Đồ án: Hệ thống thu thập dữ liệu môi trường, hiển thị web & cảnh báo cháy SMS

Tham khảo đồ án hệ thống giám sát môi trường thông minh. Tự động thu thập dữ liệu, hiển thị trên web và gửi cảnh báo cháy nhanh chóng qua tin nhắn SMS.

• Tác giả: Lâm Đường Nguyên
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Đức Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Môi Trường, Hiển Thị Thông Tin Trên Web Và Cảnh Báo Hỏa Hoạn Qua SMS
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án IoT Giám sát Môi trường và Cảnh báo Hỏa hoạn

Đồ án IoT là một hệ thống hiện đại kết hợp công nghệ Internet of Things với các cảm biến thông minh để giám sát môi trường và phát hiện nguy hiểm hỏa hoạn. Đây là dự án tốt nghiệp của sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử Truyền thông tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Hệ thống được thiết kế để thu thập dữ liệu từ các cảm biến môi trường, xử lý thông tin và hiển thị trên web, đồng thời cung cấp cảnh báo hỏa hoạn qua SMS khi phát hiện nguy hiểm. Công nghệ này ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như giám sát nhà thông minh, bảo vệ kho xưởng và quản lý môi trường công nghiệp.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của dự án

Mục tiêu chính của hệ thống giám sát IoT là xây dựng một giải pháp toàn diện để phát hiện sớm các hiểm họa cháy nổ và theo dõi các thông số môi trường quan trọng. Dự án này nhằm phát triển kỹ năng thiết kế hệ thống nhúng, lập trình vi điều khiển và ứng dụng công nghệ IoT thực tiễn. Ý nghĩa nổi bật là nâng cao an toàn phòng cháy chữa cháy và tạo điều kiện môi trường làm việc tốt hơn cho người sử dụng.

1.2. Cấu trúc và tính năng chính

Hệ thống bao gồm ba thành phần chính: khối thu thập dữ liệu (cảm biến khí gas MQ-2, cảm biến phát hiện lửa, DHT22), khối xử lý trung tâm (Arduino và NodeMCU ESP8266), và khối hiển thị thông tin. Các tính năng nổi bật gồm giám sát nhiệt độ, độ ẩm, phát hiện khí gas, hiển thị LCD 16x2 và gửi thông báo SMS tự động khi phát hiện nguy hiểm.

II. Phần cứng và cảm biến trong Hệ thống Giám sát

Phần cứng của hệ thống IoT bao gồm các thành phần elektronik chuyên dụng để thu thập và xử lý dữ liệu môi trường. Các cảm biến thông minh như MQ-2, DHT22 và cảm biến phát hiện lửa được lắp đặt để theo dõi chất lượng không khí và điều kiện nhiệt độ. Vi điều khiển Arduino Nano được sử dụng làm bộ não của hệ thống để xử lý tín hiệu từ các cảm biến. Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 chịu trách nhiệm kết nối Internet và gửi dữ liệu lên server. Module SIM 800L được tích hợp để gửi SMS cảnh báo trong trường hợp khẩn cấp, tạo thành một giải pháp giám sát toàn diện và tin cậy.

2.1. Các loại cảm biến sử dụng

Cảm biến MQ-2 phát hiện khí gas độc hại với độ nhạy cao. Cảm biến DHT22 đo nhiệt độ và độ ẩm với độ chính xác ±2%. Cảm biến phát hiện lửa sử dụng quang trở để nhận diện nguồn sáng từ ngọn lửa. Quang trở giúp điều chỉnh độ sáng và theo dõi cơn nước trong môi trường. Các cảm biến này được kết nối với Arduino Nano thông qua các chân analog và digital để truyền dữ liệu liên tục.

2.2. Vi điều khiển và module truyền thông

Arduino Nano là vi điều khiển 8-bit xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các thiết bị ngoại vi. NodeMCU ESP8266 tích hợp Wi-Fi, cho phép hệ thống kết nối mạng và tải dữ liệu lên cloud. Module SIM 800L hỗ trợ giao tiếp GPRS/GSM để gửi SMS. Module NRF24L01+ hoạt động ở tần số 2.4GHz, truyền dữ liệu không dây giữa các khối thu thập và xử lý trung tâm với tốc độ lên đến 2 Mbps.

III. Giao tiếp dữ liệu và Kỹ thuật truyền thông

Giao tiếp dữ liệu là yếu tố then chốt trong hệ thống giám sát IoT hiện đại. Hệ thống sử dụng nhiều chuẩn truyền thông khác nhau để đảm bảo trao đổi dữ liệu ổn định giữa các thành phần. Giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) được sử dụng để kết nối cảm biến và module RF với tốc độ cao lên đến 10 Mbps. Giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) cho phép vi điều khiển giao tiếp với module GSM để gửi tin nhắn SMS cảnh báo. Giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit) kết nối LCD 16x2 để hiển thị thông tin thực tế. Giao tiếp Wi-Fi qua ESP8266 cho phép truyền dữ liệu lên server web để theo dõi từ xa. Những chuẩn truyền thông này hoạt động song song, tạo nên một hệ thống linh hoạt và hiệu quả.

