hiệu ở mỗitần số Bằng cách này, người ta có thể dễ dàng nhận biết các thành phần tần sốchính và đánh giá sự đóng góp của mỗi thành phần đó vào tín hiệu tổng

Các ứng dụng phổ tần bao gồm:

 Phân tích Tín hiệu: Để phân tích các thành phần tần số của tín hiệu vàxác định các biến đổi tần số quan trọng.

 Truyền thông: Trong truyền thông số, phổ tần thường được sử dụng đểđặc tả băng thông của các tín hiệu truyền thông và đảm bảo rằng chúngkhông gây nhiễu loạn cho nhau

 Xử lý ảnh và âm thanh: Trong lĩnh vực xử lý ảnh và âm thanh số, phổ tầnđược sử dụng để phân tích và biểu diễn thông tin tần số của hình ảnhhoặc âm thanh

 Điện tử và Điện lực: Trong lĩnh vực điện tử và điện lực, phổ tần được sửdụng để phân tích các tín hiệu điện và xác định các thành phần tần sốquan trọng

2.3.2 Băng tần

Băng tần (radio frequency band) chỉ là một khoảng trong miền tần số, 1 dảitần số nhỏ trong phổ tần Băng tần là một khoảng trong miền tần số, xác định bởitần số thấp và tần số cao Thuật ngữ này có thể đề cập đến tần số vô tuyến hoặc phổ.Dải tần số của một hệ thống là phạm vi mà nó cung cấp hiệu suất tốt nhất, chẳnghạn như mức tín hiệu hữu ích với độ méo chấp nhận được Ngoài phạm vi này là dảitàn số không hữu dụng

Nhiều hệ thống được đặc trưng bởi dải tần số mà chúng đáp ứng Nhạc cụphát ra nhiều nốt nhạc khác nhau nằm trong tần số tai người có thể nghe được Phổđiện từ có thể được chia thành nhiều dải như ánh sáng, hồng ngoại hoặc bức xạ tửngoại, sóng radio, tia X, v.v , và mỗi dải này có thể chia thành nhiều dải nhỏ hơn.Tín hiệu liên lạc vô tuyến sử dụng một dải tần số mang phần lớn năng lượng của nó,được gọi là băng thông Băng tần có thể được mô tả như một hoặc nhiều kênh liênlạc Phân bổ dải tần số vô tuyến cho các mục đích sử dụng khác nhau là chức năngchính của việc phân bổ phổ tần số

Có 3 dạng băng tần phổ biến là:

 Băng tần thấp (Low band): tần số dưới 1GHz

 Băng tần trung (Mid-band): tần số từ 1GHz - 6GHz

 Băng tần cao (High-band hay còn gọi là dải tần mmWave): tần số từ24GHz - 100GHz

Hiện nay, chúng ta có 3 loại băng tần được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhấtlà: 2.4GHz và 5GHz Băng tần 6GHz là loại băng tần mới nhất Mỗi dải băng tầnđều có đặc điểm cụ thể khác nhau, đặc biệt về tốc độ và phạm vi kết nối phủ sóng

Hình 2 6 Hình ảnh băng tần 2.4GHz và 5 GHz

a) Băng tần 2.4GHz

Băng tần 2.4 GHz là một phạm vi tần số trong dải tần số radio thuộc khoảng

từ 2.400 GHz đến 2.4835 GHz Tốc độ của băng tần 2.4GHz dao động từ 450Mbpsđến 600Mbps.Đây là một phần của dải tần số ISM (Industrial, Scientific, andMedical), được cấp phép để sử dụng mà không cần đến giấy phép cho các mục đíchcông nghiệp, khoa học và y tế

Nhược điểm của băng tần này là rất dễ bị trùng sóng với các loại sóng phổbiến khác như: sóng bluetooth, sóng tivi hay sóng radio Sự phổ biến của băng tần2.4 GHz có thể dẫn đến tình trạng tương tác và can thiệp giữa các thiết bị sử dụngcùng một băng tần, đặc biệt là trong môi trường đông đúc

b) Băng tần 5 GHz

Băng tần 5 GHz là một phạm vi tần số trong dải tần số radio, thường nằmtrong khoảng từ 5.150 GHz đến 5.925 GHz Đây là một phần của dải tần số được sửdụng rộng rãi cho các ứng dụng không dây và truyền thông Tốc độ của băng tần5GHz có thể lên tới 1300Mbps

