Dự Án Tốt Nghiệp Về Hệ Thống Đo Lường và Cảnh Báo Rò Rỉ Khí

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật… 75 trang · Vietnam National University, Hanoi International School · 2021.

• Tác giả: Nguyen Viet Anh
• Người hướng dẫn: Associate Professor Ph. Nguyen Thanh Tung
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi International School
• Chuyên ngành: Informatics and Computer Engineering
• Đề tài: Hệ Thống Đo Lường và Cảnh Báo Rò Rỉ Khí
• Loại tài liệu: graduation project
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• LETTER OF DECLARATION
• ACKNOWLEDGEMENT
• 1. CHAPTER 1: Introduction to the topic
• 1.1. Why was this topic chosen?
• 1.2. Topic overview
• 1.3. Background
• 1.4. Scope and Project Objectives
• 1.5. Project management
• 1.6. Organization of thesis
• 2. Chapter 2: Theoretical basis
• 2.1. Internet of Things (IoT)
• 3. Chapter 3: Hardware Modelling and setup
• 3.1. Block diagram of the proposed system
• 3.2. Setting up the system
• 3.3. Downloading and installing and Blynk application on the smartphone
• 3.4. Setting up the Thingspeak web server
• 3.5. Driver installation for hardware interfacing
• 3.6. Interfacing NodeMCU with Arduino IDE
• 4. Chapter 4: Logic and operation
• 4.1. Structure and measurement of the value from the MQ-2 gas sensor
• 4.2. Calculate the values
• 5. Chapter 5: Conclusion and Future scope
• 5.1. Result of project
• 5.3. Further enhancement and future scope
• TABLE OF NOTATIONS AND ABBREVIATIONS
• LIST OF FIGURE
• LIST OF TABLE
• ABSTRACT

Tóm tắt

I. Dự Án Tốt Nghiệp Tổng Quan Hệ Thống Đo Lường Rò Rỉ Khí

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống ngày càng trở nên quan trọng. Sự phát triển của công nghệ điện tử đã tạo ra các thiết bị với độ chính xác cao, tốc độ nhanh và tính nhỏ gọn, đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả hoạt động của con người. Một trong những ứng dụng quan trọng của công nghệ điện tử là điều khiển thiết bị và giám sát môi trường từ xa. Điều này góp phần tạo ra các thiết bị thông minh, đồng thời cảnh báo những nguy cơ tiềm ẩn. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhiều nguồn năng lượng như năng lượng nguyên tử, năng lượng hóa thạch, dầu, khí gas đã được tạo ra. Sự phát triển của các dạng năng lượng này đi kèm với những nguy cơ, đặc biệt là khí gas, một nguồn năng lượng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và sinh hoạt. Nếu không tuân thủ các điều kiện an toàn, việc sử dụng khí gas có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Dựa trên kiến thức chuyên môn và niềm đam mê khoa học công nghệ, dự án "Hệ Thống Đo Lường và Cảnh Báo Rò Rỉ Khí" được đề xuất nhằm góp phần đảm bảo an toàn cho cộng đồng, cảnh báo sớm các nguy cơ rò rỉ khí gas.

1.1. Lý Do Chọn Đề Tài An Toàn và Tiện Ích Khí Gas

Đề tài được chọn xuất phát từ nhu cầu cấp thiết về an toàn trong sử dụng khí gas hiện nay. Các sự cố liên quan đến khí gas ngày càng gia tăng, đòi hỏi các giải pháp giảm thiểu rủi ro. Việc lắp đặt các thiết bị cảnh báo rò rỉ khí gas là một biện pháp hiệu quả, với cấu trúc đơn giản, tiện lợi và giá cả hợp lý. Thiết bị cảnh báo khí gas là lựa chọn hàng đầu cho người tiêu dùng, đặc biệt là những người nhạy cảm với khí gas, giúp phát hiện sớm các rò rỉ khí gas và ngăn chặn các tai nạn đáng tiếc. Việc ứng dụng hệ thống này không chỉ mang lại sự an toàn mà còn góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

1.2. Tầm Quan Trọng Giảm Thiểu Sự Cố Rò Rỉ Khí Gas

Do nhu cầu sử dụng khí gas ngày càng tăng, các sự cố liên quan đến khí gas cũng gia tăng theo. Giải pháp cấp thiết hiện nay là giảm thiểu các sự cố không mong muốn do khí gas gây ra. Để giải quyết vấn đề này, cần sử dụng khí gas an toàn, đồng thời áp dụng các biện pháp phòng ngừa như khóa van sau khi sử dụng, kiểm tra van định kỳ, báo cáo khi có rò rỉ khí gas và lắp đặt thiết bị cảnh báo. Trong đó, việc lắp đặt và sử dụng các hệ thống cảnh báo khí gas được ưu tiên hàng đầu, giúp phát hiện rò rỉ khí gas, có cấu trúc đơn giản, tiện lợi và giá cả hợp lý. Thiết bị cảnh báo khí gas là lựa chọn hàng đầu cho người tiêu dùng, đặc biệt những người nhạy cảm với khí gas.

