Nghiên cứu, phát triển thiết bị báo cháy thông minh

Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã nghiên cứu phát triển hệ thống báo cháy thông minh, nhỏ gọn, giá thành thấp phù hợp với các khu nhà cao tầng và các hộ gia đình. Hệ thống được xây dựng gồm cảm biến phát hiện khói, một bo mạch điện tử và một vỏ hộp được chế tạo dựa trên công nghệ in 3D và công nghệ chế tạo mạch điện tử đa lớp.

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ BÁO CHÁY THÔNG MINH Trần Như Chí, Trần Hồi An, Nguyễn Hải Đăng, Bùi Phúc Hưng Trường Đại học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội Email: trannhuchi@gmail.com Hiện nay, phòng cháy chữa cháy xã hội quan tâm nhiều Nhu cầu lắp đặt thiết bị, hệ thống báo cháy cao, đặc biệt chung cư cao tầng hộ gia đình Tuy nhiên, hệ thống báo cháy thị trường phức tạp giá thành cao Thêm vào đó, việc kiểm tra bảo dưỡng định kỳ nhiều thời gian công sức Để giải vấn đề này, nghiên cứu phát triển hệ thống báo cháy thông minh, nhỏ gọn, giá thành thấp phù hợp với khu nhà cao tầng hộ gia đình Hệ thống xây dựng gồm cảm biến phát khói, bo mạch điện tử vỏ hộp chế tạo dựa công nghệ in 3D công nghệ chế tạo mạch điện tử đa lớp Hệ thống có khả phát cháy, phát cảnh báo chỗ thơng qua cịi xung đến người xung quanh đồng thời tự động gửi tin nhắn gọi điện đến số điện thoại được cài đặt sẵn để thơng báo việc hoả hoạn xảy Hệ thống có Pin dự phịng để trì hoạt động hệ thống trường hợp điện đột ngột Ngồi ra, hệ thống có chế độ bảo mật thông qua mật chữ số nhằm tránh can thiệp có chủ ý từ bên ngồi Thêm vào hệ thống linh hoạt, người dùng giao tiếp với hệ thống để thay đổi số điện thoại cài đặt báo động thông qua tin nhắn kiểm tra, bảo dưỡng từ xa dễ dàng Từ khóa: Báo cháy thơng minh, in 3D, bo mạch điện tử I GIỚI THIỆU Cùng với phát triển kinh tế - trị ngành khác, khoa học kĩ thuật có bước tiến vượt bậc góp phần cho giới tiến bộ, văn minh hơn, đại Sự phát triển khoa học kỹ thuật tạo thiết bị với xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ Khoa học kỹ thuật ứng dụng cho nhiều lĩnh vực đời sống, khu công nghiệp, khu chế xuất, nhà máy sản xuất hay khu nhà cao tầng nhà gia đình Khoa học cơng nghệ góp phần lớn cho phát triển xã hội Trong cách mạng cơng nghiệp 4.0 diễn khoa học cơng nghệ đóng vai trị quan trọng Hỏa hoạn cháy nổ vấn đề gây hoang mang thời gian gần Chỉ tính riêng năm 2018, tính đến có vụ cháy chung cư cao tầng gây thiệt hại lớn người tài sản Mặc dù hệ thống báo cháy lắp đặt việc khơng kiểm tra bảo trì thường xun nguyên nhân dẫn đến không báo cháy kịp thời gây hậu nghiêm trọng Tuy nhiên, việc kiểm tra tình trạng hoạt động bảo dưỡng định kỳ cho hệ thống báo cháy nhiều thời gian cơng sức Điều đưa yêu cầu cần phải xây dựng hệ thống báo trạng thái hoạt động định kỳ cách tự động hay kiểm tra tình trạng hoạt