Đồ Án tốt nghiệp xây dựng robot dập lửa thông minh sử dụng esp32

Qua đề tài này, nhóm nghiên cứu mong muốn đóng góp một giảipháp thực tiễn, ứng dụng công nghệ vào công tác phòng cháy chữa cháy, từ đó góp phầnbảo vệ an toàn cho con người và tài sản,nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

KHOA CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG ROBOT DẬP LỬA THÔNG MINH SỬ

DỤNG ESP32

Giảng viên hướng dẫn : Ths.Thái Doãn Ngọc

Sinh viên thực hiện : Hồ Phú Khương

MSSV : 2152010014

Lớp : 21TH

NIÊN KHÓA :2021-2025

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghệ 4.0, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã góp phần giải quyếtnhiều vấn đề phức tạp và cải thiện chất lượng cuộc sống Trong số đó, việc ứng dụngcông nghệ vào việc đảm bảo an toàn và cứu hộ là một trong những lĩnh vực được quantâm hàng đầu Một trong những mối đe dọa lớn đối với an toàn của con người và tài sản

là các sự cố cháy nổ, xảy ra trong nhiều môi trường khác nhau, từ khu dân cư đến các khucông nghiệp, các nhà máy, xí nghiệp Để giảm thiểu thiệt hại và tăng khả năng kiểm soát,công nghệ robot đã được nghiên cứu và ứng dụng để hỗ trợ trong công tác chữa cháy

Đề tài "xây dựng robot dập lửa thông minh sử dụng ESP32" được lựa chọn nhằm giảiquyết một phần nhu cầu thực tiễn, qua đó phát triển một thiết bị tự động có khả năng pháthiện, tiếp cận và dập tắt các nguồn lửa trong môi trường nguy hiểm mà con người khôngthể trực tiếp can thiệp ngay lập tức Robot chữa cháy không chỉ giúp giảm thiểu rủi rocho đội ngũ cứu hộ mà còn có thể hoạt động liên tục trong các điều kiện khắc nghiệt, tăngcường hiệu quả và tốc độ xử lý sự cố

Mục tiêu của đồ án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một robot chữa cháy có khả năng dichuyển tự động, phát hiện nguồn nhiệt và phun chất chữa cháy một cách chính xác Đồ

án sẽ đề cập đến các thành phần của hệ thống bao gồm thiết kế cơ khí, hệ thống cảm biến,phần mềm điều khiển và các thí nghiệm đánh giá khả năng hoạt động của robot Qua đồ

án này, nhóm thực hiện mong muốn ứng dụng kiến thức đã học vào thực tiễn, đồng thờiđóng góp một giải pháp hữu ích cho việc phòng cháy chữa cháy

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Thái Doãn Ngọc và nhà trường đã tạo điều kiện

và hỗ trợ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp Nhờ sự chỉ dạy tận tình vànhững kinh nghiệm quý báu mà thầy chia sẻ, em đã tiếp cận và nắm vững các kiến thứcmới, cũng như áp dụng hiệu quả vào đề tài nghiên cứu

Dưới sự hướng dẫn của thầy, em có cơ hội phát triển các kỹ năng thực tế, hiểu rõ các khíacạnh quan trọng của đề tài và làm việc một cách tự tin, hiệu quả hơn Thầy đã giúp emvượt qua những khó khăn trong quá trình nghiên cứu, giúp em có thêm động lực và khảnăng ứng phó với những thách thức trong học tập và công việc

Em xin chân thành cảm ơn thầy và nhà trường!

NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)

Long An, ngày … tháng … năm 2024

Giảng viên hướng dẫn

ThS Thái Doãn Ngọc

NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện)

