Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Hệ thống báo trộm báo cháy thông minh" được thực hiện bởi sinh viên Trần Quốc Huy và Trần Ngọc Vinh dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thanh Tâm tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, khóa 2012, lớp 121412C). Thời gian thực hiện đồ án diễn ra từ ngày 01/04/2017 đến ngày 10/07/2017.

Bối cảnh thực tiễn được nhóm tác giả đặt ra bắt nguồn từ sự phát triển của kinh tế và khoa học kỹ thuật, đòi hỏi nâng cao chất lượng cuộc sống và mức độ an toàn trong môi trường sinh hoạt. Trước đây, công tác an ninh, bảo vệ và phòng ngừa sự cố hỏa hoạn thường phụ thuộc vào các giải pháp truyền thống như thuê nhân sự bảo vệ, nuôi động vật canh gác hoặc xử lý chữa cháy thủ công mang tính bị động. Cùng với sự phát triển của điện tử số và mạng Internet, xu hướng kết nối vạn vật (Internet of Things - IoT) đã tạo điều kiện để các thiết bị điện tử có thể thu thập thông tin qua cảm biến và liên kết không dây, cho phép người dùng giám sát và điều khiển từ xa thông qua điện thoại thông minh (smartphone) sử dụng kết nối mạng không dây (Wi-Fi). Mục đích của nghiên cứu là củng cố kiến thức chuyên ngành, tiếp cận kỹ thuật mới và xây dựng một sản phẩm công nghệ có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực nhà thông minh tại Việt Nam.

Nhiệm vụ nghiên cứu được quy định cụ thể gồm 10 nội dung sau:

  1. Nghiên cứu vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3; viết chương trình điều khiển bằng phần mềm Arduino IDE và khai báo sử dụng các ngoại vi.
  2. Tìm hiểu cách sử dụng các module cảm biến và giao tiếp với vi điều khiển để thực hiện các chức năng báo cháy, báo rò rỉ khí ga và báo trộm.
  3. Tìm hiểu và viết ứng dụng trên hệ điều hành Android để điều khiển và giám sát thiết bị.
  4. Tìm hiểu máy chủ web (web server) để thiết kế trang web giám sát hệ thống.
  5. Tính toán, thiết kế và thi công các mạch chức năng.
  6. Thi công mô hình nhà hoàn chỉnh.
  7. Vận hành thử nghiệm mô hình.
  8. Cân chỉnh các thông số và hoạt động của mô hình.
  9. Soạn thảo báo cáo đồ án tốt nghiệp.
  10. Báo cáo đề tài tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.

Mục tiêu của đề tài được phân thành hai nhóm:

  • Nhóm mục tiêu bắt buộc hoàn thành:
    1. Theo dõi hệ thống báo cháy, báo trộm trong nhà ở bất cứ đâu thông qua web server và ứng dụng trên điện thoại Android.
    2. Tích hợp chức năng hẹn giờ để tự động kích hoạt hoặc ngắt hoạt động của các cảm biến trong nhà.
    3. Điều khiển cơ cấu đóng và mở cửa ra vào thông qua ứng dụng Android.
    4. Gửi tin nhắn SMS cảnh báo qua module SIM đến điện thoại của người dùng khi có sự cố.
    5. Cung cấp thông tin địa chỉ xảy ra sự cố qua tin nhắn SMS.
  • Nhóm mục tiêu mở rộng:
    1. Tiến hành thương mại hóa sản phẩm.
    2. Xây dựng giao diện chuyên nghiệp phục vụ đăng ký và quản lý người dùng.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống phần cứng và phần mềm phục vụ việc phát hiện sự cố an ninh (xâm nhập trái phép) và hỏa hoạn (khí ga, ngọn lửa), kết hợp các kênh truyền thông không dây để giám sát và cảnh báo. Phạm vi thực hiện đề tài giới hạn tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử Công nghiệp thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong khoảng thời gian từ tháng 04/2017 đến tháng 07/2017. Hệ thống chịu hai giới hạn kỹ thuật chính: độ tin cậy và độ nhạy phụ thuộc hoàn toàn vào các module cảm biến thương mại được lựa chọn; đồng thời việc truyền dữ liệu lên máy chủ và ứng dụng di động yêu cầu môi trường bắt buộc phải có kết nối mạng Internet.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng phương pháp thiết kế hệ thống nhúng kết hợp kỹ thuật truyền thông đa phương thức (Wi-Fi, GSM/SMS) và phát triển ứng dụng phân tán (Web server, Mobile App). Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp thông qua các tín hiệu điện áp (Analog) và mức logic (Digital) từ các cảm biến vật lý đặt tại mô hình nhà.

