Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas

- Thiết kế khối giao tiếp ngoại vi, lấy cơ sở dữ liệu trực tuyến thông qua Internet, truyền nhận thông tin giữa trạm phụ và trạm trung tâm... Các khí trong công nhiệp đư

Trang 1

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

MSSV : 15141277

SVTH2: Đỗ Thị Huệ

MSSV : 15141168

Tp Hồ Chí Minh – 6/2019

Trang 2

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o

Tp HCM, ngày 1 tháng 6 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 41

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO,

PHÒNG CHỐNG HỎA HOẠN VÀ RÒ RỈ KHÍ GAS

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas được thực hiện với các số liệu ban đầu như sau:

- Hệ thống thu thập dữ liệu từ cảm biến lửa, nhiệt độ, khí gas

- Hiển thị giá trị thu thập được lên LCD và trang web Thingspeak.com để theo dõi nồng độ khí gas, nhiệt độ trong phòng

- Nếu phát hiện có gas, lửa hay nhiệt độ quá cao sẽ báo động bằng cách gọi, gửi tin nhắn cho người sử dụng và mở quạt thông gió nhằm làm giảm nồng độ khí gas trong không khí, kích hoạt máy bơm hoạt động dập tắt lửa

2 Nội dung thực hiện:

- Lên ý tưởng đồ án

- Tìm hiểu về linh kiện sử dụng

- Thiết kế, thi công khối cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến phát hiện lửa, cảm biến rò rỉ khí gas

- Thiết kế khối giao tiếp ngoại vi, lấy cơ sở dữ liệu trực tuyến thông qua Internet, truyền nhận thông tin giữa trạm phụ và trạm trung tâm

Trang 3

- Chạy thử nghiệm hệ thống

- Cân chỉnh hệ thống

- Viết luận văn

- Báo cáo đề tài tốt nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/02/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2019

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Thầy Hà A Thồi

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 4

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Tp.HCM, ngày 28, tháng 02, năm 2019

Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan tới đề tài:

cảm biến khí gas MQ2, cảm biến phát hiện

lửa flame sensor, cảm biến nhiệt độ DHT-22, Arduino Uno R3, động cơ bơm P385,

ESP8266 Node MCU, LCD 16X2 Tuần 6

(11/3 – 17/3)

Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module, các cảm biến với Arduino ở bộ điều khiển trung tâm

Tính toán thiết kế khối nguồn, thiết kế sơ đồ

toàn mạch và giải thích nguyên lý hoạt động của mạch

Trang 5

Kiểm tra , cân chỉnh mạch thi công

Viết báo cáo nội dung đã làm

Tuần 14

(6/5 – 12/5)

Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem

xét góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo

Tuần 15

(13/5 – 19/5)

Nộp quyển báo cáo và báo cáo đề tài

Làm slide (6-10 cái), báo cáo với GVHD

GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)

Trang 6

Nhóm sinh viên – Đỗ Thị Huệ và Trần Minh Tâm xin cam đoan đây là đồ án

do nhóm tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Hà A Thồi Nhóm chỉ tham khảo các tài liệu trước đó và các nghiên cứu trên mạng online Kết quả công bố trong khóa luận tốt nghiệp là trung thực không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Tp.HCM, ngày 10 tháng 06 năm 2019

SV thực hiện đồ án ( Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Minh Tâm Đỗ Thị Huệ

Trang 7

Nhóm thực hiện đồ án xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt đến giảng viên hướng dẫn thầy Hà A Thồi vì đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện đồ án, người đã đưa

ra hướng nghiên cứu, giải đáp thắc mắc, cũng như tận tình quan sát nhóm làm việc Trong quá trình thực hiện nhóm đã tiếp thu được những kiến thức thực tế và cách làm việc nghiêm túc, hiệu quả từ thầy

Nhóm em xin gửi lời tri ân thành nhất đến các quý thầy cô trong khoa Điện - điện tử đã hỗ trợ chúng em về những kiến thức nền tảng vững vàng, tạo điều kiện tốt nhất cho sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu

Sự hỗ trợ thầm lặng và vô cùng quan trọng từ gia đình và bạn bè luôn là động lực để nhóm có thể làm việc hết khả năng và hoàn thành đồ án một cách tốt nhất

Một lần nữa nhóm vô cùng hân hạnh khi được làm sinh viên tại trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, là học trò của những giảng viên đầy tâm huyết, lời cảm ơn này cũng là sự ghi nhận sâu sắc mà nhóm muốn gửi đến thầy cô, gia đình và bạn bè