Long An, ngày … tháng … năm 2024

Giảng viên phản biện

(kí và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU i

LỜI CẢM ƠN ii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 10

1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 10

1.2 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI 10

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 11

1.4 MỤC TIÊU CỦA DỰ ÁN 12

1.5 MỤC ĐÍCH CỦA DỰ ÁN 12

1.6 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 13

1.7 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 13

1.8 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CHỮA CHÁY 15

2.2 TÌM HIỂU VỀ ROBOT CHỮA CHÁY 18

2.2.1 Định nghĩa 18

2.2.2 Cấu tạo và cơ chế hoạt động của robot chữa cháy 19

2.3 TÌM HIỂU VỀ CÁC CÔNG NGHỆ 20

2.3.1 Vi điều khiển 20

2.3.2 Môi trường lập trình 24

2.3.3 Phương thức giao tiếp UART 27

2.3.4 Phương thức giao tiếp Wi-Fi 30

2.3.5 Phương thức giao tiếp Bluetooth 31

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN 32

3.1 ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH DRONE 32

3.2 NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TRÚC QUADROCOPTER 33

3.2.1 Lý thuyết điều khiển Quadrocopter 33

3.2.2 Nghiên Cứu lý thuyết chuyển động của Quadrocopter và xây dựng mô hình động lực học máy bay 34

3.2.3 Mô hình tính toán khí động học: 36

3.3 NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO QUADROCOPTER 36

3.3.1 Động cơ 36

3.3.2 Module thu phát 39

3.3.3 PCB 40

3.3.4 Rào đực 41

3.3.5 Rào cái 42

3.3.6 Domino 2 43

3.3.7 Tụ hóa 10µF 43

3.3.8 Điện trở 44

3.3.9 Dây điện đôi đỏ đen 46

3.3.10 IC L7805CV 47

3.3.11 IC MSP430G2553 47

3.3.12 Mạch điều khiển động cơ L298N 51

3.4 NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH 52

3.4.1 Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch điều khiển 52

3.4.2 Ứng dụng Hercules 55

3.4.3 Lập trình Winfrom 55

3.5 LẮP RÁP VÀ KIỂM THỬ SẢN PHẨM 56

CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT VÀ TRIỂN KHAI 57

4.1 CẤU TRÚC DONE KHÔNG NGƯỜI LÁI 57

4.2 MÔ HÌNH SAU KHI KẾT NỐI CÁC THIẾT BỊ 57

4.3 BẢNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN HOÀN THIỆN 58

4.4 GIAO DIỆN WINFORM 58

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

5.1 KẾT LUẬN 59

5.2 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 62

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ, BẢNG BIỂU

Số hình Tên Hình

1.1 Hình ảnh minh họa xe robot chữa cháy

2.1 Robot THOR

2.2 Robot chữa cháy Thermit

2.3 Robot chữa cháy TAF 20

2.4 Robot chữa cháy Fire Ox

2.5 Hình Mạch vi điều khiển ESP32

2.1.4 Hình ảnh minh họa Hybrid Drone

2.2 Hình Drone không người lái

2.3.1 Hình Mạch vi điều khiên MSP 430

2.3.2 Phần Mềm Energia

2.3.3 Giao diện lập trình Visual studio

2.3.4 Phần Mềm altium

2.3.5 Nguyên lý hoạt động của AURT

3.1 Drone theo cấu trúc Quadrocopter

3.2.1 Nguyên lý điều khiển Quadrocopter

3.2.2 Nguyên Lý điều khiển Quadrocopter

3.3.16 Mạch điều khiển động cơ L928N

3.3.17 Sơ đồ điều khiển động cơ L928N

3.4.1 Sơ đồ khối mô Hình

3.4.2 Hình Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch điều khiển đã kết nối

3.4.3 Sử dụng phần mềm Altium để thiết kế sơ đồ bố trí mạch

3.4.4 Bảng mạch 3D

3.4.5 Bảng thực tế

3.4.6 Điều khiển bluetooth thông qua Serial

3.4.7 Giao diện Winfrom

3.5.1 Drone sau khi lắp ráp

4.1.1 Cấu trúc Drone không người lái

4.2.1 Drone sau khi được kết nối các dây tín hiệu

4.3.1 Mạch điều khiển của Drone

4.4.1 Giao diện phần mềm winfrom

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Ngày nay sự tiến bộ công nghệ không ngừng,sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tựđộng hóa và trí tuệ nhân tạo đã mở ra nhiều hướng ứng dụng mới, đặc biệt trong lĩnh vựcphòng cháy chữa cháy Cháy nổ là một trong những sự cố nguy hiểm, gây thiệt hại lớn vềcon người và tài sản Việc sử dụng robot trong công tác chữa cháy không chỉ giúp giảmthiểu rủi ro cho đội ngũ cứu hộ mà còn tăng cường khả năng xử lý kịp thời, hiệu quả tạicác khu vực nguy hiểm

Đề tài “Xây dựng robot dập lửa thông minh sử dụng ESP32” nhằm xây dựng một robot

tự động có khả năng di chuyển, phát hiện đám cháy và thực hiện dập lửa Robot đượctrang bị hệ thống cảm biến để phát hiện nhiệt độ và lửa, động cơ để điều hướng và hệthống dập lửa tích hợp Qua đề tài này, nhóm nghiên cứu mong muốn đóng góp một giảipháp thực tiễn, ứng dụng công nghệ vào công tác phòng cháy chữa cháy, từ đó góp phầnbảo vệ an toàn cho con người và tài sản,nội dung nghiên cứu sẽ bao gồm các phần chínhnhư thiết kế cơ khí, tích hợp cảm biến, lập trình điều khiển và đánh giá hiệu quả hoạtđộng của robot trong môi trường giả lập

1.2 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Trong cuộc sống hiện đại, các sự cố cháy nổ xảy ra ngày càng phức tạp và tiềm ẩn nhiềunguy hiểm cho con người và tài sản Các khu dân cư, nhà máy, khu công nghiệp là nhữngnơi dễ xảy ra cháy nổ, và việc tiếp cận các khu vực này để dập lửa thường gặp nhiều khókhăn, đòi hỏi các giải pháp nhanh chóng, an toàn và hiệu quả Đặc biệt, trong những môitrường nguy hiểm mà con người khó có thể can thiệp trực tiếp, việc ứng dụng công nghệvào công tác chữa cháy là một nhu cầu cấp thiết

Chính vì lý do đó, nhóm đã chọn đề tài “Xây dựng robot dập lửa thông minh sử dụngESP32” với mục tiêu phát triển một thiết bị có khả năng tự động phát hiện và xử lý cáctình huống cháy nhỏ, hỗ trợ đội ngũ cứu hộ và giảm thiểu rủi ro cho con người Đề tài nàykhông chỉ mang tính thực tiễn cao mà còn giúp ứng dụng các kiến thức về điện tử, cơ khí,lập trình và tự động hóa vào giải quyết vấn đề thực tế Đây cũng là cơ hội để nhóm tiếpcận những công nghệ mới, nâng cao kỹ năng chuyên môn và góp phần vào công tácphòng cháy chữa cháy hiện đại

