Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế & thi công hệ thống báo cháy ứng dụng công nghệ IoT

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống báo cháy thông minh ứng dụng công nghệ IoT. Chi tiết sơ đồ mạch, linh kiện và quy trình thi công thực tế.

• Tác giả: Nhóm tác giả
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông
• Đề tài: Đồ án hệ thống báo cháy thông minh sử dụng IoT (Full)
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Báo Cháy Thông Minh sử dụng IoT

Hệ thống báo cháy thông minh IoT là một giải pháp hiện đại kết hợp công nghệ Internet of Things với các cảm biến phát hiện cháy nổ tiên tiến. Hệ thống này được thiết kế nhằm tăng cường an toàn phòng cháy cho các tòa nhà, nhà máy và các công trình quan trọng. Thay vì chỉ sử dụng các thiết bị báo cháy truyền thống, hệ thống IoT cho phép giám sát thời gian thực từ xa thông qua các ứng dụng web hoặc di động. Công nghệ này không chỉ phát hiện cháy nhanh chóng mà còn cung cấp thông tin chi tiết về vị trí và mức độ nguy hiểm, giúp các lực lượng chức năng ứng phó kịp thời. Đề tài này tập trung vào việc thiết kế và thi công một hệ thống báo cháy IoT hoàn chỉnh với các công nghệ tiên tiến.

1.1. Tầm quan trọng của Hệ thống Báo Cháy Thông Minh

Cháy nổ là một trong những thảm họa lớn nhất trong đời sống xã hội, gây ra tổn thất về người và tài sản. Hệ thống báo cháy thông minh giúp phát hiện sớm các dấu hiệu cháy và thông báo ngay cho những người liên quan. Với khả năng kết nối Internet, hệ thống này cho phép quản lý từ xa, theo dõi 24/7 và ghi lại các sự kiện cháy, tạo nên một lớp bảo vệ vô cùng quan trọng.

1.2. Ứng dụng Thực tiễn của IoT trong Phòng Cháy

IoT (Internet of Things) mở ra những khả năng mới trong quản lý an toàn phòng cháy. Hệ thống có thể kết nối nhiều cảm biến khí gas, cảm biến lửa và cảm biến nhiệt độ trong cùng một mạng lưới. Dữ liệu từ các cảm biến này được xử lý bởi vi điều khiển Arduino Mega và truyền lên server thông qua module WiFi ESP8266, cho phép người dùng theo dõi tình trạng an toàn thực thời.

II. Cấu trúc và Các Thành phần Chính của Hệ thống

Hệ thống báo cháy IoT bao gồm nhiều thành phần cứng và phần mềm hoạt động phối hợp với nhau. Phần cứng chính gồm có vi điều khiển Arduino Mega 2560 đóng vai trò bộ xử lý trung tâm, các cảm biến phát hiện như MQ2 (khí gas), DHT11 (nhiệt độ và độ ẩm), và cảm biến lửa, module WiFi ESP8266 để kết nối Internet, module SIM 900A để gửi cảnh báo SMS, màn hình LCD 16x2 hiển thị thông tin, và khối ngõ ra công suất điều khiển các thiết bị cảnh báo. Phần mềm gồm chương trình lập trình cho Arduino và ứng dụng Web Server cho phép theo dõi từ xa.

2.1. Các Cảm biến Phát hiện Cháy

Cảm biến MQ2 phát hiện khí gas dễ cháy như LPG, methane và khói. Cảm biến lửa sử dụng quang điện để phát hiện ánh sáng hồng ngoại từ ngọn lửa. Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm, giúp phát hiện sự tăng nhiệt độất thường. Ba loại cảm biến này hoạt động độc lập nhưng được tích hợp trong cùng một hệ thống, cung cấp độ chính xác cao.

2.2. Bộ Điều khiển và Kết nối Truyền thông

Arduino Mega 2560 là bộ vi điều khiển 8-bit với 54 chân I/O, đủ để kết nối với tất cả các cảm biến và thiết bị. Module WiFi ESP8266 cho phép hệ thống kết nối Internet và gửi dữ liệu đến cloud server. Module SIM 900A hỗ trợ gửi tin nhắn SMS và gọi điện thông báo cảnh báo, đảm bảo thông tin đến được người quản lý ngay cả khi mất kết nối Internet.

