Đề tài "Nhàthông minh báo cháy và chữa cháy" nhằm đáp ứng nhu cầu an ninh, bảo vệ tài sản vàtính mạng con người bằng việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến.Mục tiêu của đề tài là nghiên c
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNGKHOA ĐIỆN CƠ
-o0o -KỸ THUẬT NHIỆT
HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH BÁO CHÁY VÀ CHỮA CHÁY
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : ĐINH VĂN HIỂN
Trang 2MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
LỜI NÓI ĐẦU 2
Chương I: Tổng quan về đề tài 3
1 Tổng quan về nhà thông minh và hệ thống báo cháy, chữa cháy 3
2 Mục tiêu nghiên cứu 3
3 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết 3
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 5
2.1 Lựa chọn linh kiện điện tử 5
2.1.1 Lựa chọn board mạch 5
2.1.2: Lựa chọn động cơ cảm biến 6
2.2.2: Sơ đồ thuật toán 12
2.3 Lựa chọn phần mềm, thiết lập điều khiển 12
2.3.1 Lựa chọn phần mềm 12
2.3.2 Code điều khiển 13
Chương 3: CHẾ TẠO VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 15
3.1: Vẽ thiết kế 15
3.2 Chế tạo 15
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 17
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại công nghệ 4.0, ngôi nhà thông minh đã trở thành xu hướngkhông thể thiếu, mang lại sự tiện nghi và an toàn cho người dùng Một trong nhữngyếu tố quan trọng của nhà thông minh là hệ thống báo cháy và chữa cháy Đề tài "Nhàthông minh báo cháy và chữa cháy" nhằm đáp ứng nhu cầu an ninh, bảo vệ tài sản vàtính mạng con người bằng việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và phát triển một hệ thống tích hợp cảm biếnkhói, nhiệt độ, hệ thống phun nước tự động và ứng dụng di động Hệ thống này sẽ giúpphát hiện sớm nguy cơ cháy, phản ứng nhanh chóng và hiệu quả Bên cạnh đó, việc sửdụng trí tuệ nhân tạo (AI) và Internet vạn vật (IoT) sẽ nâng cao khả năng giám sát vàđiều khiển từ xa, mang lại sự an tâm cho người sử dụng.
Chúng tôi hy vọng đề tài này sẽ góp phần nâng cao nhận thức về tầm quantrọng của hệ thống báo cháy và chữa cháy trong ngôi nhà thông minh, đồng thời đưa racác giải pháp công nghệ hiệu quả, cải thiện chất lượng cuộc sống và đảm bảo an toàncho cộng đồng.
Trang 4Chương I: Tổng quan về đề tài
1 Tổng quan về nhà thông minh và hệ thống báo cháy, chữa cháy
Giới thiệu về nhà thông minh:
o Khái niệm: Nhà thông minh (smart home) là ngôi nhà được trang bị các
thiết bị kết nối với Internet để điều khiển và giám sát từ xa, giúp nâng cao tiện ích vàan toàn.
o Lợi ích: Tiện lợi, tiết kiệm năng lượng, an ninh, và khả năng giám sát từ xa.
o Xu hướng phát triển: Sự gia tăng trong sử dụng IoT (Internet of Things),
trí tuệ nhân tạo (AI), và các hệ thống tự động hóa.
Hệ thống báo cháy và chữa cháy:
o Công nghệ hiện có: cảm biến nhiệt độ, hệ thống phun nước tự động, hệ
thống báo động.
o Phương pháp và thiết bị: Các thiết bị báo cháy truyền thống và hiện đại,
các hệ thống chữa cháy như bình cứu hỏa, vòi phun nước tự động.
2 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính:
o Xây dựng và triển khai một hệ thống nhà thông minh có khả năng báo cháyvà chữa cháy hiệu quả.
Mục tiêu phụ:
o Đánh giá tính hiệu quả, độ tin cậy và tiện lợi của hệ thống.
o Tích hợp các công nghệ tiên tiến như AI và IoT để tối ưu hóa hệ thống.
