NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY KẾT HỢP DÙNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHO MẠNG CẢM BIẾN CẢNH BÁO CHÁY

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO NÚT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY KẾT HỢP DÙNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHO MẠNG CẢM BIẾN CẢNH BÁO CHÁY Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Hải Nguyễn Văn Đức Nguyễn Thành Đạt Đỗ Quý Ngọc Hà Văn Đông Lớp, khoa: TĐH02 – k13 Lớp, khoa: TĐH02 – k13 Lớp, khoa: TĐH02 – k13 Lớp, khoa: TĐH02 – k13 Lớp, khoa: TĐH02 – k13 Người hướng dẫn: ThS Hà Văn Phương Hà Nội, 3/4/2021 MỤC LỤC Chương 1.Tình hình hỏa hoạn giải pháp khắc phục 1.1 Tình hình hỏa hoạn giới .1 1.2 Tình hình hỏa hoạn Việt Nam .10 1.3 Giải pháp phòng chống hỏa hoạn .12 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây cảnh báo cháy 14 1.4.1 Mạng cảm biến không dây .14 1.4.2 Mạng cảm biến không dây cảnh báo cháy 16 Chương 2: Thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng lượng mặt trời 18 2.1 Phâ n tích c nă ng củ a nú t 18 2.1.1 Bộ cảm biến 19 2.1.2 Bộ xử lý 19 2.1.3 Bộ truyền thông .19 2.1.4 Bộ cảnh báo 19 2.1.5 Bộ nguồn .19 2.2 Các thiết bị cần dùng 20 2.2.1 Modul arduino nano .20 2.2.2 Modul NRF24N01 27 2.2.3 DHT22 30 2.2.4 Cảm biến phát lửa(Flame sensor) 32 2.2.5 Cịi báo đơng Buzzer 34 2.2.6 Thiết kế mạch nguồn 35 2.2.6.1 Pin lượng mặt trời 36 2.2.6.2 TP4056 Mơ-đun sạc pin Li-Ion có bảo vệ 38 2.2.6.3 Pin – Ion 18650 39 2.2.6.4 Mạch ổn áp 5V (mạch tăng áp ) 39 2.3 2.3.1 Thiết kế nút cảm biến 41 Sơ đồ mạch nút cảm biến: .41 2.3.2 Thuật Toán .45 Chương Kết 51 3.1 Kết thực 51 3.1.1 Thiết kế nút cảm biến không dây 51 3.1.2 Thiết kế mạch nguồn 52 3.1.3 Thiết kế giao diện giám sát vận hành hệ thống 53 3.2 Những vấn đề chưa thực .60 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.1 Bảng thống kê vụ cháy/năm giới năm gần 17 Bảng 1.2.1 Bảng thống kê vụ cháy/năm nước ta năm gần .20 Bảng 2.2.1 Đặc điểm kỹ thuật Arduino Nano 28 Bảng 2.2.2 Chức chân Arduino nano 30 Bảng 2.2.3 Chức chân ICSP 31 Bảng 2.2.4 Chức chân Nrf24N01 35 Bảng 2.2.5 Kết nối Modul NRF24L01 với modul arduino nano 36 Bảng 2.2.6 Kết nối DHT22 với modul arduino nano 39 Bảng 2.2.7 Kết nối Flame sensor với modul arduino nano .40 Bảng 2.2.8 Kết nối module Buzzer với modul arduino nano 42 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1.1 Nhà thờ Đức Bà Paris bốc cháy ngùn ngụt ngày 15/4 .8 Hình 1.1.2 Hiện trường vụ hỏa hoạn Bảo tàng quốc gia Brazil Rio de Janeiro ngày 2/9 Hình 1.1.3 Cháy lớn chùa Jokhang thành phố cổ Lhasa, Tây Tạng 10 Hình 1.1.4 Khu chợ Al-Madina Souk thành phố cổ Aleppo 11 Hình 1.1.5 Bên Nhà hát La Fenice, Italy 12 Hình 1.1.6 Hỏa hoạn lâu đài Windsor, phía Tây London, Anh ngày 20/11/1992 13 Hình 1.1.7 Thư viện quốc gia Bosnia 14 Hình 1.1.8 Cháy rừng Amazon ( ảnh 1) .15 Hình 1.1.9 Cháy rừng Amazon ( ảnh 2) .16 Hình 1.1.10 Cháy rừng Amazon (ảnh 3) 17 Hình 1.2.1 trung tâm thương mại quốc tế ICT 18 Hình 1.2.2 kho hàng Hoa Việt