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Robot chữa cháy là một lĩnh vực đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên thếgiới, với nhiều thành tựu quan trọng trong các năm gần đây Các nước phát triển như Mỹ,Nhật Bản, Hàn Quốc đã đầu tư lớn vào công nghệ này, nhằm tăng cường khả năng cứu hộ

và bảo vệ an toàn cho con người Những robot chữa cháy tiên tiến hiện nay được trang bịcác cảm biến phát hiện lửa, nhiệt độ, khí gas và có khả năng định vị chính xác vị trí cháy,

từ đó đưa ra các phản ứng nhanh chóng và hiệu quả trong môi trường nguy hiểm

Tại Việt Nam, nghiên cứu về robot chữa cháy cũng đang được chú trọng, nhưng vẫn gặpmột số hạn chế về tài chính, công nghệ và nhân lực Các đề tài tập trung chủ yếu vào thiết

kế những mẫu robot chữa cháy cơ bản với các chức năng như phát hiện lửa, phun nướchoặc chất chữa cháy, và di chuyển trong không gian hạn chế Những nghiên cứu này hầuhết mới dừng lại ở giai đoạn thử nghiệm trong các mô hình nhỏ hoặc trong phòng thínghiệm

Hình 1.1 Hình ảnh minh họa xe robot chữa cháy

Với đề tài “Xây dựng robot dập lửa thông minh sử dụng ESP32”, nhóm nghiên cứu mongmuốn đóng góp vào lĩnh vực này bằng cách phát triển một robot có khả năng hoạt độnglinh hoạt, tích hợp các công nghệ cảm biến tiên tiến, đồng thời đảm bảo tính kinh tế vàhiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam Nghiên cứu này không chỉ nângcao kiến thức và kỹ năng chuyên môn mà còn góp phần đáp ứng nhu cầu cấp thiết trongcông tác phòng cháy chữa cháy hiện nay

1.4 MỤC TIÊU CỦA DỰ ÁN

 Thiết kế hệ thống cơ khí của robot

 Phát triển một robot tự động có khả năng phát hiện ngọn lửa trong không gian kín

 Nâng cao an toàn cho con người: Giảm thiểu nguy cơ cho lực lượng cứu hộ vàngười dân bằng cách sử dụng robot có khả năng hoạt động trong môi trường cháy

nổ, độc hại mà con người khó tiếp cận an toàn

 Tăng cường hiệu quả dập lửa: Thiết kế robot với khả năng phát hiện nhanh chóngcác nguồn nhiệt và lửa, từ đó xử lý đám cháy ngay tại chỗ, hạn chế cháy lan rộng

và giảm thiểu thiệt hại

 Ứng dụng kiến thức vào thực tiễn: Thực hiện dự án là cơ hội để áp dụng kiến thức

về cơ khí, lập trình, tự động hóa và điện tử vào một sản phẩm thực tế, nâng cao kỹnăng và kinh nghiệm của nhóm nghiên cứu

 Khả năng phát triển công nghệ chữa cháy hiện đại: Tạo tiền đề cho việc nghiêncứu và phát triển thêm các robot có khả năng hoạt động linh hoạt và hiệu quả hơntrong những điều kiện cháy nổ phức tạp

 Đóng góp vào công tác phòng cháy chữa cháy hiện đại: Hỗ trợ lực lượng cứu hỏa,góp phần nâng cao an toàn cho cộng đồng và tài sản, hướng đến một giải pháp bềnvững và thông minh trong bảo vệ môi trường và đời sống con người

Dự án hy vọng tạo ra một sản phẩm không chỉ có giá trị về mặt nghiên cứu mà còn có thểđược phát triển thành một giải pháp hữu ích trong thực tế

1.6 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

 Robot chữa cháy và tự động

 Hệ thống cảm biến phát hiện lửa và nhiệt độ

 Hệ thống điều khiển và di chuyển của robot

 Phạm vi về thiết kế và cấu trúc: Robot được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, phùhợp với môi trường trong nhà hoặc các khu vực có không gian hạn chế Cấu trúc

sẽ được thiết kế để chịu nhiệt ở mức vừa phải, phù hợp cho các tình huống cháy

mô phỏng

 Phạm vi về hệ thống cảm biến và điều khiển: Robot sẽ sử dụng cảm biến nhiệt,cảm biến lửa và cảm biến khoảng cách cơ bản để nhận diện đám cháy và tránh vachạm Phần điều khiển sẽ được lập trình để xử lý thông tin từ các cảm biến và điềuhướng robot một cách tự động

 Phạm vi thử nghiệm: Dự án sẽ tiến hành thử nghiệm robot trong các môi trườnggiả lập với điều kiện cháy được kiểm soát, không thử nghiệm trong các tình huốngnguy hiểm hoặc các đám cháy lớn ngoài thực tế

 Phạm vi về nguồn lực và thời gian: Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiệnhạn chế về thời gian, tài chính và trang thiết bị, do đó các tính năng và công nghệ

sẽ được giới hạn ở mức cơ bản nhưng vẫn đảm bảo tính hiệu quả và ứng dụng củarobot

Phạm vi này nhằm đảm bảo rằng robot chữa cháy được phát triển trong dự án có thể hoànthành các mục tiêu cơ bản đã đặt ra, từ đó đánh giá tính khả thi và tiềm năng phát triểncủa robot trong các dự án tương lai

1.8 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

Các phương pháp thiết kế này giúp đảm bảo rằng robot chữa cháy đáp ứng yêu cầu kỹthuật, hoạt động hiệu quả và có khả năng hoàn thành các mục tiêu đề ra trong phạm vi dựán

 Phương pháp phân tích yêu cầu: Xác định các yêu cầu kỹ thuật và chức năng củarobot, bao gồm khả năng di chuyển, phát hiện đám cháy và cơ chế dập lửa Từ đó,xây dựng các tiêu chí để thiết kế và đánh giá hệ thống

 Phương pháp thiết kế mô-đun: Chia nhỏ robot thành các mô-đun chức năng riêngbiệt như hệ thống cơ khí, hệ thống cảm biến, hệ thống điều khiển và hệ thống dậplửa Thiết kế từng mô-đun độc lập, sau đó tích hợp thành một hệ thống hoànchỉnh