3 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết
Công nghệ cảm biến nhiệt độ:
o Nguyên lý hoạt động: Cảm biến nhiệt độ theo dõi sự thay đổi nhiệt độ.
o Các loại cảm biến: Cảm biến ion hóa, cảm biến quang điện, cảm biến nhiệt
điện trở.
o Ưu và nhược điểm: Độ nhạy, khả năng phát hiện sớm, độ bền và chi phí.
Hệ thống phun nước tự động:
o Nguyên lý hoạt động: Khi phát hiện nhiệt độ hoặc khói, hệ thống sẽ kích
hoạt vòi phun nước để dập tắt đám cháy.
o Thiết kế và lắp đặt: Vị trí lắp đặt vòi phun, cách bố trí và phạm vi phun nước.
Trang 5 Các giao thức kết nối và truyền thông:
o Wi-Fi: Phổ biến, dễ triển khai nhưng có thể bị nhiễu.
o Zigbee, Z-Wave: Tiêu thụ năng lượng thấp, khả năng mở rộng tốt.
o Bluetooth: Kết nối nhanh, tiêu thụ ít năng lượng.
Trang 6CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN2.1 Lựa chọn linh kiện điện tử
1 bộ mạch điều khiển arduino. Các thiết bị đầu vào:
- 1 Cảm biến nhiệt độ M6Type K- 1 nút nhấn start/stop.
Các thiết bị đầu ra:
- 1 Relay 5VDC 1/2/4 Kênh High / Low.- 1 còi báo
- 1 Còi báo hiệu.- 1 ĐC bơm nước.- 1 Màn LCD I2c 1602.
Trang 7Arduino tương tác thế giới xung quanh thông qua cảm biến điện tử, động cơ vàđèn Các bộ phận của Arduino bao gồm phần cứng và phần mềm như sau:
Phần ứng: Vi điều khiển với một số board mạch mã nguồn mở để điều khiểnvà lập trình gồm:
Arduino Uno một loại board mạch đơn giản nhất hợp cho người mới bắtđầu Dữ liệu board này gồm 14 chân đầu, 6 chân 5V giúp phân giải 1024 mức.Arduino Uno có thể chạy với tốc độ 16MHz, điện áp 7v-12v Kích thước board này là5.5x7cm giá khoảng 200.000 đồng.
Arduino Micro có 20 chân thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, kích thướcbảng board 5x2cm.
Arduino Pro thiết kế mới, chân số không có sẵn Loại board này thường có 2nguồn 3.3v và 5v.
Arduino Nano kích thước nhỏ gọn nhất, dễ dàng lắp đặt với kích thước2x4cm.
Arduino Mega bộ phận thiết kế số chân đếm 64 chân, kích thước 5x10cm.
Arduino Leonardo không có cổng nối USB dùng lập trình Thiết kế boardvới chip nhỏ điều khiển, kết nối qua COM ảo.
Các phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE có nhiệm vụ soạn thảo, biêndịch code, nạp chương cho board.
2.1.2: Lựa chọn động cơ cảm biến
Cảm biến nhiệt độ M6 type K
· Cấu tạo:
Type K Thermocouple: Loại cảm biến nhiệt độ này bao gồm hai loại kim
loại khác nhau (chromel và alumel) nối với nhau tại một điểm đo, tạo ra một điện áp tỷlệ với nhiệt độ.
Đầu nối M6: Đầu cảm biến được thiết kế với ren M6, giúp dễ dàng lắp đặt
vào các thiết bị và môi trường đo lường.
· Phạm vi nhiệt độ hoạt động:
Phạm vi nhiệt độ: Type K có thể đo nhiệt độ trong khoảng từ -200°C đến
+1350°C, làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, từ công nghiệp đến khoa học.