phố Ngụy Như Kon Tum – Hà Nội 19 Hình 1.2.3 Cháy rừng Thừa Thiên Huế 20 Hình 1.4.1.1 Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây 23 Hình 2.1.1 sơ đồ khối nút cảm biến 26 Hình 2.1.2 cấu trúc nguồn mạng cảm biến không dây dùng pin mặt trời .28 Hình 2.2.1 Sơ đồ chân Arduino Nano 29 Hình 2.2.2 ICSP 33 Hình 2.2.3 Module NRF24N01 34 Hình 2.2.4 Khả truyền nhận 36 Hình 2.2.5 Cảm biến độ ẩm nhiệt độ DHT22 37 Hình 2.2.6 Cảm biến nhiệt độ NTC 38 Hình 2.2.7 Cấu tạo nhiệt điên trở 38 Hình 2.2.8 Flame sensor 40 Hình 2.2.9 Sơ đồ nguyên lý Flame sensor 40 Hình 2.2.10 Buzzer 41 Hình 2.2.11 Pin lượng mặt trời 43 Hình 2.2.12 Quá trình di chuyển electron 44 Hình 2.2.13 Mạch sạc pin Li-Ion có bảo vệ .45 Hình 2.2.14 Pin - ion 18650 .46 Hình 2.2.15 Mạch ổn áp .47 Hình 2.3.1 sơ đồ mạch nút cảm biến 48 Hình 2.3.2 Cách đấu nối mach arduino nano với nrf24n01 49 Hình 2.3.3 Kết nối Pin mặt trời với mạch sạc 50 Hình 2.3.4 Kết nối mạch sạc với pin Li-Ion .50 Hình 2.3.5 Mạch cấp nguồn nút cảm biến sử dụng pin mặt trời 51 Hình 2.3.6 Thuật tốn cho node thành viên .52 Hình 2.3.7 Thuật Tốn cho node trạm sở 53 Hình 2.3.8 Thuật tốn chế độ main 54 Hình 2.3.9 Hình khối xử lý tín hiệu từ serial port 55 Hình 2.3.10 Thuật toán cho chế độ detail 56 Hình 2.3.11 Khối xử lý liệu 57 Hình 3.1.1 Nút cảm biến 58 MỞ ĐẦU Phòng cháy chữa cháy (PCCC) vấn đề quan tâm hàng đầu sản xuất sinh hoạt, để xảy cháy hậu khơng thể lường trước Tại Việt Nam, quy định PCCC tổ chức thành luật Phòng Cháy Chữa Cháy.Hàng năm, Nhà nước thường xuyên tổ chức tuần lễ, tháng cao điểm an tồn vệ sinh lao động phịng chống cháy nổ nhiều vụ cháy lớn xảy ra, gây nhiều thiệt hại lớn người Theo kết luận quan chức năng, phần lớn vụ cháy gây hậu nghiêm trọng hệ thống báo cháy không hoạt động khơng phát tín hiều cảnh báo kịp thời Thêm vào đó, hệ thống báo cháy khơng kết nối tới trung tâm PCCC nên phải thời gian lâu lực lượng chức tiếp cận khu vực hỏa hoạn.Việt Nam nằm khu vực có khí hậu gió mùa nên vào mùa khơ, nhiều khu vực rừng có nguy cháy cao Do địa hình hiểm trở, lực lượng kiểm lâm lâm trường mỏng, trang bị phòng cháy chữa cháy thiều thốn, nên để xảy cháy hậu nghiêm trọng.Từ thực tế nêu trên, phát sớm cảnh báo cháy kịp thời có ý nghĩa lớn tròng phòng chống cháy nổ, giúp hạn chế thiệt hại xảy hỏa hoạn.Với khả sử dụng lượng hiểu quả, mơ hình trao đổi thông tin tin cây, công nghệ mạng cảm biến không dây ngày chứng tỏ ưu điểm hệ thống giám sát tự động Từ yêu cầu thực tế đó, nhóm nghiên cứu chúng em chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo nút cảm biến không dây kết hợp dùng nguồn lượng mặt trời sử dụng cho mạng cảm biến cảnh báo cháy”, với mong muốn xây dựng nên hệ thống có khả giám sát liên tục cảnh báo sớm nguy cháy, giúp hạn chế tối đa hậu hỏa hoạn gây ra.Hiện nay, hệ thống cảnh báo cháy chưa tối ưu tính tự động chưa đảm bảo tính xác xử lý cách nhanh chóng.Mục tiêu đề tài nhằm xây dựng giải pháp tối ưu cho việc phát hỏa hoạn thực phương thức xử lý, chữa cháy cách nhanh chóng kịp thời Hệ thơng cần