Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo hệ thống báo cháy tự động giám sát hệ thống báo cháy qua app blynk

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế chế tạo hệ thống báo cháy tự động giám sát hệ thống báo cháy qua app blynk, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Trần Hữu Đàn
• Người hướng dẫn: ThS. Trịnh Tuấn Dương
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống báo cháy tự động, giám sát hệ thống báo cháy qua app Blynk
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống báo cháy tự động qua app Blynk

Hệ thống báo cháy tự động là giải pháp hiện đại để phòng chống cháy nổ trong các tòa nhà, nhà xưởng và khu dân cư. Theo số liệu Tổng cục Thống kê, năm 2023 có 1.485 vụ cháy nổ gây thiệt hại 210,5 tỷ đồng. Hệ thống báo cháy qua app Blynk kết hợp công nghệ IoT với cảm biến thông minh, cho phép người dùng giám sát tình trạng cháy từ xa thông qua điện thoại di động. Công nghệ này sử dụng vi điều khiển ESP8266 NodeMCU kết nối với internet, tạo nên một giải pháp báo cháy thông minh có khả năng cảnh báo nhanh chóng và hiệu quả. Ứng dụng Blynk cho phép theo dõi tình trạng nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ khí gas từ bất kỳ nơi đâu, giúp giảm thiểu thiệt hại và bảo vệ tính mạng con người.

1.1. Tầm quan trọng của báo cháy tự động

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng, nguy cơ cháy nổ ngày càng gia tăng. Hệ thống báo cháy tự động có khả năng phát hiện dấu hiệu cháy sớm như tăng nhiệt độ, khí khổ độc và khí CO, từ đó kích hoạt cảnh báo kịp thời. Điều này giúp cứu sống con người, bảo vệ tài sản và giảm tác động môi trường. Công nghệ IoT thông minh cho phép quản lý an toàn từ xa, đặc biệt hữu ích cho các cơ sở sản xuất, văn phòng và chung cư.

1.2. Phân tích vấn đề cấp thiết

Các hệ thống báo cháy truyền thống thường chỉ phát ra tiếng động báo động tại chỗ, không có khả năng giám sát từ xa hoặc ghi nhận dữ liệu. Hệ thống Blynk giải quyết vấn đề này bằng cách tích hợp cảm biến thông minh, kết nối mạng không dây và ứng dụng di động, tạo nên một giải pháp toàn diện cho công tác phòng cháy chữa cháy hiện đại.

II. Lựa chọn và tính toán linh kiện hệ thống

Thiết kế hệ thống báo cháy yêu cầu lựa chọn linh kiện điện tử chất lượng cao để đảm bảo độ tin cậy và độ chính xác. Bộ vi điều khiển ESP8266 NodeMCU là trái tim của hệ thống, cung cấp khả năng kết nối WiFi tích hợp. Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm với độ chính xác ±2°C, trong khi cảm biến khí gas MQ2 phát hiện các khí dễ cháy và CO. Màn hình LCD 1604A hiển thị thông tin theo thời gian thực, và adapter 5V cung cấp nguồn ổn định. Các linh kiện này tương thích hoàn toàn với nhau thông qua giao tiếp I2C và One Wire, tạo nên một hệ thống báo cháy tích hợp hoàn chỉnh và hiệu quả.

2.1. Vi điều khiển ESP8266 NodeMCU

ESP8266 NodeMCU là vi điều khiển 32-bit có tích hợp WiFi 802.11 b/g/n, hoạt động ở tần số 80-160 MHz. Thiết bị này hỗ trợ 12 chân GPIO và giao tiếp I2C, SPI, UART. Khả năng kết nối internet của nó cho phép gửi dữ liệu báo cháy từ xa đến ứng dụng Blynk. Tiêu thụ điện năng thấp (~80mA ở chế độ hoạt động), làm cho nó lý tưởng cho hệ thống báo cháy chạy liên tục.

2.2. Cảm biến DHT11 và MQ2

Cảm biến DHT11 sử dụng giao tiếp One Wire để truyền dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm với khả năng phát hiện: 0-50°C và 20-95% độ ẩm. Cảm biến MQ2 phát hiện gas LPG, khí methane, khí CO từ 300-10000 ppm. Cả hai cảm biến được kết nối với ESP8266 thông qua I2C hoặc GPIO, cung cấp dữ liệu thực time cho hệ thống báo cháy.