Khung kỹ thuật và các linh kiện phần cứng được sử dụng bao gồm:

Tên thiết bị / Module Đặc tính kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Arduino Mega 2560 R3 Vi điều khiển ATmega2560 (8-bit AVR), 54 chân digital (15 chân PWM), 16 ngõ vào analog, 4 cổng UART phần cứng, thạch anh dao động 16 MHz, bộ nhớ Flash, nguồn cấp qua cổng USB hoặc jack DC. Bộ xử lý trung tâm, tiếp nhận tín hiệu cảm biến, điều khiển module truyền thông và cơ cấu chấp hành.
Module Wi-Fi ESP8266 (NodeMCU Lua D1 Mini) Chip ESP8266 SoC, nhân xử lý RISC 32-bit (80 MHz), 64 KB RAM lệnh, 96 KB RAM dữ liệu, tích hợp chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n, giao tiếp qua chip nạp CH340, mức logic GPIO 3.3V, dòng tiêu thụ chế độ nghỉ < 10 µA. Giao tiếp với Arduino Mega qua cổng nối tiếp (UART), truyền nhận dữ liệu với Web server qua Wi-Fi.
Cảm biến khí ga MQ-2 Chất bán dẫn SnO2, nguồn cấp +5V, có ngõ ra analog (Aout từ 0.5V tùy nồng độ) và ngõ ra digital (Dout so sánh qua biến trở). Phát hiện nồng độ các chất khí dễ gây cháy nổ trong không khí.
Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 Cảm biến hồng ngoại thụ động hai phần tử qua thấu kính Fresnel, góc quét < 140 độ, cự ly phát hiện 3–7 m, nguồn cấp 4.3V–20V, thời gian trễ điều chỉnh 5–200 s, hai chế độ kích hoạt (L: không lặp lại, H: lặp lại). Phát hiện chuyển động của vật thể phát bức xạ thân nhiệt (hồng ngoại ~37°C) để báo trộm.
Cảm biến phát hiện lửa Đầu thu hồng ngoại dải bước sóng 760 nm – 1100 nm, góc quét 60 độ, khoảng cách phát hiện tối đa khoảng 80 cm, nguồn cấp 3.3V–5V, ngõ ra Analog và Digital. Nhận biết bức xạ quang nhiệt từ ngọn lửa cháy để phát tín hiệu báo cháy.
Động cơ Servo SG90 Động cơ servo điều khiển vị trí bằng xung PWM. Thực hiện cơ cấu chấp hành đóng và mở cửa ra vào của mô hình.
Module SIM A6-mini Module truyền thông GSM/GPRS, điều khiển bằng tập lệnh AT qua giao tiếp nối tiếp UART. Gửi tin nhắn SMS cảnh báo và vị trí sự cố đến số điện thoại người dùng đã cài đặt.