 Phương pháp thiết kế 3D trên phần mềm CAD: Sử dụng phần mềm CAD (nhưSolidWorks, AutoCAD) để tạo mô hình 3D của robot Điều này giúp tối ưu hóacấu trúc và không gian bên trong robot, đảm bảo tính nhỏ gọn và linh hoạt trongquá trình di chuyển

 Phương pháp lựa chọn linh kiện và lắp ráp: Chọn các linh kiện phù hợp cho hệthống cơ khí và điện tử của robot, bao gồm cảm biến nhiệt, cảm biến lửa, động cơ

và thiết bị dập lửa Thực hiện lắp ráp từng bộ phận dựa trên bản thiết kế, đảm bảo

độ chính xác và an toàn

 Phương pháp lập trình và điều khiển: Lập trình các chức năng điều khiển củarobot trên nền tảng vi điều khiển (như Arduino hoặc ESP32), bao gồm điều khiểnđộng cơ di chuyển, xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều chỉnh cơ chế dập lửa Lậptrình được thực hiện theo phương pháp thử nghiệm và điều chỉnh để đảm bảo tínhchính xác

 Phương pháp thử nghiệm và đánh giá: Thực hiện thử nghiệm các chức năng củarobot trong môi trường giả lập, bao gồm khả năng di chuyển, phát hiện đám cháy

và dập lửa Đánh giá hiệu quả và tính ổn định của robot, từ đó điều chỉnh và tối ưuhóa thiết kế nếu cần thiết

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CHỮA CHÁY

Việc nghiên cứu, phát minh ra các Robot chữa cháy giúp con người nâng cao hiệu quả,rút ngắn thời gian chữa cháy, cứu nạn, cứu hộ Ngoài ra, nó còn giúp giảm thiểu nguy cơgây hiểm đối với lực lượng chữa cháy, cứu nạn, cứu hộ khi phải tiếp cận với môi trườngnguy hiểm và thực hiện các nhiệm vụ mang tính rủi ro cao

Hệ thống chữa cháy bằng Robot được thiết kế với một số nhiệm vụ nhất định Chúng baogồm phân tích và xác định vị trí đám cháy, thực hiện tìm kiếm và cứu nạn, giám sát cácmối nguy hiểm và nhiệm vụ chính là kiểm soát và dập tắt đám cháy Các hệ thống Robotchữa cháy cố định như vòi phun nước và thiết bị báo cháy tự động, được sử dụng ở nhữngkhu vực đông dân cư và nguy hiểm để nhanh chóng dập tắt mọi nguy cơ gây cháy Đâythường là những hệ thống đơn giản, chủ yếu dựa vào các cảm biến và được lắp đặt cốđịnh

Hệ thống chữa cháy di động bằng Robot là một loại khác, hầu hết ở dạng phương tiệnđược điều khiển từ xa gắn với các công cụ chữa cháy như vòi phun nước hoặc bọt Chúng

có khả năng di chuyển vào các khu vực không an toàn cho con người thông qua một loạtcác cảm biến, camera trực quan và nhiều công nghệ khác giúp truyền thông tin để điềuhướng cho người điều khiển từ xa Các chuyên gia và kỹ sư an toàn thậm chí còn đangthử nghiệm với Robot trên không như máy bay không người lái để bổ sung tình huốngphương án và Robot trong nhà có thể loại bỏ đám cháy ở cự ly gần

Sau đây là một số Robot chữa cháy được ứng dụng trên thế giới:

1.THOR/SAFFIR:

Robot này được phát triển để chữa cháy tự động trên tàu thủy Đó là một Robot hìnhngười với khả năng đi qua các tầng không ổn định trên tàu cũng như sử dụng vòi và mởcửa Trên tàu thủy thường có không gian hẹp và tồn chứa rất nhiều chất cháy, vì vậy việcdập tắt đám cháy là điều tối quan trọng Robot này có chiều cao 177cm, sử dụng hình ảnhnhiệt lập thể và cảm biến LIDAR (cảm biến ánh sáng và khoảng cách) để điều hướng vàdập tắt đám khoang bị cháy cùng với sự hỗ trợ của một người Mục đích cuối cùng là đểTHOR có thể đi bộ và làm việc bán tự động với sự trợ giúp của con người bằng điềukhiển từ xa Tuy nhiên, hiện tại vẫn còn một số điểm hạn chế Máy chạy chậm, dễ bị hư

hỏng bởi lửa và nước Những thách thức này đang được giải quyết để có thể dập tắt cácđám cháy gây nguy hiểm khi tiếp cận.

Hình 2.1 Robot THOR

2.Robot Thermite

Robot này có hình dạng như một chiếc xe tăng nhỏ, phương tiện điều khiển từ xa nàyđược trang bị một vòi có khả năng bơm 1893 lít nước mỗi phút Sử dụng camera đượcgắn, nó có thể di chuyển trong các tình huống cực kỳ nguy hiểm, chẳng hạn như cháyrừng, trong khi được kiểm soát từ khoảng cách đến 400m Với trọng lượng khoảng750kg, nó được thiết kế như một máy nổ Với một số cải tiến, nó cũng có thể được sửdụng để phun chất trung hòa đám cháy Trên bo mạch là một hệ thống làm mát ổn địnhbằng cách sử dụng một phần nước được bơm để làm mát toàn bộ Robot Mặc dù lưulượng bơm chỉ bằng 1/3 so với xe chữa cháy (5678l/phút) nhưng hiệu suất chữa cháytăng lên đáng kể Cùng với khả năng đi vào các khu vực nguy hiểm mà không gây nguyhiểm cho con người, nó có thể được xem là thiết bị tiềm năng để dập tắt các đám cháyrừng trong tương lai

