Nghiên cứu và thiết kế giải pháp cho thiết bị giám sát và cảnh báo sớm đối với nguy cơ rò rỉ khí gas trong môi trường phòng kín

Nghiên cứu và thiết kế giải pháp cho thiết bị giám sát và cảnh báo sớm đối với nguy cơ rò rỉ khí gas trong môi trường phòng kín” nhằm phát hiện và phòng ngừa sớm nguy cơ cháy nổ do hiện tưởng rò rỉ khí gas tại những vị trí quan trọng. Thiết bị có thể báo động tại chỗ qua hệ thống còi và đèn báo động, đồng thời báo động từ xa qua cuộc gọi và tin nhắn thoại. Do vậy, chúng ta có thể giám sát được từ xa để ngăn ngừa sớm hậu quả xảy ra.

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Ngày có lẽ khí gas khơng xa lạ với nhà hữu ích giúp ta hầu hết hoạt động từ nấu nướng gia đình đến áp dụng nhiều dây chuyền sản xuất cơng nghiệp…Nhưng sử dụng tồn mối nguy hiểm như: có rò rỉ ta không phát kịp thời mà tiếp xúc vơ tình ngửi phải ảnh hưởng lớn đến sức khỏe, tín mạng Thậm chí, có tia lửa vùng khơng gian tồn khí gas gây cháy nổ Chính tồn rủi ro nguy hiểm nên nhóm chúng em chọn nghiên cứu giải pháp đề phòng tránh “Nghiên cứu thiết kế giải pháp cho thiết bị giám sát cảnh báo sớm nguy rò rỉ khí gas mơi trường phòng kín” thơng minh Hệ thống gồm nhiều sử dụng cảm biến khí gas đặt vị trí có nguy rò rỉ để thu thập tình trạng rò rỉ khí gas nơi Khi có nguy hiểm gửi tín hiệu sóng vơ tuyến xử lí trung tâm để xử lí trung tâm điều khiển gửi tín nhắn, gọi điện đến chủ nhà hay phòng bảo vệ để báo động có rò rỉ khí gas cụ thể nơi Nhờ họ có biện pháp xử lí kịp thời Bên cạnh đó, hệ thống còi báo động tồn hệ thống báo động hiển thị thông tin nơi rò rỉ lên hình LCD để có ý định đến ngang khu vực nguy hiểm tránh xa Khơng dừng lại hệ thống kết nối với internet đưa liệu liệu lên web giúp ta giám sát từ xa Mục đích nghiên cứu Với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế giải pháp cho thiết bị giám sát cảnh báo sớm nguy rò rỉ khí gas mơi trường phòng kín” nhằm phát phòng ngừa sớm nguy cháy nổ tưởng rò rỉ khí gas vị trí quan trọng Thiết bị báo động chỗ qua hệ thống còi đèn báo động, đồng thời báo động từ xa qua gọi tin nhắn thoại Do vậy, giám sát từ xa để ngăn ngừa sớm hậu xảy Mục tiêu nghiên cứu - Thu thập liệu nồng độ khí gas hiển thị lên LCD - Khi khu vực phát khí gas bị rò rỉ, hệ thống báo động hiển thị lên LCD - Điều khiển còi đèn báo động phát rò rỉ khí gas nguy hiểm - Báo nguy hiểm thông qua gọi điện tin nhắn điện thoại Nội dung nghiên cứu - Xác định mục tiêu giới hạn đề tài - Tìm hiểu sở lý thuyết - Thiết kế khối cảm biến, khối hiển thị, khối báo động chỗ, khối báo động qua tin nhắn - Viết code cho Arduino Uno R3 - Thiết kế hộp bảo vệ cho board mạch - Lắp ráp board mạch, cảm biến vào hộp bảo vệ - Chỉnh sửa lỗi điều khiển, lỗi lập trình lỗi thiết bị - Chạy thử nghiệm hệ thống - Cân chỉnh hệ thống - Viết báo cáo - Báo cáo đề tài Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tìm kiếm, thu thập