Về nền tảng phần mềm và giao thức:

  • Arduino IDE: Môi trường biên dịch mã nguồn C/C++ và nạp chương trình xuống vi điều khiển Arduino Mega 2560 qua cổng COM.
  • Web Server & Cơ sở dữ liệu: Máy chủ xử lý kịch bản bằng ngôn ngữ PHP (Hypertext Preprocessor) kết hợp HTML hiển thị giao diện, quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL để lưu trữ thông tin tài khoản người dùng và trạng thái cảm biến. Việc tương tác giữa hệ thống nhúng và Web server sử dụng giao thức HTTP qua phương thức POST (kèm tiêu đề cấu hình Content-Type, Content-Length, Host) và chuyển đổi cấu trúc dữ liệu theo định dạng JSON (JavaScript Object Notation) với cấu trúc cặp khóa - giá trị (key-value) nhằm tối ưu hóa quá trình phân tích dữ liệu trên ứng dụng di động. Trình soạn thảo mã nguồn Notepad++ được sử dụng để xây dựng mã nguồn máy chủ.
  • Android Studio: Môi trường phát triển ứng dụng di động dựa trên IntelliJ IDEA và hệ thống đóng gói Gradle. Ứng dụng Android được viết bằng ngôn ngữ Java kết hợp ngôn ngữ đánh dấu XML để thiết kế bố cục giao diện (Layout GUI), biên dịch thành tệp tin cài đặt APK.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc khối tương tác khép kín giữa các tầng vật lý, tầng xử lý trung tâm, tầng truyền dẫn và tầng giám sát người dùng:

  1. Khối cảm biến và thu thập dữ liệu: Cảm biến khí ga MQ-2, cảm biến lửa và cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 được bố trí tại các vị trí xác định trong mô hình nhà. Khi thông số môi trường vượt ngưỡng, các cảm biến xuất tín hiệu điện áp tương ứng về các chân ngõ vào Analog/Digital của vi điều khiển ATmega2560.
  2. Khối xử lý trung tâm và giao tiếp ngoại vi: Arduino Mega 2560 đóng vai trò bộ điều phối. Thiết bị tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến, phân tích trạng thái và gửi dữ liệu sang module Wi-Fi ESP8266 qua giao tiếp nối tiếp phần cứng (chân TX3 và RX3) theo tốc độ Baud quy định. Khi xảy ra sự cố khẩn cấp (cháy hoặc xâm nhập trái phép), Arduino Mega 2560 đồng thời kích hoạt module SIM A6-mini để truyền lệnh gửi tin nhắn cảnh báo SMS đến số điện thoại đã lưu trong bộ nhớ.
  3. Cơ cấu chấp hành: Chân điều khiển PWM của Arduino Mega được kết nối với động cơ Servo SG90. Khi nhận tín hiệu điều khiển mở cửa từ ứng dụng di động (thông qua Web server và module ESP8266), vi điều khiển phát chuỗi xung điều khiển làm quay góc servo để mở chốt cửa.
  4. Hệ thống phần mềm máy chủ và cơ sở dữ liệu: Dữ liệu do ESP8266 gửi lên qua yêu cầu HTTP POST được kịch bản PHP tiếp nhận và cập nhật vào hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL. Cơ sở dữ liệu thiết lập các bảng lưu trữ chính gồm:
    • Bảng users: Lưu trữ thông tin tài khoản, tên định danh, mật khẩu phân quyền cho người dùng truy cập.
    • Bảng người dùng: Lưu trữ thông tin số điện thoại nhận cảnh báo, địa chỉ ngôi nhà và trạng thái hoạt động của các thiết bị.
  5. Ứng dụng di động Android: Được xây dựng qua các quy trình chuẩn hóa gồm thiết lập môi trường (Android SDK, Android Platform), tạo cấu trúc mã nguồn Java/XML, xây dựng logic kết nối mạng gửi/nhận chuỗi JSON qua HTTP request, biên dịch qua Gradle và tạo gói APK. Ứng dụng tích hợp lưu đồ kiểm tra tài khoản đăng nhập, màn hình hiển thị trạng thái hoạt động theo thời gian thực và màn hình điều khiển cho phép người dùng bật/tắt thiết bị, hẹn giờ kích hoạt cảm biến PIR và đóng/mở cửa từ xa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương này tập trung trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghệ IoT phát triển nhanh chóng. Tác giả phân tích các hạn chế của những phương pháp bảo vệ an ninh và phòng cháy chữa cháy cổ điển, từ đó đưa ra giải pháp ứng dụng hệ thống điện tử kết hợp mạng truyền thông không dây. Chương 1 xác định rõ ràng mục tiêu nghiên cứu (bao gồm 5 mục tiêu bắt buộc và 2 mục tiêu mở rộng), đối tượng, phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tại bộ môn, phương pháp tiếp cận thiết kế phần cứng - phần mềm, các giới hạn kỹ thuật của hệ thống và tổng quan cấu trúc văn bản gồm 5 chương.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 mô tả chi tiết thông số kỹ thuật, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linh kiện phần cứng và công nghệ phần mềm được lựa chọn:

  • Giới thiệu chi tiết vi điều khiển Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATmega2560, sơ đồ bố trí 54 chân digital, 16 chân analog, 4 cổng UART và hướng dẫn sử dụng phần mềm Arduino IDE (cấu hình cổng COM, chọn board, các biểu tượng thao tác và thông báo biên dịch/nạp mã).
  • Phân tích module Wi-Fi ESP8266 (phiên bản NodeMCU Lua D1 Mini), chức năng các chân kết nối (VCC 3.3V, GND, TX, RX, RST, CH_PD, GPIO 0) và nguyên lý giao tiếp nối tiếp UART với Arduino Mega.
  • Trình bày nguyên lý hoạt động của cảm biến khí ga MQ-2 (dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện của oxit thiếc SnO2 khi tiếp xúc khí cháy); cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 (nguyên lý hội tụ tia hồng ngoại cơ thể 37°C qua kính Fresnel lên hai phần tử cảm biến và mạch so áp khuếch đại FET); cảm biến phát hiện lửa (thu nhận bức xạ quang học dải bước sóng 760–1100 nm).
  • Giới thiệu nền tảng lập trình web phía máy chủ bao gồm ngôn ngữ kịch bản PHP, cú pháp thẻ giới hạn, cấu trúc dữ liệu JSON dùng để trao đổi dữ liệu với ứng dụng di động, hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL, các phương thức của giao thức HTTP (GET, POST, HEAD, PUT, DELETE, OPTIONS, TRACE) và ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản HTML.
  • Khái quát về môi trường Android Studio, quy trình 4 bước phát triển ứng dụng di động (Cài đặt môi trường, tạo project với Java/XML, kiểm thử/gỡ lỗi qua Logcat/Gradle, đóng gói APK và phát hành).

Chương 3. Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày các bước tính toán thiết kế chi tiết để hiện thực hóa hệ thống:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng quát thể hiện mối liên kết giữa khối nguồn, khối vi điều khiển trung tâm (Arduino Mega), khối cảm biến đầu vào (MQ-2, PIR HC-SR501, cảm biến lửa), khối truyền thông (ESP8266, SIM A6-mini), khối chấp hành (Servo SG90) và khối điều khiển/giám sát đầu cuối (Web server, App Android).
  • Thiết kế mạch nguyên lý chi tiết từng phần: kết nối chân tín hiệu cảm biến với các cổng ADC/GPIO của vi điều khiển; phối ghép mức điện áp giữa chân TX3/RX3 của Arduino Mega với module ESP8266; sơ đồ kết nối động cơ servo SG90 nhận xung điều khiển; mạch kết nối module SIM A6-mini; tổng hợp thành sơ đồ nguyên lý toàn mạch.
  • Thiết kế cấu trúc cơ sở dữ liệu trên MySQL, xác định các trường dữ liệu cho bảng users và bảng người dùng.
  • Thiết kế giao diện đồ họa cho ứng dụng Android gồm các màn hình chức năng: Màn hình đăng nhập tài khoản, Màn hình menu điều hướng, Màn hình hiển thị tình trạng các cảm biến, Màn hình điều khiển hẹn giờ và đóng mở cửa.

