Đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống báo cháy và điều khiển thiết bị cho nhà phố” là do nhóm chúng em bao gồm Võ Đăng Khoa và Võ Tuấn Kiệt thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Ngu
TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trước khi bước vào bất kỳ công trình xây dựng nào, câu hỏi về an toàn luôn nằm trong tâm trí của chúng ta Đặc biệt, khi nói đến việc bảo vệ ngôi nhà - nơi chứa đựng gia đình và tài sản quý báu, việc đảm bảo an toàn là mối quan tâm hàng đầu Trong thời đại hiện đại với sự phát triển không ngừng của công nghệ, việc sử dụng các hệ thống báo cháy thông minh đang trở nên ngày càng phổ biến và cần thiết hơn bao giờ hết
Mặc dù các hệ thống báo cháy hiện nay đã xuất hiện nhiều nơi trên khắp đất nước, nhưng song với đó, các vụ cháy vẫn còn xảy ra rất nhiều Tuy nhiên, đối với những nơi có hệ thống báo cháy thì sẽ giảm được những thiệt hại đáng kể hơn Chính vì lẽ đó, nhóm đã chọn đề tài "Thiết kế hệ thống báo và kết hợp điều khiển thiết bị cháy nhà phố" để nghiên cứu và thực hiện
Với sự kết hợp giữa công nghệ thông minh và hệ thống báo cháy Đầu tiên và quan trọng nhất, hệ thống này sẽ cung cấp một cách tiếp cận nhanh chóng và chính xác đến người sử dụng khi có nguy cơ cháy nổ, từ đó giảm thiểu nguy cơ mất mát về con người và tài sản Thêm vào đó, khả năng điều khiển các thiết bị từ xa sẽ giúp người dùng có thể kiểm soát tình hình mọi lúc mọi nơi, đặc biệt là trong trường hợp khẩn cấp hoặc khi không có người trông coi nhà.
MỤC TIÊU
- Thiết kế hệ thống gồm 3 node thu thập dữ liệu và 1 mạch xử lý trung tâm Các node có nhiệm vụ thu thập dữ liệu gửi về mạch trung tâm tính toán, xử lý và cảnh báo.
- Kết nối các node với mạch trung tâm thông qua chuẩn truyền thông không dây, tăng độ thẩm mỹ cho hệ thống Truyền nhận dữ liệu tốt giữa các mạch, đáp ứng nhanh, gửi cảnh báo cho người dùng khi có sự cố xảy ra.
- Kết hợp điều khiển thiết bị thông qua Wi-Fi.
- Thiết kế app Android dùng cho việc giám sát và điều khiển thiết bị.
- Thiết kế mạch in và đóng gói cho thẩm mỹ.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế hệ thống báo cháy kết hợp điều khiển thiết bị cho nhà phố”, nhóm chúng em đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:
Nội dung 1: Kết nối các module cảm biến có trong hệ thống
Nội dung 2: Kết nối chip STM32F103C8T6 với wifi ESP32, truy cập Internet để cập nhật dữ liệu dùng cho việc hiển thị và nhận lệnh điều khiển
Nội dung 3: Nghiên cứu xây dựng một ứng dụng Android giao tiếp giữa người dùng và hệ thống
Nội dung 4: Nguyên cứu lập trình để giao tiếp với hệ thống
Nội dung 5: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống Nội dung 6: Viết báo cáo thực hiện
Nội dung 7: Bảo vệ luận văn.
GIỚI HẠN
Với đề tài “Thiết kế hệ thống báo cháy kết hợp điều khiển thiết bị cho nhà phố”, phạm vi giới hạn của đề tài bao gồm:
- Hệ thống ứng dụng tốt cho mô hình nhà phố, các dãy nhà trọ có phạm vi bán kính dưới 1km
- Hệ thống chỉ có 3 node thu thập dữ liệu tương ứng với 3 khu vực
- Trường hợp mất kết nối Wi-Fi, hệ thống vẫn xử lý báo cháy nhưng không đưa được dữ liệu lên app Android.
BỐ CỤC
Nội dung đề tài gồm các phần sau:
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương 5: Kết Quả - Nhận Xét - Đánh Giá
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số của đề tài và bố cục đồ án
● Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương này tập trung giới thiệu sơ lược về phần cứng của hệ thống điều khiển, giới thiệu sơ lược các linh kiện sử dụng cho hệ thống, các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm AHT10, cảm biến khí gas MQ-2, giới thiệu về bộ điều khiển cho hệ thống như module wifi ESP, STM32, PIC, các chuẩn giao tiếp truyền, nhận dữ liệu, tìm hiểu kiến thức về RF và Firebase, kiến thức cơ bản về Android và cách thiết kế app chạy bằng hệ điều hành Android
● Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Chương này sẽ trình bày sơ đồ khối và chức năng hoạt động của các khối trong hệ thống điều khiển, từ đó đưa ra tính toán lựa chọn các linh kiện cho từng khối điều khiển và đưa ra nguồn ổn áp đầu vào cung cấp cho toàn bộ hệ thống Tiếp theo, mô phỏng mạch, trình bày sơ đồ mạch nguyên lý, giải thích nguyên lý hoạt động của mạch
● Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Sau khi tính toán bố trí linh kiện phù hợp, chương này sẽ tập trung hoàn thiện mạch, thi công hoàn chỉnh mạch Kiểm tra và hoàn thiện mạch thi công, thiết kế xây dựng mô hình nhà thông minh Sau đó, thi công App trên điện thoại, vẽ lưu đồ giải thuật, viết chương trình hoàn chỉnh điều khiển cho hệ thống
● Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này trình bày kết quả, hình ảnh sau khi thi công mạch và hoàn thiện app và hệ thống cũng như kiểm tra và sửa lỗi cho toàn bộ hệ thống từ đó đưa ra nhận xét và đánh giá cho hệ thống về sự ổn định và tìm cách khắc phục những lỗi còn sai xót
● Chương 6: Kết Luận, Hướng Phát Triển
Chương này sẽ trình bày những kết quả đạt được từ hệ thống đã thực hiện đưa ra kết luận cuối cùng sau khi hoàn thành sản phẩm, đưa ra hướng phát triển để mô hình hoàn thiện và có tính ứng dụng cao hơn để đưa vào phát triển các sản phẩm mô hình nhà thông minh thực tế.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
NGHIÊN CỨU CÁC ĐỒ ÁN TƯƠNG TỰ ĐÃ THỰC HIỆN
2.1.1 Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và khí độc nguy hiểm Đề tài “Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và khí độc nguy hiểm” - Trần Ngọc Lợi và Mai Thị Hòe – Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM – Khóa 2014
Nội dung yêu cầu thực hiện của để tài:
“Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và khí độc nguy hiểm” sẽ phát hiện được các dấu hiệu của sự cháy nổ, khí nguy hiểm và vị trí của nó sau đó cảnh báo cho chúng ta kịp thời phòng tránh và đưa ra các phương án xử lý hiệu quả nhất Đề tài sử dụng vi điều khiển làm bộ xử lý trung tâm, các cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát hiện khí độc giám sát trực tiếp, phát hiện ra dấu hiệu của hỏa hoạn và khí độc Cùng một số thiết bị đầu ra như âm thanh (chuông, cỏi), bằng tín hiệu phát sáng (đèn), Module SIM nhận tín hiệu tử trung tâm sẽ gửi tin nhắn thông báo đến người quản lý để kịp thời thông báo cho mọi người trong trường hợp có sự cổ hỏa hoạn hoặc khí độc xảy ra Đề tài thiết kế hai mạch node thu thập dữ liệu và một mạch xử lí trung tâm Trong đó sử dụng ba Arduino nano, hai mô-đun cảm biến lửa, hai mô-đun cảm biến khói MQ-2, hai mô-đun cảm biến MQ-135, hai cảm biến nhiệt độ LM35, một mô- đun SIM900A và ba mô-đun thu phát sóng cao tần nRF24l-01
Nhóm đã giải quyết được những yêu cầu đề ra về những yêu cầu ban đầu là phát hiện được dấu hiệu của sự cháy nổ, khí độc nguy hiểm và gửi tín hiệu cảnh báo
- Phần cứng được thiết kế nhỏ gọn, đơn giản
- Các thông số đo đạt sát với thực tế
- Giao diện thiết kế đơn giản, dễ sử dụng
- Chi phí thi công khá rẻ và đáp ứng đầy đủ các tính năng
Những vấn đề chưa giải quyết được và cũng coi là nhược điểm:
- Phạm vi làm việc của hệ thống bị giới hạn, phụ thuộc vào phạm vi thu phát sóng cao tần của mô-đun nRF24l-01
- Giới hạn về kiến thức và thời gian nên thực hiện hệ thống không thể tối ưu 100%
- Sử dụng các cảm biến công nghiệp có độ chính xác cao để cải thiện tính chính xác của hệ thống
- Sử dụng các phương thức giao tiếp tiên tiến để thực hiện việc giao tiếp giữa các trạm xử lý với trung tâm xử lý Ví dụ như giao tiếp thông qua internet.