Trang 8

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

LỜI CAM ĐOAN vi

LỜI CẢM ƠN vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH xii

DANH SÁCH BẢNG VẼ xv

TÓM TẮT xvi

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 1

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG CÔNG NGHIỆP 4

2.1.1 Khái niệm 4

2.1.2 Ứng dụng của khí gas trong công nhiệp 4

2.1.2.1 Ứng dụng trong ngành thực phẩm 4

2.1.2.2 Ứng dụng trong thiết bị gia dụng 4

2.1.2.3 Ứng dụng làm nhiên liệu khí đốt 6

2.1.3 Tính chất nguy hiểm cháy, nổ của gas 7

2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 7

2.2.2 Phân loại cảm biến nhiệt độ 8

2.3 GIỚI THIỆU TIA LỬA ĐIỆN 8

2.3.2 Điều kiện tạo ra tia lửa điện 9

2.3.3 Ứng dụng 9

2.4 GIỚI THIỆU MẠNG DI ĐỘNG GSM 9

2.5 CÁC LOẠI MODULE SIM TRÊN THỊ TRƯỜNG 11

2.5.1 Nguyên lý hoạt động 12

2.5.1.1 Giao tiếp UART với vi điều khiển 12

2.5.1.2 Tập lệnh AT 12

Trang 9

2.6.2 Bộ thu phát sóng vô tuyến (RF) 15

2.7 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT SÓNG RF 17

2.7.1 Nguyên lý hoạt động 17

2.7.2 Giao tiếp SPI với vi điều khiển 18

2.8 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG INTERNET 18

2.8.1 Cấu trúc của mạng Internet 18

2.8.2 Các mạng truy nhập không dây 18

2.9 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT WIFI 19

2.10 NGUỒN CUNG CẤP 20

2.10.1 Bộ chuyển đổi nguồn AC – DC 20

2.10.1.1 Bộ chuyển đổi Adapter 20

2.10.1.2 Nguồn tổ ong 21

2.10.2 Bộ chuyển đổi nguồn DC- DC 22

2.10.2.1 Mạch tăng áp BOOST 22

2.10.2.2 Mạch hạ áp BUCK 24

2.11 ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 25

2.11.1 Động cơ điện 1 pha 25

2.11.2 Động cơ điện 3 pha 26

2.12 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO 26

2.12.1 Phần cứng 26

2.12.2 Phần mềm 27

2.12.3 Các loại Arduino 28

2.12.3.1 Arduino Uno R3 28

2.12.3.2 Arduino Nano 29

2.12.3.3 Arduino Mega 2560 R3 30

2.13 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU 31

2.13.1 Giao tiếp SPI 31

2.13.2 Giao tiếp UART 32

2.13.3 Giao tiếp I2C 33

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 38

3.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 38

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG 38

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 38

3.2.1 Tính toán và thiết kế mạch 40

Trang 10

3.2.1.3 Cảm biến nhiệt độ 43

3.2.1.4 Cảm biến siêu âm HC-SR04 45

3.2.1.5 Chuông báo động 46

3.2.1.6 Khối hiển thị 46

3.2.1.7 Module Wifi ESP8266 48

3.2.1.8 Mạch thu phát RF NRF24L01+ 50

3.2.1.9 Module SIM 800A MINI 51

3.2.1.10 Khối xử lý trung tâm Arduino 52

3.2.1.11 Khối nguồn 54

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 55

3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của khối thu thập dữ liệu 55

3.2.3.2 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm 57

3.2.3.3 Sơ đồ nguyên lý khối máy bơm 58

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 60

4.1 GIỚI THIỆU 60

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 60

4.2.1 Thi công khối thu thập dữ liệu 60

4.2.2 Khối xử lý trung tâm 62

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 64

4.3.1 Thi công hộp bảo vệ mạch 64

4.3.2 Thi công mô hình 64

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 64

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 64

4.4.1.1 Khối thu thập dữ liệu 64

4.4.1.2 Khối xử lý trung tâm 69

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 69

4.4.2.1 Giới thiệu phần mềm lập trình 69

4.4.2.2 Giới thiệu về Web Thingspeak 73

4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG VÀ THAO TÁC 75

Chương 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 76

5.1 GIỚI THIỆU 76

5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 76

5.2.1 Sử dụng Arduino Nano 76

Trang 11

5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 77

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 81

6.1 KẾT LUẬN 81

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 83

Trang 12

Chương 2

Hình 2 1: Sự nguy hiểm khi gas phát nổ 7

Hình 2 2: Tia lửa điện 8

Hình 2 3: Cấu trúc cơ bản của mạng di động 10

Hình 2 4: Module SIM 800A mini 11

Hình 2 5: Module SIM 800l 11

Hình 2 6: Module SIM 900A 11

Hình 2 7: Giao tiếp UART giữa Module SIM và vi Arduino 12

Hình 2 8: Sơ đồ mạch tạo sóng RF đơn giản 16

Hình 2 9: Sơ đồ mạch thu sóng đơn giản 16

Hình 2 10: Mạch thu phát 6 kênh 2.4 GHZ L24YK-RX4 17

Hình 2 11: Mạch thu phát sóng RF NRF24L01+ 17

Hình 2 12: Mạch thu phát RF UART LC12S 2.4Ghz 17

Hình 2 13: Giao tiếp SPI giữa thiết bị đầu và thiết bị cuối 18

Hình 2 14: Mạng LAN không dây 19

Hình 2 15: Mạng không dây diện rộng 19

Hình 2 16: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA CP2102 19

Hình 2 17: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA V3 CH340 20

Hình 2 18: Mạch thu phát Wifi ESP8266 UART ESP-01 20

Hình 2 19: Adapter 12V-1.5A 21

Hình 2 20: Nguồn tổ ong 12V-10A 22

Hình 2 21: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp 23

Hình 2 22: Mạch tăng áp XL6009 4A 24

Hình 2 23: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch hạ áp 24

Hình 2 24: Mạch hạ áp DC-DC LM2596 25

Hình 2 25: Động cơ xoay chiều một pha 25

Hình 2 26: Hình ảnh Arduino Uno R3 28

Hình 2 27: Arduino Nano 29

Hình 2 28: Arduino Mega 2560 R3 30

Hình 2 29: Kết nối 1 thiết bị với Arduino theo chuẩn giao tiếp SPI 31

Hình 2 30: Cấu trúc của một Frame dữ liệu 33

Hình 2 31: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 34

Hình 2 32: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn và chế độ nhanh 34