Chương 4. Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình gia công cơ khí, lắp ráp mạch điện tử và lập trình thực tế:

  • Bố trí vị trí linh kiện, thi công hàn lắp bo mạch điều khiển trung tâm và tích hợp các module chức năng.
  • Xây dựng mô hình nhà vật lý mô phỏng không gian sống với đầy đủ vị trí cửa ra vào và các khu vực lắp đặt đầu dò cảm biến.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính trên Arduino Mega 2560; lưu đồ giải thuật truyền thông cho module ESP8266 gửi nhận gói tin HTTP POST; lập trình mã nguồn máy chủ bằng PHP trên công cụ Notepad++ kết nối MySQL.
  • Hiện thực hóa ứng dụng Android bằng Android Studio: xây dựng lưu đồ đăng nhập hệ thống, lưu đồ truy vấn trạng thái cảm biến qua việc bóc tách chuỗi JSON, thiết kế mã nguồn xử lý sự kiện giao diện.
  • Soạn thảo tài liệu hướng dẫn vận hành chi tiết đối với hệ thống phần cứng điều khiển và phần mềm ứng dụng trên điện thoại.

Chương 5. Kết quả, nhận xét, đánh giá và Kết luận

Nội dung chương cuối tổng kết toàn bộ kết quả đạt được sau 3 tháng nghiên cứu và thử nghiệm:

  • Trình bày hình ảnh và đánh giá hoạt động của sản phẩm vật lý sau khi hoàn thành: bo mạch điều khiển trung tâm, mô hình nhà hoàn chỉnh, giao diện web server và các màn hình chức năng của ứng dụng Android khi chạy thực tế.
  • Kiểm tra tính ổn định trong quá trình vận hành hệ thống: cảm biến MQ-2 và cảm biến lửa kích hoạt cảnh báo chính xác khi phát sinh sự cố; module SIM A6-mini gửi tin nhắn SMS chứa nội dung sự cố và địa chỉ ngôi nhà tới người dùng thành công; servo SG90 thực hiện đóng mở cửa đúng theo lệnh từ ứng dụng điện thoại.
  • Tổng kết các kiến thức và kỹ năng thu nhận được trong quá trình nghiên cứu, chỉ rõ những hạn chế kỹ thuật còn tồn tại và đề xuất định hướng phát triển trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Sau quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo thực nghiệm, đề tài đã đạt được các kết quả cụ thể sau:

  • Chế tạo thành công bo mạch điều khiển trung tâm tích hợp đầy đủ vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3, module Wi-Fi ESP8266, module SIM A6-mini, các mạch phối ghép cảm biến khí ga MQ-2, cảm biến chuyển động PIR HC-SR501, cảm biến lửa và cổng điều khiển động cơ servo SG90.
  • Hoàn thiện mô hình nhà vật lý mô phỏng không gian lắp đặt thực tế, chứng minh tính khả thi của hệ thống báo động an ninh kết hợp phòng cháy trong quy mô công trình dân dụng.
  • Xây dựng hoàn chỉnh máy chủ Web sử dụng kịch bản PHP và hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL, tiếp nhận dữ liệu đo đạc liên tục từ module ESP8266 thông qua phương thức HTTP POST và lưu trữ trạng thái vào cơ sở dữ liệu.
  • Phát triển thành công ứng dụng trên hệ điều hành Android qua công cụ Android Studio, cho phép:
    • Đăng nhập tài khoản bảo mật.
    • Giám sát trạng thái hoạt động của từng cảm biến theo thời gian thực thông qua phân tích dữ liệu JSON trả về từ máy chủ.
    • Hẹn giờ tự động bật/tắt hoạt động của cảm biến chuyển động PIR HC-SR501.
    • Điều khiển cơ cấu servo đóng và mở cửa nhà từ xa qua giao diện phần mềm.
  • Kiểm thử thành công chức năng cảnh báo qua mạng viễn thông: module SIM A6-mini thực hiện tự động gửi tin nhắn SMS thông báo sự cố cháy hoặc có trộm xâm nhập, đồng thời gửi kèm địa chỉ đã được cấu hình trước đến số điện thoại của người quản trị.