- Cải tiến mô hình thành các Module tích hợp để giảm kích thước của hệ thống, giúp đơn giản cho việc lắp đặt và đem lại tính thẩm mĩ cho hệ thống
2.1.2 Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển nhà thông minh Đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển nhà thông minh” - Cao Thị Lan Anh và Phạm Thị Ngọc Hân – Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM – Khóa 2018
Với mô hình được sử dụng để đóng ngắt các thiết bị điện có trong nhà 220VAC và theo dõi, giám sát nhiệt độ, độ ẩm, mưa và cảnh báo khi có khí gas rò rỉ Nguồn điện 220VAC là nguồn chính cung cấp cho toàn mô hình hệ thống, nguồn 220VAC sẽ được chuyển đi thành nguồn 12VDC, trước khi hạ xuống thành nguồn 5VDC cung cấp cho các mạch trong mô hình hoạt động Quá trình hoạt động của hệ thống điều khiển như sau:
Khi cảm biến hoạt động, bộ xử lý trung tâm là module ESP32 sẽ có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu từ cảm biến và ứng dụng android, dữ liệu sẽ được gửi lên application thông qua Internet, cụ thể là wifi Application sẽ tiếp nhận dữ liệu vừa gửi tới, kế đến tiến hành xử lý, lưu dữ liệu vào cơ sở dữ liệu và cập nhật dữ liệu mới lên màn hình thông qua app đã được thiết lập trước Người dùng có thể theo dõi và điều khiển mọi hoạt động của các thiết bị thông qua màn hình hay giọng nói
Người dùng truy cập vào ứng dụng và có thể lựa chọn thiết bị cần điều khiển Khi người dùng tác động vào ứng dụng, dữ liệu điều khiển gửi về bộ xử lý trung tâm
Bộ xử lý trung tâm nhận dữ liệu, sau đó tiến hành tác động để đóng mở thiết bị tương ứng, hoặc có thể điều khiển bằng giọng nói và đồng thời ứng dụng sẽ cập nhật trạng thái của thiết bị vừa được tác động
Mô hình nhà thông minh điều khiển tất cả bao gồm 5 phòng, gồm: phòng khách, phòng bếp, phòng ngủ, phòng tắm và phòng làm việc Sử dụng công nghệ RFID để đóng mở cửa ra vào nhà, dùng đèn led thay thế làm đèn chiếu sáng cho mỗi phòng, dùng quạt để thay thế cho điều hòa nếu đề tài được phát triển cao hơn Thông qua app được cài đặt sẵn người dùng có thể bật, tắt các thiết bị trong nhà thông qua màn hình điện thoại hoặc điều khiển bật, tắt bằng giọng nói nhờ sự hỗ trợ từ trợ lý ảo Raspberry Pi 4 Đề tài sử dụng bao gồm: 1 Kit Raspberry Pi 4 model B, module wifi ESP-32,
4 module Relay 5V 1 kênh, một màn hình Nextion (HMI), động cơ Servo, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT-11, cảm biến khí gas MQ-135, cảm biến mưa
Kết quả thực hiện: Sắp xếp linh kiện hợp lý có tính thẩm mỹ cao Mạch hoạt động tương đối ổn định, khá chính xác, giá cả phù hợp và có thể dễ dàng nâng cấp và ứng dụng vào thực tế, sau khi hoàn thành đã đạt khoảng 90% như yêu cầu, đạt đầy đủ các chức năng cơ bản
Hướng phát triển của đề tài:
- Hệ thống cảnh báo tự động sẽ được giám sát từ xa bằng tin nhắn SMS, khi có thông số bất thường về nhiệt độ, độ ẩm tại nơi ở hoặc làm việc thì điện thoại hoặc smartphone sẽ nhận được từ hệ thống tại nhà qua tin nhắn SMS nếu trường hợp không có hoặc bị ngắt kết nối Internet thì người chủ của ngôi nhà hoặc nơi làm việc đó vẫn sẽ biết được thông tin chỉ số về ngôi nhà của mình Kết hợp với hệ thống chữa cháy tự động (gồm hệ thống bơm nước và phun nước ở những nơi xảy ra hỏa hoạn) Nếu độ ẩm và nhiệt độ bị ảnh hưởng thì có thể lắp đặt một máy điều hòa không khí để ngôi nhà được thoải mái nhất
- Có thể lắp đặt thêm cảm biến chuyển động phát hiện người lạ đột nhập, hay là phát hiện bước chân ở cầu thang hay vào buổi tối có thể tự động chiếu sáng giúp con người dễ dàng di chuyển
- Có thể lắp thêm bộ đo độ ẩm đất cho vườn rau để có thể tự động bật hệ thống tưới tự động khi vắng nhà giúp cho vườn rau được cấp nước kịp thời Đề tài không chỉ thực hiện ở các hộ gia đình nhỏ mà còn phát triển ra các tòa nhà cao tầng, các khu nhà xưởng, khu công nghiệp lớn
CÁC HỆ THỐNG BÁO CHÁY CHO NHÀ PHỐ HIỆN NAY
- Các thành phần chính của hệ thống báo cháy: Đầu báo cháy (Fire Detectors): Phát hiện sự hiện diện của khói, thường sử dụng công nghệ quang điện hoặc ion hóa Đầu báo nhiệt (Heat Detectors): Phát hiện sự tăng nhiệt độ đột ngột hoặc nhiệt độ vượt ngưỡng Đầu báo khí gas (Gas Detectors): Phát hiện các loại khí cháy nổ như khí gas LPG
- Trung tâm điều khiển báo cháy (Fire Alarm Control Panel):
Thu nhận tín hiệu từ các đầu báo và kích hoạt các thiết bị cảnh báo khi phát hiện sự cố Nghĩa là khi có cháy, nhóm cảm biến khói/nhiệt/gas sẽ nhận biết và đưa ra tín hiệu, tín hiệu này sẽ được giám sát liên tục.
Ngay khi nhận được tín hiệu từ cảm biến khói/nhiệt/gas, tủ sẽ kích hoạt các báo động để cảnh báo đến người xung quanh khu vực Bên cạnh đó, khi có lỗi xảy ra ở một trong số các thiết bị trong hệ thống, tất cả thông tin về lỗi cũng sẽ được truyền về, người chịu trách nhiệm vận hành có thể kiểm tra tủ để kiểm soát các vấn đề phát sinh Mọi thông tin sẽ được thể hiện đầy đủ trên màn hình tủ nguồn phụ báo cháy, kể cả vị trí, khu vực xảy ra lỗi hoặc sự cố hỏa hoạn cũng được xác định Nhờ đó, mọi người nắm được thông tin về vụ cháy và có phương án xử lý, ứng cứu kịp thời.