Hình 2.2 Robot chữa cháy Thermit

3.Robot chữa cháy có hỗ trợ tuabin (TAF 20)

Robot này là một loại xe có bánh xích sử dụng tuabin để phun nước thành một mànsương lớn bao phủ nhiều diện tích hơn trong khi sử dụng ít nước hơn Trong một sốtrường hợp nhất định, nước có thể được tập trung thành một tia nước mạnh có khả năngphun 3.500 lít mỗi phút Người vận hành có thể cách xa đến 500m, nhưng nó bị hạn chếnhư các Robot chữa cháy khác do cần phải kết nối với vòi nước

Hình 2.3 Robot chữa cháy TAF 20

4 Fire Ox

Robot Fire Ox là một trong số ít Robot bằng xe tự chở được két nước Được thiết kế như một thiết bị đến đám cháy đầu tiên, nó ngăn chặn đám cháy, hỗ trợ tìm kiếm và cứu nạn và có thể xử lý các vật liệu nguy hiểm

Fire Ox là bán tự trị và có thể được điều khiển từ xa lên đến 322km Do tính cơ động,

nó có khả năng vượt qua các tình huống không an toàn cho con người, giảm thiểu

thương vong và thời gian cứu hộ Nó cũng có thể được sử dụng trong nhiều tình huốngbao gồm cháy rừng và cháy công trình

Hình 2.4 Robot chữa cháy Fire Ox.

Sự an toàn của các lính chữa cháy và các nạn nhân bị cháy là điều tối quan trọng, thúc đẩy quá trình sản xuất các Robot chữa cháy Các chuyên gia và các công ty công nghệ không ngừng trao đổi, nghiên cứu để biến công nghệ tương lai thành hiện thực Nó sẽ làm thay đổi chữa cháy truyền thống, giúp công tác chữa cháy đạt hiệu quả cao hơn, vàtrên hết là có thể ngăn ngừa, giảm thiểu những thiệt hại về người có thể xảy ra

2.2 TÌM HIỂU VỀ ROBOT CHỮA CHÁY

2.2.1 Định nghĩa

Robot chữa cháy là một loại robot chuyên dụng được thiết kế để phát hiện và dập tắt đámcháy, hỗ trợ cho lực lượng cứu hỏa và tăng cường an toàn trong môi trường nguy hiểm

Các robot này được phát triển để làm việc hiệu quả trong các tình huống cháy nổ, giúpgiảm thiểu rủi ro và bảo vệ tài sản cũng như con người Dưới đây là các thông tin cơ bản

về các loại robot chữa cháy, cấu trúc và tính năng chính, cùng với ứng dụng của chúngtrong thực tế

2.2.2 Cấu tạo và cơ chế hoạt động của robot chữa cháy

Robot chữa cháy được thiết kế để hoạt động trong môi trường có nhiệt độ cao và khói,thực hiện chức năng phát hiện và dập tắt đám cháy một cách hiệu quả Để đạt được mụctiêu này, cấu tạo của robot chữa cháy bao gồm nhiều thành phần chuyên dụng và cơ chếhoạt động cụ thể như sau:

Khung robot: Khung được thiết kế chắc chắn, thường làm bằng kim loại hoặc vật liệu

chịu nhiệt cao để bảo vệ các linh kiện bên trong và giúp robot di chuyển ổn định trongmôi trường cháy

Vỏ bảo vệ: Vỏ được phủ lớp cách nhiệt để bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi nhiệt độ cao

và tác động của các điều kiện khắc nghiệt như khói và bụi

Hệ thống cảm biến: Robot chữa cháy được trang bị nhiều cảm biến để đảm bảo khả

năng phát hiện đám cháy và di chuyển an toàn:

 Cảm biến nhiệt: Đo nhiệt độ để xác định nguồn nhiệt cao, nhận biết vị trí đámcháy

 Cảm biến lửa: Phát hiện ánh sáng hồng ngoại đặc trưng của ngọn lửa, cho phéprobot nhận diện đám cháy một cách chính xác

 Cảm biến khí: Phát hiện các loại khí độc, như CO hoặc CO₂, để xác định đámcháy và giảm rủi ro cho các linh kiện

 Cảm biến khoảng cách: Sử dụng sóng siêu âm hoặc hồng ngoại để tránh va chạmvới các vật thể trong quá trình di chuyển

Hệ thống điều khiển:

 Vi điều khiển: Đây là trung tâm xử lý của robot, nơi lập trình các lệnh và quyếtđịnh của robot Vi điều khiển có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các cảm biến, xử lý

và điều khiển các hành động của robot

 Phần mềm điều khiển: Phần mềm lập trình sẽ xử lý các tín hiệu từ cảm biến và ralệnh cho robot di chuyển và kích hoạt hệ thống dập lửa khi cần

Hệ thống di chuyển:

 Động cơ: Robot thường sử dụng động cơ bánh xe hoặc bánh xích để di chuyểnlinh hoạt qua các địa hình khó khăn Động cơ được lập trình để tự động điều chỉnhhướng và tốc độ dựa vào tín hiệu từ cảm biến

 Bánh xe hoặc bánh xích: Robot chữa cháy có thể dùng bánh xe hoặc bánh xích để

di chuyển trên mặt phẳng hoặc vượt qua các chướng ngại vật trong môi trườngphức tạp

 Bọt chữa cháy: Sử dụng bình chứa bọt hoặc hóa chất để phun vào đám cháy, đặcbiệt hiệu quả với cháy hóa chất hoặc cháy dầu

 Khí CO₂ hoặc bột chữa cháy: Phun khí CO₂ hoặc bột để dập lửa trong các khuvực nhạy cảm, không để lại cặn hoặc làm hư hại thiết bị xung quanh

Hình 2.5 Hình Mạch vi điều khiển ESP32

Flash: Tích hợp sẵn bộ nhớ Flash, hỗ trợ bộ nhớ ngoài qua giao diện SPI.

Hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp

ESP32 có nhiều giao thức giao tiếp, giúp nó kết nối và trao đổi dữ liệu với nhiều loại cảmbiến và thiết bị ngoại vi:

UART: Hỗ trợ giao tiếp nối tiếp, phù hợp để kết nối với các module hoặc vi điều khiểnkhác

SPI và I²C: Giao thức truyền thông tốc độ cao, dùng để kết nối với các cảm biến vàmodule như màn hình OLED, cảm biến nhiệt độ, cảm biến khoảng cách, v.v

PWM: Hỗ trợ điều khiển động cơ, đèn LED hoặc các thiết bị khác với tín hiệu xung rộng.ADC và DAC: Hỗ trợ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số (ADC) và ngược lại(DAC), đáp ứng tốt các ứng dụng yêu cầu đọc dữ liệu analog từ các cảm biến như cảmbiến nhiệt độ, độ ẩm

Khả năng tiết kiệm năng lượng

ESP32 có các chế độ tiết kiệm năng lượng tối ưu, phù hợp cho các ứng dụng IoT đòi hỏitiêu thụ năng lượng thấp:

Deep Sleep và Light Sleep: Giúp giảm thiểu điện năng tiêu thụ khi không cần hoạt động,tiết kiệm năng lượng cho các ứng dụng yêu cầu thời gian hoạt động dài

Ultra Low Power (ULP) Processor: ULP cho phép ESP32 xử lý các tác vụ đơn giản màkhông cần kích hoạt CPU chính, giảm thiểu tối đa điện năng tiêu thụ

Tính năng bảo mật

ESP32 có các tính năng bảo mật nâng cao để bảo vệ dữ liệu và thiết bị:

AES, SHA và RSA: ESP32 hỗ trợ mã hóa AES, SHA và RSA, giúp tăng cường bảo mậtcho dữ liệu trong quá trình truyền tải

Secure Boot và Flash Encryption: Đảm bảo chỉ những firmware hợp lệ mới có thể khởiđộng và dữ liệu trong bộ nhớ Flash luôn được mã hóa, tăng cường tính bảo mật cho thiếtbị

Ứng dụng của ESP32 trong hệ thống robot chữa cháy

Với các tính năng mạnh mẽ, ESP32 là sự lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống robot chữacháy nhờ khả năng kết nối linh hoạt và hiệu suất xử lý cao:

Thu thập và xử lý dữ liệu từ cảm biến: ESP32 có khả năng đọc và xử lý nhanh dữ liệu từcác cảm biến nhiệt, cảm biến lửa, và cảm biến khí, giúp robot phát hiện đám cháy kịpthời

Điều khiển hệ thống di chuyển và dập lửa: Với PWM và các giao thức giao tiếp, ESP32

dễ dàng điều khiển động cơ và hệ thống dập lửa của robot

Giao tiếp không dây: Wi-Fi và Bluetooth cho phép robot gửi cảnh báo và thông tin vềtình trạng đám cháy đến các thiết bị điều khiển từ xa, hỗ trợ việc giám sát từ xa hiệu quả.Tiết kiệm năng lượng: ESP32 có thể chuyển sang chế độ tiết kiệm năng lượng khi khôngcần hoạt động, phù hợp cho các ứng dụng cần hoạt động dài hạn mà không cần nguồnnăng lượng lớn

Ưu và nhược điểm của ESP32

Phần mềm Energia là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) dành cho việc lập trìnhcác bo mạch nhúng của Texas Instruments (TI), như các bo mạch LaunchPad Với giaodiện người dùng thân thiện và dễ sử dụng, Energia là lựa chọn lý tưởng cho cả nhữngngười mới bắt đầu và những nhà phát triển kỳ cựu.

Hình 2.6 Phần Mềm Energia

Energia được thiết kế để tương thích với cú pháp lập trình và thư viện của Arduino, giúpngười dùng dễ dàng chuyển đổi giữa việc sử dụng các board Arduino và các bo mạchLaunchPad của TI Điều này mang lại sự linh hoạt cao cho các dự án và ứng dụng nhúng,đồng thời giúp người dùng tiết kiệm thời gian và công sức trong quá trình phát triển.Với khả năng hoạt động trên nhiều hệ điều hành như Windows, macOS và Linux,Energia cung cấp sự tiện lợi và linh hoạt cho các nhà phát triển Bạn có thể làm việc trênmôi trường phát triển ưa thích của mình mà không gặp bất kỳ rắc rối nào

Energia đi kèm với một bộ thư viện và ví dụ phong phú, giúp người dùng có thể nhanhchóng bắt đầu với các dự án và ứng dụng nhúng cụ thể Cộng đồng hỗ trợ sáng tạo vànhiệt tình của Energia cung cấp sự hỗ trợ và tài liệu phong phú, giúp người dùng giảiquyết các vấn đề và tìm kiếm ý tưởng mới

Tóm lại, phần mềm Energia là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt cho việc phát triển ứngdụng nhúng trên các bo mạch LaunchPad của Texas Instruments

Visual Studio

Visual Studio được biết đến như một phần mềm lập trình website nổi tiếng có một khônghai và đến nay chưa có công cụ nào có thể thay thế được chúng Visual Studio được lậptrình bằng ngôn ngữ VB+ và C#