Hình 2 33: Hướng đi của xung Clock và hướng đi của đường dữ liệu 35

Hình 2 34: Trình tự truyền bit 36

Hình 2 35: Start bit và Stop bit 37

Chương 3 Hình 3 1: Sơ đồ khối thu thập dữ liệu 38

Hình 3 2: Sơ đồ khối xử lý trung tâm 39

Hình 3 3: Hình ảnh khối máy bơm 40

Hình 3 4: Hình ảnh thực tế của cảm biến MQ-2 40

Hình 3 6: Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2 42

Hình 3 7: Module cảm biến phát hiện lửa 42

Trang 13

Hình 3 11: Giản đồ thời gian của cảm biến HC- SR04 45

Hình 3 12: Hình ảnh còi báo động 46

Hình 3 13: Hình ảnh LCD 16x2 47

Hình 3 14: Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 48

Hình 3 15: Sơ đồ chân Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 49

Hình 3 16: Mạch Thu Phát RF NRF24L01+ 50

Hình 3 17: Sơ đồ chân Mạch Thu Phát RF NRF24L01+ 51

Hình 3 18: Module SIM 800A Mini 51

Hình 3 19: Arduino Nano 52

Hình 3 20: Sơ đồ chân Arduino Nano 53

Hình 3 21: Sơ đồ khối của khối nguồn 54

Hình 3 22: Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp 54

Hình 3 23: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp 54

Hình 3 24: Sơ đồ nguyên lý khối thu thập dữ liệu 55

Hình 3 25: Sơ đồ khối xử lý trung tâm 57

Hình 3 26: Sơ đồ nguyên lý khối máy bơm 58

Chương 4 Hình 4 1: PCB mặt sau khối thu thập 60

Hình 4 2: PCB mặt trước khối thu thập 60

Hình 4 3: Hình ảnh khối thu thập dữ liệu sau khi in 61

Hình 4 4: Khối thu thập sau khi đã lắp linh kiện 62

Hình 4 5: PCB mặt sau của khối trung tâm 62

Hình 4 6: PCB mặt trước của khối trung tâm 63

Hình 4 7: Hình ảnh khối xử lý trung tâm sau khi in 63

Hình 4 8: Hình ảnh hệ thống sau khi hoàn thiện hộp bảo vệ 64

Hình 4 9: Hình ảnh mô hình đề tài 64

Hình 4 10: Lưu đồ khối thu thập dữ liệu 65

Hình 4 11: Lưu đồ đọc giá trị cảm biến 66

Hình 4 12: Lưu đồ truyền dữ liệu qua Module NRF24L01 67

Hình 4 13: Lưu đồ chương trình truyền dữ liệu UART sang NodeMCU 67

Hình 4 14: Lưu đồ gửi dữ liệu lên Thingspeak 68

Hình 4 15: Lưu đồ khối xử lý trung tâm 69

Hình 4 16: Giao diện Arduino IDE 70

Hình 4 17: Chọn Arduino sử dụng 71

Hình 4 18: Chọn cổng COM kết nối với Arduino 72

Hình 4 19: Hình ảnh truy cập trang Web Thingspeak 73

Hình 4 20: Đăng nhập tên tài khoản và mật khẩu 74

Hình 4 21: Chọn kênh quan sát 74

Hình 4 22: Hình ảnh dữ liệu trên Thingspeak 74

Hình 4 23: Quy trình thao tác sử dụng hệ thống 75

Trang 14

Hình 5 1: Hình ảnh ban đầu của khối thu thập dữ liệu 77

Hình 5 2: Hình ảnh ban đầu của khối xử lý trung tâm 78

Hình 5 3: Hệ thống phát hiện có gas 78

Hình 5 4: Hệ thống nhắn tin cho người dùng 79

Hình 5 5: Hệ thống phát hiện lửa 79

Hình 5 6: Hệ thống gọi điện thông báo phát hiện lửa 80

Hình 5 7: Thông tin cảm biến được cập nhật trên Thingspeak 80

Trang 15

Bảng 2 1: Phân loại tần số sóng vô tuyến 15

Chương 3 Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật cảm biến khí gas MQ-2 42

Bảng 3 2: Thông số kỹ thuật DHT22 44

Bảng 3 3: Chức năng các chân của LCD 16x2 48

Bảng 3 4: Danh sách linh kiện sử dụng nguồn 5V 56

Bảng 3 5: Danh sách linh kiện sử dụng nguồn 12V 56

Bảng 3 6: Danh sách linh kiện sử dụng nguồn 3.3V 56

Bảng 3 7: Danh sách linh kiện khối xử lý trung tâm 58

Bảng 3 8: Danh sách linh kiện khối máy bơm 59

Chương 4 Bảng 4 1: Bảng thống kê linh kiện sử dụng cho khối thu dữ liệu 62

Bảng 4 2: Bảng thống kê linh kiện sử dụng cho khối trung tâm 63

Trang 16

Hậu quả của sự cố cháy nổ và hỏa hoạn gây ra rất nặng nề và đáng báo động Theo như số liệu của Tổng cục Thống Kê (Bộ Kế hoạch và Đầu tư ) tính đến 4 tháng đầu năm 2019 cả nước thiệt hại hơn 458 tỷ đồng, làm 10 người chết và mất tích, 19 người bị thương Nhằm nắm bắt được những số liệu trên và có thể hạn chế được phần nào hậu quả mà hỏa hoạn và cháy nổ mang lại, nhóm em đã quyết định thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas

Với mục tiêu là hệ thống có thể phát hiện được lửa và khí gas rò rỉ một cách nhanh chóng và chính xác Người dùng có thể giám sát nhiệt độ của môi trường tại nơi đặt thiết bị từ xa thông qua internet Phương thức cảnh báo đơn giản và thông dụng như là gọi điện hay nhắn tin sẽ phù hợp đối mọi loại điện thoại di động có mặt trên thị trường hiện nay Nhóm sẽ thực hiện hệ thống thông qua việc tích lũy kiến thức được học tại trường cũng như quan sát và nghiên cứu thực tiễn Tất cả vì mục đích hoàn thành được mô hình dễ lắp dặt, dễ sử dụng, tiết kiệm điện, mang lại cho người dùng cảm giác tin cậy và an toàn

Trang 18

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Theo như số liệu thống kê về 9 tháng đầu năm 2018 có 2989 vụ cháy nổ, tổng thiệt hại do hỏa hoạn gây ra là làm chết 73 người và bị thương 163 người, thiệt hại về tài sản là 1589 tỷ đồng [1] Số liệu trên là một con số đáng báo động về tình trạng phòng chống cháy nổ của người dân cũng như chưa có đủ thiết bị an toàn để phòng chống hỏa hoạn Để đáp ứng được nhu cầu sử dụng thiệt bị phòng chống cháy nổ và

đảm bảo an toàn cho người dân nhóm em đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas” Hệ thống này

sử dụng vi điều khiển trung tâm là module Arduino và module WiFi ESP8266 Node MCU, các cảm biến nhiệt độ, khí gas và cảm biến phát hiện lửa

Dựa trên thực tế là chỉ có những thiết bị phòng cháy đơn giản như là đầu báo cháy, đầu báo khói, đầu báo xì gas, hay các bình chữa cháy di động vẫn chỉ giải quyết được phần nào hiện tượng cháy nổ và chưa hiệu quả Vấn đề đặt ra là cần một thiết bị có tích hợp cả 3 khả năng báo cháy, báo nhiệt độ và rò rỉ khí gas và người dùng có thể giám sát trực tiếp số liệu trên internet thông qua laptop hoặc là Smart phone Nhóm em đã vận dụng các kiến thức được học tại trường cũng như khảo sát thực tế để có thể hoàn thành được hệ thống như trên

Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas dựa trên nền tảng kiến thức về lĩnh vực điện tử, xã hội và môi trường Nhóm phát triển hệ thống dựa trên đồ án môn học trước là hệ thống báo quá nhiệt độ qua SMS [2] Hệ thống sẽ được cải tiến thêm về khả năng phát hiện lửa, báo cháy, rò rỉ khí gas, có cơ sở dữ liệu trực tuyến cho người dùng