III. Thiết kế và Tính toán Hệ thống Báo Cháy

Quá trình thiết kế hệ thống báo cháy thông minh bắt đầu từ phân tích yêu cầu và vẽ sơ đồ khối hệ thống. Các sơ đồ nguyên lý được thiết kế chi tiết cho từng mạch điều khiển, mạch tính toán và mạch ngõ ra. Tính toán điện áp, dòng điện cho các cảm biến và linh kiện được thực hiện để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động. Thiết kế PCB (mạch in) được thực hiện theo các quy chuẩn kỹ thuật, đảm bảo các đường dẫn tín hiệu không bị nhiễu. Các thông số kỹ thuật như ngưỡng cảnh báo cho cảm biến gas được cấu hình phù hợp với điều kiện thực tế.

3.1. Sơ đồ Khối và Thiết kế Logic

Sơ đồ khối hệ thống thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần: cảm biến → Arduino Mega → xử lý dữ liệu → đầu ra. Logic điều khiển được lập trình để phát hiện các tín hiệu cảnh báo từ cảm biến, xác định mức độ nguy hiểm, và kích hoạt báo động tương ứng. Hệ thống hoạt động ở chế độ tự động để phát hiện cháy hoặc chế độ thủ công cho các kiểm tra định kỳ.

3.2. Tính toán và Lựa chọn Linh kiện

Tính toán điện áp cho các cảm biến MQ2, DHT11 là 5V, cảm biến lửa 5V. Dòng tiêu thụ của hệ thống được tính để lựa chọn nguồn cấp phù hợp. Trở điều áp và tụ lọc được tính toán để ổn định điện áp. Các linh kiện chính như relay 5V, transistor 2SC1815 được chọn dựa trên tải điều khiển và yêu cầu ứng dụng thực tế.

IV. Lập trình và Triển khai Hệ thống Báo Cháy IoT

Lập trình vi điều khiển được thực hiện sử dụng Arduino IDE, với các thư viện hỗ trợ cho cảm biến DHT11, WiFi ESP8266 và module SIM 900A. Chương trình chính thực hiện các chức năng: đọc dữ liệu từ cảm biến, so sánh với ngưỡng cảnh báo, hiển thị thông tin trên LCD, và gửi dữ liệu đến Web Server. Ứng dụng Web được phát triển để hiển thị dashboard giám sát thời gian thực, lịch sử sự kiện cháy, và cung cấp giao diện điều khiển cho quản lý viên. Triển khai hệ thống bao gồm lắp ráp bo mạch in, kết nối các cảm biến, kiểm tra kết nối, và thử nghiệm chức năng của từng thành phần.

4.1. Lập trình Firmware cho Arduino Mega

Firmware được viết để thực hiện vòng lặp chính liên tục đọc dữ liệu từ cảm biến. Các hàm xử lý tín hiệu kiểm tra giá trị ngưỡng cháy và kích hoạt cảnh báo khi phát hiện nguy hiểm. Giao tiếp UART được cấu hình cho ESP8266 để gửi dữ liệu JSON đến server. Tối ưu hóa code được thực hiện để giảm mức tiêu thụ năng lượng và tăng tốc độ phát hiện.

4.2. Ứng dụng Web Server và Giao diện Giám sát

Web Server được xây dựng sử dụng Node.js và Express framework, lưu trữ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu MongoDB. Giao diện người dùng hiển thị bản đồ vị trí cảm biến, trạng thái thời gian thực của từng cảm biến, và biểu đồ lịch sử. Thông báo Push được gửi đến điện thoại di động khi phát hiện cháy, cung cấp đường truyền cảnh báo đa lớp đảm bảo không bỏ sót.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đề tài. • Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày giới thiệu phần cứng của hệ thống điều khiển, các chuẩn giao tiếp trong quá trình truyền – nhận dữ liệu. • Chương 3: Tính Toàn Thiết Kế.

Chương này trình bày về cách tính toán, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của các board mạnh của hệ thống: mạch điều khiển trung tâm, mạch điều điều khiển thứ cấp, mạch nguồn cung cấp điện áp – dòng điện cho từng bộ xử lí trong hệ thống. • Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Chương này trình bày về sơ đồ mạch in PCB, cách lập trình, cách kiểm tra các mạch của toàn bộ hệ thống. Bên cạnh đó là hình ảnh thực tế, cũng như kết quả mà hệ thống có tính đến thời điểm hiện tại.