- Thiết bị cảnh báo (Notification Appliances):
Còi báo cháy: Phát ra âm thanh lớn để cảnh báo Đèn báo cháy: Đèn nhấp nháy để cảnh báo cho người khiếm thính
Nút ấn báo động: Người dùng có thể kích hoạt hệ thống báo cháy thủ công
Hệ thống liên lạc nội bộ: Giúp truyền tải thông tin khẩn cấp trong tòa nhà a Nguyên lý hoạt động
Các đầu báo cháy (khói, nhiệt, gas) liên tục giám sát môi trường xung quanh Khi phát hiện dấu hiệu của sự cố (khói, nhiệt độ tăng, khí gas), chúng sẽ gửi tín hiệu về trung tâm điều khiển
Trung tâm điều khiển báo cháy nhận tín hiệu từ các đầu báo, phân tích và xác nhận tín hiệu cháy Nếu tín hiệu đủ điều kiện, trung tâm sẽ kích hoạt hệ thống cảnh báo
- Cảnh báo và xử lý:
Các thiết bị cảnh báo (còi, đèn) được kích hoạt để cảnh báo cư dân trong tòa nhà Hệ thống liên lạc nội bộ có thể được sử dụng để cung cấp hướng dẫn cụ thể cho người dân Một số hệ thống có thể kết nối trực tiếp với lực lượng cứu hỏa hoặc hệ thống chữa cháy tự động b Các loại hệ thống báo cháy
Hệ thống báo cháy tự động: Tự động phát hiện và cảnh báo khi có sự cố cháy nổ
Hệ thống báo cháy thủ công: Cần có sự can thiệp của con người, thông qua nút ấn báo cháy
Hệ thống báo cháy kết hợp: Kết hợp cả hai loại trên, vừa có khả năng tự động phát hiện vừa có thể kích hoạt thủ công c Yêu cầu lắp đặt và vận hành
Bảo trì định kỳ: Hệ thống báo cháy cần được kiểm tra và bảo trì thường xuyên để đảm bảo hoạt động ổn định Đào tạo cư dân: Người dân cần được hướng dẫn cách thức ứng phó khi có báo cháy, cách sử dụng nút ấn báo cháy và lối thoát hiểm
Quy định về an toàn cháy nổ: Tuân thủ các quy định và tiêu chuẩn an toàn cháy nổ của địa phương và quốc gia
Hệ thống báo cháy là một phần quan trọng trong công tác phòng cháy chữa cháy, giúp bảo vệ tính mạng và tài sản của người dân Việc hiểu rõ và duy trì hệ thống này hoạt động hiệu quả là trách nhiệm của cả cư dân và ban quản lý tòa nhà
2.2.2 Các hệ thống báo cháy trên thị trường hiện nay
Trên thị trường hiện nay, có nhiều hệ thống báo cháy tiên tiến được triển khai, mỗi loại hệ thống có những tính năng và ứng dụng riêng phù hợp với từng loại công trình như nhà phố, nhà chung cư, tòa nhà văn phòng, nhà máy, v.v Dưới đây là một số hệ thống báo cháy phổ biến: a Hệ thống báo cháy thông thường
Nguyên lý hoạt động: Mỗi khu vực (zone) có một đường dây riêng kết nối các đầu báo cháy Khi có sự cố cháy xảy ra, trung tâm điều khiển sẽ xác định được khu vực có sự cố nhưng không xác định chính xác đầu báo nào đã kích hoạt và đó cũng là một nhược điểm của hệ thống này Ứng dụng: Thường dùng cho các công trình nhỏ và vừa như nhà phố, cửa hàng, văn phòng nhỏ
Hình 2 1 Hệ thống báo cháy thông thường b Hệ thống báo cháy địa chỉ
Hình 2 2 Hệ thống báo cháy địa chỉ
Nguyên lý hoạt động: Các đầu báo cháy được gán một địa chỉ riêng và kết nối với trung tâm điều khiển thông qua một vòng lặp Khi có sự cố, hệ thống sẽ xác định chính xác đầu báo nào đã kích hoạt Khả năng xác định vị trí chính xác của sự cố, giảm thiểu tình trạng báo động giả Ứng dụng: Phù hợp cho các tòa nhà lớn, nhà chung cư, khách sạn, trung tâm thương mại c Hệ thống báo cháy không dây
Nguyên lý hoạt động: Sử dụng sóng vô tuyến để kết nối các đầu báo cháy với trung tâm điều khiển Khả năng báo lỗi của hệ thống không dây rất nhạy và có thể ứng dụng cho nhiều công trình như: nhà dân dụng, biệt thự, chung cư cao tầng…Dễ dàng lắp đặt và mở rộng, không cần dây cáp phức tạp, phù hợp cho các công trình đã hoàn thiện hoặc có kết cấu phức tạp Ứng dụng: Nhà phố, căn hộ chung cư, văn phòng tạm thời, bảo tàng, di tích lịch sử
Hình 2 3 Hệ thống báo cháy không dây d Hệ thống báo cháy kết hợp
Hệ thống báo cháy kết hợp là một giải pháp tích hợp sử dụng nhiều công nghệ và thiết bị khác nhau để phát hiện và cảnh báo về sự cố cháy nổ
Nguyên lý hoạt động: Kết hợp giữa hệ thống báo cháy có dây và không dây, tận dụng ưu điểm của cả hai hệ thống Linh hoạt trong việc lắp đặt và nâng cấp, đảm bảo hiệu quả cảnh báo và bảo vệ Các công trình lớn, có yêu cầu phức tạp về an toàn cháy nổ như trung tâm thương mại, khu công nghiệp Sự kết hợp này tạo ra một hệ bảo vệ tính mạng con người và tài sản hiệu quả hơn
Hình 2 4 Hệ thống báo cháy kết hợp e Hệ thống báo cháy thông minh (Intelligent Fire Alarm Systems)
CÔNG NGHỆ LORA
LoRa (Long Range) là một công nghệ truyền thông không dây được thiết kế để tạo ra các mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) Nó đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng IoT, nơi các thiết bị cần truyền dữ liệu trên khoảng cách xa với mức tiêu thụ năng lượng thấp Dưới đây là cái nhìn chi tiết về công nghệ LoRa và các thành phần liên quan a Nguyên lý hoạt động
Nền tảng phát triển công nghệ LoRa dựa trên kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum Khi các dữ liệu được tạo xung với tần số cao để tạo ra những tín hiệu có dải tần cao hơn Các tín hiệu này sẽ được mã hóa theo các chuỗi chirp signal (tín hiệu hình sin thay đổi theo thời gian) trước khi được gửi đi từ anten Có hai loại chirp signal, bao gồm:
- Tần số up-chirp tăng theo thời gian.
- Tần suất của Down-chirp giảm dần theo thời gian.