1.2 MỤC TIÊU

Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas là một hệ thống thu thập các giá trị của cảm biến, hiển thị dữ liệu lên LCD Khi hệ thống phát hiện gas sẽ mở quạt để hút khí gas ra ngoài, nếu phát hiện lửa sẽ mở máy bơm dập tắt lửa Các thông tin mà cảm biến thu thập được sẽ được cập nhật lên Thingspeak.com và thông báo qua điện thoại người dùng bằng cách gọi điện hoặc gửi tin nhắn Hệ thống cũng có khả năng tự chuyển đổi nguồn cung cấp sang nguồn dự phòng khi có sự cố cúp điện

Trang 19

Hệ thống sẽ giúp hạn chế hiện tượng cháy nổ, rò rỉ khí gas, đảm bảo an toàn về tính mạng cũng như tài sản cho người sử dụng

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Đối với đồ án: “Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas” thì nội dung cần thực hiện bao gồm:

• NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về các nghiên cứu gần với đề tài đã có, những hạn chế còn tồn tại từ đó đưa ra những giải pháp cho đề tài nhóm cần hướng tới

• NỘI DUNG 2: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài: nguyên nhân cháy

nổ, rò rỉ khí gas,…

• NỘI DUNG 3: Tìm hiểu các giao thức truyền nhận giữa các module, truyền nhận tín hiệu thông qua sóng cao tần

• NỘI DUNG 4: Lựa chọn các cảm biến cũng như vi điều khiển phù hợp với hệ thống

• NỘI DUNG 5: Tìm hiểu IDE – môi trường lập trình cho Arduino

- Sử dụng cảm biến phát hiện lửa flame sensor (3.3V-5VDC)

- Sử dụng cảm biến nhiệt độ DHT-22(5VDC), nhiệt độ hoạt động -40 oC ~ 80oC

- Sử dụng cảm biến phát hiện khí gas MQ-2 (5VDC), phát hiện được các loại khí như LPG, Metan, Hydrogen

- Kích thước mô hình 30x60x30 cm

Trang 20

1.5 BỐ CỤC

• Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày đặt vấn đề lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này tập trung vào các lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm các kiến thức về khí gas, các loại module, các thiết bị ngoại vi, vi điều khiển sử dụng trong hệ thống

• Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

Chương này trình bày về sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của hệ thống, trình bày chi tiết về các loại linh kiện, giao thức giao tiếp giữa các module với nhau

• Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Dựa trên sơ dồ nguyên lý tiến hành thi công phần cứng là lập trình phầm mềm cho hệ thống đáp ứng được các yêu cầu đã định ra

• Chương 5: Kết Qủa, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương này sẽ trình bày kết quả mà nhóm đã thực hiện so với mục tiêu ban đầu, nhận xét hoạt động của hệ thống

• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Tóm lược lại những điều nhóm đã thực hiện, đồng thời đưa ra hướng phát triển để có được một đề tài hoàn thiện

Trang 21

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG CÔNG NGHIỆP

2.1.1 Khái niệm

Hiện nay, với đặc tính là nguồn nhiên liệu sạch và thân thiện với môi trường thì khí gas dần khẳng định được vị trí quan trọng trong đời sống của chúng ta

và đã góp phần tạo nên sự văn minh của xã hội Lợi ích của gas là rất tích cực, được

sử dụng rộng rãi trong dân dụng, thương mại, vận tải và các ứng dụng công nghiệp

Gas là hỗn hợp của các chất Hydrocacbon, trong đó thành phần chủ yếu là khí Propane (C3H8), Butane (C4H10) và một số thành phần khác

2.1.2 Ứng dụng của khí gas trong công nhiệp

Khí công nghiệp là loại nguyên liệu khí được sản xuât để sử dụng trong công nghiệp Các khí trong công nhiệp được sửu dụng nhiều nhất như: nitrogen, oxy, caarbon dioxide, hydro, acetylen,…

Các loại khí công nghiệp được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Bao gồm các ngành công nghiệp nặng như dầu khí, hoá dầu, hóa chất, điện, khai thác mỏ, luyện kim, kim loại Và cũng được sử dụng trong các ngành dược phẩm, công nghệ sinh học, thực phẩm, nước, phân bón, điện hạt nhân, điện tử, hàng không

vũ trụ, phân tích thí nghiệm, kiểm nghiệm môi trường…

2.1.2.1 Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Nước ngọt có gas đã trở thành loại nước giải khát quá quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta Nước có gas chiếm đến 94% thành phần của nước ngọt, có tên gọi hóa học là: Carbon dioxide (CO2) - có vai trò như một chất bảo quản nhẹ Khí CO2 được sử dụng nhiều trong ngành sản xuất nước giải khát và bia rượu

Trong công nghiệp khí CO2 được điều chế từ các khí sinh ra khi lên men rượu bia, phân hủy chất béo, từ các khí thu được trong sản xuất hóa chất, như sản xuất amoniac hoặc tổng hợp methanol, từ khói các nhà máy công nghiệp đốt than

2.1.2.2 Ứng dụng trong thiết bị gia dụng

a Máy điều hòa

Gas điều hòa là môi chất được sử dụng trong hệ thống làm hạnh hấp thụ nhiệt, có nhiệm vụ mang nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp thải ra nơi có nhiệt độ cao hơn Đây

Trang 22

chính là thành phần không thể thiếu trong quá trình làm lạnh của hệ thống điều hòa nói chung và các hệ thống làm lạnh nói riêng

Các loại gas được sử dụng trong máy điều hóa không khí như gas R22, gas R410A, gas R32 nhưng được sử dụng nhiều nhất vẫn là gas R22 và Gas R410A

❖ Gas điều hòa R22

Gas R22 là loại gas được sử dụng đầu tiên trên các máy lạnh, chiếm hơn 70% trên thị trường điều hòa hiện nay, được sủ dụng cho máy điều hòa không khí loại thường (không sử dụng công nghệ Inverter)

❖ Gas điều hòa R410A

Gas R410A có độ bay hơi cao hơn, và khi môi trường ở tầm thấp sẽ gây thiếu oxi chính vì vậy mà phòng của bạn phải được thoáng khí nếu không sẽ rất nguy hiểm khi có hiện tượng rò rỉ khí gas

