Báo cáo bài tập lớn Đề tài hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas, báo cháybáo cáo bài tập lớn Đề tài hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas, báo cháy

Đề khắc phục sự cố của khí gas khi sử dụng chúng em đã làm ra thiết bị cảnh báo rò rỉ khí gas, thiết bị này giúp chúng ta dễ dàng nhận biết khí gas khi bị rò rỉ, được sử dụng trong các t

Trang 1

HQC VIEN CONG NGHE BUU CHINH VIEN THONG

KHOA CONG NGHE THONG TIN

BAO CAO BAI TAP LON

Đề tài: Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí Gas, báo cháy

Giảng viên hướng dẫn : Kim Ngoc Bách

Nhóm học phần 02

Nhóm bài tập lớn E12

Thành viên

B21DCCN255 - Pham Van Dire

B21DCCN310 - Luong Thai Ha

B21DCCN339 - Doan Minh Hiển

B21DCCN408 - Đỗ Mạnh Hùng

Hà Nội, tháng T0 năm 2024

Trang 2

Muc luc

I Giới thiệu dQ tai iio ccccccccccsesssessetssessecereseretereteetsesreseretaretsretseseresereteetese 3

1 Mô tả đựán SH Hee ru 3

2 Mục dích, ý nghĩa của dự ắn ch nh HH Hà ra 3

3 Tổng quan phương hướng - + Séc rEE r Er tt HH reo 3

4, Các thiết bị sử dụng trong hệ thống 2S nnHrnHn Hee rea 4

II — Cơ sở lý thuyết SH HH HH ghe rure 5

1 Khái nệm về ToT(Internet of Things) nành 5

2 Tầm quan trọng của loT trong an toàn khí Gas, cháy nỗ 5

3 Cấu trúc của hệ thống cảnh báo rò rỉ khí Gas, báo cháy trong thực tế 5

4 Giao thức HTTP ch TH HH Hung re 6

h ° ma 6 :aiiiiidẢŸẢŸẢ ẰẰằằa 7

7 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống .- 5à SH re reu 7

II Phân tích yêu cầu 6-5 Tnhh tnnH tt re ruu 12

1 Yêu cầu chức năng - tr HE HH He ren ra 12

2 Yêu cầu phi chức năng 2+ SE HH ng nu re tu 13

3 Yêu cầu về giao tiếp - ch HH nàng tre ru 13

4, Yêu cầu về môi trường hoạt động 4 SE ng Hn tt re re 14

5 Yêu cầu về thử nghiệm 2 + SE SE tr tt 2g 1 na 14

IV Phân tích thiết kế hệ thống - 6S TH tt ngu eg 15

V — Đánh giá kết quả dự án cc ch nh HH He Hee 15

VI Kếtluận HH He HH gen uea 15

Trang 3

I Giới thiệu đề tài

1 Mô tả dự án

Ngày nay với sự phát triên vượt bậc của khoa học kỹ thuật, điện tử đã được ứng

dụng ở rất nhiều lĩnh vực trong thực té dé phục vụ nhu cầu: chăm sóc sức khỏe, bảo vệ

tinh mang va tai san cho con người

Khi đời sống con người được cải thiện thì việc sử dụng bếp gas hay các san pham

cua gas làm nhiên liệu dun nấu đang phô biến Bên cạnh việc tiện lợi của gas, một van

để khác của gas cũng được quan tâm đó là: an toàn khi sử dụng gas Khi con người tiếp xúc trực tiếp với khí gas (vượt quá một nồng độ cho phép nhất định) trong thời gian dai thì rat đễ bị ngộ độc gas và có thể gây tử vong Không những vậy khí gas rò rỉ vào trong không khí có thể đễ dàng bắt lửa và gây cháy nỗ, ảnh hưởng nghiêm trọng tới an toàn của người sử đụng cũng như những người xung quanh Vì vậy, vấn đề phát hiện và xử lý sự cố rò gas là một việc rất cần thiết với người thường xuyên sử đụng gas Dặc biệt là các bạn sinh viên thường sử dụng các bình gas mini không đảm bảo chất lượng, có thê rò rỉ gas bất cứ khi nào Xuất phát từ ý tưởng và tình hình thực tế

em thấy đây là một đẻ tài hay, có tính ứng dụng cao và có thê phát triển nên em đã chọn đề tài này làm đề tài chính trong đồ án môn học