II. Thách Thức và Giải Pháp Hệ Thống Cảnh Báo Rò Rỉ Khí Gas

Hiện nay, nguy cơ rò rỉ khí gas là một vấn đề đáng quan ngại, đặc biệt trong các khu dân cư, nhà máy và khu công nghiệp. Việc đo lường chính xác nồng độ khí gas và phát hiện sớm các rò rỉ là rất quan trọng để ngăn chặn các tai nạn cháy nổ. Tuy nhiên, việc đo lường khí thủ công thường tốn thời gian và không đảm bảo tính chính xác. Do đó, việc phát triển một hệ thống đo lường tự động và cảnh báo rò rỉ khí gas là một giải pháp hiệu quả. Hệ thống này sử dụng các cảm biến khí gas để liên tục theo dõi nồng độ khí gas trong môi trường và đưa ra cảnh báo khi nồng độ vượt quá ngưỡng an toàn. Việc ứng dụng IOT giúp hệ thống có khả năng kết nối và truyền dữ liệu từ xa, cho phép người dùng giám sát và điều khiển hệ thống từ bất kỳ đâu.

2.1. Vấn Đề An Toàn Nguy Cơ Cháy Nổ Do Rò Rỉ Khí Gas

Sự cố rò rỉ khí gas tiềm ẩn nhiều nguy cơ nghiêm trọng, đặc biệt là nguy cơ cháy nổ. Các loại khí gas như khí methane, khí CO, và khí LPG đều là những chất dễ cháy và có thể gây nổ khi tích tụ trong không gian kín. Việc phát hiện sớm và cảnh báo kịp thời là yếu tố then chốt để ngăn chặn các tai nạn này. Hệ thống cảnh báo cần được thiết kế để có độ nhạy cao, phát hiện được nồng độ khí gas thấp và đưa ra cảnh báo nhanh chóng.

2.2. Yêu Cầu Hệ Thống Đo Lường Chính Xác và Cảnh Báo Kịp Thời

Một hệ thống đo lường và cảnh báo rò rỉ khí gas hiệu quả cần đáp ứng các yêu cầu sau: đo lường chính xác nồng độ khí gas, cảnh báo kịp thời khi phát hiện rò rỉ, khả năng kết nối và truyền dữ liệu từ xa, dễ dàng lắp đặt và sử dụng, chi phí hợp lý. Việc lựa chọn cảm biến khí gas phù hợp, thiết kế mạch điện ổn định và lập trình phần mềm điều khiển là những yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả của hệ thống.

2.3. Ứng Dụng IOT Giám Sát Từ Xa và Điều Khiển Thông Minh

Ứng dụng IOT trong hệ thống đo lường và cảnh báo rò rỉ khí gas mang lại nhiều lợi ích. Người dùng có thể giám sát nồng độ khí gas từ xa thông qua web application hoặc mobile application. Hệ thống có thể gửi thông báo qua SMS hoặc email notification khi phát hiện rò rỉ. Ngoài ra, hệ thống có thể tích hợp với các thiết bị khác trong nhà thông minh hoặc khu công nghiệp để tự động kích hoạt các biện pháp an toàn.

III. Thiết Kế và Xây Dựng Hệ Thống Đo Lường Cảnh Báo Rò Rỉ Khí

Việc thiết kế và xây dựng hệ thống đo lường và cảnh báo rò rỉ khí gas đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức về điện tử, lập trình nhúng và IOT. Hệ thống bao gồm các thành phần chính: cảm biến khí gas, bộ vi điều khiển (arduino hoặc raspberry pi), module truyền thông (GSM, Wifi), thiết bị hiển thị (LCD) và thiết bị cảnh báo (còi, đèn). Việc lựa chọn các thành phần phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và chi phí là rất quan trọng. Quá trình thiết kế mạch điện và lập trình phần mềm cần đảm bảo tính ổn định, độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Lựa Chọn Cảm Biến Độ Nhạy và Tính Ổn Định MQ 2

Việc lựa chọn cảm biến khí gas là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả của hệ thống. Các loại cảm biến như MQ-2, MQ-4, MQ-7 có thể được sử dụng để phát hiện các loại khí gas khác nhau. MQ-2 là một lựa chọn phổ biến nhờ khả năng phát hiện nhiều loại khí gas, giá thành hợp lý và dễ dàng sử dụng. Tuy nhiên, cần lưu ý đến độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến trong các điều kiện môi trường khác nhau.

3.2. Nền Tảng Vi Điều Khiển Arduino và Raspberry Pi

Arduino và Raspberry Pi là hai nền tảng vi điều khiển phổ biến được sử dụng trong các dự án IOT. Arduino phù hợp với các ứng dụng đơn giản, yêu cầu xử lý thời gian thực. Raspberry Pi có khả năng xử lý mạnh mẽ hơn, phù hợp với các ứng dụng phức tạp, yêu cầu kết nối mạng và xử lý dữ liệu lớn. Việc lựa chọn nền tảng phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của dự án. Sinh viên thường lựa chọn Arduino cho tính dễ tiếp cận và chi phí thấp.

3.3. Truyền Thông và Cảnh Báo GSM Wifi SMS và Email

Hệ thống cần có khả năng truyền thông và cảnh báo khi phát hiện rò rỉ khí gas. Module GSM cho phép hệ thống gửi tin nhắn SMS đến người dùng. Wifi cho phép hệ thống kết nối với mạng Internet và gửi thông báo qua email notification. Việc lựa chọn phương thức truyền thông phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về phạm vi, tốc độ và chi phí.