2.3. Giao tiếp I2C và One Wire

Chuẩn giao tiếp I2C cho phép kết nối multiple device trên 2 dây (SDA và SCL), giảm số chân GPIO cần thiết. One Wire chỉ cần 1 dây dữ liệu, tối ưu hóa mạch điện và giảm độ phức tạp dây cáp. Cả hai giao tiếp đều được hỗ trợ hoàn toàn bởi Arduino IDE.

III. Thiết kế sơ đồ và mạch điện hệ thống

Sơ đồ khối hệ thống báo cháy bao gồm tầng cảm biến, tầng xử lý và tầng giao tiếp. Tầng cảm biến gồm DHT11, MQ2 và buzzer kết nối đến GPIO của ESP8266. Tầng xử lý là nơi vi điều khiển thực hiện logic báo cháy, so sánh giá trị từ cảm biến với ngưỡng cảnh báo được lập trình sẵn. Khi phát hiện dấu hiệu cháy, hệ thống kích hoạt buzzer và LED cảnh báo, đồng thời gửi thông báo qua WiFi đến ứng dụng Blynk. Mạch điện được thiết kế với các linh kiện bảo vệ như diode ngược chiều và tụ lọc, đảm bảo ổn định và an toàn cho toàn bộ hệ thống báo cháy.

3.1. Sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối mô tả luồng dữ liệu từ cảm biến → xử lý → cảnh báo → Blynk App. Cảm biến liên tục thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas. ESP8266 xử lý dữ liệu, so sánh với ngưỡng cảnh báo (ví dụ: T>60°C, MQ2>600ppm). Nếu vượt ngưỡng, hệ thống báo cháy được kích hoạt, gửi alert qua WiFi đến ứng dụng Blynk, cho phép người dùng theo dõi từ xa và hành động nhanh.

3.2. Thiết kế mạch điện chi tiết

Mạch điện sử dụng nguồn 5V từ adapter, với tụ lọc 100µF để ổn định điện áp. ESP8266 kết nối DHT11 qua GPIO4 (SDA) và GPIO5 (SCL). MQ2 kết nối A0 với ADC của ESP8266. Buzzer 5V kết nối GPIO12 thông qua transistor NPN 2N2222 để khuếch đại dòng. LED cảnh báo kết nối GPIO13 với điện trở 220Ω. Diode 1N4007 bảo vệ circuit từ sóc điện.

IV. Phần mềm và nguyên lý hoạt động hệ thống

Phần mềm hệ thống báo cháy được lập trình bằng Arduino IDE với thư viện DHT, Blynk được tích hợp sẵn. Nguyên lý hoạt động bao gồm các bước: khởi tạo kết nối WiFi, tạo virtual pins trên Blynk App, liên tục đọc dữ liệu cảm biến, so sánh với ngưỡng cảnh báo lập trình sẵn, và gửi thông báo real-time đến ứng dụng di động. Ứng dụng Blynk cung cấp dashboard trực quan với widget gauge, chart, button để giám sát tình trạng hệ thống báo cháy từ bất kỳ vị trí nào. Logic cảnh báo được thiết lập sao cho khi phát hiện nhiệt độ cao, độ ẩm bất thường hoặc khí gas vượt ngưỡng, hệ thống sẽ gửi push notification, SMS cho người dùng, giúp xử lý sự cố nhanh chóng và bảo vệ an toàn hiệu quả.

4.1. Lập trình Arduino IDE và thư viện Blynk

Arduino IDE là môi trường lập trình mã nguồn mở hỗ trợ ESP8266 thông qua ESP8266 Core. Thư viện Blynk cho phép kết nối vi điều khiển với server Blynk qua WiFi, tạo virtual pins để điều khiển và theo dõi cảm biến từ ứng dụng di động. Code chính bao gồm setup() khởi tạo kết nối, loop() đọc dữ liệu, hàm callback xử lý sự kiện từ app Blynk.

4.2. Ứng dụng Blynk và giao diện người dùng

Ứng dụng Blynk cung cấp giao diện người dùng trực quan với các widget tùy chỉnh: Gauge hiển thị nhiệt độ/độ ẩm, Value Display cho nồng độ khí gas, LED indicator trạng thái cảnh báo, Button điều khiển buzzer, Charts biểu đồ dữ liệu thời gian. Người dùng có thể đặt ngưỡng cảnh báo từ app, nhận push notification khi phát hiện dấu hiệu cháy, và kiểm tra lịch sử các sự kiện cảnh báo trước đó.