Đề khắc phục sự cố của khí gas khi sử dụng chúng em đã làm ra thiết bị cảnh báo

rò rỉ khí gas, thiết bị này giúp chúng ta dễ dàng nhận biết khí gas khi bị rò rỉ, được sử dụng trong các tòa nhà vả hộ gia đình

2 Mục dịích, ý nghĩa của dự án

Biết cách làm một đỗ án hoàn chỉnh phục vụ cho việc làm dé an tốt nghiệp về sau

® Sản pham hoạt động ôn định với day đủ các chức năng cần thiết cho việc '“ cảnh báo khí gas và phòng chống cháy no “

e San phâm nhỏ, gọn, mang tính thâm mỹ cao

3 Tông quan phương hướng

Hệ thống cảnh báo rò ri khí gas đang ngày càng trở nên quan trọng trong việc bảo vệ an toàn cho con người vả tài sản Trong bối cảnh công nghệ loT ngày cảng phát

Trang 4

trién, một số xu hướng chính có thê hình thành trong tương lai cho hệ thống này bao

gôm:

Tích hợp trí tuệ nhân tạo sẽ giúp hệ thống phân tích đữ liệu từ các cảm biến một

cách hiệu quả hơn, nhận diện các mẫu rò ri khí và đưa ra cảnh báo chính xác hơn

Machine Learning cũng có thê cải thiện khả năng phát hiện bất thường và giảm thiếu số lượng báo động giả

Cải thiện cảm biến thông minh: Các cảm biến thông minh sẽ trở nên nhỏ gọn và

nhạy bén hơn, cho phép tích hợp nhiều loại cảm biến vào một thiết bị duy nhất

Chúng có thê đo lường nhiều loại khí khác nhau va tự động điều chỉnh ngưỡng cảnh báo tùy theo môi trường

Tích hợp với hệ sinh thái nhà thông minh: Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas sẽ ngày cảng được tích hợp vào các hệ thống nhà thông minh, cho phép tự động điều khiến các thiết bị khác (như quạt thông gió, cửa số tự động, v.v.) nhằm giảm thiểu nguy cơ

Những xu hướng nảy sẽ không chỉ nâng cao khả năng phát hiện rò rỉ khí gas mả còn tăng cường an toàn cho người đùng và giảm thiêu rủi ro liên quan đến sự cố khí gas trong tương lai

4 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống

a Phần cứng

ESP32 WROOM 32

Cảm biến khí Gas MQ2

Màn hình LCD 1602 để hiển thị thông số

Còi báo cháy

Module 2 relay dé diéu khién bat tắt quạt, máy bơm

Servo đề đóng mở cửa

Kit để kết nối các linh kiện

Các dây dẫn

b Phần mềm

Arduino IDE : Arduino IDE để viết mã cho ESP32 Chương trình viết xong sẽ

được nạp vào ESP32 thông qua giao tiếp USB Arduino IDE có công cụ kiểm tra lỗi và nạp chương trình để giúp đảm bảo rằng chương trình hoạt động ổn định

Firebase Realtime Database 1a co sé dir ligu duoc luu trit trén dam may để lưu trữ giá trị khí gas đo được, giá trị khí gas tiêu chuẩn, các trạng thái của relay, servo cũng như trạng thái khi phát hiện lửa Các giá trị sẽ được đồng bộ hóa theo

thời gian thực mỗi khi người dùng hoặc ESP32 kết nối

Trang 5

©_ Frontend(React]S): Xây đựng giao diện người dùng đề tương tác với hệ thống cũng như theo dõi nồng độ khí gas cũng nhưng trạng thái của các thiết bị e©_ Backend(NodelS): xây dựng một API đề giao tiếp voi Firebase Realtime