tài liệu liên quan mạng Internet, thư viện, từ trích lọc thông tin cần thiết phục vụ cho thực đề tài Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết: Phân tích, nghiên cứu tư liệu, tài liệu, lý luận từ nhiều nguồn, phân tích chúng thành phận để tìm hiểu sâu sắc thiết bị Tổng hợp, liên kết mặt, phận thông tin phân tích tạo hệ thống lý thuyết đầy đủ, sâu sắc thể mơ phần mềm để trình bày vào báo cáo Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn, thầy có kinh nghiệm để hoàn thiện báo cáo Phương pháp thực nghiệm: Cho sản phẩm thiết bị Bố cục Với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế giải pháp cho thiết bị giám sát cảnh báo sớm nguy rò rỉ khí gas mơi trường phòng kín” bố cục đồ án sau: • Chương 1: Cơ Sở Lý Thuyết Chương trình bày giới thiệu lý thuyết phần cứng hệ thống, chuẩn giao tiếp trình truyền – nhận liệu • Chương 2: Thiết Kế Thiết Bị Và Giải Thuật Phần Mềm Chương trình bày trình bày nguyên lý thiết kế ứng dụng, tham số, chức cần phải đạt ứng dụng Vẽ sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý mạch kết nối phần cứng Trình bày thuật tốn thực chương trình vi điều khiển • Chương 3: Kết Quả Của Đề Tài Chương trình bày kết đạt sản phẩm: kết mô phỏng, kết chạy bảng mạch thật, trình bày hướng ứng dụng đề tài vào sản phẩm có thực tế, ưu nhược điểm mạch thiết kế Chương 4: Kết Luận Hướng Phát Triển Chương trình bày kết mà đề tài đạt được, đồng thời đưa hướng phát triển để có đề tài hoàn thiện đáp ứng nhu cầu cho sống đại ngày Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 GIỚI THIỆU Trong chương lý thuyết có liên quan đến vấn đề mà đề tài dùng để thực thiết kế, thi công cho đề tài 1.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG - Thiết bị đầu vào: Module cảm biến khí MQ-2 - Thiết bị đầu ra: LCD 16x2, - Thiết bị vừa thiết bị đầu vào vừa thiết bị đầu ra: Module Sim900a mini V3.8.2 - Thiết bị điều khiển trung tâm: Arduino Uno R3 - Chuẩn truyền thông: SPI, UART - Thiết bị giám sát: Điện thoại có mạng viễn thơng 1.2.1 Bộ điều khiển trung tâm Trên thị trường có nhiều vi điều khiển để xử lý hệ thống như: vi điều khiển hãng Microchip (tiêu biểu PIC 16F887, 18F4550, vi điều khiển hãng ATMEL (AT89C52), RASPBERRY PI, ARDUINO Với đề tài nhóm thực chúng em lựa chọn điều khiển trung tâm Arduino Uno R3, • Giới thiệu Arduino Uno R3 Arduino Uno R3 board điều khiển phù hợp cho người bắt đầu sử dụng vi xử lí ATmega328 Nó có 14 đầu vào / đầu số (trong chân sử dụng làm đầu PWM), đầu vào analog, thạch anh thạch anh 16 MHz, kết nối USB, jack cắm điện, đầu ICSP nút reset Nó chứa thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; đơn giản kết nối với máy tính cáp USB sử dụng với chuyển đổi AC sang DC pin để bắt đầu Bạn làm việc với UNO mà lo lắng nhiều việc làm sai, kịch xấu bạn gặp thay chip với vài la bắt đầu lại Hình 1.1: Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3 • Thơng