động hệ thống lúc cách dễ dàng Mặt khác, hệ thống báo cháy có giá thành cao việc lắp đặt phức tạp Vì vậy, hộ gia đình lắp đặt hệ thống báo cháy Để giải vấn đề nhóm đề xuất nghiên cứu phát triển thiết bị báo cháy thông minh dựa công nghệ in 3D với công nghệ sản xuất mạch in đa lớp Thiết bị báo cháy tự động báo qua tín nhắn quay số tới số điện thoại cài đặt trước Ngồi ra, thiết bị gửi tin nhắn báo tình trạng hoạt động định kỳ người dùng kiểm tra tình trạng hoạt động thiết bị từ xa thơng qua tin nhắn điện thoại II PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG A Nhận biết cháy Khi xảy vụ hoả hoạn, khu vực xảy cháy thường có dấu hiệu sau: Lửa, khói, nhiệt độ vùng cháy tăng nhanh chóng, khơng khí bị oxy hố mạnh Các dấu sở để nhà nghiên cứu phát triển loại cảm biến thiết bị giúp phát cảnh báo có cháy xảy Đặc biệt, dòng sản phẩm phát cảnh báo cháy phổ biển thị trường thường phát triển để phát dấu hiệu dễ nhận biết đặc trưng đám cháy, xuất khói Khi đám cháy chuẩn bị xảy khói lan toả khu vực rộng lớn giúp cho việc nhận biết dễ dàng có hiệu Bên cạnh đó, việc phát đám cháy thởi điểm bùng phát ban đầu quan trọng để giảm thiểu tối đa thiệt hại mà đám cháy gây Trên thị trường nay, hai dịng sản phẩm cảm biến khói phổ biến dịng sản phẩm dựa ngun tắc ion hố dòng sản phẩm sử dụng cảm biến thu phát hồng ngoại Đối với loại cảm biến sử dụng nguyên tắc ion hoá, người ta sử dụng lượng nhỏ chất phóng xạ để ion hóa cảm biến Khơng khí bị ion hóa dẫn điện tạo thành dòng điện chạy hai cực nạp điện Khi phần tử khói lọt vào khu vực cảm nhận ion hóa làm tăng điện trở buồng cảm nhận làm giảm luồng điện hai cực Khi luồng điện giảm xuống tới giá trị cảm biến phát phát tín hiệu báo động Tuy nhiên, loại cảm biến có giá thành cao chế tạo phức tạp Đó lý chúng tơi lựa chọn dòng cảm biến thứ hai cho đề tài mình, dịng cảm biến phát khói sử dụng cảm biến thu phát hồng ngoại Dòng sản phẩm có nguyên lý đơn giản, bao gồm đèn phát hồng ngoại chiếu chùm tia hồng ngoại đèn thu hồng ngoại Khi có cháy, khói vào vùng thu phát hai đèn làm cản trở tia hồng ngoại tới đèn thu Khi đó, cảm biến phát phát tín hiệu báo động Tuy dịng cảm biến thị trường có khả phát cảnh báo hiệu kịp thời chúng lại hoạt động cách độc lập, giao tiếp liên hệ với người dung Người dùng phát đám cháy gần với vị trí xảy cháy, phạm vi nghe âm cảnh báo cháy, điều gây thiệt hại vô lớn mà đám chảy xảy thời điểm mà khu vực khơng có người Bên cạnh đó, việc người dùng khơng thể điều khiển kiểm tra tình trạng hoạt động hệ thống cách thường xuyên gây bất tiện ẩn chứa hiểm hoạ khôn lường B Thiết kế hệ thống a Thiết kế vỏ thiết bị Phần vỏ thiết bị thiết kế phần mềm Autocad, phần mềm chuyên dùng thiết kế 2D 3D hãng Autodesk Phần vỏ thiết kế thành ba phần: phần vỏ chứa đầu báo khói, phần vỏ chứa điều khiển pin, phần vỏ gắn