• Chương 5: Kiểm tra và đánh giá kết quả thực hiện được. Chương này sẽ trình bày kết quả thực hiện được đồng thời đưa ra những nhật xét và đánh giá với lý thuyết đã trình bày ở Chương 2. • Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Chương này trình bày những kết quả mà đề tài đạt được, đồng thời đưa ra hướng phát triển để có được một đề tài hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu cho cuộc sống hiện đại như ngày na BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IOT Hình 2.1: Các thành phần cơ bản trong IOT IOT là mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Internet of Things – IoT được đưa ra bởi các nhà sáng lập của MIT Auto-ID Center đầu tiên, năm 1999 Kevin Ashton đã đưa ra cụm từ Internet of Things nhằm để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng.

Thuật ngữ Auto-ID chỉ tới bất kỳ một lớp rộng của các kỹ thuật xác minh sử dụng trong công nghiệp để tự động hóa, giảm các lỗi và tăng hiệu năng. Các kỹ thuật đó bao gồm các mã vạch, thẻ thông BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT minh, cảm biến, nhận dạng tiếng nói, và sinh trắc học. Từ năm 2003 Kỹ thuật Auto-ID trong các hoạt động chính là Radio Frequency Identification – RFID.

Ngày nay với khoảng 1,5 tỷ máy tính và trên 1 tỷ điện thoại có kết nối Internet. Sự hiện diện “Internet of PCs” sẽ được chuyển sang IoT trong đó 50-100 tỷ thiết bị kết nối Internet trong năm 2020. Một vài nghiên cứu còn chỉ ra trong cùng năm đó, số lượng máy móc di động sẽ tăng gấp 30 lần so với hiện nay. Nếu không chỉ xem xét các kết nối máy với máy mà là các kết nối giữa tất cả các vật thể thì số lượng kết nối có thể tăng lên tới 100.

Trong một lý thuyết mới, các vật thể được kết nối là quá nhiều đến mức có thể xóa nhòa ranh giới giữa mảnh và nguyên tử. Một vài tác giả tạo ra các khái niệm mới để hiểu rõ hơn lý thuyết IoT. VD: “blogjects” để mô tả vật thể blog, “sprimes” để chỉ nhận thức vị trí, nhận thức môi trường, tự ghi log, tự tạo tài liệu, các vật thể duy nhất mà cung cấp nhiều dữ liệu về bản thân chúng và môi trường của chúng, “informational shadows” để chỉ các vật thể được kết nối. Một số ví dụ về các thiết bị IoT Khá nhiều đối tượng vật lý có thể được chuyển đổi thành thiết bị IoT nếu nó có thể được kết nối với internet và điều khiển theo cách đó.

Một bóng đèn có thể được bật bằng ứng dụng điện thoại thông minh là một thiết bị IoT, như một cảm biến chuyển động hoặc một bộ điều chỉnh nhiệt thông minh trong văn phòng của bạn hoặc đèn đường được kết nối. Một thiết bị IoT có thể đơn giản như đồ chơi của trẻ em hoặc nghiêm trọng như một chiếc xe tải không người lái, hoặc phức tạp như một động cơ phản lực hiện chứa hàng ngàn cảm biến thu thập và truyền dữ liệu trở lại để đảm bảo nó hoạt động hiệu quả. Ở quy mô lớn hơn, các dự án thành phố thông minh đang được lấp đầy bằng các cảm biến để giúp chúng ta hiểu và kiểm soát môi trường. Lợi ích của Internet of Things cho doanh nghiệp Đôi khi được gọi là ngành công nghiệp IoT, lợi ích của IoT cho doanh nghiệp phụ thuộc vào việc triển khai cụ thể, nhưng điều quan trọng là doanh nghiệp nên có BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT quyền truy cập vào nhiều dữ liệu hơn về các sản phẩm của chính họ và hệ thống nội bộ của riêng họ và khả năng thay đổi lớn hơn. Các nhà sản xuất đang thêm các cảm biến vào các thành phần của sản phẩm để họ có thể truyền lại dữ liệu về cách chúng hoạt động. Điều này có thể giúp các công ty phát hiện ra khi một thành phần có khả năng lỗi và trao đổi nó trước khi nó gây ra thiệt hại. Các công ty cũng có thể sử dụng dữ liệu do các cảm biến này tạo ra để làm cho hệ thống và chuỗi cung ứng của họ hiệu quả hơn, bởi vì họ sẽ có dữ liệu chính xác hơn nhiều về những gì đang thực sự xảy ra.