số kỹ thuật Arduino Uno R3 ▪ Vi xử lý: Atmega328 ▪ Điện áp hoạt động: 5V ▪ Điện áp đầu vào: 7-12V ▪ Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V ▪ Chân vào/ra (I/O) số: 14 (6 chân cho đầu PWM) ▪ Chân vào tương tự: ▪ Chân I/O số PWM: ▪ Dòng điện chân I/O: 20mA ▪ Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA ▪ Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5 KB sử dụng cho trình nạp khởi động ▪ SRAM: KB (ATmega328) ▪ EEPROM: KB (ATmega328) ▪ Xung nhịp: 16MHz ▪ SRAM: 8KB ▪ EEPROM: 4KB ▪ Xung nhịp: 16 MHz • Các thành phần chức Arduino Uno R3 Hình 1.2: Các thành phần chức Arduino Uno R3  USB Connector: Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính Thơng qua cáp USB Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngồi USB nguồn cho Arduino  Power Jack: Khi không sử dụng USB làm nguồn sử dụng nguồn ngồi thơng qua jack cắm 2.1mm (cực dương giữa) sử dụng chân V in GND để cấp nguồn cho Arduino Board mạch hoạt động với nguồn điện áp từ – 12 volt Chúng ta cấp áp lớn nhiên chân 5V có mức điện áp lớn volt Và sử dụng nguồn lớn 12 volt có tượng nóng làm hỏng board mạch Khuyết cáo nên dùng nguồn ổn định từ đến 12 volt Chân 5V chân 3.3V (Output voltage): chân dùng để lấy nguồn từ nguồn mà cung cấp cho Arduino Lưu ý: không cấp nguồn vào chân làm hỏng Arduino GND: chân mass  Chip ATmega328, Chip ATmega2560: Chip ATmega328 có 32KB nhớ flash 0.5 KB sử dụng cho trình nạp khởi động Chip ATmega2560 có 256KB nhớ flash 8KB sử dụng cho trình nạp khởi động  Digital I/O pins: Arduino UNO có 14 chân digital, Arduino Mega 2560 có 54 chân digital với chức input output sử dụng hàm pinMode(), digitalWrite() digitalRead() để điều khiển chân Cũng 14 chân digital Uno 54 chân digital Mega số chân chức là: Serial: Dùng để truyền (Tx) nhận (Rx) liệu nối tiếp TTL Chúng ta sử dụng để giao tiếp với cổng COM số thiết bị linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp PWM (pulse width modulation): chân PWM board mạch Uno 16 chân PWM board mạch Mega Các chân PWM giúp sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng đèn…  Reset button: Dùng để reset Arduino • Một số ứng dụng Arduino  Trong công nghiệp Arduino trung tâm xử lí nên dùng làm nhớ trung tâm hệ thống điều khiển tự động băng chuyền, hệ thống đếm hàng, hệ thống tự động đóng chai nhà máy nước ngọt… Hình 1.3: Hệ thống đếm hàng tự động sử dụng Arduino Nhỏ gọn, đơn giản nhiều Arduino kết hợp lại với tạo nên hệ thống lớn nhà máy điện mặt trời, robot công nghiệp… Hình 1.4: Máy in 3D sử dụng cơng nghệ Arduino  Trong dân dụng Arduino biết đến thiết bị nhỏ gọn, rẻ dễ dàng tương tác nên sử dụng nhiều dân dụng Các hệ thống điều khiển thiết bị từ xa, hệ thống chống trộm, nhà thông minh… Tất đề thân thiện dễ dàng sử dụng Với giá thành rẻ dễ dàng lắp đặt, ngày có nhiều sản phẩm hoàn thiện lĩnh vực Hình 1.5: Hệ thống nhà thơng minh sử dụng Arduino  Trong học tập