3.1. Giao tiếp SPI và UART

Giao tiếp SPI sử dụng 4 dây (CLK, MOSI, MISO, CS) cho tốc độ truyền cao. Dữ liệu được truyền song song giữa master (Arduino) và slave (cảm biến). Giao tiếp UART sử dụng 2 dây (RX, TX) ở chế độ bất đồng bộ, phù hợp cho truyền dữ liệu từ xa. UART cho phép tốc độ truyền đặt chuẩn như 9600, 115200 baud, phù hợp với module SIM 800L để gửi lệnh AT và SMS.

3.2. Giao tiếp I2C và Wi Fi

Giao tiếp I2C sử dụng 2 dây (SDA, SCL) với chế độ đồng bộ, cho phép nhiều thiết bị kết nối trên cùng bus. Module chuyển đổi I2C-LCD giúp giảm số chân kết nối từ 8 xuống còn 2. Giao tiếp Wi-Fi qua NodeMCU ESP8266 cho phép truyền dữ liệu tới server cloud, người dùng có thể xem dữ liệu trực tuyến trên web browser từ bất cứ đâu.

IV. Ứng dụng thực tiễn và Hướng phát triển tương lai

Hệ thống giám sát IoT này có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực quan trọng. Trong quản lý nhà thông minh, hệ thống có thể phát hiện hỏa hoạn sớm và cảnh báo chủ nhà qua SMS hoặc thông báo trực tuyến. Ở các kho xưởng công nghiệp, nó theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và phát hiện khí gas để bảo vệ hàng hóa và đảm bảo an toàn lao động. Các máy chủ dữ liệu có thể được bảo vệ khỏi cháy nổ bằng cảnh báo sớm. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự báo nguy hiểm hỏa hoạn, kết nối với hệ thống tưới nước tự động, mở rộng số lượng cảm biến và phát triển ứng dụng mobile cho điều khiển từ xa. Sự nâng cấp công nghệ IoT sẽ làm cho hệ thống thông minh, hiệu quả và bảo vệ cuộc sống tốt hơn.

4.1. Các ứng dụng thực tế của hệ thống

Hệ thống giám sát IoT được áp dụng trong nhà thông minh để phát hiện hỏa hoạn sớm. Trong công nghiệp, nó bảo vệ kho xưởng khỏi cháy nổ bằng cảnh báo thời gian thực. Trung tâm dữ liệu sử dụng hệ thống theo dõi nhiệt độ. Bệnh viện, trường học có thể quản lý an toàn bằng phát hiện khí độc. Dự án này chứng minh khả năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ IoT trong bảo vệ con người và tài sản.

4.2. Nâng cấp và phát triển tương lai

Các hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp camera để giám sát video, kết nối hệ thống sprinkler tự động dập lửa, phát triển ứng dụng mobile cho điều khiển từ xa, sử dụng machine learning để dự báo nguy hiểm, mở rộng phạm vi với nhiều nút cảm biến khác nhau. Công nghệ blockchain có thể ghi nhận dữ liệu an toàn, tạo nên hệ thống giám sát thế hệ mới hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày đặt vấn đề lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. • Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương này tập trung vào các lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm các kiến thức về các loại module, các thiết bị ngoại vi, vi điều khiển sử dụng trong hệ thống. • Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Chương này trình bày về sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của hệ thống, trình bày chi tiết về các loại linh kiện, giao thức giao tiếp giữa các module với nhau. • Chương 4: Thi Công Hệ Thống Dựa trên sơ dồ nguyên lý tiến hành thi công phần cứng là lập trình phầm mềm cho hệ thống đáp ứng được các yêu cầu đã định ra.

• Chương 5: Kết Qủa, Nhận Xét và Đánh Giá Chương này sẽ trình bày kết quả mà nhóm đã thực hiện so với mục tiêu ban đầu, nhận xét hoạt động của hệ thống. • Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Tóm lược lại những điều nhóm đã thực hiện, đồng thời đưa ra hướng phát triển để có được một đề tài hoàn thiện. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 QUY TRÌNH GIÁM SÁT CỦA HỆ THỐNG Hệ thống gồm 2 phần chính: Phần thứ nhất là khối thu thập dữ liệu gồm các cảm biến phát hiện khí gas, cảm biến phát hiện lửa và cảm biến nhiệt tương ứng với các cảm biến sau : cảm biến MQ- 2, Flame Sensor phát hiện lửa, cảm biến DHT22, cảm biến ánh sáng. Các cảm biến này sẽ thu thập thông tin trong môi trường hiện tại sau đó sẽ gửi thông tin đến trung tâm xử lý bằng công nghệ truyền dẫn không dây thông qua bộ phát sóng cao tần (RF).