Hình 2.7 Giao diện lập trình Visual studio

Sở dĩ Visual Studio được giới lập trình ưa chuộng như vậy là bởi những ưu điểm vượttrội sau đây:

● Visual Studio hỗ trợ lập trình trên nhiều nền tảng ngôn ngữ khác nhau từ C/C++,C#, cho đến F#, Visual Basic, HTML, CSS, JavaScript Thậm chí, phiên bản VS 2015 có

hỗ trợ code trên ngôn ngữ Python

● Visual Studio giúp hỗ trợ khả năng gỡ rối (Debug) hiệu quả và dễ dàng thông quaviệc chạy từng câu lệnh và theo dõi sự thay đổi trạng thái của chương trình qua giá trị cácbiến, cách vận hành của mã

● Visual Studio sở hữu giao diện thân thiện, dễ dàng sử dụng cho người mới bắtđầu

● Visual Studio cho phép xây dựng ứng dụng chuyên nghiệp thông qua kéo thả, hỗtrợ người mới bắt đầu tiếp cận nhanh hơn

● Visual Studio cho tích hợp nhiều ứng dụng khác như ứng dụng hỗ trợ quản lý vàviết mã nhanh cho các ngôn ngữ thuộc.Net- Resharper, hay cho phép cài đặt thư viện dễdàng nhờ Nuget

● Ngoài ra, công cụ này còn hỗ trợ phát triển ứng dụng desktop trên MFC,Windows Form hay Universal App Đồng thời phát triển ứng dụng mobile trên WindowsPhone 8/8.1, Windows 10, iOS và cả Android Xamarin Visual Studio còn hỗ trợ pháttriển website trên nền tảng Web Form, ASP.NET MVC và tất nhiên, phát triển MicrosoftOffice

Hơn nữa, Altium Designer lý tưởng cho các bảng mạch yêu cầu thiết kế phức tạp và tiêntiến Một trong những lợi ích tuyệt vời của phần mềm này là nó có thể được sử dụng bởi

cả người mới bắt đầu và các chuyên gia Điều này là do Altium thân thiện với ngườidùng Ngay cả khi đây là lần đầu tiên bạn sử dụng phần mềm này, bạn sẽ tìm ra cách củamình Mặc dù có các tính năng nâng cao nhưng nó có giao diện trực quan và thân thiệnvới người dùng

Hình 2.8 Phần Mềm Altium

Công cụ trực quan hóa 3D nâng cao: với hình ảnh 3D, người dùng Altium có thể có cáinhìn thực tế về bảng mạch bao gồm hỗ trợ MCAD-ECAD Ngoài ra, người dùng có thểxem cấu hình cho 3D và 2D

Trình kiểm tra quy tắc thiết kế nâng cao: Trình kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC) là mộtcông cụ mạnh mẽ trong Altium giúp kiểm tra thiết kế mạch vi phạm bất kỳ quy tắc điệnnào Hệ thống DRC tự động kiểm tra mọi vi phạm và cho biết vi phạm ở đâu Do đó, nó

có thể sửa lỗi này trước khi tạo thêm

Quản lý thư viện thống nhất: đây vừa là một tính năng vừa là lợi ích của AltiumDesigner Việc quản lý thư viện thống nhất làm cho thiết kế PCB trở thành một trải

nghiệm đáng yêu cho người dùng Hệ thống quản lý này chỉ đơn giản dựa trên một kholưu trữ dữ liệu duy nhất cho các mô hình linh kiện và dữ liệu được liên kết.

Thiết kế phân cấp và đa kênh: Altium Designer giúp dễ dàng làm việc trên các thiết kếnhiều lớp và phân cấp Ngoài ra, phần mềm này đơn giản hóa nhiều lớp trong các sheet

dễ đọc hơn

Giao diện công cụ tập trung: với giao diện giúp người dùng dễ dàng chọn công cụ, tạophần và chỉnh sửa Với tính năng này, bạn không cần phải lo lắng về thời gian điềuhướng

2.3.3 Phương thức giao tiếp UART

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter – Bộ truyền nhận dữ liệu khôngđồng bộ) là một giao thức truyền thông phần cứng dùng giao tiếp nối tiếp không đồng bộ

và có thể cấu hình được tốc độ

Giao thức UART là một giao thức đơn giản và phổ biến, bao gồm hai đường truyền dữliệu độc lập là TX (truyền) và RX (nhận) Dữ liệu được truyền và nhận qua các đườngtruyền này dưới dạng các khung dữ liệu (data frame) có cấu trúc chuẩn, với một bit bắtđầu (start bit), một số bit dữ liệu (data bits), một bit kiểm tra chẵn lẻ (parity bit) và mộthoặc nhiều bit dừng (stop bit)

Thông thường, tốc độ truyền của UART được đặt ở một số chuẩn, chẳng hạn như 9600,

19200, 38400, 57600, 115200 baud và các tốc độ khác Tốc độ truyền này định nghĩa sốlượng bit được truyền qua mỗi giây Các tốc độ truyền khác nhau thường được sử dụngtùy thuộc vào ứng dụng và hệ thống sử dụng

Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động của AURT

Uart truyền dữ liệu nối tiếp, theo 1 trong 3 chế độ:

 Simplex: Chỉ tiến hành giao tiếp một chiều

 Half duplex: Dữ liệu sẽ đi theo một hướng tại 1 thời điểm

 Full duplex: Thực hiện giao tiếp đồng thời đến và đi từ mỗi master và slave

Chân Tx (truyền) của một chip sẽ kết nối trực tiếp với chân Rx (nhận) của chip khác vàngược lại Quá trình truyền dữ liệu thường sẽ diễn ra ở 3.3V hoặc 5V Uart là một giaothức giao tiếp giữa một master và một slave Trong đó 1 thiết bị được thiết lập để tiếnhành giao tiếp với chỉ duy nhất 1 thiết bị khác