đảm bảo tính tối ưu lượng, hoạt động ổn đinh xác Giải pháp đưa nhằm đáp ứng yêu cầu sau: Quản lý thiết bị nút mạng ,Giám sát truy cập, điều khiển thông qua giao diện từ xa,Tự động đưa cảnh báo xử lý hỏa hoạn ,Sử dụng nguồn lượng mặt trời làm nguồn nuôi cho nút cảm biến nhằm đảm bảo tối ưu lượng tính ổn định hệ thống Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Cơ sở lý thuyết mạng cảm biến không dây,thông số kỹ thuật thiết bị,tính tốn thơng số mạch, tính chọn thiết bị phù hợp Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, mô mạch phần mềm máy tính => xây dựng mơ hình phần cứng => viết chương trình => test thử => Kết nối thử nghiệm Đối tượng:Nghiên cứu phương thức truyền liệu,cách thức giao tiếp nguyên lý hoạt động thiết bị mạch,nghiên cứu xây dựng giao diện Phạm vi:Nghiên cứu lý thuyết,xây dựng mơ hình,thử nghiệm - hương 1.Tình hình hỏa hoạn giải pháp khắc phục 1.1 Tình hình hỏa hoạn giới Hỏa hoạn vấn đề cần quan tâm có biện pháp khắc phục xảy hỏa hoạn để lại thiệt hại người Từ trước đến có nhiều biện pháp để vấn đề hỏa hoạn vấn mối lo ngại lớn người Sau số vụ hỏa hoạn lớn giới cho thấy hậu nghiêm trọng khơng phịng chống xử lý kịp thời: * Hỏa hoạn nhà thờ Đức Bà Paris(15/4/2019) Nhà thờ Đức bà Paris vào chiều 15/4/2019 (giờ địa phương) đến kiểm soát, song di sản văn hóa mà nước Pháp nhân loại sau vụ cháy khiến giới phải nuối tiếc Cơng trình hàng trăm năm tuổi in đậm ký ức người biết đến văn hóa Pháp nói riêng châu Âu nói chung Trong lịch sử nhân loại, nhiều vụ cháy lớn xảy ra, phá hủy cơng trình di sản văn hóa lớn giới Hình 1.1.1 Nhà thờ Đức Bà Paris bốc cháy ngùn ngụt ngày 15/4 * Hỏa hoạn Bảo tàng quốc gia Brazil (2018) Ngày 2/9/2018, vụ hỏa hoạn lớn xảy Bảo tàng quốc gia Brazil, phía Bắc thành phố Rio de Janeiro Đây bảo tàng lâu đời Brazil với 200 năm tuổi Bảo tàng coi "viên ngọc quý" văn hóa Brazil với 20 triệu vật có giá trị, có sưu tập nghệ thuật đồ tạo tác từ thời Hy Lạp-La Mã Ai Cập, hóa thạch người cổ mang tên "Luzia" Vụ cháy Bảo tàng Lịch sử quốc gia Brazil coi "thảm kịch lĩnh vực văn hóa" Brazil Tuy khơng có thiệt hại người, song nhiều tác phẩm nghệ thuật vật quý giá bị hư hại nghiêm trọng Nguyên nhân gây hỏa hoạn khinh khí cầu cỡ nhỏ đáp xuống mái viện bảo tàng chập mạch điện phịng nghe nhìn Hình 1.1.2 Hiện trường vụ hỏa hoạn Bảo tàng quốc gia Brazil Rio de Janeiro ngày 2/9 * Hỏa hoạn Đại Chiêu cổ tự, Tây Tạng (năm 2018) Ngày 17/2/2018, vụ hỏa hoạn bùng phát Đại Chiêu cổ tự, chùa cổ Phật giáo Tây Tạng Đây chùa UNESCO cơng nhận Di sản văn hóa giới, có lịch sử 13 kỷ Ngơi chùa tọa lạc trung tâm thành phố cổ Lhasa, danh lam thánh tích Phật giáo tiếng Barkhor, Tây Tạng Vụ hỏa hoạn xảy người Tây Tạng khắp khu tự trị đón chào năm 2018 lễ tân niên truyền thống, thời điểm với Tết Nguyên đán người Trung Quốc Hình 1.1.3 Cháy lớn chùa Jokhang thành phố cổ Lhasa, Tây Tạng * Cháy khu chợ 600 năm tuổi thành phố cổ Aleppo, Syria (năm 2020) Vào tháng 9/2020, trận chiến phe đối lập lực lượng quân đội phủ Syria bùng nổ khiến nhiều di sản