❖ Gas điều hòa R410A

Loại Gas R32 là loại gas mới nhất hiện nay, được ứng dụng sử dụng nhiều nhất tại Nhật Bản Loại gas này được phát minh ra nhằm thay thế cho loại gas R22 và loại R410A

b Tủ lạnh

Gas tủ lạnh được nằm trong các dây đồng có tác dụng chuyển tải nhiệt từ dàn lạnh tới dàn nóng Khí gas khi đi qua dàn lạnh sẽ hấp thụ nhiệt xung quanh dàn lạnh để chuyển tới dàn nóng Tại đây, khí gas sẽ được làm mát thông qua việc tản nhiệt ra môi trường

❖ Gas R12

Gas R12 là loại gas lâu đời nhất, được sử dụng phổ biến trong các tủ lạnh đời

cũ Gas R12 bình thường có mùi hôi, khi đốt có màu xanh lá và mùi hắc, có thể gây choáng và nhức đầu khi hít nhiều

❖ Gas R134A

Do tính chất độc hại và gây nguy hiểm cho tầng Ozon của gas R12 nên gas R134A được tạo ra để thay thế cho gas R12 Loại gas này được sử dụng phổ biến cho nhiều loại tủ lạnh dân dụng hiện nay

Trang 23

2.1.2.3 Ứng dụng làm nhiên liệu khí đốt

a Khí đốt hóa lỏng (Liquefied Petrolium Gas - LPG)

LPG là khí không màu, không mùi (được thêm mùi để dễ phát hiện khi bị rò rỉ), nhiệt độ ngọn lửa từ 1890ºC đến 1935ºC, nhẹ hơn nước nhưng nặng hơn không khí, dễ cháy, không chứa chất độc nhưng có thể gây ngạt thở

Khí đốt ( Petrolium gas) là sản phẩm phụ thu được trong quá trình chế biến dầu, Khí đốt được hóa lỏng để tạo thành LPG Thành phần hóa học chủ yếu gồm

propan, butan và một lượng nhỏ propylen, butylen và các khí khác

b Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas - LNG )

LNG là khí không màu, không mùi, không vị, không độc hại và không có tính chất ăn mòn, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 2440oC và nhẹ hơn không khí

Khí thiên nhiên (Natural gas) được hóa lỏng ở -120ºC đến -170ºC (tùy vào tỷ lệ thành phần hỗn hợp trong chất khí), giúp dễ dàng bảo quản và vận chuyển

c Khí nén thiên nhiên( Compressed Natural Gas - CNG)

CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC và nhẹ hơn không khí Thành phần chủ yếu của CNG gồm các hydrocarbon, trong đó metan có thể chiếm đến 95%, etan chiếm 5% đến 10% cùng một lượng nhỏ propan,

butan và các khí khác

Thông thường, hương lưu huỳnh được thêm vào giúp dễ phát hiện khi bị rò rỉ

Do nhẹ hơn không khí nên trong trường hợp rò rỉ, khí thiên nhiên (cả CNG và LNG) không gây thiệt hại nghiêm trọng như xăng hoặc LPG

Trang 24

2.1.3 Tính chất nguy hiểm cháy, nổ của gas

Khi thoát ra khỏi thiết bị chứa, gas chuyển thành thể khí nên rất khó bảo quản Mặt khác, do không có mùi, không có màu nên gas thoát ra thiết bị chứa rất khó phát hiện, do đó nhà sản xuất phải đưa thêm vào hỗn hợp gas chất tạo ra mùi bắp cải thối

để dễ phát hiện gas bị rò rỉ

Tỷ trọng của gas nặng hơn không khí (Propan gấp 1,55 lần; Butan gấp 2,07 lần) nên khi thoát khỏi thiết bị chứa, gas tích tụ ở những chỗ trũng trên mặt đất và tạo

thành hỗn hợp nguy hiểm cháy nổ

Do nhiệt độ ngọn lửa của gas khi bị cháy rất cao (1900oC đến 1950oC) nên dễ gây bỏng cho người và gia súc đồng thời gây cháy lan, khó khăn cho việc chữa cháy (vận tốc cháy lan của Butan là 0,38m/s của Propan là 0,46m/s)

Hình 2 1: Sự nguy hiểm khi gas phát nổ

2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Cảm biến là thiết bị dùng cảm nhận sự biến đổi của các đại lượng vật lý không có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…) cần đo thành các đại lượng (thường mang tính chất điện) có thể đo và xử lý được Sau đó các bộ phận xử lí trung tâm sẽ thu nhận dạng tín hiệu điện trở hay điện áp đó để xử lí

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt của vật chất ảnh hưởng rất lớn đến nhiều tính chất của vật, việc đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác

Trang 25

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi về nhiệt độ của đại lượng cần đo

Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đó là “Nhiệt độ môi trường cần đo” và “Nhiệt độ cảm nhận của cảm biến” Điều đó nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác

2.2.2 Phân loại cảm biến nhiệt độ

Hiện nay cảm biến nhiệt độ được chia ra làm các loại sau:

• Cặp nhiệt điện ( Thermocouple )

• Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector )

• Thermistor

• Bán dẫn ( Diode, IC ,….)

• Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ).Dùng hồng ngoại hay lazer

2.3 GIỚI THIỆU TIA LỬA ĐIỆN

Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí đặt giữa hai điện cực khi điện trường đủ mạnh để biến phân tử khhis trung hòa thành ion dương và electron tự do

Hình 2 2: Tia lửa điện

Trang 26

2.3.2 Điều kiện tạo ra tia lửa điện

Tia lửa điện có thể hình thành trong không khí khi điện trường đạt giá trị ngưỡng vào khoảng 3.106 V/m Hiệu điện thế đủ để phát phát sinh tia lửa điện trong không khí giữa hai điện cực dạng khác nhau

2.3.3 Ứng dụng

Tia lửa điện được dùng phổ biến trong động cơ nổ để đốt hỗn hợp trong xilanh Bộ phận phát tia lửa điện là bugi Giải thích và phòng tránh hiện tượng sét

2.4 GIỚI THIỆU MẠNG DI ĐỘNG GSM

GSM là viết tắt của từ " The Global System for Mobile Communication" -

Mạng thông tin di động toàn cầu

GSM là tiêu chuẩn chung cho các thuê bao di động di chuyển giữa các vị trí địa lý khác nhau mà vẫn giữ được liên lạc