Với ưu điểm giá rẻ mã nguồn mở, Arduino dễ dàng trở thành trợ thủ đắc lực dành cho bạn sinh viên muốn thỏa mãn niềm đam mê sáng tạo với công nghệ Chỉ cần có tí hiểu biết lập trình, bạn dễ dàng tạo sản phẩm đơn giản dành riêng cho xe điều khiển từ xa, demo đo nhiệt độ, điều khiển thiết bị qua điện thoại… Arduino mang lại khả sáng tạo không giới hạn cho bạn sinh viên, mơi trường học tập rèn luyện lí tưởng để nắm bắt phát triển vượt bậc công nghệ Hình 1.6: Mơ hình xe robot dò đường sử dụng Arduino 1.2.2 LCD 16x2 • Giới thiệu LCD Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) sử dụng nhiều ứng dụng vi điều khiển LCD có nhiều ưu điểm so với dạng hiển thị khác: Nó có khả hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn tài nguyên hệ thống giá thành rẽ… • Tổng quan LCD 16x2 HD44780  Hình dáng, kích thước Có nhiều loại LCD với nhiều hình dáng kích thước khác nhau, hình loại LCD thơng dụng LCD 16x2 10 tìm thấy sim thiết bị tiến hành setup cho thiết bị bao gồm: Nhập số điện thoại cảnh báo; Thiết lập ngưỡng cảnh báo cho thiết bị (nếu không giá trị mặc định lưu sẵn); Hiệu chỉnh calibration Sau nhận liệu cảm biến từ gửi về, hiển thị giá trị vừa nhận ứng lên LCD Bộ xử lí trung tâm kiểm tra liệu khu vực gửi có vượt ngưỡng cảnh báo hay không Nếu phát nồng độ gas ngưỡng an tồn bật còi đèn báo động, đồng thời hiển thị cảnh báo lên LCD Sau gửi tin nhắn sms báo nguy hiểm gọi tới số thuê bao nhập Nếu nồng độ khí gas nhỏ ngưỡng cảnh báo tắt còi đèn cảnh báo, hiển thị báo hiệu an toàn LCD • Lưu đồ thuật toán nhắn tin, gọi điện cảnh báo • Giải thích lưu đồ Nhằm mục đích khơng lặp lại lệnh gửi tin nhắn gọi điện nhiều lần nồng độ gas vượt ngưỡng cảnh báo chúng tơi xây dựng chương trình Dùng biến i làm biến điều kiện để ngắt lệnh lặp lại liên tục 32 Trạng thái bình thường gán i = 1, nồng độ gas vượt ngưỡng đồng thời i = thực lệnh nhắn tin gọi điện, sau i trở Lúc giá trị gas vượt ngưỡng nhiên khồng thỏa mãn điều kiện i = 0, lệnh nhắn tin gọi điện thực lần có kiện bất thường sảy • Lưu đồ thuật tốn chương trình hiệu chỉnh calibration • Giải thích lưu đồ Do địa điểm khác giá trị gas mức an tồn lại khác nhau, chúng tơi xây dựng chương trình để hiệu chỉnh giá trị gas thiết bị đặt vị trí khơng có khí gas Cách thực dùng biến c để lưu giá trị gas tức thời đọc liên tục theo thời gian Dùng biến d để lưu lại giá trị tức thời c nhấn nút từ Keybad, sau lưu lại giá trị c sau hiệu chỉnh c-d 2.3.2 Phần mềm lập trình • Phần mềm lập trình Arduino – giao diện Arduino IDE IDE viết tắt cụm từ Integrated Development Environment phần mềm cung cấp cho lập trình viên mơi trường tích hợp bao gồm nhiều cơng cụ khác chương trình viết mã lệnh hay code editor, chương trình sửa lỗi hay debugger, chương trình mơ ứng dụng chạy thực tế hay simulator Nói cách khác IDE phần mềm bao gồm gói phần mềm khác giúp phát triển ứng dụng phần mềm 33 • Giao diện IDE? Arduino