Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu & thi công hệ thống phòng cháy báo cháy cho nhà phố

Tham khảo đồ án tốt nghiệp hệ thống phòng cháy báo cháy cho nhà phố. Cung cấp đầy đủ sơ đồ mạch, lưu đồ giải thuật và hướng dẫn thi công.

• Tác giả: Trần Thanh Hoài
• Người hướng dẫn: GVC. Trương Ngọc Anh
• Trường học: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử
• Đề tài: Đồ án hệ thống phòng cháy báo cháy cho nhà phố (Full)
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Phòng Cháy Báo Cháy Cho Nhà Phố

Hệ thống phòng cháy báo cháy là giải pháp bảo vệ toàn diện cho các công trình nhà phố hiện đại. Đây là một hệ thống tích hợp các thiết bị cảm biến, bộ điều khiển trung tâm và các cơ chế cảnh báo để phát hiện sớm những dấu hiệu cháy nổ. Hệ thống này không chỉ giúp bảo vệ tính mạng người dân mà còn giảm thiểu tổn thất về tài sản. Theo các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành, lắp đặt hệ thống báo cháy là bắt buộc đối với các nhà phố có chiều cao từ 3 tầng trở lên. Hệ thống hoạt động 24/7, tự động phát hiện các tình huống khẩn cấp và thông báo ngay cho chủ nhà lẫn các lực lượng chức năng.

1.1. Định Nghĩa Và Tầm Quan Trọng

Hệ thống báo cháy là tập hợp các thiết bị phát hiện, xử lý và cảnh báo cháy được lắp đặt trong các công trình nhà phố. Tầm quan trọng của hệ thống nằm ở khả năng phát hiện sớm các dấu hiệu cảnh báo, từ đó có thời gian đủ để sơ tán người dân và chữa cháy. Các cảm biến thông minh có thể phát hiện khí độc, nhiệt độ bất thường, và khói chỉ trong vài giây kể từ khi cháy bắt đầu.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Trong Nhà Phố

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng, hệ thống phòng cháy cho nhà phố trở nên vô cùng cần thiết. Các nhà phố hiện đại thường có cấu trúc phức tạp với nhiều phòng, tầng lầu, điều này làm tăng độ khó trong việc phát hiện và kiểm soát cháy. Lắp đặt hệ thống báo cháy tự động giúp giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả và an toàn.

II. Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống

Một hệ thống phòng cháy báo cháy hoàn chỉnh bao gồm nhiều thành phần quan trọng hoạt động liên kết với nhau. Bộ điều khiển trung tâm (Control Panel) là "trái tim" của hệ thống, nhận tín hiệu từ các cảm biến cháy và xử lý thông tin. Cảm biến khí gas (MQ-02) có khả năng phát hiện các khí dễ cháy như khí gas, xăng hơi. Cảm biến nhiệt độ (DHT11) giám sát sự thay đổi nhiệt độ bất thường. Màn hình LCD 20x4 hiển thị trạng thái hệ thống thời gian thực. Module GSM (SIM 900A) cho phép gửi tin nhắn cảnh báo đến điện thoại chủ nhà. Relay điều khiển kích hoạt các thiết bị chữa cháy tự động như sprinkler hoặc tắt điện.

2.1. Cảm Biến Và Thiết Bị Phát Hiện

Cảm biến cháy là những thiết bị nhạy cảm phát hiện các dấu hiệu bất thường. Cảm biến khí gas MQ-02 phát hiện nồng độ khí độc với độ chính xác cao. Cảm biến nhiệt độ giúp phát hiện nhiệt từ ngọn lửa. Cảm biến khói có thể nhận biết hạt khói nhỏ trong không khí. Các cảm biến này kết nối với bộ điều khiển thông qua các giao tiếp đặc biệt như One-Wire hoặc I2C.

2.2. Bộ Điều Khiển Và Xử Lý Dữ Liệu

Arduino Mega 2560 là bộ vi xử lý trung tâm xử lý toàn bộ logic hệ thống. Vi xử lý này có khả năng xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến đồng thời, ra quyết định trong thời gian thực. Module WiFi ESP8266 được tích hợp để truyền dữ liệu đến cloud, giúp chủ nhà giám sát từ xa qua ứng dụng điện thoại.