Về mặt đóng góp so với các hệ thống trước đó, tác giả chỉ ra rằng đề tài đã tích hợp thành công hai chức năng an ninh trọng yếu (báo trộm và báo cháy) vào chung một khối xử lý tập trung; kết hợp đa dạng các kênh cảnh báo từ xa (vừa hiển thị trên giao diện trực quan của Web/App qua kết nối Internet, vừa dự phòng bằng tin nhắn SMS qua mạng di động GSM), khắc phục sự phụ thuộc vào các giải pháp trông coi thủ công đơn thuần.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá của nhóm tác giả, hệ thống vẫn còn tồn tại các mặt hạn chế sau:

  • Mức độ tin cậy và độ nhạy của hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào phẩm chất kỹ thuật của các module cảm biến thương mại trên thị trường; khả năng phân biệt giữa báo động giả và sự cố thực tế còn hạn chế.
  • Khả năng truyền nhận dữ liệu giám sát và điều khiển qua ứng dụng di động phụ thuộc hoàn toàn vào sự ổn định của kết nối mạng Internet (Wi-Fi); nếu mất kết nối mạng, các chức năng giám sát qua Web và Android sẽ tạm ngừng hoạt động (chỉ còn cảnh báo qua SMS nếu mạng GSM duy trì).
  • Do thời gian thực hiện ngắn (3 tháng) và kiến thức kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, sản phẩm mới dừng lại ở mức độ mô hình thử nghiệm trong phòng lab, chưa được tối ưu hóa về mặt công nghiệp.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất gồm:

  • Tiến hành tối ưu hóa phần cứng và phần mềm nhằm mục đích thương mại hóa sản phẩm trên thị trường thiết bị nhà thông minh tại Việt Nam.
  • Thiết kế và phát triển giao diện hệ thống quản lý chuyên nghiệp hơn, cho phép đăng ký, phân quyền và quản lý nhiều người dùng cùng lúc trên máy chủ.
  • Nâng cao độ chính xác của các cảm biến và nghiên cứu bổ sung thêm các tính năng điều khiển tự động hóa khác trong gia đình.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành:

  • Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông
  • Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
  • Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống Nhúng
  • Công nghệ Thông tin (đặc biệt là lĩnh vực Mạng và Thiết bị IoT)

Nội dung đồ án mang lại giá trị tham khảo ứng dụng thực tế ở các phần:

  • Phương pháp phối ghép phần cứng vi điều khiển Arduino Mega 2560 với các module ngoại vi khác nhau về chuẩn điện áp và phương thức truyền thông (giao tiếp nối tiếp UART với ESP8266 mức 3.3V và module SIM A6-mini).
  • Kỹ thuật lập trình nhúng cho ESP8266 thực hiện đóng gói dữ liệu cảm biến và gửi yêu cầu HTTP POST lên máy chủ web bằng tập lệnh điều khiển.
  • Cấu trúc kịch bản PHP kết hợp cơ sở dữ liệu MySQL và định dạng JSON để làm cầu nối trung gian trao đổi thông tin hai chiều giữa hệ thống nhúng và ứng dụng di động Android.
  • Quy trình từng bước xây dựng một ứng dụng giám sát và điều khiển phần cứng trên nền tảng Android Studio.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm và module truyền thông Wi-Fi trong hệ thống sử dụng loại nào, kết nối với nhau ra sao? Hệ thống sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 R3 (dùng chip ATmega2560) làm bộ xử lý trung tâm và module Wi-Fi ESP8266 (phiên bản NodeMCU Lua D1 Mini). Hai module này kết nối trực tiếp với nhau thông qua giao thức truyền thông nối tiếp không đồng bộ (UART) tại hai chân TX3 và RX3 trên Arduino Mega.