IDE trình soạn thảo văn bản, giúp bạn viết code để nạp vào bo mạch arduino Một trương trình viết Arduino IDE gọi sketch, sketch lưu định dạng ino Mơi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngơn ngữ lập trình C C++ quen thuộc với người làm kỹ thuật Số lượng thư viện code viết sẵn chia sẻ cộng đồng nguồn mở lớn Hình 2.8: Giao diện phần mềm arduino IDE Chương KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI 3.1 GIỚI THIỆU Chương trình bày kết trình nghiên cứu làm đề tài Bên cạnh nhận xét, đánh giá đề xuất hướng phát triển sản phẩm mơ hình để hồn thiện vào thực tế 34 3.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Qua trình nghiên cứu thực đề tài, nhóm sinh viên nhận thấy đề tài có khả ứng dụng vào thực tiễn cao, đáp ứng nhu cầu sống đại ngày xu hướng thời đại Đồng thời đề tài nguồn tài liệu có giá trị cho bạn sinh viên khóa tham khảo nghiên cứu đề tài có liên quan Bên cạnh đó, nhóm sinh viên bổ sung cho kiến thức hay bổ ích: 3.2.1 Sử dụng cảm biến Cảm biến sử dụng đề tài MQ2 Cảm biến cần thiết sống Có thể nói, cảm biến ngày sản xuất ngày đơn giản nhỏ gọn hơn, nhằm đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng khó tính Q trình nghiên cứu đề tài giúp nhóm thực nâng cao kỹ đọc – hiểu cảm biến, trau dồi thêm kiến thức loại cảm biến Đặc biệt là, tăng khả vận dụng lý thuyết vào thực tế, có khả lựa chọn loại cảm biến phù hợp với yêu cầu thực tiễn đời sống 3.2.2 Sử dụng Arduino Uno R3 Arduino Uno R3 board mạch thông minh sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, để sử dụng thành thạo đầy đủ khơng phải dễ Và kết q trình nghiên cứu đề tài mà nhóm thực có Ngồi khả điều khiển ngõ từ mức thấp lên mức cao ngược lại; khả đọc giá trị loại cảm biến khác Trong đề tài này, nhóm thực có khả hiển thị thông tin theo yêu cầu lên LCD 16x2, để giám sát, cảnh báo rò rỉ khí gas 3.2.3 Sử dụng module Sim thực gọi gửi tin nhắn Hầu hết người sở hữu cho điện thoại riêng Và việc kết nối hệ thống, thiết bị với điện thoại người sử dụng khiến trở nên thơng minh cần thiết Riêng đề tài nhóm học cách kết nối module Sim với Arduino để thực chức gọi điện gửi tin nhắn cảnh báo xuất nguy hiểm rò rỉ khí gas 35 Từ tảng kiến thức mà nhóm học hành trang để nhóm nghiên cứu tiếp phát triển ý tưởng giám sát, cảnh báo nhiều thứ khác, làm thứ trở nên thông minh 3.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.3.1 Hình ảnh thiết bị q trình hồn thiện Hình 3.1 Thiết bị q trình hồn thiện 36 Hình 3.2 Thiết bị tìm module sim khởi động 3.3.2 Trình cài số thuê bao cảnh báo Hình 3.3: Mục nhập số điện thoại 37 Hình 3.4 Tin nhắn xác nhân số điện thoại 38 Hình 3.5 Thiết bị sau xác nhận số điện thoại thành cơng 3.3.3 Trình hiệu chỉnh Caliration 39 Hình 3.6 Để thiết bị nơi khơng có gas để hiệu chỉnh Hình.3.7 Hiển thị giá trị gas trước hiệu chỉnh 40 Hình 3.8 Hiển thị giá trị gas sau hiệu chỉnh 3.3.4 Trình cài ngưỡng cảnh