văn hóa Syria bị tàn phá nặng nề Trong số đó, khu chợ Al-Madina Souk, tọa lạc thành phố cổ Aleppo, bị thiêu rụi Al-Madina Souk xây dựng từ kỷ 14, UNESCO công nhận Di sản giới từ năm 1986 if( > mesh.addrListTop) { Serial.println("update"); = mesh.addrListTop;} } // chế độ giao diện detail else if(set == 1) { int speid, adr; if(Serial.available()>0) // kiểm tra cổng serial { String t = Serial.readString(); Serial.setTimeout(80); if(t.charAt(0) == '1') // gửi lên danh sách node { Serial.print("!"); for(int i=0; i 220) { listView1.Location = new Point(lvpoint.X - 220, lvpoint.Y); te ; } } } private void button3_Click_1(object sender, EventArgs e) { string filepath = String.Empty; ; if (opf.ShowDialog() == DialogResult.OK) { filepath = opf.FileName; } if (filepath != string.Empty) { MessageBox.Show(filepath); this.BackgroundImage = Image.FromFile(filepath); } else { MessageBox.Show("Have no district!"); } } private void button1_Click_1(object sender, EventArgs e) { bool check = serialPort1.IsOpen; if (check == true) { serialPort1.Write("1"); if (re != null) { string id; id = re.Replace("!", null); string[] dau = id.Split('.'); string s = dau[0]; string[] thang; thang = s.Split(','); dsid = thang[0].Split('|'); dsad = thang[1].Split('|'); nodeadress = Getnodeaddress(); var nodeaddress = this.nodeadress; adgridview.DataSource = nodeadress; cbid.Items.Clear(); cbid.Items.AddRange(dsid); } else { MessageBox.Show("loi doc"); } } else MessageBox.Show("Please connect SerialPorts fisrt!"); } private void button4_Click_1(object sender, EventArgs e) { bool check = serialPort1.IsOpen; if (check == true) { if (button4.Text == "Stop") { timer1.Stop(); button4.Text = "Start"; serialPort1.WriteLine("."); } else { timer1.Start(); button4.Text = "Stop"; } } } private void button6_Click(object sender, EventArgs e) { string ndt = cbid.Text; Form1 ma = new Form1(); timer1.Stop(); serialPort1.Write("s"); serialPort1.Close(); ma.Show(); } private void button9_Click_1(object sender, EventArgs e) { bool check = serialPort1.IsOpen; if (check == false) { string p = cbp.Text; if (p != string.Empty) { serialPort1.PortName = p; bool test = serialPort1.IsOpen; if (test == true) { MessageBox.Show("Đã Kết Nối"); } else { try { serialPort1.Open(); if (serialPort1.IsOpen) { serialPort1.Write("*"); if (j == 2) { MessageBox.Show("Connected"); } else { MessageBox.Show("Try again!"); serialPort1.Close(); } } } catch { MessageBox.Show("Không thể kết nối"); } } } else MessageBox.Show("Please select SerialPort!"); } else MessageBox.Show("Connected!"); } private void button2_Click_1(object sender, EventArgs e) { if (cbid.Text != string.Empty) { k++; button5.Location = new Point(500, 10); button5.Enabled = true; } else { MessageBox.Show("Choose Node ID first!"); } } private void button5_Click_1(object sender, EventArgs e) { AddNewTextBox(); } public System.Windows.Forms.TextBox AddNewTextBox() { string name = cbid.Text; System.Windows.Forms.TextBox txt = new System.Windows.Forms.TextBox(); this.Controls.Add(txt); Point