lên tường (hình 2a) a) b) c) d) Hình Thiết kế vỏ thiết bị Phần vỏ chứa đầu báo khói phần hệ thống, có dạng hình nón để bao bọc bên ngồi hệ hai đèn hồng ngoại Phần đỉnh có khe hở khơng khí lọt vào ngăn bụi lưới sắt bao quanh thấy hình 2b Phần vỏ chứa điều khiển pin có dạng hình trụ rỗng với đường kính 101mm chiều cao 51.5mm Bên khối trụ chia làm hai ngăn: Ngăn đặt bo mạch hệ thống ngăn bên đặt pin dự phòng Hai sườn xung quanh lỗ để anten GSM cịi hú thấy hình 2c Phần vỏ gắn lên tường có dạng hình vành khuyên với lỗ tròn để bắt ốc gắn lên trần nhà hai tiếp điểm kim loại cấp nguồn từ lên hệ thống bên thấy hình 2d b Thiết kế hệ thống mạch điện tử Mạch điện tử hệ thống thiết kế gồm năm khối chức gồm khối: cảm biến, cầu phân áp so sánh điện áp, cảnh báo chỗ, truyền thông GSM, khối xử lý trung tâm khối nguồn thấy hình Ở khối cảm biến, cảm biến phát khói sử dụng Cảm biến hoạt động dựa cặp mắt thu phát hồng ngoại Việc sử dụng cảm biến sử dụng rộng rãi mang lại lợi ích mặt kinh tế cho người dùng mà với người dùng sử dụng loại cảm biến này, cần mua phần thay đâu tư tồn hệ thống mà phát triển Khi chưa phát khói, tổng trở cảm biến lớn Ngược lại, phát ra khói tổng trở cảm biến giảm xuống nhỏ Dựa theo nguyên lý này, để lấy thông tin từ cảm biến truyền vào vi điều khiển, thiết kế mạch cầu phân áp kết hợp mạch so sánh Nhờ thay đổi giá trị điện trở, tín hiệu từ cảm biến sau qua mạch cầu phân áp tạo hai mức điện áp cách biệt ứng với hai trạng thái có khói khơng có khói Từ ta lựa chọn tạo mức điện áp ngưỡng, nằm hai mức điện áp hai trạng thái cảm biến để đưa vào mạch so sánh Mạch so sánh sử dụng IC chuyên dụng LM393, dòng IC so sánh phổ thơng có mức điện áp logic tương đương với vi điều khiển nên phù hợp cho ứng dụng IC tạo mức logic cao (tương ứng mức điện áp 5V) điện áp lối vào dương (điện áp lấy từ cầu phân áp), lớn điện áp lối vào âm (điện áp ngưỡng chọn) ngược lại tạo mức logic thấp (0V) Từ đó, lối IC cho biết trạng thái cảm biến lúc có khói khơng có khói kết nối vào chân vi điều khiển khối điều xử lý trung tâm để phục vụ cho trình điều khiển Vi điều khiển 8bit PIC 16F877A hãng Microchip lựa chọn cho khối xử lý trung tâm Đây dịng vi điều khiển phổ thơng, phù hợp để tích hợp hệ thống vừa nhỏ Tại khối xử lý trung tâm, vi điều khiển nhận thơng tin từ mạch so sánh sau thực chức điều khiển thơng qua việc giao tiếp với khối cịi báo khối truyền thơng GSM cảnh báo đến người dùng Khối còi báo thiết kế gồm hai cịi xung, loại cịi có đặc điểm nhỏ gọn nhiên có khả phát âm lượng to vang, kết hợp với hai transistor NPN điều khiển đóng ngắt vi điều khiển để phát âm cảnh người dùng khu vực có cháy Khối truyền thơng GSM có nhiệm vụ thông tin đến người dùng vẹ cháy thông qua tín nhắn SMS gọi điện đến điện thoại người dùng thông qua module GSM SIM900A hãng SIMCOM KHỐI TRUYỀN