4.3. Logic xử lý và cảnh báo tự động

Logic cảnh báo được xây dựng dựa trên điều kiện kết hợp: IF (T>60°C) OR (MQ2>600ppm) OR (Humidity>85%) THEN Trigger Alert. Hệ thống báo cháy sẽ kích hoạt buzzer, LED, gửi push notification tới tất cả thiết bị được cấp quyền, và ghi lại event vào database Blynk để kiểm tra sau. Độ trễ (delay) được thiết lập để tránh cảnh báo sai, đảm bảo độ tin cậy cao của hệ thống báo cháy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁO CHÁY 1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC CẢNH BÁO CHÁY Trong cuộc sống hiện đại, việc phòng cháy chữa cháy đang trở thành mối quan tâm hàng đầu vì quanh ta luôn tồn tại những khu vực dễ cháy, có thể gây thiệt hại nặng nề về người và tài sản. Thời gian qua cả nước đã xảy ra nhiều vụ cháy cả ở thành thị và nông thôn. Cháy tập trung tại khu vực nhà dân, khu dân cư nhưng chủ yếu là các vụ cháy nhỏ, các vụ cháy tại các cơ sở sản xuất, kho tàng và phương tiện giao thông tiếp tục diễn biến phức tạp.

Theo thông tin từ Cục Cảnh sát phòng cháy, chữa cháy và cứu nạn cứu hộ, trong 6 tháng đầu năm 2023, toàn quốc xảy ra 881 vụ cháy, làm chết 45 người, bị thương 43 người, tài sản thiệt hại ước tính 87,15 tỷ đồng. Đáng nhắc đến là vụ cháy chung cư mini tại phố Khương Hạ, phường Khương Đình, quận Thanh Xuân, Thành phố Hà Nội vào ngày 12/09/2023 làm 56 người chết, 37 người bị thương khiến dư luận đặc biệt quan tâm. Như vậy, cháy nổ là vấn đề nghiêm trọng trong đời sống của người dân. Cháy không chỉ gây ra thiệt hại cho một cá nhân gia đình, gây ảnh hưởng đến trật tự an toàn xã hội mà còn gây thiệt hại về vật chất và cả tính mạng con người.

Khi có cháy trong nhà cao tầng, toàn bộ các tầng ở trên tầng bị cháy sẽ bị đe dọa do lửa khói, hơi nóng khí độc bốc lên từ đám cháy luôn có xu hướng lan lên trên dọc theo chiều cao công trình, gây ảnh hưởng đến thoát nạn và cháy lan lên toàn bộ công trình. Càng lên cao, tốc độ và áp lực gió càng tăng, đó cũng là nguyên nhân làm cho đám cháy phát triển với tốc độ nhanh. Việc triển khai lực lượng, phương tiện chữa cháy, cứu nạn cũng như việc cấp nước chữa cháy, càng lên cao thì càng gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là đối với những công trình có chiều cao vượt trội và khả năng hoạt động của xe thang được trang bị của lực lượng cảnh sát phòng cháy chữa cháy thấp hơn cao độ công trình hoặc máy bơm chữa cháy không đủ công suất để bơm đẩy nước chữa cháy lên tầng cao. Chung cư tái định cư cũng tiềm ẩn nguy cơ cháy cao.

Trong tổng số 117 chung cư tái định cư cao tầng tại Hà Nội, có tới 116 chung cư không bảo đảm 2 yêu cầu về trang bị, phương tiện PCCC. Ðó là chưa kể các nhà tập thể cũ, cao từ hai đến năm tầng, được xây dựng từ hàng chục năm trước, không có hệ thống PCCC: hệ thống điện cũ, nát. Nếu sự cố xảy ra thì việc thoát hiểm, cứu hộ, cứu nạn rất khó khăn, vì hầu hết ban công đằng trước, đằng sau căn hộ đều bị các hộ dân quây kín để làm "chuồng cọp", lồng sắt. Ðường đi trong khu tập thể đều bị hàng quán bủa vây, xe cứu hỏa khó tiếp cận để dập lửa.