❖ Các mạng điện thoại GSM ở Việt Nam

Ở Việt Nam và các nước trên Thế giới , mạng điện thoại GSM vẫn chiếm đa

số, Việt Nam có 3 mạng điện thoại GSM đó là :

• Mạng Vinaphone : 091 => 094

• Mạng Mobiphone : 090 => 093

• Mạng Vietel 098

❖ Công nghệ của mạng GSM

Các mạng điện thoại GSM sử dụng công nghệ TDMA - TDMA là viết tắt của từ Time Division Multiple Access " - Phân chia các truy cập theo thời gian

Giải thích : Đây là công nghệ cho phép 8 máy di động có thể sử dụng chung 1 kênh để đàm thoại , mỗi máy sẽ sử dụng 1/8 khe thời gian để truyền và nhận thông tin

❖ Công nghệ CDMA

Khác với công nghệ TDMA của các mạng GSM là công nghệ CDMA của các mạng như

• Mạng Sphone 095…

• Mạng EVN.Telecom 096

• Mạng HTL 092

Trang 27

• CDMA là viết tắt của " Code Division Multiple Access " - Phân chia các truy cập theo mã

Giải thích : Công nghệ CDMA sử dụng mã số cho mỗi cuộc gọi, và nó không

sử dụng một kênh để đàm thoại như công nghệ TDMA mà sử dụng cả một phổ tần (nhiều kênh một lúc) vì vậy công nghệ này có tốc độ truyền dẫn tín hiệu cao hơn công nghệ TDMA

❖ Cấu trúc cơ bản của mạng di động

Mỗi mạng điện thoại di động có nhiều tổng đài chuyển mạch MSC ở các khu vực khác nhau ( Ví dụ như tổng đài miền Bắc, miền Trung, miền Nam) và mỗi Tổng đài lại có nhiều trạm thu phát vô tuyến BSS

Hình 2 3: Cấu trúc cơ bản của mạng di động

Trang 28

2.5 CÁC LOẠI MODULE SIM TRÊN THỊ TRƯỜNG

Dựa trên hệ thống mạng di động GSM trên toàn cầu và nhằm mục đích thực hiện các chức năng gọi điện hay nhắn tin cho người sử dụng điện thoại di động, ta có thể lựa chọn các module sim có mặt trên thị trường như : sim800L, sim900A, sim800A mini,…

Hình 2 4: Module SIM 800A mini

Hình 2 5: Module SIM 800l

Hình 2 6: Module SIM 900A

Trang 29

2.5.1 Nguyên lý hoạt động

Module sim hoạt động dựa trên cách thức là : giao tiếp UART với vi điều khiển trung tâm và sử dụng tập lệnh AT

2.5.1.1 Giao tiếp UART với vi điều khiển

Các module sim sẽ có 2 chân chức năng là : RX, TX Ta sẽ nối với vi điều khiển theo quy tắc chéo : chân RX của module sim nối với chân TX của vi điều khiển và ngược lại chân RX của vi điều khiển nối với chân TX của module sim

Riêng đối với dòng module sim 800x mini thì ta mắc theo cách sau : chân TX của vi điều khiển (Arduino) khi nối với chân RX của module sim cần qua cầu phân áp trở 1k nối tiếp trở 2k lấy tại điểm giữa Vì để hạ áp từ 5V xuống 3.3V, không làm cháy module sim

Hình 2 7: Giao tiếp UART giữa Module SIM và vi Arduino

2.5.1.2 Tập lệnh AT

Tập lệnh AT (Attention command) tập lệnh chuẩn được hỗ trợ bởi hầu hết các thiết bị di động như điện thoại di động, GSM modem có hỗ trợ gửi và nhận tin nhắn tin nhắn dưới dạng SMS (Short Message Service) và điều khiển cuộc gọi Rất nhiều sinh viên các trường đại học trong và ngoài nước đã được giao các đề tài nghiên cứu về tập lệnh AT phục vụ cho các mục đích điều khiển khác nhau như: các cuộc gọi, truyền các file dữ liệu dưới dạng âm thanh, hình ảnh từ máy tính đến điện thoại di động, từ điện thoại di động đến điện thoại di động để tạo kỹ năng làm việc trong các hệ thống mạng viễn thông Nhiều doanh nghiệp trong nước đã xây dựng các dịch vụ tin nhắn dưới dạng SMS với mục đích quảng cáo và chăm sóc khách hàng trong kinh doanh

Các lệnh chung:

Trang 30

• AT : Kiểm tra module có hoạt động hay không

Trả về: OK nếu hoạt động bình thường, báo lỗi hoặc không trả về nếu có lỗi xảy ra

• AT+CPIN? : Kiểm tra Simcard

Trả về: +CPIN: READY OK (nếu tìm thấy simcard)

Các lệnh gọi điện:

• ATD0123456789: Gọi điện cho số điện thoại 0123456789

• ATA : Chấp nhận cuộc gọi đến

• ATH : Hủy cuộc gọi

• AT+CUSD=1 : Chuyển chế độ USD để tra số dư tài khoản

• ATD*101#; : Kiểm tra tài khoản ( Trả về: +CUSD: 0, “Tai khoan goc cua quy

khach la ….)

Các lệnh nhắn tin:

• AT+CMGF=x : Cấu hình tin nhắn (x=0: DPU, x=1:dạng ký tự)

• AT+CNMI=2,x,0,0 : Chọn x=1 (chỉ báo vị trí lưu tin nhắn) hoặc x=2 (hiển thị

ra ngay nội dung tin nhắn)

Trả về: +CMTI: “SM”,3 (x=1)

Trả về:+CMT: “+84938380171″, ’’’’,”17/07/30,14:48:09 +28” noidungtinnhan

• AT+CMGR=x : Đọc tin nhắn tại vị trí lưu x

Trả về: nội dung tin nhắn

• AT+CMGD=x : Xóa tin nhắn được lưu ở vị trí x

• AT+CMGS=”sodienthoai” : Gửi tin nhắn cho sodienthoai, sau dòng lệnh này sẽ nhận được ‘>’ (mã HEX là 0x3C), bây giờ có thể nhập vào nội dung tin nhắn, nhập tiếp 0x1A để gửi tin nhắn đi hoặc 0x1B để hủy gửi tin nhắn