báo Hình 3.9 Trình nhập ngưỡng cảnh báo khí gas 3.3.5 Tình trạng hệ thống khơng có khí gas rò rỉ Khi khơng có khí gas rò rỉ thiết bị liên tục thu thập giá trị cảm biến so sánh với ngưỡng nguy hiểm hiển thị lên LCD trạm thu 41 Hình 3.10 LCD chưa có rò rỉ khí gas 3.3.6 Tình trạng hệ thống rò rỉ khí gas Khi nồng độ khí gas khu vực vượt ngưỡng, thiết bị mở báo hiển thị cảnh báo lên LCD 42 Hình 3.11 LCD rò rỉ khí gas Hình 3.12 Khối cảnh báo chỗ rò rỉ khí gas 43 Hình 3.13 Cuộc gọi đến rò rỉ khí gas Hình 3.14 Tin nhắn cảnh báo rò rỉ gas 3.3.7 Hình ảnh sản phẩm hồn thiện: Hình 3.15 Hình ảnh sản phẩm hồn thiện đưa vào sử dụng 3.4 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 3.4.1 Nhận xét Sau thời gian nghiên cứu thực đề tài, mạch đáp ứng yêu cầu thiết kế ban đầu Dưới số nhận xét: • Ưu điểm - Hệ thống nhận biết tình trạng nguy hiểm 44 - Hệ thống giám sát cảnh báo từ xa - Có thể thiết lập số điện thoại cảnh báo ngưỡng cảnh báo từ bàn phím - Có thể hiệu chỉnh Calibration, phù hợp với vị trí - Giao diện thiết kế dễ sử dụng đẹp mắt • Hạn chế - Tốc độ đáp ứng chưa nhanh - Hệ thống chưa tự giải cố, mạch dừng lại mức độ cảnh báo phát có khí gas rò rỉ - Thiết bị gửi tín hiệu cảnh báo cho thuê bao 3.4.2 Đánh giá Sau q trình vận hành thử hệ thống, nhóm thực test khoảng 50 lần thu lại kết hệ thống đáp ứng tất 50 lần cho thấy hệ thống hoạt động ổn định thỏa yêu cầu đặt ban đầu Tuy nhiên số hạn chế cần khắc phục muốn đưa vào thực tế đời sống như: tin nhắn gửi cảnh báo lần, , chưa có hệ thống hỗ trợ giải nguy hiểm 45 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẾN 4.1 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, nhóm thực hồn thành báo cáo thi cơng mơ hình theo yêu cầu đặt ban đầu Trong q trình thực hiện, nhóm thu kết định - Sản phẩm thu thập giá trị khí gas mơi trường - So sánh với ngưỡng nguy hiểm để tiến hành cảnh báo - Cảnh báo qua tin nhắn gọi điện thông bao có cố rò rỉ 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN - Thêm cảm biến hồng ngoại, cảm biến nhiệt độ để nhận biết lửa nhiệt độ cao - Kết nối với van điện từ để đóng khí gas có rò rỉ - Kết nối với hệ thống quạt để phân tán khí gas rò rỉ - Sử dụng web tự tạo để có giao diện riêng lưu trữ liệu tốt - Kiểm tra giá trị cảm biến offline thông qua tin nhắn điện thoại 42 ... hoàn thiện báo cáo Phương pháp thực nghiệm: Cho sản phẩm thiết bị Bố cục Với đề tài: Nghiên cứu thiết kế giải pháp cho thiết bị giám sát cảnh báo sớm nguy rò rỉ khí gas mơi trường phòng kín bố... tồn khí gas gây cháy nổ Chính tồn rủi ro nguy hiểm nên nhóm chúng em chọn nghiên cứu giải pháp đề phòng tránh Nghiên cứu thiết kế giải pháp cho thiết bị giám sát cảnh báo sớm nguy rò rỉ khí gas. .. giám sát cảnh báo sớm nguy rò rỉ khí gas mơi trường phòng kín nhằm phát phòng ngừa sớm nguy cháy nổ tưởng rò rỉ khí gas vị trí quan trọng Thiết bị báo động chỗ qua hệ thống còi đèn báo động,