IV. Kiểm Thử và Đánh Giá Hệ Thống Đo Lường Rò Rỉ Khí Gas

Sau khi xây dựng, hệ thống cần được kiểm tra và đánh giá để đảm bảo hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Quá trình kiểm thử hệ thống bao gồm kiểm tra độ chính xác của cảm biến, kiểm tra khả năng cảnh báo khi phát hiện rò rỉ, kiểm tra khả năng kết nối và truyền dữ liệu từ xa. Báo cáo kết quả kiểm tra cần được ghi lại chi tiết để đánh giá hiệu quả của hệ thống và đưa ra các cải tiến cần thiết. Mô hình hóa hệ thống có thể giúp dự đoán và đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau.

4.1. Kiểm Tra Độ Chính Xác Cảm Biến và Thời Gian Phản Ứng

Độ chính xác của cảm biến là yếu tố quan trọng nhất để đánh giá hệ thống. Cảm biến cần được kiểm tra và hiệu chuẩn cẩn thận với các nồng độ khí gas khác nhau để đảm bảo khả năng đo lường chính xác. Bên cạnh đó, cần kiểm tra thời gian phản ứng của cảm biến để đảm bảo hệ thống cảnh báo kịp thời khi phát hiện rò rỉ.

4.2. Đánh Giá Độ Tin Cậy và Ổn Định Của Hệ Thống

Độ tin cậy của hệ thống là khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài. Hệ thống cần được kiểm tra trong các điều kiện môi trường khác nhau (nhiệt độ, độ ẩm) để đảm bảo hoạt động ổn định. Cần thực hiện bảo trì định kỳ để đảm bảo hệ thống hoạt động tốt nhất.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Tiềm Năng Phát Triển Hệ Thống

Hệ thống đo lường và cảnh báo rò rỉ khí không chỉ giới hạn trong phạm vi phòng thí nghiệm, mà còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Từ các hộ gia đình, khu chung cư đến các nhà máy sản xuất, khu công nghiệp, hệ thống này đều có thể đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ an toàn cho con người và tài sản. Khả năng tích hợp với các hệ thống nhà thông minh, hệ thống quản lý năng lượng càng mở ra nhiều cơ hội phát triển và ứng dụng trong tương lai.

5.1. Ứng Dụng Trong Gia Đình An Toàn Cho Mọi Nhà

Trong các hộ gia đình, hệ thống giúp phát hiện sớm các rò rỉ khí gas từ bếp gas, bình gas, lò sưởi,... Cảnh báo kịp thời giúp ngăn chặn các vụ cháy nổ, ngộ độc khí gas, bảo vệ tính mạng và tài sản của gia đình.

5.2. Ứng Dụng Trong Công Nghiệp Giám Sát và Phòng Ngừa Rủi Ro

Trong các nhà máy sản xuất, khu công nghiệp, hệ thống được sử dụng để giám sát rò rỉ khí gas trong quá trình sản xuất, vận chuyển, lưu trữ khí gas. Phát hiện và xử lý sớm các sự cố giúp giảm thiểu rủi ro tai nạn, bảo vệ môi trường và đảm bảo an toàn cho người lao động.

5.3. Tiềm Năng Phát Triển Hệ Thống Thông Minh và Tích Hợp

Hệ thống có thể được tích hợp với các hệ thống nhà thông minh, hệ thống quản lý năng lượng để tạo thành một hệ thống an toàn và tiện nghi. Khả năng kết nối với các thiết bị IoT khác mở ra nhiều cơ hội phát triển các ứng dụng mới.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Hệ Thống Đo Lường Rò Rỉ Khí

Dự án Hệ Thống Đo Lường và Cảnh Báo Rò Rỉ Khí đã thành công trong việc xây dựng một hệ thống có khả năng phát hiện và cảnh báo rò rỉ khí gas một cách hiệu quả. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển tiềm năng để nâng cao hiệu suất và tính năng của hệ thống. Việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới, vật liệu tiên tiến sẽ giúp hệ thống trở nên nhỏ gọn, chính xác và đáng tin cậy hơn.

6.1. Đánh Giá Kết Quả Hệ Thống Hoạt Động Hiệu Quả

Hệ thống đã đáp ứng được các yêu cầu đặt ra ban đầu, có khả năng phát hiện và cảnh báo rò rỉ khí gas một cách chính xác và kịp thời. Hệ thống có tính ổn định cao, dễ dàng lắp đặt và sử dụng.

6.2. Hướng Phát Triển Tích Hợp AI và Học Sâu

Tích hợp các thuật toán AI và học sâu sẽ giúp hệ thống có khả năng dự đoán rò rỉ khí gas, phân tích dữ liệu để đưa ra các cảnh báo chính xác hơn. AI còn có thể được sử dụng để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống, giảm thiểu tiêu thụ điện năng.

6.3. Hướng Phát Triển Nâng Cao Độ Chính Xác Cảm Biến Khí Gas

Nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu mới, công nghệ nano để nâng cao độ chính xác và độ nhạy của cảm biến khí gas. Phát triển các cảm biến có khả năng phát hiện nhiều loại khí gas khác nhau.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỷ nguyên công nghiệp hóa và hiện đại hóa, sự phát triển của công nghệ điện tử cùng kỹ thuật điều khiển, giám sát môi trường từ xa đã tạo ra nhiều thiết bị thông minh phục vụ đời sống con người. Song song với sự gia tăng nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng như dầu mỏ, điện hạt nhân và khí đốt (gas), các nguy cơ tai nạn bắt nguồn từ việc sử dụng khí gas trong sinh hoạt gia đình, khách sạn, tòa nhà và nhà máy công nghiệp ngày càng gia tăng. Việc rò rỉ khí gas không chỉ gây lãng phí tài nguyên mà còn tiềm ẩn nguy cơ ngộ độc khí, cháy nổ nghiêm trọng đe dọa trực tiếp đến tính mạng và tài sản nếu không được phát hiện và xử lý kịp thời.