Từ thực trạng trên nhà nước ta cần tăng cường công tác phòng cháy, chữa cháy, tuyên truyền cho người dân về ý thức, kiến thức cơ bản về phòng chống cháy nổ. Bên cạnh đó người dân cần có cảnh giác cao về phòng cháy, chữa cháy, huy động lực lượng, phương tiện triển khai đồng bộ các hệ thống phòng cháy chữa cháy ở những nơi có nguy cơ cháy cao như: khu công nghiệp, trung tâm thương mại, nhà cao tầng. Người dân cần trang bị đầy đủ những phương tiện phòng cháy, chữa cháy để kịp thời xử lí nhanh khi có sự cố xảy ra. PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ Khi xảy ra một vụ hoả hoạn, ở những khu vực xảy ra cháy thường có những dấu hiệu sau: Lửa, khói, nhiệt độ vùng cháy tăng nhanh chóng, không khí bị oxy hoá mạnh.

Các dấu hiện đó là cơ sở để các nhà nghiên cứu phát triển ra các loại cảm biến cũng như các thiết bị giúp phát hiện và cảnh báo khi có cháy xảy ra. Đặc điểm nhận biết có đám cháy: - Khói: Các dòng sản phẩm phát hiện và cảnh báo cháy phổ biển trên thị trường hiện nay thường được phát triển để phát hiện một dấu hiệu dễ nhận biết và cũng rất đặc trưng của một đám cháy, đó là sự xuất hiện của khói. Khi một đám cháy chuẩn bị xảy ra khói sẽ lan toả ra một khu vực rộng lớn giúp cho việc nhận biết được dễ dàng và có hiệu quả hơn. Bên cạnh đó, việc phát hiện đám cháy ngay ở những thởi điểm bùng phát ban đầu là cực kỳ quan trọng để giảm thiểu tối đa nhưng thiệt hại mà đám cháy có thể gây ra.

- Nồng độ chất khí có khả năng gây cháy nổ (khí gas) trong không khí cao: Trong các vụ cháy đã xảy ra, rò rỉ khí gas trong không gian bếp là một trong những nguyên nhân chủ yếu, bởi vì hiện nay việc sử dụng bếp gas đang phổ biến trong cộng đồng. Gas không chỉ được sử dụng trong sinh hoạt gia 3 đình mà còn được ứng dụng nhiều trong các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp, … Tuy nhiên, sử dụng gas tiềm ẩn nguyên nhân cháy nổ do rò rỉ gas mà người dùng không phát hiện kịp thời. Khí gas là chất khí không màu có mùi, về bản chất không gây cháy nổ. Tuy nhiên khi gas bị rò rỉ và kết hợp với oxi bên ngoài không khí sẽ tạo thành hỗn hợp gây cháy, khi gặp nhiệt độ cao hoặc có tia lửa phát ra từ hột quẹt, công tắc đèn, … sẽ có nguy cơ gây cháy nổ rất cao.

Khi thoát ra khỏi thiết bị chứa, gas chuyển thành thể khí nên rất khó bảo quản. Mặt khác, do không có mùi, không có màu nên khi gas thoát ra khỏi thiết bị chứa rất khó phát hiện, do đó nhà sản xuất phải đưa thêm vào hỗn hợp gas chất tạo ra mùi bắp cải thối để dễ phát hiện gas bị rò rỉ. Tỷ trọng của gas nặng hơn không khí (Propan gấp 1,55 lần; Butan gấp 2,07 lần) nên khi thoát ra khỏi thiết bị chứa, gas tích tụ ở những chỗ trũng trên mặt đất tạo thành hỗn hợp nguy hiểm gây cháy nổ Do nhiệt độ ngọn lửa của gas khi bị cháy rất cao (1900°C đến 1950°C) nên dễ gây bỏng cho người và gia súc đồng thời gây cháy lan, khó khăn cho việc chữa cháy (vận tốc cháy lan của Butan là 0,38 m/s của Propan là 0,46 m/s) Bản chất của quá trình cháy là do nguồn nhiên liệu (chất khí gây cháy) rò rỉ và trộn lẫn vào không khí. Khi nồng độ này đến mức vừa đủ trong không khí thì nó có khả năng phát cháy nhanh, hoặc phát cháy khi có tác động của nguồn nhiệt (tia lửa điện, sức nóng mặt trời.1: Sự lan tỏa của khí rò rỉ 4 Nếu có một điểm rò rỉ nào đó từ các ống dẫn khí, hay bình chứa khí… khí gas sẽ dần lan tỏa ra xung quanh theo mô phỏng như hình trên.