2.6 BỘ THU PHÁT SÓNG VÔ TUYẾN (RF)

2.6.1 Sóng vô tuyến ( RF )

RF (radio frequency) – tần số vô tuyến là một sóng điện từ có dãi tần nằm trong khoảng 3khz đến 300Ghz, tương ứng với tần số của các sóng vô tuyến và các dòng điện xoay chiều mang tín hiệu vô tuyến

Trang 31

Tần số Bước sóng Tên gọi Viết

tắt Công dụng

300 Hz

10^4 10^3 km

km-Tần số

cực kỳ thấp

ELF Chứa tần số điện mạng xoay chiều,

các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp

km-Tần số

trung bình MF

Dùng cho phát thanh thương mại sóng trung (535 – 1605 kHz) Cũng được dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

3 - 30 MHz 100m-10m Tần số

Dùng trong thông tin vô tuyến 2 chiều với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá

Trang 32

108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 tần số từ 54 -

216 MHz)

300 MHz -

Tần số

cực cao UHF

Dùng cho các kênh truyền hình thương mại từ kênh 14 đến kênh 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất,

di động tế bào, một số hệ thống radar và dẫn đường, hệ thống vi ba và vệ tinh

2.6.2 Bộ thu phát sóng vô tuyến (RF)

Đầu tiên người ta dùng một mạch dao động cộng hưởng LC, nó được kết nối bởi một cuộn dây và một tụ điện Khi mạch LC bị tác động trong cuộn dây sẽ xuất hiện một từ trường và trong tụ điện sẽ xuất hiện một điện trường Khi vào trạng thái cộng hưởng, từ trường trong cuộn dây sẽ kết hợp với điện trường trong tụ điện tạo ra một dạng sóng điện từ Lúc này chỉ cần một ăng-ten cho sóng trong mạch LC phát vào không gian, ta có được tia sóng dùng trong diều khiển vô tuyến

Trang 33

Hình 2 8: Sơ đồ mạch tạo sóng RF đơn giản Khi sóng điện từ được phát vào không gian, để thu được tín hiệu từ sóng để sử dụng ta ần một thiết bị thu sóng Thiết bị thu sóng này gồm các phần cơ bản sau: - Ăng-ten: Thu sóng từ không gian - Bộ khuếch đại: Khuếch đại sóng thu được để tiến hành xử lý - Bộ tách sóng: Tách sóng mang thông tin ra khỏi sóng mang - Bộ điều chế và giải mã: Khôi phục sóng về trạng thái ban đầu trước khi trước khi truyền đi Như vậy là thu được sóng mang thông tin ban đầu để sử dụng

Hình 2 9: Sơ đồ mạch thu sóng đơn giản Bộ thu phát sóng cao tần được sử dụng trong giao tiếp không dây Ứng dụng chính của bộ thu phát này là làm cho thông tin ở dạng dữ liệu/ thoại/ video được truyền qua môi trường không dây Mục đích chính của thiết bị này là thay đổi tần số

IF (trung tần) thành tần số sóng cao tần và ngược lại Module thu phát sóng cao tần được sử dụng trong truyền dẫn vô tuyến, truyền thông vệ tinh, để truyền tín hiệu truyền hình, tiếp nhận và trong các mạng Wimax hoặc WLAN, Zigbee hoặc ITE

Trang 34

2.7 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT SÓNG RF

Để có thể truyền nhận dữ liệu từ xa trong phạm vi không quá 1km, chúng ta có thể sử dụng các loại module thu phát sóng RF trên thị trường như : NRF24L01+, mạch thu phát RF UART LC12S 2.4Ghz, mạch thu RF 6 kênh 2.4Ghz L24YK-RX4,…

Hình 2 10: Mạch thu phát 6 kênh 2.4 GHZ L24YK-RX4

Hình 2 11: Mạch thu phát sóng RF NRF24L01+

Hình 2 12: Mạch thu phát RF UART LC12S 2.4Ghz

2.7.1 Nguyên lý hoạt động

Các loại module thu phát RF trên thị trường hoạt động theo cách thức giao tiếp UART hoặc là giao tiếp SPI với vi điều khiển trung tâm Giao tiếp UART của module thu phát RF tương tự như phần giao tiếp UART của module sim đã trình bày ở phần trên, ta sẽ đi tìm hiểu giao tiếp SPI giữa module thu phát RF với vi điểu khiển

Trang 35

2.7.2 Giao tiếp SPI với vi điều khiển

SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select) Ta sẽ kết nối 4 chân SCK, MISO, MOSI, SS của vi điều khiển trung tâm với 4 chân SCK, MISO, MOSI, SS của module thu phát RF

Hình 2 13: Giao tiếp SPI giữa thiết bị đầu và thiết bị cuối

2.8 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG INTERNET

Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu có thể được truy nhập công cộng gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau Hệ thống này truyền thông tin theo kiểu nối chuyển gói dữ liệu (Packet Switching) dựa trên một giao thức liên mạng đã được chuẩn hóa (giao thức IP)

2.8.1 Cấu trúc của mạng Internet

• Phần cạnh của mạng:

Hosts: clients (máy khách) và servers (máy chủ)

Servers thường có trong các trung tâm dữ liệu

Các mạng truy nhập, đường truyền vật lý: các kết nối truyền thông có dây (hữu tuyến), không dây (vô tuyến)

• Phần lõi của mạng:

Các bộ định tuyến được kết nối với nhau

Mạng của các mạng

2.8.2 Các mạng truy nhập không dây

Mạng truy nhập không dây chia sẻ (dùng chung) kết nối hệ thống đầu cuối tới bộ định tuyến Qua trạm cơ cở: điểm truy nhập (access point)

Mạng LAN không dây (wireless LANs): Sử dụng trong toà nhà 802.11b/g (WiFi): tốc độ truyền 11 Mbps, 54 Mbps

Trang 36

Hình 2 14: Mạng LAN không dây Mạng truy nhập không dây diện rộng: Được cung cấp bởi các nhà điều hành viễn thông (di động) (10 km) Tốc độ truyền từ 1 đến 10 Mbps Điển hình như 3G, 4G LTE