Xuất phát từ thực trạng trên, tác giả Nguyễn Việt Anh đã thực hiện đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Tin học và Máy tính (Informatics and Computer Engineering) tại Trường Quốc tế – Đại học Quốc gia Hà Nội (năm 2021) với đề tài "Hệ Thống Đo Lường và Cảnh Báo Rò Rỉ Khí" (Gas leak measurement and warning) dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Thanh Tùng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của vi điều khiển, cảm biến khí gas và hệ thống cảnh báo tự động.
2. Thiết kế hệ thống cảnh báo rò rỉ gas độc lập, có khả năng tích hợp vào mạng lưới tự động hóa nhà ở (Home Automation System – HAS).
3. Thiết lập cơ chế điều khiển không dây các thiết bị ngoại vi (quạt thông gió, cửa sổ/cửa bếp tự động thông qua động cơ servo).
4. Xây dựng giao diện giám sát trạng thái thiết bị và nồng độ khí theo thời gian thực trên các nền tảng di động (Android, iOS) và máy chủ đám mây.
5. Thiết lập kênh kết nối an toàn giữa ứng dụng điều khiển và khối vi điều khiển trung tâm NodeMCU qua giao thức Wi-Fi.
6. Xây dựng nền tảng phần cứng và phần mềm có tính mở rộng cao (extensible platform) để có thể tích hợp thêm các thiết bị và tính năng mới trong tương lai.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng IoT đo lường nồng độ khí gas (vi điều khiển NodeMCU ESP8266, cảm biến MQ-2, module SIM900A, module relay, động cơ servo SG90, quạt tản nhiệt, còi báo, màn hình LCD2004 giao tiếp I2C) và hệ thống phần mềm điều khiển/giám sát (Blynk App, ThingSpeak Web Server, Arduino IDE).
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn ở việc nghiên cứu lý thuyết, thiết kế, lập trình nhúng và chế tạo mô hình thực nghiệm mô phỏng hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas (chủ yếu là khí hóa lỏng LPG) trong không gian phòng bếp gia đình tại Hà Nội năm 2021.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết và công nghệ kỹ thuật sau:

• Khái niệm Internet of Things (IoT): Mạng lưới các thiết bị vật lý được gán định danh duy nhất (UIDs), có khả năng thu thập và truyền dữ liệu qua mạng Internet mà không cần sự can thiệp trực tiếp giữa người với người hoặc giữa người với máy tính. Hệ thống IoT vận hành dựa trên các đặc tính cốt lõi: khả năng kết nối (Connectivity), tính thông minh (Intelligence), bản chất động (Dynamic Nature), quy mô mở rộng lớn (Enormous Scale), công nghệ cảm biến (Sensing), tính không đồng nhất của phần cứng/mạng (Heterogeneity) và bảo mật (Security).
• Vi điều khiển NodeMCU ESP8266: Nền tảng phần cứng mã nguồn mở tích hợp SoC ESP8266 (ESP-12E module) sử dụng vi xử lý 32-bit Tensilica Xtensa LX106 (xung nhịp 80–160 MHz), bộ nhớ Flash 4MB, RAM 128KB, tích hợp bộ thu phát Wi-Fi chuẩn 802.11b/g/n HT40. Mạch nạp tích hợp chip chuyển đổi CP2102 USB-to-UART của Silicon Labs.
• Cảm biến khí MQ-2: Cảm biến bán dẫn oxit kim loại (Metal Oxide Semiconductor – MOS / Chemiresistor), hoạt động ở điện áp 5V DC, công suất tiêu thụ dưới 800 mW, dải đo từ 200 đến 10.000 ppm. Cảm biến nhạy với các loại khí: LPG, khói, cồn, propan, hydro, metan và CO. Cấu tạo gồm bề mặt nhạy khí thiếc đioxit ($SnO_2$) phủ trên lõi gốm nhôm oxit ($Al_2O_3$), cuộn dây gia nhiệt niken-crom (Ni-Cr) có điện trở $33\Omega \pm 5%$, dây dẫn tín hiệu bạch kim (Platinum), lưới thép không gỉ chống cháy nổ và IC so sánh LM393 kèm biến trở tinh chỉnh độ nhạy.
• Module truyền thông SIM900A GSM/GPRS: Hoạt động trên 4 băng tần (850/900/1800/1900 MHz), điều khiển thông qua tập lệnh AT Command, tích hợp IC hạ áp xung LM2596 đáp ứng dòng tải đỉnh 3A.
• Giao diện hiển thị LCD2004 và giao thức I2C: Màn hình hiển thị tinh thể lỏng 4 dòng x 20 ký tự (IC điều khiển SPLC780) kết hợp module chuyển đổi giao tiếp I2C 2 dây (SDA – dữ liệu nối tiếp, SCL – xung nhịp nối tiếp).
• Nền tảng phần mềm đám mây: Nền tảng IoT Blynk (gồm Blynk App, Blynk Server/Cloud, Blynk Libraries) và dịch vụ phân tích dữ liệu đám mây ThingSpeak tích hợp công cụ tính toán MATLAB.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả đã áp dụng phối hợp các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích – tổng hợp lý thuyết: Thu thập, nghiên cứu tài liệu kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện điện tử, giao thức truyền thông không dây (Wi-Fi, GSM, I2C, UART) và kiến trúc hệ thống IoT.
• Phương pháp thiết kế và mô hình hóa: Xây dựng sơ đồ nguyên lý (circuit diagram), sơ đồ khối chức năng (block diagram) và bố cục vật lý (layout).
• Phương pháp lập trình nhúng: Lập trình điều khiển vi điều khiển bằng ngôn ngữ C/C++ nhúng trên môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE.
• Phương pháp thực nghiệm mô hình vật lý: Chế tạo mô hình thử nghiệm thực tế (dùng giấy 5mm và nhựa mica trong suốt), kết nối linh kiện trên breadboard, tiến hành hiệu chuẩn cảm biến (tính toán điện trở $R_0$), đo đạc nồng độ ppm của khí LPG và kiểm thử khả năng đáp ứng của hệ thống cảnh báo đa kênh.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ nhà sản xuất linh kiện bán dẫn, số liệu đo điện áp thực nghiệm trên chân analog A0 của cảm biến MQ-2, các giá trị tính toán $R_0$, dữ liệu hiển thị nồng độ gas trên Serial Monitor và dữ liệu số hóa theo thời gian thực được đồng bộ lên máy chủ ThingSpeak và ứng dụng Blynk.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc hệ thống và luồng xử lý