txtloca = button5.Location; txt.Location = new Point(txtloca.X, txtloca.Y); txt.Text = name; txt.TabIndex = Convert.ToInt32(name); return txt; } private void button10_Click(object sender, EventArgs e) { foreach (TextBox txtBox in this.Controls.OfType()) { String xoanode = "01";//txtxoa.Text; int tab = Convert.ToInt32(xoanode); if (txtBox.Text == xoanode ) { this.Controls.RemoveAt(tab); } } } private void button10_Click_1(object sender, EventArgs e) { if (cbsetti.Text != string.Empty) { int inter = Convert.ToInt16(cbsetti.Text); if (timer1.Interval == inter) { MessageBox.Show("done"); } else { string ti = "t" + cbsetti.Text; serialPort1.Write(ti); timer1.Interval = Convert.ToInt16(cbsetti.Text); } } else { MessageBox.Show("Please choose Interval!"); } } } } Code giao diện detail: using using using using using System; System.Collections.Generic; System.ComponentModel; System.Data; System.Drawing; using System.Linq; using System.Text; using System.Windows.Forms; //Serialport using System.IO; using System.IO.Ports; using System.Xml; namespace WindowsFormsApplication1 { public partial class Form1 : Form { string inputdata, re, node, datas, id1, id2, hum, pir, adr; SerialPort P = new SerialPort(); int x = 0, data = 0, tg = 0, humi=0, piri = 1, actti=1; public Form1() { InitializeComponent(); //tạo combox serialport string[] ports = SerialPort.GetPortNames(); cbp.Items.AddRange(ports); string[] interval = { "500", "1000", "2000", "3000", "4000", "5000", "6000", "7000", "8000", "9000", "10000" }; cbti.Items.AddRange(interval); lbtem.Text = "hi"; } private void Form1_Load(object sender, EventArgs e) { //serialPort1.Open(); } private void button5_Click_1(object sender, EventArgs e) { bool check = serialPort1.IsOpen; if (check == false) { string p = cbp.Text; if (p != string.Empty) { serialPort1.PortName = p; bool test = serialPort1.IsOpen; if (test == true) { MessageBox.Show("Đã Kết Nối"); button5.Text = "Connected"; } else { try { serialPort1.Open(); if (serialPort1.IsOpen) { button5.Text = "Connected"; } } catch { MessageBox.Show("Không thể kết nối"); } } } else MessageBox.Show("Please select SerialPort!"); } else { MessageBox.Show("Connected!"); button5.Text = "Connected"; } } private void button3_Click(object sender, EventArgs e) { DialogResult kp = MessageBox.Show("Are you sure?", "NGKH", MessageBoxButtons.YesNo, MessageBoxIcon.Question); if (kp == DialogResult.Yes) { serialPort1.WriteLine("."); serialPort1.Write("m"); this.Close(); } } private void button2_Click_1(object sender, EventArgs e) { bool check = serialPort1.IsOpen; if (check == true) { if (button2.Text == "Stop") { timer1.Stop(); button2.Text = "Start"; } else { string c = "id" + cbid.Text; if ( cbid.Text != string.Empty) { serialPort1.WriteLine(c); timer1.Start(); button2.Text = "Stop"; } else MessageBox.Show("Please choose Node ID!"); } } else MessageBox.Show("Please connect SerialPorts fisrt!"); } private void timer1_Tick_1(object sender, EventArgs