Database và phục vụ các yêu cau tir frontend ReactJS

H Cơ sở lý thuyết

1 Khái niệm về ToT(Internet of Things)

Internet of Things (IoT) là một mạng lưới các thiết bị vật lý được kết nối với

nhau qua internet, cho phép thu thập, trao đổi và phân tích đữ liệu mà không cần sự can thiệp của con người Các thiết bị này có thể bao gồm cảm biến, máy móc, thiết bị điện tử, và hơn thế nữa, được trang bị các cảm biến và phần mềm để thu thập thông tin

va tương tác với môi trường [1]

2 Tầm quan trọng của loT trong an toàn khí Gas, cháy nỗ

Rèò rỉ khí gas có thể dẫn đến các tai nạn nghiêm trọng, bao gồm cháy nỗ và ô nhiễm

không khí Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas sử dụng IoT giúp phát hiện và thông báo kịp thời về các rủi ro này, từ đó giảm thiêu thiệt hại cho con người và tài sản loT cung cấp khả năng giám sát liên tục và phản ứng nhanh chóng với các tình huống nguy hiểm

3 Cấu trúc của hệ thống cảnh báo rò rỉ khí Gas, báo cháy trong thực tế

Hệ thống cảnh báo rò ri khí gas thường bao gồm các thành phân chính sau:

e Cảm biến khí gas: Thiết bị phát hiện các loại khí như metan, propan, hay khí tự

nhiên Cảm biến này thường sử dụng công nghệ điện hóa, hồng ngoại, hoặc bán

dẫn để xác định nồng độ khí, Một số loại cảm biến phô biến bao gồm cảm biến điện hóa (được sử dụng cho khí độc như CO, HzS), cảm biến hồng ngoại (Thích

hợp cho khí dễ cháy như CH¡, C:H:), cảm biến bán dẫn (rẻ và có kích thước nhỏ,

thường dùng cho các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao)

nhiều giao thức truyền thông (MQTT, HTTP, CoAP)

e Nền tảng lưu trữ dữ liệu: Dữ liệu từ các cảm biến được gửi đến máy chủ đám

mây, nơi chúng được lưu trữ, xử lý và phân tích Nền tảng này thường sử dụng các công nghệ như Big Data và AI để cung cấp thông tin hữu ích

e Giao diện người dùng: Ứng dụng di động hoặc web cho phép người dùng theo dõi tình trạng an toàn của môi trường xung quanh, nhận thông báo khi có rò rỉ

khí, và quản lý các thiết bị cảm biến.

Trang 6

I 1

Web Mobile App

Internet

()) Nút nhấn khẩn cấp

@ 838 8 Đèn còi báo

sip «ip “â»

a TU DIEU KHIEN i " "

Sensor

Hình 1: Sơ đồ của hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas trén thuc té

4 Giao thức HTTP

Khai niém: Giao thire truyén thong Hypertext Transfer Protocol (HTTP) la mét giao thức cơ bản được sử dụng để truy cập và truyén tải đữ liệu trên Internet Trong lĩnh vực loT, HTTP đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối và truyền thông đữ liệu giữa các thiết bị loT và các hệ thống backend [2]

Cách hoạt động: Khi một thiết bị loT muốn gửi dữ liệu đến một hệ thống backend

thông qua giao thức HTTP, nó sẽ thiết lập một kết nối TCP với máy chủ và gửi một

yêu cầu HTTP chứa dữ liệu cần truyền Hệ thống backend sau đó xử lý yêu cầu này và

có thé tra về phản hồi theo yêu cầu của thiết bị loT

5 WebSocket

Khái niệm: WebSocket là một giao thức truyền thông cung cấp các kênh liên lạc song công hoàn toàn qua một kết nối TCP duy nhất giữa máy khách và máy chủ Không giống như HTTP truyền thống tuân theo mô hình phản hồi yêu câu, giao thức này cho

phép giao tiếp hai chiều Điều này có nghĩa là máy khách và máy chủ có thê gửi đữ

liệu cho nhau bất cứ lúc nào, giúp dữ liệu được truyền đi nhanh chóng mà không cần phải tải lại trang web [2]

Cách hoạt động:

Trang 7

không cần gửi thêm yêu cầu HTTP mới

6 Firebase

Khái niệm: Firebase trong IoT là một nền tảng được sử dụng để hỗ trợ lưu trữ và quản

lý đữ liệu của các thiết bị loT trên đám mây Firebase cung cấp một loạt các dịch vụ,

chẳng hạn như cơ sở đữ liệu thời gian thực, lưu trữ tệp, phân tích, và khả năng xác

thực người dùng, giúp các hệ thong IoT có thê lưu trữ, xử lý và đồng bộ đữ liệu dé dàng giữa các thiết bị và ứng dụng [3]

Các khía cạnh chính về việc sử dung Firbase trong dự án loT:

® Firebase Realtime Database: là một giao thức được xây dựng dựa trên

WebSocket và HTTP để cung cấp kết nối dữ liệu liên tục theo thời gian thực, là một cơ sở dữ liệu NoSQL, nơi mà dữ liệu được lưu trữ dưới dạng JSON và đồng

bộ hóa theo thời gian thực Điều này rất phù hợp với các ứng dụng IoT, vì các thiết bị loT thường cần gửi và nhận đữ liệu trong thời gian thực

Firebase Cloud Messaging (FCM): cho phép cac thiét bi loT gửi và nhận thông

báo thông qua dịch vụ đám mây của Firebase Ví dụ, một thiết bị loT có thể phát

hiện sự cố (như phát hiện khói hoặc khí gas vượt ngưỡng) và gửi thông báo tới người dùng ngay lập tức

7 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống

a ESP32 WROOM32: Đây là bộ vi điều khiến mạnh mẽ với khả năng kết nối Wi-Fi

va Bluetooth, rất phù hợp cho các ứng dung IoT

Trang 8

TS RE _ 2

RENIN cE

INPUT ONLY| RTG_IO5 |ADC1_7|~GPIO35 3

es Cee or

TOE cre See

ao | eee a

oc

Brower Ifoac system = ~PwM

Hiscno IAnALoe El uar st:

fepopN fToucH Metco gyi

Phan cing cua ESP-WROOM-32: [4]

GPIO (General Purpose Input/Output): ESP32 co 34 chan GPIO cé thé lap trình

được, với mỗi chân có thê thực hiện nhiều chức năng khác nhau như đầu vao/dau ra

kỹ thuật số, ADC, UART, SPI, I2C, và PWM Một số chân được chỉ định sẵn cho

các chức năng đặc biệt như ADC hoặc DAC, nhưng các chân khác có thể được cầu

hình tùy chỉnh qua chương trình

ADC (Analog to Digital Converter): ESP32 cé 18 kénh ADC 12-bit chia thành

hai khéi (ADC1 và ADC2), cho phép chuyén déi tin hiéu analog thành giá trị số từ

0 đến 4093 Độ phân giải cao của ADC giúp đo chính xác các tín hiệu từ cảm biến DAC (Digital to Analog Converter): ESP32 tich hop 2 kénh DAC 8-bit trên các

chân GPIO25 và GPIO26, cho phép chuyền đổi tín hiệu số sang tín hiệu điện áp

analog

PWM (Pulse Width Modulation): Có 16 kênh PWM độc lập, giúp điều khiển

động cơ và đèn LED Người dùng có thê điều chỉnh tần số, chu kỳ nhiệm vụ và gán kênh PWM cho bat ky chan GPIO nao

RTC GPIO (Real-Time Clock GPIO): ESP32 co 16 GPIO RTC, gitp danh thire thiết bị khỏi chế độ ngủ sâu (Deep Sleep) nhờ các nguồn đánh thức bên ngoài Cảm biến điện dung: Có 10 GPIO cảm ứng điện dung, sử dụng đề phát hiện sự thay đổi điện dung khi có vật chạm vào chân cảm ứng, không cần phân cứng bổ sung

Giao diện UART: ESP32 có 3 giao diện UART cho truyền thông nối tiếp, thường

sử dụng cho giao tiếp với máy tính hoặc các module khác

Giao diện SPI: ESP32 có 3 khối SPI (SPI, HSPI, VSPI), dùng cho truyền thông tốc

độ cao với các thiết bị ngoại v1 như bộ nhớ Flash

Trang 9

(SCL), nhưng cĩ thé cau hình lại

e Chỉ đầu vào GPIO: Một số chân như GPIO34, GPIO35, GPIO36, và GPIO39 chỉ

hỗ trợ đầu vào kỹ thuật 86

Triển khai ESP32 voi Firebase: [5]