IoT và big data IoT tạo ra lượng dữ liệu khổng lồ: từ các cảm biến được gắn vào các bộ phận của máy hoặc cảm biến môi trường hoặc các từ chúng ta hét vào loa thông minh của mình. Điều đó có nghĩa là IoT là một trình điều khiển quan trọng của các dự án phân tích dữ liệu lớn vì nó cho phép các công ty tạo ra các tập dữ liệu lớn và phân tích chúng. Cung cấp cho nhà sản xuất một lượng lớn dữ liệu về cách các thành phần của nó hoạt động trong các tình huống trong thế giới thực có thể giúp họ cải thiện nhanh hơn nhiều, trong khi dữ liệu được loại bỏ từ các cảm biến xung quanh thành phố có thể giúp các nhà quy hoạch thực hiện lưu lượng giao thông hiệu quả hơn. IoT và đám mây Lượng dữ liệu khổng lồ mà các ứng dụng IoT tạo ra có nghĩa là nhiều công ty sẽ chọn xử lý dữ liệu của họ trên đám mây thay vì xây dựng một lượng lớn công suất nội bộ.

Gã khổng lồ điện toán đám mây đã tính đến điều này: Microsoft có bộ Azure IoT của mình, trong khi Amazon Web Services cung cấp một loạt các dịch vụ IoT, cũng như Google Cloud. IoT và thành phố thông minh Bằng cách truyền bá một số lượng lớn các cảm biến trên một thị trấn hoặc thành phố, các nhà hoạch định có thể hiểu rõ hơn về những gì đang thực sự xảy ra, trong thời gian thực. Do đó, các dự án thành phố thông minh là một tính năng chính của IoT. Các thành phố đã tạo ra một lượng lớn dữ liệu (từ camera an ninh và cảm biến môi trường) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT và đã chứa các mạng cơ sở hạ tầng lớn (như các mạng điều khiển đèn giao thông). Các dự án IoT nhằm mục đích kết nối những thứ này, và sau đó bổ sung thêm trí thông minh vào hệ thống. Sự phát triển của IoT Khi giá của các cảm biến tiếp tục giảm, việc thêm nhiều thiết bị vào IoT sẽ trở nên hiệu quả về mặt chi phí – ngay cả trong một số trường hợp có rất ít lợi ích rõ ràng cho người tiêu dùng. Khi số lượng thiết bị được kết nối tiếp tục tăng lên, môi trường sống và làm việc của chúng ta sẽ trở nên đầy ắp các sản phẩm thông minh – giả sử chúng ta sẵn sàng chấp nhận sự đánh đổi bảo mật và quyền riêng tư.

Một số sẽ chào đón kỷ nguyên mới của những điều thông minh. Những người khác sẽ không thích điều này, họ muốn một chiếc ghế chỉ đơn giản là một chiếc ghế.2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ VÀO RA SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI - Thiết bị đầu vào: Cảm biến nhiệt độ DHT11, cảm biến khí gas, cảm biến lửa. - Thiết bị đầu ra: Bơm nước, quạt. - Thiết bị hiển thị: LCD 16x2.

- Thiết bị điều khiển trung tâm: Arduino Mega. - Module wifi: Esp8266 - Module Sim 900A - Thiết bị giao diện điều khiển: Laptop 2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.1 Board Adruino Mega 2560 a. Sơ lược Arduino Mega 2560 là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch Mega là dòng board mạch có nhiều cải tiến so với Arduino Uno (54 chân digital I/O và 16 chân analog I/O). Đặc biệt bộ nhớ flash của Mega được tăng lên một cách đáng kể, gấp 4 lần so với những phiên bản cũ của Uno R3.

Điều này cùng với việc trang bị 3 timer và 6 cổng ngắt interrupt khiến board mạch Mega hoàn toàn có thể giải quyết được nhiều bài toán khó, cần điều khiển nhiều loại động cơ và xử lý song song nhiều luồng dữ liệu số cũng như tương tự. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ngoài việc phát triển được ưu tiên, việc kế thừa cũng được đặc biệt lưu ý. Trên mạch Mega các chân digital vẫn từ 0-13, analog từ 0-5 và các chân nguồn tương tự thiết kế của Uno.

Do vậy việc phát triển, nghiên cứu Arduino Mega tương tự như Arduino Uno. Ngoài ra, ở phiên bản này, các nhà thiết kế đã mạnh dạn thay đổi thiết kế. Để có thêm được nhiều vùng nhớ và nhiều chân I/O hơn, một vi điều khiển khác đã thay thế cho Atmega1280. Theo dòng phát triển của vi điều khiển nhúng, những dự án lớn cần nhiều dung lượng flash hơn.

Do vậy, Arduino Mega 2560 ra đời với sứ mệnh giải những bài toán như thế[5]. Board Adruino Mega 2560 Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển, xây dựng dựa trên vi điều khiển Atmega 2560.