e) { label14.Text = inputdata; if((actti%2) == 0) { if (id1 != string.Empty) { sos.Text = id1; string[] thang; thang = id1.Split('|'); if (thang.Length > 3) { node = thang[0]; datas = thang[1]; hum = thang[2]; pir = thang[3]; adr = thang[4]; string test = cbid.Text; //lbad.Text = adr; lbid.Text = test; lbad.Text = adr; lbhum.Text = hum + "%"; lbtem.Text = datas + "*C"; lbinf.Text = pir; bool t = int.TryParse(datas, out data); bool f = int.TryParse(hum, out humi); bool v = int.TryParse(pir, out piri); int i = humi; x = data; tg = tg + 1; if (button2.Text == "Stop") { if (x >= 70) { sos.Text = "Nhiệt độ cảnh báo"; } else { sos.Text = "Mọi thứ ổn"; } this.chart1.Series["Temperature"].Points.AddXY(tg, data); this.chart1.Series["Độ Ẩm"].Points.AddXY(tg, i); DateTime tn = DateTime.Now; ListViewItem item = new ListViewItem(tn.ToString()); item.SubItems.Add(node.ToString()); item.SubItems.Add(data.ToString()); item.SubItems.Add(humi.ToString()); item.SubItems.Add(piri.ToString()); listView1.Items.Add(item); } } } } } private void button1_Click(object sender, EventArgs e) { bool check = serialPort1.IsOpen; if (check == true) { timer1.Stop(); serialPort1.Write("1"); if (re != null) { string id; //id = re; id = re.Replace("!", null); string[] dau = id.Split('.'); string s = dau[0]; string[] thang; thang = s.Split('|'); string[] danhsach = new string[thang.Length]; danhsach = thang; cbid.Items.Clear(); cbid.Items.AddRange(danhsach); timer1.Start(); if (cbid.Items.Count != 0) { serialPort1.Write("s"); } } else { MessageBox.Show("loi doc"); } } else MessageBox.Show("Please connect SerialPorts fisrt!"); } private void serialPort1_DataReceived_1(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e) { try { inputdata = serialPort1.ReadLine(); } catch (Exception) { MessageBox.Show("DataReceived Error"); } if (inputdata.StartsWith("!")) { re = inputdata; } else { string[] cham; cham = inputdata.Split('.'); id1 = cham[0]; actti++; } } private void button4_Click(object sender, EventArgs e) { if (cbid.Text != string.Empty) { int inter = Convert.ToInt16(cbti.Text); if (timer1.Interval == inter) { MessageBox.Show("done"); } else { string ti = "t" + lbad.Text + "," + cbti.Text; serialPort1.Write(ti); timer1.Interval = Convert.ToInt16(cbti.Text); } } else { MessageBox.Show("Please choose Node ID!"); } } private void splitContainer1_Panel2_Paint(object sender, PaintEventArgs e) { } } } ... trợ với hai dây Một cho xung (SCL) cho liệu (SDA) Để sử dụng tính I2C này, cần phải nhập thư viện có tên Thư viện Wire  Chân 18: AREF Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi... lượng cho nút, nguồn phải có khả trì nút hoạt động thời gian dài ổn định, phải có khả lấy lượng từ môi trường, cụ thể mạng này, nguồn gắn thêm tắm pin mặt trời làm nhiệm vụ cấp lượng cho nút sạc cho. .. nguồn điện cho hệ thống, nút mạng hồn tồn hoạt động cách ổn định, nút bị hỏa hoạn phá hủy khơng ảnh hưởng đến nút khác trình truyền liệu mạng Nguồn điện tích trữ nạp vào pin để cấp nguồn cho hệ thống