2.3. Hệ Thống Cảnh Báo Và Thông Báo

Khi phát hiện tình huống bất thường, hệ thống kích hoạt còi báo động ngay lập tức. Module SIM 900A tự động gửi tin nhắn SMS đến số điện thoại của chủ nhà và các cơ quan chức năng. Giao diện trực quan trên màn hình LCD hiển thị rõ ràng loại cảnh báo, vị trí phát hiện và các thông số cần thiết.

III. Nguyên Tắc Hoạt Động Và Quy Trình Lắp Đặt

Hệ thống phòng cháy báo cháy hoạt động theo nguyên tắc liên tục giám sát môi trường. Các cảm biến thu thập dữ liệu từ nhiều vị trí khác nhau trong nhà phố, gửi đến bộ điều khiển trung tâm qua giao tiếp I2C, UART, hoặc One-Wire. Bộ điều khiển xử lý các thông tin này và so sánh với ngưỡng cảnh báo được định cài sẵn. Khi phát hiện bất thường, hệ thống kích hoạt cảnh báo trong vòng vài giây. Quy trình lắp đặt hệ thống bao gồm khảo sát hiện trường, thiết kế sơ đồ, chuẩn bị linh kiện, lắp đặt các cảm biến tại các vị trí chiến lược, kết nối dây điều khiển, lập trình, và kiểm thử toàn hệ thống trước khi đưa vào hoạt động.

3.1. Chu Trình Hoạt Động Của Hệ Thống

Hệ thống hoạt động theo vòng lặp liên tục. Ban đầu, các cảm biến khởi động và bắt đầu thu thập dữ liệu từ môi trường. Bộ điều khiển Arduino đọc dữ liệu từ toàn bộ các cảm biến với tần suất cao (mỗi vài mili giây). Dữ liệu được lọc, xử lý để loại bỏ nhiễu. Nếu phát hiện giá trị vượt ngưỡng, hệ thống thực hiện chuỗi hành động cảnh báo từ nhanh nhất đến chậm nhất.

3.2. Các Bước Lắp Đặt Và Thi Công

Lắp đặt hệ thống bắt đầu từ khảo sát chi tiết cấu trúc nhà phố, xác định các vị trí cài đặt cảm biến tối ưu. Tiếp theo là chuẩn bị sơ đồ nối dây chi tiết, mua linh kiện chính hãng. Lắp đặt các cảm biến phải tuân theo hướng dẫn kỹ thuật, đảm bảo không bị che chắn. Kết nối dây điều khiển cẩn thận tránh các lỗi ngắn mạch. Cuối cùng là lập trình bộ điều khiển và kiểm thử toàn bộ hệ thống.

IV. Ưu Điểm Thách Thức Và Xu Hướng Phát Triển

Hệ thống phòng cháy báo cháy hiện đại mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Khả năng phát hiện sớm giúp tăng cơ hội sơ tán an toàn. Tự động hóa giảm bớt sự phụ thuộc vào con người. Kết nối IoT cho phép giám sát từ xa qua điện thoại. Tuy nhiên, hệ thống cũng gặp một số thách thức như chi phí lắp đặt ban đầu cao, yêu cầu bảo trì định kỳ, và khó khăn trong việc đào tạo người vận hành. Xu hướng phát triển hiện nay hướng tới hệ thống thông minh hơn sử dụng AI và machine learning để phát hiện cháy chính xác hơn, tích hợp với nhà thông minh (smart home), và sử dụng năng lượng tái tạo để vận hành bền vững.

4.1. Những Ưu Điểm Của Hệ Thống Hiện Đại

Hệ thống phòng cháy thông minh cung cấp bảo vệ 24/7 mà không cần can thiệp con người. Phát hiện sớm các dấu hiệu cảnh báo trong vòng vài giây là một ưu điểm lớn. Cảnh báo tự động gửi tin nhắn đến chủ nhà và cơ quan chức năng giúp xử lý nhanh chóng. Giám sát từ xa cho phép chủ nhà kiểm soát từ bất kỳ đâu. Dữ liệu thống kê từ hệ thống giúp tối ưu hóa an toàn.