Hệ thống được tổ chức thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ:

1. Khối điều khiển trung tâm: NodeMCU ESP8266 thu thập tín hiệu liên tục từ cảm biến, thực hiện thuật toán tính toán nồng độ khí gas và điều phối toàn bộ các cơ cấu chấp hành.
2. Khối cảm biến đo lường: Module cảm biến MQ-2 kết nối với chân A0 (đọc giá trị điện áp tương tự tỉ lệ thuận với nồng độ khí) và chân D0 (tín hiệu số từ bộ so sánh LM393).
3. Khối cảnh báo và xử lý tại chỗ:
   • Còi báo buzzer 5V và module LED 3 màu phát tín hiệu báo động khi phát hiện rò rỉ.
   • Màn hình LCD2004 giao tiếp qua bus I2C hiển thị thông tin nồng độ gas và vị trí rò rỉ.
   • Quạt thông gió 5V điều khiển qua mạch cầu L9110 và relay 2 kênh 5V (cách ly quang) để hút khí độc ra môi trường ngoài.
   • Động cơ Servo SG90 (mô-men xoắn 1.8 kg/cm, tốc độ 60 độ/0.1 giây) đóng vai trò tay co tự động mở cửa thông gió khi có sự cố.
4. Khối cảnh báo từ xa đa kênh:
   • Kênh ngoại tuyến (Offline): Module SIM900A thực hiện quay số cuộc gọi khẩn cấp và gửi tin nhắn SMS tới số điện thoại người dùng/phòng bảo vệ.
   • Kênh trực tuyến (Online): NodeMCU kết nối Wi-Fi đẩy dữ liệu thời gian thực lên Blynk Cloud (gửi thông báo push đến smartphone Android/iOS) và ThingSpeak Web Server.

Bảng dự toán và danh mục linh kiện phần cứng

STT	Tên linh kiện / Thiết bị	Số lượng	Đơn giá ước tính (USD)
1	NodeMCU ESP8266	1	3,00
2	Màn hình LCD2004 kèm module I2C	1	5,00
3	Cảm biến khí MQ-2	1	1,00
4	Module SIM900A GSM/GPRS	1	5,00
5	Module Relay 5V (2 kênh)	1	1,00
6	Mạch điều khiển động cơ quạt L9110	1	1,50
7	Quạt tản nhiệt 5V	1	1,00
8	Còi báo Buzzer 5V	1	1,00
9	Điện trở $220\Omega$	2	0,25
10	Nguồn Adapter 5V – 2A	1	3,00
11	Động cơ Servo SG90	1	1,00
12	Breadboard và dây cắm nối	1 bộ	2,00
Tổng	Toàn bộ hệ thống phần cứng	15 món	24,25 $ (làm tròn 24 $)

Các giai đoạn triển khai dự án

Quá trình phát triển hệ thống được quản lý theo 5 giai đoạn:

• Envisioned Phase: Thu thập thông tin, khảo sát các nghiên cứu liên quan, khởi tạo đề tài.
• Planning Phase: Ước tính phần cứng, phần mềm, lập lịch trình và phân bổ nhiệm vụ.
• Modelling Phase: Phân tích hệ thống, thiết kế kiến trúc và xây dựng thuật toán.
• Construction Phase: Lập trình mã nguồn, lắp ráp phần cứng trên breadboard, gỡ lỗi và kiểm thử.
• Deployment Phase: Hoàn thiện mô hình vật lý mô phỏng, thử nghiệm trong môi trường khí thực tế và đánh giá kết quả.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction to the topic (Giới thiệu đề tài)

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc giám sát an toàn cháy nổ khí gas trong thời đại công nghệ số. Tác giả chỉ ra rằng đa số người dùng phổ thông, người già và người khuyết tật còn gặp rào cản chi phí và độ phức tạp khi tiếp cận các hệ thống nhà thông minh thương mại. Do đó, mục tiêu của đề tài là xây dựng hệ thống cảnh báo rò rỉ gas chi phí thấp nhất, dễ tiếp cận, kết nối Wi-Fi linh hoạt và tự động hóa xử lý sự cố. Chương này cũng phân tích cấu trúc quản lý đồ án theo 5 pha và bố cục tổng thể của tài liệu.