Nguyên tắc hoạt động này hỗ trợ thiết bị giảm độ phức tạp và tăng độ chính xác cần thiết cho mạch nhận để có thể giải mã và điều chỉnh lại dữ liệu LoRa không yêu cầu nhiều công suất phát mà vẫn có thể truyền đi xa, vì tín hiệu LoRa có thể nhận được ở khoảng cách xa ngay cả khi cường độ tín hiệu thấp hơn nhiễu xung quanh
Băng tần hoạt động của công nghệ LoRa nằm trong khoảng từ 430MHz đến 915MHz, áp dụng cho các khu vực khác nhau trên thế giới Cụ thể:
- Dải băng tần 430MHz cho khu vực châu Á
- Dải băng tần 780MHz cho khu vực Trung Quốc
- Dải băng tần 433MHz hoặc 866MHz cho khu vực châu Âu
- Dải băng tần 915MHz cho khu vực USA
Tín hiệu chirp sẽ cho phép các tín hiệu LoRa hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu lẫn nhau Cho phép nhiều thiết bị trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời
Hệ thống LoRa bao gồm các thành phần chính sau:
- Thiết bị cuối (End Devices)
Cảm biến và thiết bị đo đạc: Các thiết bị này thu thập dữ liệu từ môi trường (như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, khí gas) và sử dụng LoRa để gửi dữ liệu đến gateway
Module LoRa: Thiết bị cuối thường được tích hợp với module LoRa, chứa bộ thu phát LoRa và một vi điều khiển để xử lý dữ liệu và điều khiển truyền thông
Chức năng: Gateway nhận tín hiệu LoRa từ các thiết bị cuối và chuyển tiếp dữ liệu này đến máy chủ mạng thông qua mạng IP (như Ethernet, 3G/4G, Wi-Fi)
Phạm vi hoạt động: Gateway thường có phạm vi hoạt động rộng, có thể lên đến vài kilomet trong điều kiện lý tưởng Một gateway có thể hỗ trợ hàng nghìn thiết bị cuối
- Máy chủ mạng LoRa (LoRa Network Server):
Xử lý và quản lý các gói dữ liệu được truyền qua mạng, đảm bảo an toàn và hiệu quả b Đặc điểm nổi bật của công nghệ LoRa
Là một công nghệ hiện đại được sử dụng phổ biến hiện nay, LoRa có những đặc điểm nổi bật sau:
- Phạm vi truyền sóng rộng: công nghệ LoRa có khả năng truyền dữ liệu ở khoảng cách cực xa và có thể đạt khoảng cách truyền hơn 15km trong môi trường mở hoặc rộng hơn nữa
- Nhiều chức năng nhưng mức tiêu thụ điện năng thấp: công nghệ LoRa có thể chạy với mức tiêu thụ điện năng thấp, điều này có thể kéo dài tuổi thọ pin và giảm chi phí sử dụng khi không cần thay quá nhiều lần
- Với kỹ thuật truyền của công nghệ LoRa, tốc độ truyền tuy thấp nhưng vẫn cung cấp đủ băng thông cho một số ứng dụng IoT nhất định, chẳng hạn như định vị, theo dõi tài nguyên và gửi thông tin trạng thái
- Công nghệ này có khả năng chống nhiễu tốt và khả năng tự động tìm kiếm kênh truyền tốt nhất, giúp đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu truyền đi
- Công nghệ LoRa đã đem đến nhiều ứng dụng thực tế vào trong cuộc sống, có thể giúp cuộc sống và công việc thuận lợi hơn: một phần không thể thiếu trong các thiết bị IoT, những mô hình nhà thông minh Smart Home, trong nông nghiệp, công nghiệp hiện nay… c Ứng dụng của công nghệ LoRa
LoRa được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
- Quản lý năng lượng: Giám sát và quản lý lưới điện, hệ thống đèn đường, đồng hồ điện thông minh
- Nông nghiệp thông minh: Giám sát môi trường, tưới tiêu tự động, theo dõi sức khỏe cây trồng và vật nuôi
- Quản lý đô thị: Giám sát chất lượng không khí, quản lý rác thải, bãi đỗ xe thông minh
- Theo dõi tài sản: Quản lý và theo dõi hàng hóa, phương tiện vận chuyển
- Ứng dụng y tế: Giám sát sức khỏe từ xa, thiết bị đeo thông minh d LoRaWAN (LoRa Wide Area Network)
LoRaWAN là một giao thức mạng được thiết kế để hoạt động trên công nghệ LoRa Nó định nghĩa cách các thiết bị LoRa giao tiếp với các gateway và máy chủ mạng Một số điểm quan trọng về LoRaWAN:
- Tầng vật lý: LoRaWAN dựa trên công nghệ LoRa để truyền tín hiệu
- Bảo mật: Sử dụng mã hóa AES-128 để bảo vệ dữ liệu truyền tải giữa các thiết bị và mạng
- Lớp mạng: LoRaWAN quản lý việc kết nối, truy cập và truyền tải dữ liệu của các thiết bị cuối
- Quản lý năng lượng: Các thiết bị có thể chuyển sang chế độ ngủ khi không cần truyền dữ liệu để tiết kiệm năng lượng e Triển khai thực tế
Nhiều thành phố và doanh nghiệp đã triển khai các giải pháp dựa trên LoRa để cải thiện quản lý đô thị, nông nghiệp và công nghiệp Ví dụ:
- Smart City: Các thành phố sử dụng LoRa để quản lý đèn đường, bãi đỗ xe và giám sát môi trường
- Nông nghiệp thông minh: Nông dân sử dụng cảm biến LoRa để theo dõi điều kiện đất đai và cây trồng, tối ưu hóa việc tưới tiêu và phân bón
CÔNG NGHỆ WIFI
Công nghệ Wi-Fi (Wireless Fidelity) là một phần quan trọng trong cuộc sống hiện đại, cho phép kết nối không dây giữa các thiết bị với mạng Internet hoặc mạng cục bộ (LAN) Dưới đây là phần giới thiệu chi tiết hơn về công nghệ này, bao gồm nguyên lý hoạt động, các chuẩn Wi-Fi, thành phần chính, băng tần, bảo mật, ưu điểm, hạn chế, và các ứng dụng cụ thể
Lịch sử của Wi-Fi từ những ngày đầu với ALOHAnet đến các chuẩn hiện đại như Wi-Fi 6 và Wi-Fi 7 là một quá trình phát triển liên tục và đổi mới Công nghệ này đã thay đổi cách chúng ta truy cập và sử dụng Internet, đóng vai trò quan trọng trong mọi khía cạnh của cuộc sống hiện đại, từ gia đình, doanh nghiệp, đến các ứng dụng công nghiệp và giải trí Với sự phát triển không ngừng, Wi-Fi tiếp tục mở ra những tiềm năng mới cho tương lai kết nối không dây
Hình 2 6 Nguyên lý hoạt động của WiFi
Wi-Fi hoạt động dựa trên nguyên lý truyền sóng vô tuyến, sử dụng sóng radio để truyền dữ liệu giữa thiết bị phát (router hoặc access point) và các thiết bị nhận (máy tính, điện thoại, máy tính bảng, v.v.) Khi một thiết bị gửi dữ liệu, nó sẽ mã hóa dữ liệu này thành các sóng vô tuyến Router nhận các sóng này, giải mã dữ liệu và chuyển tiếp nó tới mạng Internet hoặc mạng nội bộ
Trước khi thuật ngữ WiFi trở nên phổ biến, các chuẩn WiFi đã từng được gọi theo tên đầy đủ là 802.11 kèm với các chữ cái b/g/n/… Sau này, do tên gọi này khá dài và khó nhớ nên người dùng thường sử dụng các tên WiFi N, WiFi AC
Tại thời điểm hiện tại, thế hệ WiFi thứ 6 (hay còn gọi là 802.11 AX) là thế hệ tân tiến, và phổ biến nhất Ban đầu, thế hệ WiFi này còn được gọi tắt là WiFi AX, nhưng dần về sau, người dùng quốc tế dần đổi cách gọi các chuẩn WiFi ngắn gọn hơn theo thế hệ là WiFi 5, WiFi 6
Bảng 2 1 Danh sách tên các chuẩn WiFi
Tên các chuẩn WiFi Tên mới Tần số Tốc độ
Chuẩn WiFi 802.11b WiFi 1 2.4 GHz 11 Mbps
Chuẩn WiFi 802.11a WiFi 2 5 GHz 54 Mbps
Chuẩn WiFi 802.11g WiFi 3 2.4 GHz 54 Mbps
Chuẩn WiFi 802.11n WiFi 4 2.4 / 5 GHz 600 Mbps
Chuẩn WiFi 802.11ac WiFi 5 5 GHz 6933 Mbps
Chuẩn WiFi 802.11ax WiFi 6 2.4/5 GHz 9608 Mbps
Tại thời điểm hiện tại, chuẩn WiFi 6 được coi là chuẩn WiFi có tốc độ xử lý tốt nhất và được các nhà cung cấp mạng cũng khuyến nghị sử dụng Thế hệ WiFi 6 cho phép sử dụng băng tần 2.4/5GHz với tốc độ trên channel 5GHz tối thiểu lên đến
1200 Mbps - đây là cấu hình lý tưởng để cung cấp dữ liệu cao hơn, tốc độ nhanh hơn
Wi-Fi được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: gia đình, doanh nghiệp, công cộng, IoT, giáo dục, y tế,…
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
GIỚI THIỆU
Ở chương 3, nhóm tiến hành giải quyết tất cả các vấn đề như: thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống, chức năng chính của các khối Sau đó sẽ tính toán, lựa chọn linh kiện phù hợp, thiết kế mạch nguyên lý cho toàn bộ hệ thống Tiến hành tính toán điện áp cho mạch nguồn, ngõ ra công suất, dòng điện tiêu thụ, điện trở… Đề tài chỉ tập trung xây dựng một mô hình nhỏ, gọn để thí nghiệm
- Tìm hiểu sơ đồ nối dây và từng chức năng chân của STM32F103C8T6 được kết nối với các module khác
- Thiết kế và tính toán thi công mạch giao tiếp kết nối các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khói,khí gas để nhận thông tin từ các cảm biến
- Thiết kế, tính toán dòng tiêu thụ và điện áp cung cấp cho các thiết bị trong hệ thống có thể hoạt động được Thiết kế mô hình cho hệ thống.