Tín hiệu trong băng tần 5 GHz thường có phạm vi ngắn hơn so với băng tần2.4 GHz, nhưng nó có khả năng xuyên tường kém hơn Điều này có thể làm giảmnguy cơ tương tác và can thiệp giữa các thiết bị sử dụng cùng một băng tần Băngtần 5 GHz có nhiều kênh không gian hơn so với băng tần 2.4 GHz, giúp giảm tươngtác và can thiệp giữa các mạng Wi-Fi

Băng tần 5 GHz đang trở nên ngày càng phổ biến trong các mạng Wi-Fi dokhả năng cung cấp băng thông cao và giảm đối địch tần số, đặc biệt trong các môitrường đông đúc nơi cần sự ổn định và hiệu suất cao

Hình 2 7 So sánh Băng tần 5GHz và 2.4GHz

a) Băng tần 6GHz

Băng tần 6GHz được FCC (Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ) công bố

là băng tần wifi khả dụng không cần giấy phép vào đầu năm 2020

Băng tần 6GHz là một bản nâng cấp vượt trội so với băng tần 2.4GHz và5GHz Băng tần 6GHz là dải băng tần có tần số dao động từ 5.925GHz đến7.125GHz, cho phép phổ mở rộng lên đến 1200MHz Tốc độ của băng tần 6GHz cóthể lên đến 1200Mbps và có khả năng chống nhiễu và chống trùng băng tần với cácloại sóng khác

Băng tần 6GHz ra đời với hứa hẹn sẽ mang đến cho người dùng tốc độ nhanhhơn, mang đến nhiều lợi ích cho người dùng và nền kinh tế toàn cầu Tuy nhiên,băng tần 6GHz chưa thực sự phổ biến do băng tần 6GHz chỉ sử dụng được với wifi

6, và có rất ít thiết bị hiện nay hỗ trợ kết nối wifi 6 Cho nên không thể tận dụng tối

đa khả năng của chúng

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.1 Yêu cầu thiết kế

- Từ sơ đồ tổng quan cũng như các lý thuyết về công nghệ đã được tìm hiểu ởError: Reference source not found ta đưa ra được các yêu cầu thiết kế phầncứng cho thiết bị như sau:

 Điện áp đầu vào 12V/DC

 Xử lý dữ liệu nhận được từ các cảm biến

 Có khả năng giao tiếp với người dùng thông qua SMS

 Điều khiển bơm nước

 Cảnh báo qua buzzer

 Có khả năng chống nhiễu tốt

 Có khả năng reset thiết bị

 Kích thước nhỏ gọn

- Đưa ra các phương hướng thiết kế chi tiết

- Tính toán và lựa chọn linh kiện phù hợp

3.2 Phần mềm thiết kế mạch Altium

Hình 3 1 Giao diện phần mềm Altium

Altium Designer trước kia có tên gọi quen thuộc là Protel DXP, là một trongnhững công cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện nay Được phát triển bởi hãngAltium Limited Altium designer là một phần mềm chuyên nghành được sử dụngtrong thiết kế mạch điện tử

Altium ngày nay đang là một trong những phần mềm vẽ mạch điện tử mạnh

và được ưa chuộng ở Việt Nam Ngoài việc hỗ trợ tốt cho hoạt động vẽ mạch,Altium còn hỗ trợ tốt trong việc quản lý mạch, trích xuất file thống kê linh kiện

Một số điểm vượt trội của Altium:

 Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản

lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế

 Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối

ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặcchỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo các tham số mới

 Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linhkiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…

 Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồmtất cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…

 Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùychỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiệntrên PCB

 Mô phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trongkhông gian 3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mô hìnhSTEP, kiểm tra khoảng cách cách điện, cấu hình cho cả 2D và 3D

3.3 Thiết kế mạch nguyên lý

3.3.1 Sơ đồ khối

Dựa vào các yêu cầu nêu trên ta đưa ra được sơ đồ khối của phần cứng:

Hình 3 2 Sơ đồ khối phần cứng