Trang 8· Độ chính xác:
Độ chính xác: Cảm biến Type K có độ chính xác tốt, thường trong khoảng
±1.5°C hoặc 0.4% giá trị đo được, tùy thuộc vào dải nhiệt độ.Thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ M6 Type K
1 Loại cảm biến: Thermocouple Type K (Chromel-Alumel)2 Dải nhiệt độ hoạt động:
o Thay đổi theo yêu cầu sử dụng, thông thường từ vài cm đến vài mét
9 Tín hiệu đầu ra:
o Điện áp nhiệt động lực (Thermoelectric voltage) tùy thuộc vào nhiệt độ đođược, thường từ vài mV đến hàng trăm mV
10 Thời gian phản hồi:
o Thường từ 1 đến 10 giây, tùy thuộc vào môi trường và thiết kế của cảm biến
11 Khả năng chống nhiễu:
o Tương đối tốt trong môi trường công nghiệp, tuy nhiên cần lưu ý khi sửdụng trong môi trường có nhiều nhiễu điện từ
Trang 9Màn hình LCD 1602
Màn hình text LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫuvà dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án.
Trang 10 Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sửdụng ít điện năng hơn.
Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật, xem thêmHD44780 datasheet để biết thêm chi tiết.
15 A Cực dương led nền 0V đến 5V
Relay 5V VDC
Thông số kỹ thuật cơ bản của relay 5V VDC
1 Điện áp kích hoạt (Coil Voltage):
o 5V DC
2 Điện trở cuộn dây (Coil Resistance):
o Thường khoảng 70-100 Ohm (tùy vào loại relay)
3 Dòng kích hoạt (Coil Current):
Trang 114 Điện áp và dòng điện tiếp điểm (Contact Voltage and Current):
o Điện áp tối đa: Thường từ 250V AC hoặc 30V DC
o Dòng điện tối đa: Thường từ 5A đến 10A
5 Cấu hình tiếp điểm (Contact Configuration):
o SPDT (Single Pole Double Throw): 1 cặp tiếp điểm chuyển mạch
o DPDT (Double Pole Double Throw): 2 cặp tiếp điểm chuyển mạch
6 Thời gian đáp ứng (Response Time):
o Thời gian đóng mạch: Thường từ 5-15 ms
o Thời gian mở mạch: Thường từ 5-15 ms
7 Tuổi thọ cơ học và điện học (Mechanical and Electrical Life):
o Tuổi thọ cơ học: Thường từ 1 triệu đến 10 triệu lần hoạt động
o Tuổi thọ điện học: Thường từ 100,000 đến 1 triệu lần hoạt động (tùy thuộcvào tải)
Các thành phần chính của relay 5V VDC
1 Cuộn dây (Coil):
o Khi được cấp nguồn 5V DC, cuộn dây tạo ra từ trường để kéo hoặc đẩythanh tiếp điểm.
2 Tiếp điểm (Contacts):
o Bộ phận tiếp xúc điện, đóng và mở mạch khi cuộn dây được kích hoạt.
Trang 12Động cơ bơm nước
Thông số
Trang 13Sơ đồ đấu nối
2.2.2: Sơ đồ thuật toán
2.3 Lựa chọn phần mềm, thiết lập điều khiển
2.3.1 Lựa chọn phần mềm.
Phần mềm lập trình Arduino IDE Arduino IDE sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ rất phổ biến trong giới lập trình Bất kỳ đoạn code nào của C/C++ thì ArduinoIDE đều có thể nhận dạng, giúp các lập trình viên thuận tiện trong việc thiết kế
chương trình lập cho các bo mạch Arduino.
Trang 142.3.2 Code điều khiển
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);#include <Thermocouple.h>
#include <MAX6675_Thermocouple.h>int Relay = 2 ;
#define SCK_PIN 8#define CS_PIN 6#define SO_PIN 7
Thermocouple* thermocouple;
// the setup function runs once when you press reset or power the boardvoid setup() {
pinMode(Relay, OUTPUT);pinMode(12,OUTPUT);
thermocouple = new MAX6675_Thermocouple(SCK_PIN, CS_PIN, SO_PIN);}
Trang 15// the loop function runs over and over again forevervoid loop() {
delay(500); // optionally, only to delay the output of information in theexample.