Chapter 2: Theoretical basis (Cơ sở lý thuyết)

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chuyên sâu về IoT và các thành phần phần cứng được lựa chọn:

• Phân tích ưu điểm (truyền thông M2M, tự động hóa, giám sát liên tục, tối ưu chi phí và thời gian) và nhược điểm (thiếu chuẩn tương thích toàn cầu, độ phức tạp, rủi ro bảo mật dữ liệu riêng tư) của IoT.
• Chi tiết cấu tạo vi điều khiển NodeMCU ESP8266: Sơ đồ chân (Pinout), bảng ánh xạ 11 chân GPIO (D0 ứng với GPIO16, D1 ứng với GPIO5, D2 ứng với GPIO4...), các chuẩn giao tiếp UART0/UART1, SPI, I2C, PWM và bộ chuyển đổi ADC 10-bit SAR.
• Phân tích nguyên lý vật lý và hóa học của cảm biến MQ-2: Cơ chế hấp phụ các phân tử oxy trên bề mặt tinh thể bán dẫn $SnO_2$ ở nhiệt độ cao làm cản trở dòng điện trong không khí sạch; khi gặp khí khử (LPG, CO...), mật độ oxy hấp phụ giảm xuống, giải phóng electron giúp dòng điện chạy tự do qua cảm biến, làm giảm điện trở cảm biến ($R_s$) và tăng điện áp ngõ ra tương tự ($V_{out}$).
• Lý thuyết về chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C: Cấu trúc khung tin nhắn (Address frame 7/10 bit, Read/Write bit, ACK/NACK bit, điều kiện Start/Stop) giúp tiết kiệm chân vi điều khiển cho màn hình LCD2004.
• Thông số kỹ thuật của module SIM900A, động cơ servo SG90 và mạch cách ly quang của module relay 2 kênh 5V.

Chapter 3: Hardware Modelling and setup (Mô hình hóa và thiết lập phần cứng)

Chương 3 mô tả quá trình thiết kế, chế tạo và tích hợp phần cứng:

• Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch kết nối hoàn chỉnh giữa NodeMCU ESP8266 với cảm biến MQ-2, module SIM900A, LCD2004 I2C, servo SG90, relay 5V, quạt L9110 và còi buzzer.
• Lắp ráp mô hình vật lý mô phỏng gian bếp gia đình bằng khung giấy bìa cứng 5mm và mica trong suốt.
• Hướng dẫn chi tiết quy trình thiết lập phần mềm: Cài đặt driver CP2102 trên máy tính, thêm gói quản lý board ESP8266 trong Arduino IDE, cấu hình dự án trên ứng dụng Blynk (nhận mã Auth Token qua email để xác thực phần cứng), và thiết lập các kênh truyền dữ liệu trên ThingSpeak Web Server.

Chapter 4: Logic and operation (Logic điều khiển và vận hành)

Chương 4 tập trung vào thuật toán xử lý dữ liệu cảm biến và logic kích hoạt hệ thống:

• Quy trình lấy mẫu và số hóa tín hiệu điện áp từ chân A0 của MQ-2 qua bộ ADC.
• Phương pháp tính toán điện trở chuẩn $R_0$ của cảm biến trong không khí sạch theo công thức đường cong đặc tính độ nhạy (Sensitivity characteristics) và trích xuất nồng độ khí LPG tính bằng đơn vị phần triệu (ppm).
• Logic điều khiển cảnh báo: Khi nồng độ khí gas đo được chạm ngưỡng nguy hiểm $200\text{ ppm}$, vi điều khiển ngay lập tức:
  1. Kích hoạt còi hú buzzer và đèn LED cảnh báo tại chỗ.
  2. Xuất thông báo vị trí rò rỉ lên màn hình LCD2004.
  3. Đóng tiếp điểm relay để bật quạt hút L9110 và điều khiển servo SG90 xoay góc mở cửa thông gió.
  4. Gửi tập lệnh AT sang module SIM900A để thực hiện cuộc gọi khẩn cấp và gửi tin nhắn SMS tới điện thoại người dùng.
  5. Đẩy dữ liệu cảnh báo và nồng độ tức thời lên giao diện Blynk App và biểu đồ ThingSpeak qua kết nối Wi-Fi.

Chapter 5: Conclusion and Future scope (Kết luận và hướng phát triển)

Tổng kết toàn bộ kết quả thực nghiệm của đồ án, đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu ban đầu, chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện tại và vạch ra các định hướng nâng cấp, mở rộng tính năng cho hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng hoạt động ổn định: Toàn bộ hệ thống được tích hợp hoàn chỉnh với tổng chi phí linh kiện chỉ khoảng 24 USD, đáp ứng tiêu chí giá thành thấp và dễ tiếp cận cho người dùng dân dụng.
• Khả năng phát hiện nhạy bén: Cảm biến MQ-2 hoạt động chính xác trong dải đo từ 200 đến 10.000 ppm, phát hiện tức thời nồng độ khí gas (đặc biệt là LPG) ngay khi chạm ngưỡng kích hoạt $200\text{ ppm}$.
• Hệ thống cảnh báo kép (Online & Offline):
  • Đảm bảo nhận tin báo động ngoại tuyến qua cuộc gọi và SMS từ module SIM900A ngay cả khi mất mạng Internet.
  • Hỗ trợ giám sát trực tuyến từ xa qua mạng Wi-Fi trên ứng dụng di động Blynk (Android/iOS) và lưu trữ phân tích dữ liệu trên nền tảng ThingSpeak.
• Tự động hóa xử lý sự cố: Hệ thống tự động kích hoạt quạt hút khí và xoay động cơ servo mở cửa sổ/cửa bếp giúp phân tán khí độc ra môi trường mà không cần người dùng can thiệp trực tiếp.