4.2. Các Thách Thức Và Giải Pháp

Chi phí lắp đặt cao là thách thức chính, nhưng có thể giải quyết bằng kế hoạch thanh toán từng giai đoạn. Bảo trì định kỳ là cần thiết nhưng kế hoạch bảo trì tốt giúp tăng tuổi thọ hệ thống. Độ chính xác của cảm biến có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường, tuy nhiên hiệu chỉnh định kỳ và sử dụng cảm biến chất lượng cao giải quyết vấn đề này.

4.3. Xu Hướng Phát Triển Tương Lai

Kỹ thuật AI và machine learning sẽ giúp hệ thống phân biệt chính xác giữa cảnh báo giả và cảnh báo thật. Tích hợp IoT làm cho hệ thống kết nối với các thiết bị nhà thông minh khác. Sử dụng năng lượng tái tạo như pin mặt trời sẽ giảm chi phí vận hành. Giao diện người dùng sẽ trở nên trực quan và dễ sử dụng hơn trên các nền tảng mobile.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Như chúng ta đều biết công tác phòng cháy chữa cháy (PCCC) là điều hết sức quan trọng vì PCCC giúp làm hạn chế đến mức thấp nhất những rủi ro mà cháy nổ gây ra về người và tài sản. Cháy nổ trong đời sống hàng ngày rất dễ xảy ra ở bất kì nơi đâu. Nếu con người không có sự phòng vệ và những biện pháp ngăn chặn kịp thời thì cháy nổ có thể gây ra những hậu quả khôn lường, đe dọa đến tính mạng và vật chất, đặc biệt nó có thể ảnh hưởng đến những khu vực lân cận và những người xung quanh. Để nâng cao hiệu quả trong công tác PCCC, chúng ta cần nâng cao ý thức tự giác, trách nhiệm của mọi người dân.

Địa phương cần tổ chức và tuyên truyền cho nhân dân hiểu tác hại nghiêm trọng của cháy nổ cũng như cách phòng chống cháy nổ. Bên cạnh đó, trang bị cho người dân những kiến thức cơ bản trong trường hợp khi có cháy nổ xảy ra. Để giảm thiểu những vụ cháy nổ tại các nhà máy, xí nghiệp, công ty, hay các hộ gia đình, chúng ta cần: trang bị những thiết bị giúp phòng chống cháy như bình chữa cháy, lắp đặt hệ thống chữa cháy, còi báo cháy , kiểm tra các điểm dễ cháy như cầu dao, ổ cắm điện …Luôn đề cao cảnh giác trong mọi tình huống khi có cháy nổ, thường xuyên tổ chức những buổi tập huấn giúp nâng cao kiến thức về PCCC. Với tất cả các lý do trên cùng với tầm quan trọng của PCCC trong đời sống, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thi công hệ thống phòng cháy và báo cháy cho nhà phố”.

Mục đích cuối cùng của đề tài là giúp phát hiện, ngăn chặn và hạn chế đến mức thấp nhất rủi ro cháy nổ xảy đến với con người, từ đó có những hành động kịp thời để ngăn chặn.MỤC TIÊU Thiết kế và thi công mô hình điều khiển đo điện năng các thiết bị điện trong nhà như đèn, quạt, máy sấy tóc,… qua website. Các tín hiệu được gửi lên Firebase làm nơi lưu trữ dữ liệu và giao tiếp với Arduino Mega2560 thông qua NodeMCU ESP8266 trên cùng một kit phát triển để điều khiển và có hiển thị thông số, giá trị của các tín hiệu đo trên LCD. Cảnh báo trực tiếp từ đầu báo đến người dùng thông qua tin nhắn SMS và cuộc gọi đến do Arduino Mega2560 đóng vai trò điều khiển xử lí.NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thi công hệ thống phòng cháy và báo cháy cho nhà phố”, nhóm chúng em đã lên kế hoạch giải quyết và hoàn thành những nội dung sau:  Nội dung 1: Nghiên cứu Kit Arduino MEGA WiFi R3 ATmega2560 + ESP8266, Module Sim900A và module đo điện năng tiêu thụ PZEM-004T.  Nội dung 2: Kết nối cảm biến khí gas, chuông báo động vào Arduino Mega 2560.

Nghiên cứu giao tiếp Module Sim900A với Arduino Mega 2560.  Nội dung 3: Nghiên cứu xây dựng Pzem-004T đo điện năng tiêu thụ thiết bị. Giao tiếp Arduino Mega 2560 với ESP8266.  Nội dung 4: Xây dựng Firebase, thiết kế giao diện web.