Yêu cầu phần cứng:

¢ ESP32 WROOM 32

Yêu cầu phần mềm:

® Arduino IDE

e Thư viện Firebase ESP32 Client để hỗ trợ kết nối Firebase

Các bước thực hiện:

Bước 1: Cài đặt Arduino IDE và thêm ESP32 và Board Manager

Bước 2: Cài thư đặt thư viện Firebase ESP32 Client: Vao Tools -> Manage Libraries, tim kiém “Firebase ESP32 Client” va cai đặt

Bước 3: Kết nối WiFi: Khai báo thư viện “W¡Fi.h” đề kết nối ESP32 với WiFi

Code: https://1deone.com/JSbøyd

Bước 4: Tạo dự án trên Firebase: bạn vào đường dẫn sau:

htips://console.đrebase.øoòle.com/u/0/ rỗi tạo một dự án cĩ tên là “BLT-IOT”

Bước 5: Kết nối với Eirebase: Sau khi ESP32 kết nối thành cơng với WiFi, bạn cần

kết nối với Firebase Dưới đây là cách thiết lập thơng qua thư viện “Firebase ESP32

Client”:

Code: https:/ideone.com/j5bgyd

Bước 6: Gửi và nhận dữ liệu bằng Firebase Realtime Database: Sau khi kết nối thành cơng với Firebase, ta cĩ thê gửi và nhận giữ liệu thơng qua Firebase Realtime Database Vi dy, nếu muốn gửi giá trị khí gas đo được từ cảm biến ta cĩ thể thực hiện

bằng câu lệnh:

Firebase.setInt(firebaseData, “/data/gasValue”, value);

Hoặc nêu muốn đặt lại giá trị ngưỡng khí gas từ Firebase ta cĩ thê dùng câu lệnh:

Trang 10

gasThreshold = firebaseData.intData();

Bước 7: Firebase Console: tai day ban c6 thé xem những giá trị đo được từ cảm biến

hoặc cũng có thê gửi giá trị cho ESP32 thông qua Firebase Realtime Database

Code: https://1deone.com/J5bøvd [5]

b Cảm biến khí gas MQ2

Cảm biến MQ-2 là một trong những cảm biến khí phố biến, được sử dụng đề phát hiện

nhiều loại khí khác nhau, bao gồm khí gas tự nhiên (methane), khí LPG (propane), khói và một số khí độc khác Đây là một cảm biến điện hóa, hoạt động dựa trên

nguyên tắc thay đổi điện trở khi tiếp xúc với các loại khí

Chức năng của cảm biến MQ-2:

và hơi từ các chất dễ cháy, một số khí độc như CO (carbon monoxide)

e Do lường nhiệt độ: Cảm biến cung cấp tín hiệu điện để đo lường nồng độ khi,

giúp người dùng biết được tình trạng an toàn của môi trường

© Cảnh báo Rò rỉ: Khi nồng độ khí vượt quá ngưỡng an toàn, cảm biến có thể kích hoạt hệ thống cảnh báo đề thông báo cho người dùng về rủi ro tiềm ân Cảm biến MQ-2 hoạt động theo nguyên lý điện trở thay đổi Dưới đây là các bước

cu the:

một dây kim loại với lớp oxiIt kim loại nhạy cảm với khí (thường là ŠSnO2).Cảm

biến có hai chân: chân cấp điện (VCC) và chân tín hiệu (AO/DO)

° Cấp điện: Khi cảm biến được cấp điện (thường là 5V), điện trở của lớp SnÖ: sẽ

bị ảnh hưởng bởi các khí mả nó tiếp xúc

10

Tiêu đề	Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas, báo cháy
Tác giả	Pham Van Dire, Luong Thai Ha, Doan Minh Hiển, Đỗ Mạnh Hùng
Người hướng dẫn	Kim Ngoc Bách
Trường học	Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
Chuyên ngành	Công Nghệ Thông Tin
Thể loại	Báo cáo
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	1,77 MB