Đóng góp của đồ án

• Đề xuất một giải pháp an toàn gia đình độc lập, kết hợp hài hòa giữa giám sát môi trường và tự động hóa xử lý sự cố rò rỉ khí đốt.
• Ứng dụng tối ưu các chuẩn giao tiếp công nghiệp (I2C, UART) giúp thu gọn số chân kết nối trên vi điều khiển, tạo ra thiết kế mạch nhỏ gọn, tiết kiệm điện năng và chi phí lắp đặt.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

• Hoạt động giám sát trực tuyến trên ứng dụng Blynk và ThingSpeak hoàn toàn phụ thuộc vào tính ổn định của kết nối mạng Internet và máy chủ miễn phí của bên thứ ba.
• Cảm biến MQ-2 cần thời gian sấy sơ bộ (preheat time) trên 24 giờ để đạt độ ổn định và độ chính xác điện trở cao nhất.
• Đề tài mới dừng lại ở mức độ nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm trên mô hình vật lý mô phỏng thu nhỏ, chưa được thử nghiệm thực địa dài hạn trong điều kiện môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

Hướng phát triển và mở rộng

• Tích hợp thêm các loại cảm biến môi trường bổ trợ như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến lửa/khói quang học để nâng cao khả năng phát hiện cháy nổ toàn diện.
• Tích hợp cơ cấu van điện từ (Solenoid Valve) điều khiển bằng relay để tự động ngắt van khóa bình gas tổng khi xảy ra sự cố rò rỉ.
• Thiết kế mạch nguồn dự phòng (pin sạc/UPS tích hợp) đảm bảo hệ thống duy trì hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố cắt điện lưới.
• Xây dựng ứng dụng di động độc lập chuyên biệt và tăng cường các giao thức mã hóa bảo mật đường truyền dữ liệu IoT.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Máy tính, Công nghệ Thông tin, Điện tử – Viễn thông và Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa: Tham khảo phương pháp xây dựng một dự án IoT hoàn chỉnh từ khâu khảo sát lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình nhúng C/C++ đến tích hợp nền tảng đám mây.
• Người phát triển hệ thống nhà thông minh (Smart Home / HAS): Tham khảo giải pháp cảnh báo rò rỉ khí gas chi phí thấp ($24), kết hợp đa kênh truyền thông (Wi-Fi và GSM/GPRS) và cơ chế can thiệp an toàn tự động.
• Các phần nội dung đáng tham khảo nhất: Sơ đồ ánh xạ chân GPIO NodeMCU ESP8266, nguyên lý hoạt động và công thức tính toán hiệu chuẩn điện trở $R_0$ cho cảm biến dòng MQ, cùng quy trình tích hợp tập lệnh AT cho module SIM900A và giao thức I2C cho màn hình LCD.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm được sử dụng trong đồ án có cấu hình phần cứng như thế nào?

Đồ án sử dụng kit phát triển NodeMCU ESP8266 (module ESP-12E). Vi điều khiển này tích hợp vi xử lý 32-bit Tensilica Xtensa LX106 với xung nhịp điều chỉnh từ 80 đến 160 MHz, bộ nhớ RAM 128KB, bộ nhớ Flash 4MB, tích hợp bộ thu phát Wi-Fi chuẩn 802.11b/g/n HT40 và chip nạp CP2102 USB-to-UART.

2. Cảm biến MQ-2 đo được những loại khí nào và dải nồng độ phát hiện là bao nhiêu?

Cảm biến khí MQ-2 thuộc loại cảm biến bán dẫn oxit kim loại ($SnO_2$), có khả năng phát hiện các loại khí: khí hóa lỏng LPG, khói, cồn (alcohol), propan, hydro ($H_2$), metan ($CH_4$) và cacbon monoxit (CO). Dải nồng độ phát hiện của cảm biến nằm trong khoảng từ 200 đến 10.000 ppm, hoạt động ở điện áp 5V DC và công suất tiêu thụ dưới 800 mW.

3. Hệ thống xử lý ra sao khi phát hiện nồng độ khí gas đạt ngưỡng nguy hiểm?

Khi nồng độ rò rỉ đạt ngưỡng cảnh báo từ $200\text{ ppm}$, hệ thống tự động kích hoạt đồng thời các hành động:

• Hú còi buzzer 5V và bật đèn LED cảnh báo tại chỗ.
• Hiển thị thông số nồng độ và vị trí rò rỉ lên màn hình LCD2004.
• Đóng relay kích hoạt quạt thông gió (động cơ L9110) và xoay động cơ servo SG90 để mở cửa thoát khí.
• Gửi tin nhắn SMS và gọi điện thoại cảnh báo trực tiếp đến số điện thoại khẩn cấp qua module SIM900A.
• Bắn thông báo push và truyền dữ liệu thời gian thực lên ứng dụng di động Blynk và nền tảng ThingSpeak qua mạng Wi-Fi.