- Thiết kế và xây dựng một phần mềm cho hệ thống xử lý điều khiển thiết bị trong nhà
Với yêu cầu đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống báo cháy và điều khiển thiết bị cho nhà phố”, hệ thống sẽ bao gồm 3 nút (node) (có thể mở rộng) và 1 trạm xử lý trung tâm Ở các nút (node) khi có tín hiệu yêu cầu từ trạm xử lý trung tâm thì lập tức gửi dữ liệu được thu thập từ các cảm biến bao gồm khí gas, nhiệt độ, những thứ có thể gây ra hoả hoạn, nguy hiểm cho con người và tài sản Sau đó, trạm trung tâm nhận và tính toán dữ liệu đem đi so sánh với ngưỡng ở mức an toàn, nếu vượt ngưỡng thì sẽ gửi tín hiệu cảnh báo thông qua chuông báo khẩn cấp, gọi điện và gửi tin nhắn qua điện thoại của người đăng ký Các dữ liệu thu thập được sẽ hiển thị tất cả trên app android để người dùng dễ dàng quan sát, theo dõi Thêm vào đó là sự kết hợp với việc điều khiển các thiết bị điện trong nhà thông qua 4 kênh relay (có thể mở rộng) được tích hợp vào hệ thống, người dùng có thể dễ dàng điều khiển thông qua app android hoặc công tắc thủ công.
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Từ các yêu cầu của đề tài thì sơ đồ khối của hệ thống như hình sau:
Hình 3.1 Sơ đồ khối toàn hệ thống Chức năng từng khối:
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
- Node 1, 2, 3: Thu thập các dữ liệu để gửi về khối trung tâm
- Khối nút nhấn: Điều khiển khối chấp hành
- Khối xử lý trung tâm: Là trung tâm điều khiển mọi hoạt động của hệ thống
- Khối thu phát RF: Truyền nhận dữ liệu không dây giữa các node và khối trung tâm
- Khối chấp hành: Điều khiển các thiết bị như relay, còi báo, đèn báo
- Khối hiển thị: Hiển thị dữ liệu các node và trạng thái hoạt động các thiết bị
- Khối ứng dụng Android: Giám sát thông số, điều khiển thiết bị thông qua Internet
- Khối cơ sở dữ liệu: Cơ sở dữ liệu là nơi lưu trữ dữ liệu, kết nối trung gian để khối điều khiển trung tâm và ứng dụng android giao tiếp với nhau
3.2.2 Thiết kế và tính toán các khối trong hệ thống a Thiết kế các node và sẽ gửi dữ liệu đó đến khối trung tâm thông qua môi trường không dây khi nhận được yêu cầu Đối với hệ thống báo cháy này thì sẽ thu thập một số dữ liệu môi trường như nhiệt độ, nồng độ khí gas thông qua một hệ thống các cảm biến, việc đọc cảm biến sẽ được thực hiện bởi một vi điều khiển và một module thu phát không dây có nhiệm vụ giao tiếp truyền nhân dữ liệu với khối trung tâm
Khối cảm biến của mỗi node bao gồm: cảm biến nhiệt độ AHT-10, cảm biến MQ-2 đảm nhiệt độ khí gas và khói Có chức năng thu thập dữ liệu môi trường để cho vi điều khiển đọc và xử lý
Nguyên lý cơ bản chung của các cảm biến nhiệt là chuyển đổi nhiệt độ thành một dạng tín hiệu điện hoặc tín hiệu khác có thể đo được Các cảm biến nhiệt hoạt động dựa trên các hiện tượng vật lý khác nhau, như sự thay đổi điện trở, dòng điện, áp suất, từ tính, hoặc các tính chất khác của vật liệu khi chịu sự biến đổi về nhiệt độ
Trên thị trường hiện nay có đa dạng các loại cảm biến nhiệt độ khác nhau phù hợp cho nhiều nhu cầu mục đích sử dụng khác nhau, nhìn chung cảm biến nhiệt chia thành một số loại cơ bản như: cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, cảm biến nhiệt độ hồng ngoại và ic cảm biến nhiệt độ Trong các loại ic cảm biến nhiệt độ có thể phân ra thành cảm biến tương tự hoặc số, đặc biệt dễ dàng giao tiếp với các vi điều khiển, đối với cảm biến tương tự nổi bật là loại cảm biến LM35, cảm biến số có một số loại như cảm biến DS18B20, DHT11 hay là cảm biến AHT10
Bảng 3 1So sánh các loại cảm biến nhiệt độ
Tên cảm biến Đầu ra Dải do (°C) Sai số (°C)
LM35 Tín hiệu tương tự -55 đến 150 ±0.5
DS18B20 Tín hiệu số (chuẩn 1 dây) -55 đến 125 ±0.5 AHT10 Tín hiệu số (chuẩn I2C) -40 đến 80 ±0.3 Nhìn vào bảng so sánh trên ta thấy được cảm biến AHT10 có độ sai số thấp đầu ra số dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển, và tốc độ giao tiếp nhanh hơn (chuẩn I2C nhanh hơn chuẩn 1 dây), nên được sử dụng trong đề tài này để thu thập dữ liệu nhiệt độ
Hình 3 3 Cảm biến nhiệt độ AHT-10 Thông số kỹ thuật:
- Độ chính xác nhiệt độ: ± 0,3 ° C
- Độ phân giải nhiệt độ: 0.01 °C
- Dải đo: -40 đến 85 ° C Để đọc được giá trị nhiệt độ từ cảm biến đầu tiên MCU gửi lệnh yêu cầu chuyển đổi nhiệt độ Sau khi thu thập dữ liệu nhiệt độ từ môi trường, cảm biến sẽ chuyển đổi sang dữ liệu số để MCU có thể đọc được thông qua giao thức I2C, thời gian của quá trình chuyển đổi dữ liệu có thể kéo dài tối đa 75ms, có 2 cách để MCU có thể đọc được dữ liệu chính xác là đợi 75ms để quá trình chuyển đổi hoàn tất hoặc là có thể chủ động đọc dữ liệu trạng thái từ cảm biến, qua đó biết được khi nào cảm biến đã hoàn tất quá trình chuyển đổi để đọc dữ liệu
Dữ liệu cảm biến đọc về sẽ bao gồm 6 byte: byte đầu tiên là byte trạng thái, 5 byte tiếp theo là dữ liệu của nhiệt độ và độ ẩm, vì trong đề tài này không sử dụng dữ liệu độ ẩm nên ta chỉ quan tâm đến dữ liệu nhiệt độ là 2 byte cuối cùng cùng với 4 bit thấp của byte thứ 4
Sau khi đã có dữ liệu nhiệt độ là một số nguyên 24 bit ta tiến hành tính toán giá trị nhiệt độ theo công thức từ datasheet của nhà sản xuất đưa ra:
2 20 × 200 – 50 (°C) (3.1) Với T là giá trị nhiệt độ tính bằng độ C và 𝑆 𝑇 là giá trị số của nhiệt độ