THÔNG GSM CẦU PHÂN ÁP KHỐI SO SÁNH KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM CẢM BIẾN CỊI BÁO Hình Sơ đồ khối hệ thống c Lưu đồ thuật tốn Sau hồn thành thiết kế phần cứng hệ thống, tiến hành xây dựng lưu đồ thuật tốn cho vi điều khiển (hình 4) Đầu tiên, hệ thống bắt đầu làm việc Module SIM900A khởi động khởi tạo để thực giao tiếp vi điều khiển người dùng Quá trình khởi tạo tiến hành khoảng 13 giây Sau tồn q trình giao tiếp điều khiển hệ thống đưa vào vòng lặp vô hạn Tại đây, vi điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến khói Nếu xuất khói, vi điều khiển chuyển tín hiệu điều khiển đến khối báo động chỗ (còi xung) để báo động khả xảy hoả hoạn BẮT ĐẦU Khởi tạo giao tiếp module GSM CĨ CHÁY Đúng Cịi xung kêu Gửi tin nhắn Sai Gọi điện Có tin nhắn đến Đúng Tín nhắn “OFF” Đúng Tắt cịi Sai Tín nhắn “ON” người dùng thường xun kiểm tra tình trạng hoạt động hệ thống III CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM Đầu Sau phân tích thiết kế xong hệ thống, tiến hành chế tạo thử nghiệm hệ thống Phần vỏ hệ thống chế tạo công nghệ in 3D thông qua máy in 3D Objet500 hãng Stratasys (USA) Vật liệu sử dụng RGD 525, loại vật liệu chịu nhiệt độ cao phù hợp cho hệ thống báo cháy Bo mạch điện tử thiết kế phần mềm Altium Designer phiên 10.0 hãng Altium Limited chế tạo dựa công nghệ mạch in hai lớp với dạng hình trịn có đường kính 98mm để phù hợp với vỏ hộp hình trụ thấy hình Các linh kiện chọn hầu hết linh kiện dán để thu gọn diện tích mạch in Ngoài ra, linh kiện xếp mặt mạch in để tối ưu kích thước hệ thống Đúng Sai Sai KẾT THÚC Hình Lưu đồ thuật tốn hệ thống Đồng thời, tín hiệu điều khiển chuyển đến module SIM900A để gửi tin nhắn gọi điện thoại cảnh báo đến người dùng Ngoài ra, hệ thống có chức nhận lệnh điều khiển từ người dùng Vi điều khiển kiểm tra tin nhắn gửi từ người dùng module SIM900A Khi có tin nhắn gửi về, vi điều khiển kiểm tra, tin nhắn nhận “OFF”, hệ thống gửi tín hiệu điều khiển làm tắt còi báo cháy trường hợp có cháy hệ thống cịi xung hoạt động Nếu tin nhắn gửi “ON”, lệnh điều khiển kiểm tra tình trạng hoạt động hệ thống, lúc này, vi điều khiển khởi động tồn hệ thống báo động thơng qua còi xung tin nhắn cảnh báo Điều giúp cho Hình Mạch in PCB Sau hệ thống chế tạo lắp ghép hệ thống tiếp tục đưa vào kiểm thử Hệ thống thử với khói thật 20 lần cho kết trung bình bảng Kết cho thấy hệ thống báo động (hú còi gửi tin nhắn) có khói với thời gian phản hồi tương đối nhanh Đồng thời hệ thống phản hồi tin nhắn điều khiển từ điện thoại với thời gian khoảng giây Điều cho thấy hệ thống hoạt động tốt có độ nhạy cao Bảng Kết phản hồi hệ thống có khói Thời gian Thời gian Thời gian phản hồi phản hồi phản hồi tin đèn còi nhắn giây 1.2 giây giây IV KẾT QUẢ Thiết bị báo cháy thông minh nghiên cứu phát triển thành công với thông