Dữ liệu truyền đến và đi từ Uart song song với thiết bị điều khiển Khi tín hiệu gửi trênchân Tx (truyền), bộ giao tiếp Uart đầu tiên sẽ dịch thông tin song song này thành dạngnối tiếp và sau đó truyền tới thiết bị nhận Chân Rx (nhận) của Uart thứ 2 sẽ biến đổi nótrở lại thành dạng song song để giao tiếp với các thiết bị điều khiển

Dữ liệu truyền qua Uart sẽ đóng thành các gói (packet) Mỗi gói dữ liệu chứa 1 bit bắtđầu, 5 – 9 bit dữ liệu (tùy thuộc vào bộ Uart), 1 bit chẵn lẻ tùy chọn và 1 bit hoặc 2 bitdừng

Quá trình truyền dữ liệu Uart sẽ diễn ra dưới dạng các gói dữ liệu này, bắt đầu bằng 1 bitbắt đầu, đường mức cao được kéo dần xuống thấp Sau bit bắt đầu là 5 – 9 bit dữ liệutruyền trong khung dữ liệu của gói, theo sau là bit chẵn lẻ tùy chọn để nhằm xác minhviệc truyền dữ liệu thích hợp Sau cùng, 1 hoặc nhiều bit dừng sẽ được truyền ở nơiđường đặt tại mức cao Vậy là sẽ kết thúc việc truyền đi một gói dữ liệu

Ưu điểm và nhược điểm của giao tiếp Uart

Ưu điểm:

 Chỉ cần dùng 2 dây truyền dữ liệu

 Không cần đến tín hiệu clock

 Có 2 bit chẵn lẻ nên có thể kiểm tra lỗi dễ dàng

 Cấu trúc gói dữ liệu có thể thay đổi được miễn là cả 2 bên đều được thiết lập đểgiao tiếp với nhau

 Phương pháp giao tiếp Uart có nhiều tài liệu hướng dẫn và cũng là bộ truyền dữliệu đang được sử dụng rộng rãi hiện nay

Nhược điểm:

 Kích thước của khung dữ liệu giới hạn tối đa là 9 bit, khá nhỏ so với nhu cầu sửdụng

 Không được hỗ trợ nhiều hệ thống master và slave

 Tốc độ truyền của mỗi giao tiếp Uart phải nằm trong khoảng 10% của nhau

 Ứng dụng của giao tiếp UART

Ta có thể kể đến một số ứng dụng cơ bản như:

Kết nối thiết bị điện tử với máy tính: chẳng hạn như vi điều khiển, cảm biến, màn hìnhhiển thị, máy in và các thiết bị khác Khi được kết nối với máy tính, các thiết bị này có thểgửi và nhận dữ liệu thông qua cổng giao tiếp UART

Giao tiếp giữa các vi điều khiển: Các vi điều khiển này có thể truyền và nhận dữ liệu đểthực hiện các tác vụ như điều khiển động cơ, đo lường và kiểm soát các thông số, và điềukhiển các thiết bị khác

Giao tiếp không dây: Giao thức UART có thể được sử dụng để giao tiếp không dây giữacác thiết bị, chẳng hạn như các thiết bị Bluetooth hoặc Wi-Fi Trong trường hợp này, các

dữ liệu được truyền qua sóng radio hoặc sóng vô tuyến

Điều khiển robot: Các thiết bị như bộ điều khiển và các mô-đun điều khiển robot có thể

sử dụng giao thức UART để gửi và nhận dữ liệu từ nhau

Hệ thống đo lường: Giao thức UART có thể được sử dụng để kết nối các thiết bị đo lườngvới các thiết bị khác, chẳng hạn như máy tính hoặc các thiết bị nhúng Các thiết bị đolường có thể gửi dữ liệu về các thông số đo được thông qua cổng UART, và thiết bị nhận

có thể hiển thị hoặc xử lý dữ liệu này

2.3.4 Phương thức giao tiếp Wi-Fi

Wi-Fi là công nghệ mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, cho phép thiết bị kết nốimạng Internet hoặc các thiết bị khác Trong hệ thống robot chữa cháy, Wi-Fi giúp truyềntải dữ liệu từ robot đến các thiết bị điều khiển từ xa hoặc gửi cảnh báo khi phát hiện cháy

Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của ESP32 Wi-fi

Đặc điểm của giao thức Wi-Fi trên ESP32

Tiêu chuẩn Wi-Fi 2.4 GHz: ESP32 hỗ trợ chuẩn Wi-Fi 2.4 GHz, giúp truyền dữ liệu vớitốc độ cao, tương thích với các mạng Wi-Fi phổ biến

Soft AP và Station Mode: ESP32 có khả năng hoạt động ở cả hai chế độ:

Soft AP (Access Point): Cho phép ESP32 tạo điểm truy cập Wi-Fi riêng, các thiết bị khác

có thể kết nối vào mạng này để giao tiếp với ESP32

Station Mode: ESP32 kết nối vào một mạng Wi-Fi có sẵn, sử dụng mạng này để truyền

dữ liệu hoặc nhận lệnh từ các thiết bị điều khiển từ xa

Ứng dụng trong robot chữa cháy: Wi-Fi giúp robot giao tiếp từ xa, truyền dữ liệu cảm

biến đến hệ thống giám sát, hoặc nhận lệnh điều khiển để thực hiện các nhiệm vụ cứuhỏa