if (celsius >= 40 ){
digitalWrite(Relay, HIGH);tone(12,2093,1000);
digitalWrite(Relay, LOW);}
}
Trang 16Chương 3: CHẾ TẠO VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG3.1: Vẽ thiết kế
3.2 Chế tạo
Hình ảnh mặt trước
Trang 17Hình ảnh mặt sau
Trang 18KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài “Nhà thông minh báo cháy và chữa cháy” đã tập trung vào việc ứng dụngcông nghệ hiện đại để nâng cao an ninh và bảo vệ an toàn cho các hộ gia đình Hệ thốngđược phát triển bao gồm các cảm biến khói, nhiệt độ, hệ thống phun nước tự động và khảnăng điều khiển từ xa qua ứng dụng di động Qua nghiên cứu và thử nghiệm, hệ thốngcho thấy tiềm năng to lớn trong việc phát hiện sớm nguy cơ cháy và xử lý nhanh chóng,giúp giảm thiểu thiệt hại và tăng cường sự an tâm cho người sử dụng.
Những điểm nổi bật của hệ thống bao gồm:
Phát hiện chính xác: Sử dụng cảm biến khói và nhiệt độ để phát hiện sớm
dấu hiệu cháy.
Phản ứng nhanh: Hệ thống phun nước tự động giúp kiểm soát ngọn lửa
ngay khi phát hiện.
Điều khiển từ xa: Cung cấp khả năng giám sát và điều khiển qua ứng dụng
di động, giúp người dùng quản lý hệ thống dễ dàng và nhanh chóng.
Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả tối ưu, cần chú trọng vào việc tối ưu hóa hệthống cảm biến, cải thiện khả năng kết nối và tương tác giữa các thành phần trong hệthống, cũng như đảm bảo sự tương thích với các thiết bị hiện có.
Hướng phát triển
1 Nâng cao Độ Chính Xác của Cảm Biến:
o Tinh chỉnh cảm biến để giảm thiểu số lượng báo động giả và tăng cường khảnăng phát hiện chính xác các dấu hiệu cháy.
2 Tích Hợp Trí Tuệ Nhân Tạo (AI):
o Ứng dụng AI để phân tích dữ liệu từ cảm biến, nhận diện các tình huốngnguy hiểm và dự đoán các rủi ro dựa trên các mô hình học máy.
3 Cải Thiện Tính Tương Tác và Giao Diện Người Dùng:
o Phát triển ứng dụng di động với giao diện thân thiện hơn, cung cấp cácthông báo và cảnh báo kịp thời, đồng thời cho phép người dùng điều khiển hệ thống dễdàng hơn.
4 Tích Hợp Với Hệ Sinh Thái Nhà Thông Minh:
o Kết nối hệ thống báo cháy với các thiết bị nhà thông minh khác như hệthống ánh sáng và khóa thông minh để tự động thực hiện các biện pháp bảo vệ trongtrường hợp có sự cố.
Trang 195 Mở Rộng Khả Năng Kết Nối:
o Hỗ trợ các giao thức kết nối không dây như Wi-Fi, Zigbee hoặc Z-Wave đểcải thiện khả năng liên lạc và tương thích với các hệ thống nhà thông minh hiện có.
6 Tăng Cường Khả Năng Dự Phòng và Khôi Phục:
o Đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định ngay cả khi mất điện hoặc sự cố hệthống Cung cấp giải pháp sao lưu và khôi phục để đảm bảo an toàn liên tục.
7 Tối Ưu Hóa Chi Phí:
o Nghiên cứu các giải pháp để giảm chi phí sản xuất và lắp đặt hệ thống, giúpsản phẩm trở nên phổ biến và dễ tiếp cận hơn với người tiêu dùng.
Kết Luận
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, hệ thống báo cháy và chữa cháytrong ngôi nhà thông minh không chỉ đáp ứng nhu cầu bảo vệ an toàn mà còn mang lạisự tiện nghi và hiệu quả cao Việc tiếp tục nghiên cứu và cải tiến hệ thống sẽ giúpnâng cao hiệu quả, độ tin cậy và sự thuận tiện, đồng