2. Cảm biến phát hiện lửa và cảm biến khí ga trong đồ án hoạt động dựa trên nguyên lý kỹ thuật nào? Cảm biến khí ga MQ-2 sử dụng chất bán dẫn SnO2; khi gặp khí dễ cháy trong không khí, độ dẫn điện của cảm biến thay đổi làm thay đổi điện áp đầu ra (Aout từ 0.5V). Cảm biến phát hiện lửa sử dụng đầu thu tín hiệu hồng ngoại để bắt bức xạ nhiệt do ngọn lửa phát ra trong dải bước sóng từ 760 nm đến 1100 nm (với góc quét 60 độ, khoảng cách phát hiện khoảng 80 cm).

3. Dữ liệu từ thiết bị nhúng được truyền lên Web server và chuyển tiếp xuống ứng dụng di động bằng phương thức nào? Dữ liệu trạng thái từ module Wi-Fi ESP8266 được gửi lên Web server thông qua phương thức HTTP POST. Máy chủ xử lý dữ liệu bằng mã kịch bản PHP và lưu vào cơ sở dữ liệu MySQL. Để ứng dụng Android có thể đọc và đồng bộ thông tin dễ dàng, dữ liệu được chuyển đổi sang định dạng JSON theo cấu trúc key-value (tương ứng tên trường và giá trị bản ghi trong cơ sở dữ liệu).

4. Khi xảy ra sự cố cháy hoặc có trộm xâm nhập, hệ thống cảnh báo đến người dùng qua những kênh nào? Hệ thống thực hiện cảnh báo qua hai kênh song song: cập nhật trạng thái nguy hiểm lên cơ sở dữ liệu máy chủ để hiển thị cảnh báo tức thời trên màn hình ứng dụng Android; đồng thời Arduino Mega 2560 điều khiển module SIM A6-mini gửi tin nhắn SMS cảnh báo và vị trí/địa chỉ xảy ra sự cố trực tiếp đến số điện thoại của người dùng đã được lưu trong cơ sở dữ liệu.

5. Cơ cấu đóng mở cửa trong mô hình sử dụng linh kiện gì và được điều khiển như thế nào? Cơ cấu đóng mở cửa sử dụng động cơ servo SG90. Động cơ này nhận tín hiệu điều khiển độ rộng xung (PWM) từ vi điều khiển Arduino Mega 2560 khi người dùng thực hiện thao tác kích hoạt lệnh đóng hoặc mở cửa trên giao diện của ứng dụng Android (lệnh được truyền qua Web server xuống ESP8266 và chuyển vào Arduino Mega).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống báo trộm báo cháy thông minh" đã thiết kế và chế tạo thành công một mô hình nhà thông minh kết hợp tính năng giám sát an ninh và an toàn phòng cháy dựa trên vi điều khiển Arduino Mega 2560, module Wi-Fi ESP8266 và module SIM A6-mini. Nghiên cứu giải quyết đồng bộ từ khâu thu thập tín hiệu qua hệ thống cảm biến chuyên dụng (MQ-2, PIR HC-SR501, cảm biến lửa) đến khâu xử lý, truyền thông dữ liệu hai chiều qua Web server (PHP, MySQL, HTTP/JSON) và điều khiển chấp hành trên ứng dụng di động Android. Dù còn một số hạn chế về tính phụ thuộc vào chất lượng cảm biến thương mại và kết nối Internet, hệ sinh thái phần cứng - phần mềm được xây dựng trong đồ án đã chứng minh được tính khả thi trong thực nghiệm và cung cấp mô hình kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho các nghiên cứu ứng dụng IoT tiếp theo.