Nếu không có tác động của gió, hoặc trọng lượng riêng của khí đó thì có thể nói rằng càng cách xa điểm rò rỉ thì nồng độ khí gas gây cháy càng loãng. Với nguyên tắc cháy, nếu không có không khí thì khí gas sẽ không cháy được. nồng độ oxi quá ít hoặc quá nhiều cũng rất khó cháy. Do đó khoảng không gian từ điểm rò rỉ đến điểm mà khí đó có đủ oxi để cháy vẫn là khoảng cách an toàn.

Và, khoảng không gian có quá ít khí gas để cháy cũng rất an toàn. Như vậy, vùng nguy hiểm thực sự sẽ là vùng bên trên ngưỡng có thể phát cháy được (UFL) và bên dưới ngưỡng không thể cháy được (LFL). Ngoài ra, rò rỉ gas cũng ảnh hưởng lớn đến sức khỏe, tính mạng của những người vô tình hít phải. Hiện nay, nhiều gia đình đã lắp các hệ thống báo cháy tích hợp nhiều tính năng điều khiển nhà thông minh.

Tuy nhiên, các hệ thống tích hợp này có giá thành cao và không phải hộ gia đình nào cũng có thể tiếp cận được. Trong khi đó, nguy cơ cháy nổ do rò rỉ khí gas không loại trừ gia đình nào, mà thậm chí còn có nguy cơ cao ở những gia đình có thu nhập thấp. Việc trang bị các bộ cảm biến báo cháy, báo rò rỉ khí gas độc lập trên thị trường hiện nay không có chức năng cảnh báo từ xa, nếu gia chủ không có ở nhà. Điều này tỏ ra bất lợi, khi người lao động phải đi làm mà bình ga ở nhà lại rò rỉ.

- Nhiệt độ, độ ẩm: Bên cạnh những đặc điểm dễ nhận biết đám cháy như khói và nồng độ khí gas thì nhiệt độ và độ ẩm cũng là một trong số những nguyên nhân có thể gây ra cháy nổ. Khi nhiệt độ tăng cao khiến nhiều vật liệu khô kiệt và dễ bén lửa. Chỉ cần có chập điện hay bụi tro do đun bếp than, củi bay vào là ngọn lửa có thể bùng lên lập tức. Khi có đám cháy xảy ra nhiệt độ tại nơi đó sẽ tăng nhanh đột ngột 1.

MỤC ĐÍCH THIẾT KẾ ĐỀ TÀI Dựa trên những yếu tố đã nêu trên, đề tài này xây dựng và thiết kế một ứng dụng công nghệ IoT thiết bị cảnh báo cháy trong hộ gia đình. Đề tài này đáp 5 ứng nhu cầu cho các gia đình thu nhập thấp, thiết bị có giá thành rẻ, dễ mua và lắp đặt trong hộ gia đình. Hệ thống bao gồm: một module phần cứng và phần mềm. Phần cứng sử dụng vi điều khiển ESP8266 kết nối với cảm biến khí gas và cảm biến nhiệt độ.

Bên cạnh những cảm biến để phát hiện đám cháy, em cũng sử dụng thêm còi báo để báo động cho mọi người biết khi có cháy xảy ra. Phần mềm là một ứng dụng trên điện thoại sử dụng mã mở Blynk để theo dõi, giám sát và điều khiển từ xa qua internet. Phần mềm có thể thông báo về điện thoại khi có đám cháy xảy ra hoặc đơn giản hơn đó là người sử dụng có thể theo dõi được nhiệt độ, độ ẩm hay nồng độ khí gas từ xa. Từ đó có thể sớm phát hiện ra những nguy cơ gây cháy nổ để có biện pháp phòng tránh phù hợp.

Nội dung chính cần thực hiện: - Tìm hiểu và nghiên cứu về các vi điều khiển ESP8266, cảm biến khí gas MQ2, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 - Nghiên cứu mục tiêu đồ án - Thiết kế phần cứng - Lập trình phần mềm cho mạch - Thiết kế giao diện cho thiết bị trên phần mềm Blynk - Hoàn thiện đồ án 6 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN LINH KIỆN 2.