Một hệ thống báo cháy hiệu quả phải có khả năng phát hiện nhanh chóng và chính xác các dấu hiệu của đám cháy ngoài nhiệt độ thì ra các tác nhân dấu hiệu của đám cháy như các loại khí gas dễ cháy, khói cũng phải được phát hiện kịp thời Trong lựa chọn lý tưởng Đây một loại cảm biến khí gas phổ biến được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống an toàn và báo cháy Cảm biến này có khả năng phát hiện nhiều loại khí dễ cháy và khói, bao gồm butane, propane, methane, và khí đốt thiên nhiên Một số đặc điểm của module cảm biến để thích hợp ứng dụng vào các hệ thống:
- Độ nhạy cao và đa dạng khí phát hiện
- Độ bền cao và bảo trì thấp.
- Điện áp đầu ra analog: 0V đến 5V.
- Điện áp đầu ra digital: 0V hoặc 5V (chuẩn logic TTL).
- Thời gian làm nóng trước khi sử dụng 20 giây.
- Có thể sử dụng như một cảm biến digital hoặc analog.
- Độ nhạy của chân DO (digital output) có thể được thay đổi được.
Phạm vi phát hiện được nồng độ các khí của cảm biến nằm trong khoảng từ
200 PPM đến 10000 PPM Đây là loại cảm biến điện trở, khi có sự thay đổi nồng độ các khí thì giá trị điện trở cảm biến thay đổi, từ giá trị điện trở thay đổi này ta sẽ tính toán được nồng độ của các khí trong môi trường
Hình 3 5 Thay đổi điện trở để tính toán nồng độ Để cảm biến có thể hoạt động cần kết hợp với một điện trở tải bên ngoài, như trong hình trên:
- RS là giá trị điện trở thay đổi của cảm biến
- RL là giá trị điện trở tải
- VRL là điện áp đầu ra cho vi điều khiển đọc giá trị ADC
Dựa theo công thức trên datasheet của cảm biến MQ-2:
Từ công thức 3.2, suy ra:
Từ công thức 3.3, suy ra:
RS = ( 1023 / 𝐴𝐷𝐶 𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒 - 1 ) × 10 (K) (3.4) Với 1023 ở đây là giá trị lớn nhất của độ phân giải 10 bit (0-1023)
Sau khi đã có được giá trị điện trở của cảm biến ta có thể tìm được nồng độ khí cần biết thông qua việc tra đồ thị tỷ lệ RS/RO cùng với nồng độ các khí
Hình 3 6 Đồ thị tỉ lệ RS/RO cùng với nồng độ các loại khí
RO = RS / 9.8 (3.5) Để dễ dàng cho việc tính toán ta xem đường biểu diễn của nồng độ khí là một đường thẳng có dạng y = ax + b, với y = log(RS / RO) và x = log(PPM) Ở đây ta chọn hai loại khí để tính toán là LPG, và khói Đối với khí gas, ta chọn hai điểm trên đường thẳng có tọa độ lần lượt là:
Ta giải hệ 2 phương trình: {𝑙𝑜𝑔(1.6) = 𝑎(𝑙𝑜𝑔 (200)) + 𝑏 𝑙𝑜𝑔(0.27) 𝑎(𝑙𝑜𝑔 (10000)) + 𝑏 (3.6)
=> log(RS / RO) = -0.45log(PPM) + 1.25
=> log(PPM) = (1.25 – log(RS / RO)) / 0.45
=> PPM = 10^((1.25 – log(RS / RO)) / 0.45) (3.7) Đối với khói, ta chọn hai điểm trên đường thẳng có tọa độ lần lượt là:
Ta giải hệ 2 phương trình: {𝑙𝑜𝑔(3.4) = 𝑎(𝑙𝑜𝑔 (200)) + 𝑏 𝑙𝑜𝑔(0.6) 𝑎(𝑙𝑜𝑔 (10000)) + 𝑏 (3.8)
=> log(RS / RO) = -0.44log(PPM) + 1.55
=> log(PPM) = (1.55 – log(RS / RO)) / 0.44
Hai phương trình (3.7) và (3.9) lần lượt là phương trình tính giá trị nồng độ PPM của khí LPG và khói của cảm biến MQ2
Bộ vi điều khiển chính của mỗi node yêu cầu cần có mộ số ngoại vi để dễ dàng giao tiếp với cảm biến như truyền thông I2C, bộ đọc tín hiệu ADC, giao tiếp UART để kết nối với module truyền nhận không dây
Hình 3 7 Vi điều khiển PIC16F1825
THI CÔNG HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU
Sau khi hoàn tất các tính toán và thiết kế, nhóm bắt đầu thực hiện thi công hệ thống cho đề tài, đầu tiên là tiến hành thi công mô hình dựa trên bảng vẽ thiết kế nguyên lý Bao gồm:
- Thiết kế PCB cho 3 node thu thập dữ liệu cảm biến
- Thiết kế PCB cho mạch điều khiển trung tâm
- Thi công mạch, hàn gắn linh kiện
- Cắt mica đóng gói mạch
THI CÔNG BO MẠCH
4.2.1 Thi công bo mạch a Thi công mạch node
Hình 4 1 PCB lớp trên của các node
Hình 4 2 PCB lớp dưới của các node
Linh kiện trên mạch node được sắp xếp thiết kế sao cho gọn gàng, ít tốn không gian nhất để có thể giảm kích thước của mạch, một số thành phần của mạch được thiết kế dưới dạng module dễ dàng lắp ráp kết nối thông qua các header
Hình 4 3 3D lớp trên của các node
Hình 4 4 3D lớp dưới của các node
Hình ảnh 3D của mạch cho ta thấy được sản phẩm sau khi hoàn thiện sẽ trông như thế nào, thấy được việc sắp xếp linh kiện có hợp lý, thẩm mỹ hay chưa, có đảm bảo khoảng cách giữa các linh kiện hay không từ đó có thể đưa ra hướng xử lý kịp thời, tránh để tình trạng khi thiết kế xong mạch bị rời rạc hoặc các linh kiện nằm quá sát nhau gây khó khăn trong quá trình thi công mạch
Bảng 4 1Lựa chọn linh kiện của mỗi node
STT Tên linh kiện Loại Số lượng
Chiều rộng: 70.7 milimet b Thi công mạch trung tâm
Hình 4 5 PCB lớp trên của mạch trung tâm
Hình 4 6 PCB lớp dưới của mạch trung tâm
PCB của mạch trung tâm có khá nhiều đường tín hiệu, chú ý đi dây các đường này ngắn nhất đảm bảo ít bị ảnh hưởng của nhiễu, đồng thời thực hiện phủ đồng mạch mới mass Các module thu phát sóng thiết kế hướng ra ngoài để bắt được tín hiệu tốt hơn
Hình 4 7 3D lớp trên của mạch trung tâm
Hình ảnh 3D của mạch trung tâm cho ta thấy được hình ảnh trực quan của mạch sau khi hoàn thiện, linh kiện sẽ được sắp xếp cả mặt trên và dưới để tiết kiệm không gian, các nút nhấn sẽ không nằm trực tiếp trên mạch mà được kết nối qua các header để dễ dàng lắp đặt với hộp mica
Hình 4 8 3D lớp dưới của mạch trung tâm
Bảng 4 2 Lựa chọn linh kiện cho mạch trung tâm
STT Tên linh kiện Loại Số lượng