Lập trình web.  Nội dung 5: Thiết kế mô hình cho hệ thống.  Nội dung 6: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.  Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện.

 Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm: - Hệ thống dùng một Kit phát triển MEGA WiFi R3 ATmega2560 + ESP8266 để xây dựng giao tiếp với module Sim900A, module đo điện năng Pzem-004T, module relay 4 kênh, cảm biến gas MQ-02, LCD20x4, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11. - Board mạch chính được đặt trong hộp nhựa có kích thước 35x20x8cm. - Mô hình nhà phố tiết diện nhỏ với 1 cảm biến gas, 4 bộ đo điện năng tương đương với điều khiển và đo được tối đa được 4 thiết bị điện. - Chỉ có thể đo được điện áp xoay chiều 1 pha trong khoảng 80VAC – 250VAC.

Dòng điện đo được trong giới hạn 0 – 100A. Công suất đo được trong giới hạn 0-26 kW. Điện năng tiêu thụ trong giới hạn 0 – 10000 kWh. - Điều khiển các thiệt bị quạt, đèn, … công suất tiêu thụ dưới 1000W, không dùng cho tải động cơ.

- Hiển thị các thông số điện năng, tổng công suất và nhiệt độ độ ẩm trên màn hình LCD 20x4. - Sử dụng công tắc hành trình cho cửa khi đóng mở, đồng thời thêm một công tắc bật tay khi chủ nhà ra ngoài, mục đích để cảnh báo thiết bị đang hoạt động. - Hệ thống chưa thể đáp ứng ngay lập tức thao tác lệnh của người dùng do phụ thuộc nhiều vào tốc độ mạng cũng như tốc độ xử lý của vi điều khiển và thời gian truyền tín hiệu giữa các thiết bị trong hệ thống. 3 Chương 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT 2.

HỆ THỐNG BÁO CHÁY THỰC TẾ 2. Giới thiệu về hệ thống báo cháy tự động Hệ thống báo cháy tự động là một hệ thống gồm các thiết bị và cảm biến có nhiệm vụ báo động khi có khi có hiện tượng cháy nổ xảy ra, nhất thiết phải hoạt động liên tục 24h/24h, chính xác và kịp thời trong vùng hệ thống đang cảnh báo. Tự động phát ra các tín hiệu báo động, tín hiệu điều khiển các thiết bị ngoại vi của hệ thống báo cháy nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể nào đó. Đặc biệt, với hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy khói thì nó còn có nhiệm vụ quan trọng hơn là “cảnh báo”, tức là phát hiện và thông báo sự sắp cháy, sự cháy âm ỉ chưa có ngọn lửa.

 Quy trình hoạt động của hệ thống báo cháy đầy đủ: Hình 2.1 Hệ thống báo cháy đầy đủ. Giới thiệu các loại khí gas trong công nghiệp a) 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.

b) Ứng dụng của khí gas trong công nghiệp Khí công nghiệp là loại nguyên liệu khí được sản xuất để sử dụng trong công nghiệp, được sử dụng nhiều nhất như: nitrogen, oxy, carbon 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…  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. 5  Ứng dụng trong thiết bị gia dụng  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. Đâychính 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 R32 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.  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 6 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. - Gas R404 Gas R404 là loại gas chuyên dùng cho các tủ cấp đông. Loại gas này được thiết kế dành riêng cho nhu cầu làm đông ở nhiệt độ sâu hơn đồng thời đảm bảo tuổi thọ cho máy nén, các chi tiết và dầu bôi trơn cao hơn. - Gas R600 Gas R600 được ứng dụng trong các dòng tủ lạnh cao cấp.

Gas R600 là Gas Hidrocacbon (HC gas) nhằm bảo vệ môi trường và an toàn với tầng ozon, tránh hiện tượng biến đổi toàn cầu. GIỚI THIỆU MODULE CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ-02 Hình 2.2 Module cảm biến khí gas MQ-02. MQ-02 về cơ bản là một cảm biến khí đa năng (tương tự MQ5), MQ-02 có thể cảm nhận được một loạt các loại khí như LPG (khí dầu mỏ hoá lỏng hay còn gọi là khí gas), Butane, Methane (CH4), Hidro và ngoài ra các khí này thì MQ-02 cũng nhận biết cả khói.