số bảng Bảng Thông số kỹ thuật thiết bị STT Thông số Giá trị Nguồn cấp 220VAC Nguồn dự 11.1V phòng (PIN) Số lượng thuê 10 bao nhận báo động Độ nhạy báo Theo tiêu cháy chuẩn EN54, CNS Ngưỡng báo >45 độ C nhiệt độ Dòng tiêu thụ 100 A khơng có báo động Dịng tiêu thụ 400mA có báo động Sim thích hợp Viettel, Mobifone, Vinaphone Kích thước (R x 101x86.5 mm H) Thiết bị làm việc ổn định, phát cháy thơng qua cảm biến khói với thời gian phản hồi nhanh (bảng 1) Khi phát cháy còi hú để báo động chỗ đồng thời thiết bị quay số gửi tin nhắn đến số điện thoại cài đặt sẵn để báo động Người nhận được báo động qua điện thoại xác thực cảnh báo tắt cảnh báo qua điện thoại cảnh báo giả Thiết bị có chế độ bảo trì tự động việc nhắn tin tới số điện thoại chủ (admin) báo trạng thái hoạt động định kỳ để người dùng biết hệ thống hoạt động bình thường thay cho việc bảo kiểm tra bẳng tay Thêm vào đó, người dùng kiểm tra tình trạng hoạt động thiết bị để bảo trì thiết bị thơng qua việc nhắn tin tới hệ thống Ngồi ra, hệ thống có chế độ bảo mật tốt, người sử dụng đăng nhập vào hệ thống thông qua mật gồm chữ số để điều khiển tắt/mở thay đổi số điện thoại nhận báo động V KẾT LUẬN Sản phẩm kết hợp công nghệ chế tạo in 3D công nghệ gia công mạch điện tử nhiều lớp Sản phẩm hoàn thiện nhỏ gọn đáp ứng đầy đủ yêu cầu đề ban đầu Chi phí sản xuất thấp phù hợp với thị trường Việt Nam Ngồi ra, với việc thiết kế phù hợp với kích thước đầu báo cháy thị trường giúp người tiêu dùng sử dụng theo dạng module, cụ thể điều khiển để lắp thêm vào đầu cảm biến khói có mà khơng làm ảnh hưởng đến hệ thống cũ Điều giúp tiết kiệm chi phí tăng độ an toàn cho việc báo cháy Thêm vào đó, sản phẩm mở rộng thêm nhiều tùy chọn khác theo nhu cầu người sử dụng như: thêm nhiều cảm biến, thêm phương thức truyền thông (Bluetooth, RF, Wifi), thêm camera TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chử Đức Trình, “Giáo trình kỹ thuật điện”, NXB ĐHQGHN [2] Ngô Diên Tập, 2006, “Vi điều khiển với lập trình C”, NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Trần Hữu Quế, Nguyễn Văn Tuấn, “Giáo trình vẽ kỹ thuật”, NXB Giáo Dục Việt Nam [4] Trần Quang Vinh, Chử Văn An, 2005, “Nguyên lý kỹ thuật điện tử”, NXB Giáo Dục ... khí bị oxy hố mạnh Các dấu sở để nhà nghiên cứu phát triển loại cảm biến thiết bị giúp phát cảnh báo có cháy xảy Đặc biệt, dòng sản phẩm phát cảnh báo cháy phổ biển thị trường thường phát triển. .. còi nhắn giây 1.2 giây giây IV KẾT QUẢ Thiết bị báo cháy thông minh nghiên cứu phát triển thành công với thông số bảng Bảng Thông số kỹ thuật thiết bị STT Thông số Giá trị Nguồn cấp 220VAC Nguồn... lường B Thiết kế hệ thống a Thiết kế vỏ thiết bị Phần vỏ thiết bị thiết kế phần mềm Autocad, phần mềm chuyên dùng thiết kế 2D 3D hãng Autodesk Phần vỏ thiết kế thành ba phần: phần vỏ chứa đầu báo