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Do thiết kế mạch in 2 lớp nên làm mạch in thủ công sẽ không được thẫm mỹ, nhóm chỉ thiết kế và đặt gia công mạch Sau khi nhận mạch thì tiến hàn lắp ráp và hàn linh kiện Vì vậy việc lắp ráp và hàn linh kiện chỉ đơn giản là hàn những linh kiện dán trước và linh kiện cắm sau a Lắp ráp kiểm tra các mạch node
Hình 4 8 Mặt trên của các node sau khi lắp ráp linh kiện và hàn hoàn thiện
Các node sau khi đã được gia công, lắp ráp hoàn thiện có độ thẩm mỹ, kích thước nhỏ gọn Trong quá trình thi công cần chú ý khi hàn gắn các linh kiện dán lên bề mặt mạch phải thao tác nhanh, tránh tình trạng hàn lâu làm linh kiện quá nóng có thể dẫn đến hư hỏng linh kiện, làm mạch chạy không đúng theo yêu cầu b Lắp ráp kiểm tra mạch trung tâm
Hình 4 10 Mặt trên của mạch trung tâm sau khi lắp ráp linh kiện và hàn hoàn thiện
Thiết kế chip STM32 làm nhân của mạch để dễ dàng giao tiếp với các ngoại vi, đặt khối chọn nguồn và khối sạc cho pin gần nhau để quản lý dễ dàng hơn, header
2 nằm dưới relay phía bên dưới để cấp nguồn nuôi cho mạch và sạc pin, trường hợp không có điện relay mở và dùng nguồn pin cấp cho mạch Phía bên trên mạch, đặt bốn relay và domino để dễ kết nối với các thiết bị điều khiển, bên cạnh là các led hiển thị kết nối với các node
Hình 4 11 Mặt dưới của mạch trung tâm sau khi lắp ráp linh kiện và hàn hoàn thiện
Phía lớp dưới mạch chính chủ yếu sắp xếp các IC, tụ lọc nguồn và điện trở giúp cho lớp trên trống trải hơn, phía bên phải là khối tăng áp cho pin từ 3.7V lên 5V
ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển Để sản phẩm được thẩm mỹ hơn, nhóm đã tiến hành thiết kế và đóng gói các mạch bằng mica và thiết kế trên phần mềm Corel a Thiết kế bản vẽ mica cho các node
Hình 4 12 Bản vẽ 6 mặt của của các node
- Các mặt được đánh số theo thứ tự các mặt của hình hộp chữ nhật: Chiều dài: 115 milimet
Hình 1: Mặt trước, hình tròn ở tâm để đưa anten của module LoRa ra ngoài, bốn vành ở 4 cạnh để lắp vào các khoảng hình chữ nhật ở các vành ở cạnh
Hình 2: Mặt trên, hình tròn để đưa đầu cảm biến MQ-2 ra ngoài dễ tiếp xúc với môi trường để thu thập dữ liệu chính xác hơn Với hình chữ nhật nhỏ ở trên thì cho cảm biến nhiệt độ AHT-10
Hình 3: Mặt sau, hình tròn dùng để lắp jack cắm nguồn DC
Hình 6: Mặt phải b Thiết kế bản vẽ mica cho mạch trung tâm
Hình 4 13 Bản vẽ 6 mặt cho mạch trung tâm
- Các mặt được đánh số theo thứ tự các mặt của hình hộp chữ nhật:
Hình 1: Mặt trước, hình tròn ở nhỏ để đưa anten của module LoRa ra ngoài, bốn vành ở 4 cạnh để lắp vào các khoảng hình chữ nhật ở các vành ở cạnh Hình chữ nhật ở phần dưới chừa khoảng trống để đấu các thiết bị vào domino
Hình 3: Mặt sau, hình tròn dùng để lắp jack cắm nguồn DC
4.3.2 Hình ảnh sau khi hoàn thành
Hình 4 14 Đóng gói các node
Hình 4 15 Đóng gói mạch trung tâm
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
4.4.1 Lưu đồ giải thuật a Lưu đồ giải thuật cho các node
Với yêu cầu theo chức năng của các node thu thập dữ liệu Sau khi khởi tạo và cấu hình phần cứng thành công, tiến hành đọc và phân tích dữ liệu cảm biến thu thập được, đợi cho đến khi nhận được yêu cầu từ mạch trung tâm gửi đến, nếu đúng ID đã cài đặt trước đó thì lập tức gửi dữ liệu đến mạch trung tâm, nếu không thấy yêu cầu thì tiếp tục đọc dữ liệu và phân tích Vòng lặp được tiếp tục theo trình tự như trên a Lưu đồ giải thuật cho mạch trung tâm Ở mạch trung tâm, được điều khiển bởi 2 vi điều khiển STM32 và ESP32 giao tiếp với nhau thông qua giao thức UART để truyền nhận dữ liệu, điều khiển, hiển thị, và cập nhật dữ liệu lên Firebase
Hình 4 17 Lưu đồ giải thuật cho STM32
Một vòng lặp của vi điều khiển chính sau khi khởi tạo và cấu hình phần cứng thành công thì lặp tức gửi yêu cầu lần lượt cho ba node, nếu đúng ID thì sẽ nhận được dữ liệu từ các node gửi về và song với đó cũng nhận được dữ liệu từ ESP32 gửi về, tiến hành tính toán và xử lý Sau đó phân tích và so sánh nếu đúng điều kiện sẽ gửi cảnh báo cho người dùng, nếu sai thì hiển thị dữ liệu lên LCD và lặp tức gửi dữ liệu cho ESP32
Hình 4 18 Lưu đồ giải thuật cho ESP32 Đối với nhiệm vụ của ESP32 thì được biểu diễn theo lưu đồ trên, bắt đầu khởi tạo thành công thì lặp tức truy cập vào Firebase đọc dữ liệu của các biến điều khiển thiết bị và gửi về cho STM32 ngay sau đó Khi có dữ liệu từ STM32 gửi qua thì sẽ nhận và tính toán lại dữ liệu Tiếp tục cập nhật dữ liệu này lên Firebase b Lưu đồ chương trình con của STM32
- Lưu đồ chương trình con gui_yeu_cau()
Phần khởi tạo biến request_node được khởi tạo bằng 1, khi gọi đến chương tự 1 theo mã ASCII, tăng biến request_node lên 2 và thoát chương trình con Ngược lại nếu request_node bằng 2 thì gửi ký tự 2, tiếp tục tăng biến request_node lên 3 và thoát chương trình con Tương tự cho request_node bằng 3 Nếu request_node lớn hơn bằng 3 thì gán biến request_node bằng 1
Hình 4 19 Lưu đồ chương trình con gui_yeu_cau() c Lưu đồ chương trình con của ESP32
- Lưu đồ chương trình con doc_gui_dl_stm()
Hình 4 20 Lưu đồ chương trình con doc_gui_dl_stm() Đối với chương trình doc_gui_dl_stm(), ESP32 sau khi kết nối được WiFi và Firebase ở bước khởi tạo, lúc này sẽ truy cập đến đường dẫn Firebase và kiểm tra dữ liệu của hai biến điều khiển thiết bị và biết điều khiển chuông cảnh báo, nếu dữ liệu vừa truy cập khác với dữ liệu đã lưu trước đó thì lặp tức gửi về cho STM32, ngược lại sẽ thoát chương trình.
VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng
Hệ thống tự động, do đó các bước sử dụng khá đơn giản:
Bước 1: Đấu nối các thiết bị vào domino, thực hiện bước này trước khi cấp nguồn tránh gây nguy hiểm khi có điện
Bước 2: Cấp nguồn 5VDC cho hệ thống, bật công tắt nguồn led nguồn các mạch sẽ sáng
Bước 3: Kiểm tra các node đã kết nối với mạch trung tâm, có ba led báo hiệu, nếu led nháy liên tục là trường hợp chưa kết nối được, ngược lại led luôn sáng
Hình 4 21 Quy trình thao tác
KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Hệ thống hoạt động ổn định, đạt được các mục tiêu đặt ra ban đầu:
- Hoàn thành được hệ thống gồm 3 node thu thập dữ liệu và 1 mạch xử lý trung tâm.
- Kết nối các node với mạch trung tâm thông qua chuẩn truyền thông LoRa.
- Truyền nhận dữ liệu ổn, đáp ứng nhanh khi có sự cố xảy ra như bật còi báo động, gửi tin nhắn và gọi điện cho người dùng.
- Giao tiếp STM32 với ESP32, đưa dữ liệu lên Firebase sau khi tính toán và xử lý một cách nhanh chóng.
- Điều khiển thiết bị từ xa qua Wi-Fi, có nút nhấn thủ công hỗ trợ việc kết nối mạng yếu.
- Hoàn thành app Android dùng cho việc giám sát và điều khiển thiết bị, đơn giản dễ sử dụng.
- Thiết kế mạch in và đóng gói thẩm mỹ.
- Tìm hiểu được nhiều loại cảm biến nhiệt độ, khí: MQ2, AHT10.
- Hiểu và điều khiển hoạt động một số module như: LCD I2C, LoRa AS32, SIM7680C.
- Biết tính toán các giá trị dòng áp trong mạch để lựa chọn linh kiện phù hợp.
- Hiểu thêm về các dạng mạch tăng áp, sạc bảo vệ pin, mạch kích relay có cách ly.
- Sử dụng được phần mềm thiết kế PCB Altium để vẽ mạch in 2 lớp.
- Khả năng thiết kế, sắp xếp, đi dây linh kiện, gia công hàn gắn linh kiện lên bo mạch.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Hình 5 1 Dữ liệu lưu trên Firebase
Dữ liệu trên firebase bao gồm các dữ liệu điều khiển, các giá trị cảm biến trả về của từng node, dữ liệu cảnh báo Giá trị cảm biến thu nhập sẽ liên tục được cập nhật khi có sự thay đổi, biến điều khiển và cảnh báo sẽ thay đổi khi người dùng nhấn nút phần cứng bên dưới hoặc là tương tác phần mềm ứng dụng
Bảng 5 1 Bảng thể hiện trạng thái thiết bị theo biến điều khiển
Giá trị điều khiển Thiết bị 1 Thiết bị 2 Thiết bị 3 Thiết bị 4
Hình 5 2 Giao diện app android
Giao diện màn hình chính app gồm các nút điều khiển cơ bản như nút
“Monitor” khi nhấn nút sẽ đưa người dùng vào phần giám sát các thông số cảm biến, nút “Devices control” đưa đến phần điều khiển các thiết bị, nút “Warning” bật tắt cảnh báo khi xảy ra sự cố
5.2.2 Kết quả chạy thử mô hình
Kết quả đạt được khi chạy mô hình:
- Trong trường hợp bình thường các chỉ số cảm biến ở mức cho phép
Hình 5 3 Kết quả hiển thị lên màn hình
Trên màn hình LCD đã hiển thị được một số thông tin như: node đang được hiển thị, nồng độ khí gas, nồng độ khói, nhiệt độ môi trường, trạng thái điều khiển của các thiết bị
Hình 5 4 Hình ảnh giao diện giám sát và điều khiển trên app Ở trên ứng dụng đã cập nhật được chính xác các giá trị từ cảm biến và trạng thái hoạt động của các thiết bị bên dưới
Hình 5 5 Hình ảnh tin nhắn gửi về điện thoại
Khi có một trong các giá trị cảm biến vượt ngưỡng, thì tin nhắn sẽ được gửi đi cảnh báo người dùng biết
Hình 5 6 Hình ảnh cuộc gọi đến và chuông báo trên ứng dụng
Sau khi đã gửi tin nhắn ban cảnh báo ban đầu, hệ thống sẽ tiếp tục giám sát các số liệu Nếu các chỉ số đó tiếp tục tăng thì cảnh báo cấp cao sẽ được phát ra, lúc này hệ thống sẽ thực hiện cuộc gọi đến người dùng đồng thời bật chuông cảnh báo trên ứng dụng di động
Trong lúc phát cảnh báo hệ thống vẫn sẽ tiếp tục thực hiện thu thập dữ liệu, nếu như các giá trị cảm biến có giảm và giảm dưới ngưỡng thì hệ thống sẽ tự động ngắt cảnh báo, điều này chỉ áp dụng đối với cảnh báo cấp thấp, còn đối với cảnh báo cấp cao cần có sự phản hồi từ người dùng như là nhấn nút trên mạch trung tâm hoặc là ứng dụng để tắt cảnh báo, nhằm xác nhận mối cảnh báo đã được ghi nhận giải quyết.
NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ
Sau quá trình thực hiện, thi công đề tài thì đã tạo ra được hệ thống cơ bản hoàn thiện, đáp ứng được các yêu cầu đặt ra Sau đây là một số nhận xét chi tiết:
- Phần cứng sau khi thiết kế chạy ổn định không phát sinh lỗi.
- Các node hoạt động tốt chức năng của mình là thu thập dữ liệu cảm biến.
- Mạch xử lí trung tâm hoạt động đúng chức năng đề ra, là trung tâm điều khiển mọi hoạt động của hệ thống.
- Mô hình có tính thẩm mỹ, gia công mạch in đẹp, có vỏ bảo vệ chắc chắn.
- Ứng dụng android có thiết kế giao diện đơn giản, dễ sử dụng.
- Hiển thị được các thông tin cần thiết của hệ thống.
- Có độ trễ khi sử dụng điều khiển các thiết bị.
- Ứng dụng chỉ chạy được trên hệ điều hành android.
- Firebase làm tốt được nhiệm vụ là cầu nối giữa phần cứng và phần mềm.
Qua những đánh giá trên nhìn chung thì sản phẩm của đề tài sau khi hoàn thiện đã đáp ứng được hầu hết các yêu cầu đặt ra cả về đặc tính kỹ thuật và thẩm mỹ Xong bên cạnh đó vẫn còn một số điểm cần chú ý như tốc độ cập nhật dữ liệu còn thấp, ứng dụng android còn ít tính năng, kích thước mô hình còn lớn.