Phần thứ hai là bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu gửi về từ các khối thu thập dữ liệu thông qua bộ thu sóng cao tần để thực hiện bật quạt,máy bơm, gửi tin nhắn và gọi thông báo nếu có sự cố xảy ra. Hiển thị các thông số môi trường thu được lên giao diện giám sát.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.1 Khối cảm biến 2.1 Cảm biến khí gas Cảm biến khí ga MQ-2 là một trong những loại cảm biến được sử dụng để nhận biết: LPG, i-butan, Propane, Methane , Alcohol, Hydrogen, Smoke và khí gas. Được thiết kế với độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh. Giá trị đọc được từ cảm biến sẽ được đọc về từ chân Analog của vi điều khiển.

Vật liệu nhạy cảm của cảm biến khí MQ-2 là SnO2, có độ dẫn thấp hơn trong không khí sạch. Khi phát hiện có khí đốt dễ cháy, độ dẫn của cảm biến nhiệt độ cao hơn cùng với nồng độ khí tăng lên. ❖ Đặc tính của cảm biến • Độ nhạy tốt với khí dễ cháy trong phạm vi rộng. • Độ nhạy cao đối với LPG, Propane và Hydrogen.

• Tuổi thọ cao và chi phí thấp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ❖ Ứng dụng • Phát hiện rò rỉ gas trong nước. • Máy dò khí đốt trong công nghiệp. • Máy dò khí cầm tay.

❖ Thông tin kỹ thuật Mô hình MQ-2 Loại cảm biến Bán dẫn Tiêu chuẩn đóng gói Bakelite (Black Bakelite) Khí phát hiện Khí đốt dễ cháy, khói thuốc Nồng độ 300-10000ppm (Nồng độ khí gas) Mạch điện Điện áp mạch 𝑉𝑐 ≤ 24𝑉 𝐷𝐶 Điện áp nhiệt 𝑉𝐻 5.2V ACorDC Điện trở tải 𝑅𝐿 Có thể điều chỉnh được Đặc tính Điện trở nhiệt 𝑅𝐻 31Ω±3Ω（Nhiệt độ phòng） Công suất 𝑃𝐻 ≤ 900𝑚𝑊 nhiệt tiêu thụ Điện trở cảm 𝑅𝑆 2KΩ-20KΩ (trong 2000ppm 𝐶3𝐻8) biến Độ nhạy S 𝑅𝑆(trong không khí)/ 𝑅𝑆 (𝑅1000𝑝𝑝𝑚𝐶𝐻4) ≥5 Độ dốc Α ≤ 0.6(𝑅5000𝑝𝑝𝑚/𝑅3000𝑝𝑝𝑚 𝐶𝐻4) Điều kiện Nhiệt độ, độ ẩm 20℃±2℃；65%±5%RH Kiểm tra mạch tiêu 𝑉𝑐:5.1V Thời gian nóng sơ bộ Hơn 48 giờ Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật cảm biến khí gas MQ-2 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2-1: Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2 Lý do sử dụng: Cảm biến khí gas MQ-2 có độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao, chi phí thấp, phù hợp với nhiều ứng dụng.2 Cảm biến lửa Ngọn lửa phát ra tia hồng ngoại ở dãy 760nm-1100nm. Dựa vào điều này, module cảm biến phát hiện lửa dùng một diode hồng ngoại thu tín hiệu hồng ngoại ngọn lửa phát ra. Thông qua mạch tích hợp IC LM393 so sánh và đưa ra tín hiệu đầu ra. Hình 2-2: Module cảm biến phát hiện lửa Module này nhạy cảm với ngọn lửa và bức xạ.

Nó cũng có thể phát hiện nguồn sáng thông thường trong phạm vi bước sóng 760nm - 1100nm. Các khoảng cách phát hiện từ 20cm đến 100cm. Flame sensor có thể xuất tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự. Lý do sử dụng: Cảm biến có độ nhạy với ngọn lửa và bức xạ nhiệt.

Cảm biến có thể phát hiện được lửa có dãi bước sóng từ 760nm - 1100nm. Có thể chỉnh lại độ nhạy, kích thước nhỏ gọn phù hợp với mô hình. ❖ Thông số kỹ thuật • Khoảng cách phát hiện 20cm- 100cm • Điện áp hoạt động : 3,3 – 5VDC • Dòng tiêu thụ: 15mA BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Góc quét 60 độ • Tín hiệu ra Digital 3,3- 5VDC tùy nguồn cấp hoặc Analog • Kích thước: 3.3 Cảm biến nhiệt độ Cảm biến DHT22 là cảm biến dùng để xác định độ ẩm, nhiệt độ của môi trường xung quanh thông qua chuẩn One-Wire. Nó sử dụng kỹ thuật thu thập tín hiệu kỹ thuật số độc quyền và độ ẩm công nghệ cảm biến, đảm bảo độ tin cậy và tính ổn định cao.