4. Tổng chi phí phần cứng để chế tạo mô hình thực nghiệm là bao nhiêu?

Tổng chi phí chế tạo toàn bộ phần cứng của mô hình là 24 USD, bao gồm 15 hạng mục linh kiện: NodeMCU ESP8266 (3$), LCD2004 kèm I2C (5$), cảm biến MQ-2 (1$), SIM900A (5$), Relay 5V (1$), mạch quạt L9110 (1.5$), quạt 5V (1$), còi buzzer (1$), điện trở $220\Omega$ (0.25$), adapter nguồn 5V-2A (3$), servo SG90 (1$), breadboard và dây cắm (2$).

5. Cơ chế cảnh báo kép (Online và Offline) hoạt động như thế nào?

Hệ thống sử dụng cơ chế truyền thông đa phương thức:

• Kênh Offline (không cần Internet): Sử dụng module SIM900A kết nối mạng di động GSM/GPRS 4 băng tần để thực hiện cuộc gọi thoại và gửi tin nhắn SMS trực tiếp tới người quản lý thông qua tập lệnh AT Command.
• Kênh Online (qua Internet): Sử dụng chip Wi-Fi tích hợp trên NodeMCU để gửi dữ liệu lên máy chủ Blynk Cloud (hiển thị bảng điều khiển widget và gửi thông báo trên smartphone) và máy chủ phân tích ThingSpeak.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Gas leak measurement and warning" của tác giả Nguyễn Việt Anh đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống đo lường và cảnh báo rò rỉ khí gas tự động dựa trên vi điều khiển NodeMCU ESP8266 và cảm biến khí bán dẫn MQ-2. Hệ thống tạo ra giải pháp bảo vệ an toàn toàn diện nhờ sự kết hợp giữa cảnh báo tại chỗ (còi hú, màn hình LCD), cơ cấu tự động thông gió (quạt hút, cửa mở bằng servo) và cảnh báo từ xa đa kênh (SMS/cuộc gọi qua SIM900A và giám sát qua Blynk/ThingSpeak). Với tổng chi phí phần cứng tối ưu chỉ 24 USD, công trình thể hiện tính ứng dụng cao, cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo tốt cho sinh viên và kỹ sư phát triển các hệ thống an toàn nhà thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI INTERNATIONAL SCHOOL GRADUATION PROJECT PROJECT NAME: Gas leak measurement and warning Student’s name: Nguyen Viet Anh Hanoi - Year 2021 1 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI INTERNATIONAL SCHOOL GRADUATION PROJECT PROJECT NAME: Gas leak measurement and warning SUPERVISOR: Associate Professor Ph. Nguyen Thanh Tung (Academic title, academic degree, full name) STUDENT: Nguyen Viet Anh STUDENT ID: 17071377 MAJOR: Informatics and Computer Engineering Hanoi - Year 2021 2 LETTER OF DECLARATION I hereby declare that the Graduation Project: “Gas leak measurement and warning” is the result of my research and has never been published in any work of others. During the implementation process of this project, I have seriously taken research ethics; all findings of this project are results of my research and surveys; all references in this project are cited according to regulations. I take full responsibility for the fidelity of the number and data and other contents of my graduation project.

Hanoi, 24 December 2021 Student (Signature and Full name) Viet Anh Nguyen Viet Anh 3 ACKNOWLEDGEMENT Firstly, I am using this opportunity to express my deepest gratitude and special thanks to Associate Professor Ph. Nguyen Thanh Tung for his instructions and guidance during the graduation project. And for giving me participate in helpful decisions and providing necessary advice, guidance, and arranging all amenities to make life easier. Without the teacher's instructions, I think my graduation project is very difficult to accomplish.

I would like to express my sincere thanks to the teachers and lecturers of the major of Informatics and Computer Engineering - International School for teaching and imparting valuable and useful knowledge as well as a passion for the major science and technology so that I can have the foundational knowledge to carry out this graduation project as well as the foundation to develop myself in the future. The process of completing my graduation project was a great opportunity for me to learn and grow professionally. Therefore, I consider myself lucky to have been allowed to be a part of it. During the implementation of this graduation project, I have supplemented and learned a lot of knowledge and experience about the design, implementation, and construction of the equipment "Gas leak measurement and warning".

Due to limited time and knowledge, my topic is limited to research, design, and simulation by model. During the implementation of the project, I consulted with the instructors, read the documents, and received support and suggestions from the lecturers as well as friends and predecessors. However, due to my limited knowledge, mistakes will inevitably be made. I would like to receive suggestions from teachers and friends so that my project can be more complete, to create for me a basis of the perception of abilities and knowledge, from which to have a better direction in the future.

Once again, I would like to thank the teachers! 4 Table of Contents LETTER OF DECLARATION. 4 TABLE OF NOTATIONS AND ABBREVIATIONS. 9 CHAPTER I: Introduction to the topic .1 Why was this topic chosen? .2 Scope and Project Objectives .3 Organization of thesis. 15 Chapter 2: Theoretical basis.1 Internet of Things (IoT) .2 Advantages and disadvantages of the Internet of Things.

Hardware theoretical basis. 22 Chapter 3: Hardware Modelling and setup .2 Block diagram of the proposed system. Setting up the system. Downloading and installing and Blynk application on the smartphone.

Setting up the Thingspeak web server. Driver installation for hardware interfacing. Interfacing NodeMCU with Arduino IDE. 54 Chapter 4: Logic and operation:.

Structure and measurement of the value from the MQ-2 gas sensor.2 Calculate the values. 59 Chapter 5: Conclusion and Future scope.1 Result of project .3 Further enhancement and future scope .