Hình 2 15: Mạng không dây diện rộng

2.9 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT WIFI

Để có thể truy cập dữ liệu trên internet và đẩy dữ liệu lên cơ sở dữ liệu trực tuyến, ta có thể sử dụng các module thu phát wifi như: mạch thu phát Wifi ESP8266 Uart ESP-01, kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102, kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua V3 CH340,…

Hình 2 16: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA CP2102

Trang 37

Hình 2 17: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA V3 CH340

Hình 2 18: Mạch thu phát Wifi ESP8266 UART ESP-01

❖ Nguyên lý hoạt động

Module thu phát Wifi hoạt động theo cách thức giao tiếp UART với vi điều khiển trung tâm Và phần giao tiếp UART tương tự như giao tiếp UART của module sim và module thu phát sóng RF đã trình bày ở phần trên

2.10 NGUỒN CUNG CẤP

2.10.1 Bộ chuyển đổi nguồn AC – DC

2.10.1.1 Bộ chuyển đổi Adapter

❖ Khái niệm

Adapter là bộ phận chuyển đổi điện áp giữa các thiết bị điện tử sử dụng nguồn điện khác 220V xuống một điện áp thấp hơn Thiết bị chuyển đổi này được gọi chung

là Adapter

❖ Chức năng chính của Adapter

• Cung cấp nguồn điện thích hợp cho các thiết bị điện tử hoạt động ổn định

• Ngoài cung cấp nguồn điện Adapter còn có thể sạc pin cho thiết bị điển hình nhất là pin cho laptop

Trang 38

Các thiết bị nhỏ hơn như smarphone, camera quan sát thì các adapter có công suất 1,5A, 3,5A là đủ

❖ Các thông số kỹ thuật của Adapter

• Điện áp

Đây là điện áp là thiết bị cần để sử dụng ổn định Từ nguồn điện cao áp chuẩn (AC) sẽ được biến đổi thành điện áp thấp hơn (DC) để nạp vào pin hoặc cung cấp trực tiếp cho thiết bị hoạt động

• Cường độ dòng điện

Thông số này được đo bằng đơn vị Ampe(A) thể hiện sức mạnh của dòng điện để thiết bị hoạt động Một thiết bị có ghi 4,5A có nghĩa dòng điện đầu vào phải có cường độ đủ 4,5A thì mới đáp ứng được Cường độ dòng điện chuẩn của nguồn 220V thường là 12A các thiết bị sử dụng adapter phải có cường độ thấp hơn con số này

Hình 2 19: Adapter 12V-1.5A

2.10.1.2 Nguồn tổ ong

Nguồn tổ ong là cách gọi khác của nguồn xung Cái tên nguồn tổ ong bắt nguồn từ hình dạng các lỗ thông hơi thoát nhiệt của bộ nguồn xung được đục lỗ lục giác giống với cấu tạo của tổ ong

Nguồn tổ ong được sử dụng với mục đích biến đổi nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều Việc này được thực hiện thông qua chế độ dao động xung được tạo ra bằng một mạch điện tử với một biến áp xung

❖ Cấu tạo của nguồn xung

• Biến áp xung

Biến áp xung có cấu tạo gồm các cuộn dây được quấn đều trên một lõi từ Cấu tạo này giống như biến áp thông thường Cấu tạo này giúp biến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần dù có cùng một cấu tạo và kích thước

Trang 39

• Các bộ phận khác

Để biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều, nguồn tổ ong còn cần đến cuộn chống nhiễu, diode chỉnh lưu và đặc biệt là tụ lọc sơ cấp Tụ lọc sơ cấp có nhiệm vụ tích trữ điện áp sau khi được biến đổi Sau đó, lượng điện áp này sẽ được dùng để cung cấp năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xung

Ngoài ra, nguồn tổ ong còn có cầu chì Đây là bộ phận có tác dụng bảo vệ mạch nguồn khi mạch nguồn bị ngắn mạch

Bộ phận cuối cùng của nguồn tổ ong đó là IC quang và IC TL431 Đây là 2 bộ phận có tác dụng tạo ra một điện áp cố định Qua đó không chế điện áp để ổn định theo mong muốn 2 loại IC này còn có nhiệm vụ khống chế dao động đóng cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp Sau đó cho ra điện áp ở bên thứ cấp đạt yêu cầu

Hình 2 20: Nguồn tổ ong 12V-10A

2.10.2 Bộ chuyển đổi nguồn DC- DC

2.10.2.1 Mạch tăng áp BOOST

Mạch tăng áp là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor) và ít nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai

Trang 40

Hình 2 21: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp

❖ Nguyên lý hoạt động

Vin là điện áp vào, Vout là điện áp ra trên tải, tụ C để lọc, PWM ( Pulse Width Modulation) là mạch điều khiển chế độ rộng xung đóng ngắt cho Switch Các linh kiện tích lũy năng lượng là L và C, do tính đóng ngắt điện nên Switch phải là linh kiện tự chuyển mạch chẳng hạn như transistor (BJT, MOSFET, IGBT, GTO ) hoặc ở dạng kết hợp gồm thysistor(SCR) với bộ chuyển mạch Diode D không cho dòng từ

C phóng về lại Vin

Khi "Swich On" được đóng lại thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng lên rất nhanh, dòng điện sẽ qua cuộn cảm qua van và xuống đất Dòng điện không qua diode và tụ điện phóng điện cung cấp cho tải Ở thời điểm này thì tải được cung cấp bởi tụ điện

Khi "Switch Off" được mở ra thì lúc này ở cuối cuộn dây xuất hiện với 1 điện áp bằng điện áp đầu vào Điện áp đầu vào cùng với điện áp ở cuộn cảm qua diode cấp cho tải và đồng thời nạp cho tụ điện Khi đó điện áp đầu ra sẽ lớn hơn điện áp đầu vào, dòng qua tải được cấp bởi điện áp đầu vào

Điện áp đầu ra được tính như sau :

Vout = Vin * (1- ton /( ton + toff) ) = Vin *(1- D ) ( D là độ rộng xung ) (2.1) Với ton và toff lần lượt là thời gian mở và thời gian khóa của Switch

Năng lượng đầu ra chỉ có thể nhỏ hơn hoặc bằng năng lượng đầu vào, do đó ở mạch Boost dòng đầu ra phải nhỏ hơn dòng đầu vào (do áp đầu ra lớn hơn áp đầu vào)

Định dạng
Số trang	109
Dung lượng	3,74 MB