Khoảng cách đường truyền dài ( 20m) và tiêu thụ điện năng ít chính là những điểm nổi bật của loại cảm biến này. Lý do sử dụng: Đảm bảo độ tin cậy và tính ổn định cao, dãi đo nhiệt độ rộng từ -40° C đến 80°C, tiêu thụ điện năng ít chính là những điểm nổi bật của loại cảm biến này. Hình 2-3: Cảm biến DHT22 ❖ Thông số kỹ thuật Tên linh kiện DHT22 Điện áp hoạt động 3.3 – 6VDC Dòng hoạt động 2.5mA Tín hiệu ngõ ra Tín hiệu số truyền theo chuẩn One-Wire Yếu tố cảm biến Tụ Polymer Phạm vi hoạt động Nhiệt độ: -40 ~ 80oC Độ ẩm : 0~100%RH Sai số Nhiệt độ: < ± 0.5 oC, Độ ẩm : ± 2%RH Chu kì Trung bình 2s Bảng 2-2: Thông số kỹ thuật DHT22 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Dữ liệu single - bus được sử dụng để liên lạc giữa MCU và DHT22, nó tốn 5mS cho một lần giao tiếp. Dữ liệu bao gồm phần nguyên và phần thập phân.

DATA = Dữ liệu RH nguyên 8 bit + Dữ liệu RH thập phân 8 bit + Dữ liệu T nguyên 8 bit + Dữ liệu T thập phân 8 bit + Tổng kiểm tra 8 bit. Nếu việc truyền dữ liệu là đúng, tổng kiểm tra phải là 8 bit cuối cùng của "Dữ liệu RH nguyên 8 bit + Dữ liệu thập phân RH 8 bit + Dữ liệu T nguyên 8 bit + Dữ liệu T thập phân 8 bit ". Khi MCU gửi tín hiệu bắt đầu, DHT22 thay đổi từ chế độ tiêu thụ điện năng thấp sang chế độ chạy. Khi MCU kết thúc việc gửi tín hiệu bắt đầu, DHT22 sẽ gửi tín hiệu phản hồi của dữ liệu 40 bit phản ánh nhiệt độ, độ ẩm tương đối.4 Quang trở Quang trở còn được gọi là điện trở quang là một trong những linh kiện được tạo bằng một chất đặc biệt có thể thay đổi điện trở khi ánh sáng chiếu vào.

Về cơ bản, bạn có thể hiểu nó là một tế bào quang điện được hoạt động dựa theo nguyên lý quang dẫn. Hay có thể hiểu nó là một điện trở có thể thay đổi được giá trị theo cường độ ánh sáng. Hình 2-4: Quang trở ❖ Thông số kỹ thuật: • Điện áp tối đa: 150Vdc. • Công suất tiêu thụ tối đa: 100mW.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Nhiệt độ hoạt động: -30ºC đến +70ºC. • Thời gian đáp ứng: 20ms.2 Khối vi điều khiển Arduino là một board mạch vi xử lý nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32- bit. Những model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.

Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++. Board Arduino Nano là một trong những phiên bản nhỏ gọn của board Arduino. Arduino Nano có đầy đủ các chức năng và chương trình có trên Arduino Uno do cùng sử dụng MCU ATmega328P. Nhờ việc sử dụng IC dán của ATmega328P thay vì IC chân cắm nên Arduino Nano có thêm 2 chân Analog so với Arduino Uno.

❖ Thông số kỹ thuật : • Thiết kế theo đúng chuẩn chân, kích thước của Arduino Nano chính hãng. • IC chính: ATmega328P-AU. • IC nạp và giao tiếp UART: CH340. • Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw.

• Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC. • Dòng GPIO: 40mA. • Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM. • Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân).

• Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader). • Clock Speed: 16Mhz. • Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117.

Hình 2-5:Sơ đồ chân Arduino Nano 2.3 Khối hiển thị Thiết bị LCD 20X4 là loại LCD hiển thị được tất cả các kí tự trong bảng mã ASCII và 8 kí tự đặc biệt do người dùng tạo ra, với khả năng hiển thị 4 dòng với 20 ký tự. Điện áp hoạt động 5VDC, dòng hoạt dộng 160mA. Hình 2-6: Hình ảnh LCD 16x2 Hàng 1: Kí tự tận cùng bên trái có địa chỉ là 0X80,kế là 0x80, cuối cùng là 0X8F. Hàng 2: Kí tự tận cùng bên trái có địa chỉ là 0xC0, cuối cùng là 0XCF.