Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong đời sống xã hội hiện đại, nhu cầu sử dụng khí hóa lỏng (LPG/gas) làm chất đốt phục vụ sinh hoạt gia đình, sản xuất và kinh doanh ngày càng phổ biến. Tuy nhiên, tình trạng rò rỉ khí gas khi vượt ngưỡng an toàn tiềm ẩn nguy cơ gây ngộ độc đường hô hấp và dẫn đến các vụ hỏa hoạn, cháy nổ nghiêm trọng, đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người cũng như tài sản xung quanh. Đồng thời, tình hình an ninh trật tự và tệ nạn trộm cắp tài sản tại các khu dân cư, kho bãi, cơ quan, ngân hàng đang diễn biến phức tạp với thủ đoạn ngày càng tinh vi. Thực tế ghi nhận đa số trường hợp chủ hộ chỉ quan tâm xử lý sau khi sự cố đã xảy ra. Tại Thành phố Hồ Chí Minh, chủ trương từ Bộ Công an (năm 2015) và chỉ đạo của lãnh đạo Thành ủy (năm 2016) đã nhấn mạnh yêu cầu đẩy mạnh ứng dụng công nghệ cao vào công tác phòng cháy chữa cháy và kéo giảm tội phạm trộm cắp. Trước bối cảnh đó, các giải pháp tích hợp công nghệ số, mạng viễn thông di động và Internet nhằm giám sát, phát hiện sớm và cảnh báo tức thời là yêu cầu cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống giám sát và cảnh báo qua mạng" do sinh viên Trần Anh Tuấn (MSSV: 13119202) và Nguyễn Khánh Tiên (MSSV: 13119147/13119174), lớp 13119CL2, ngành Kỹ thuật Máy tính, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện, dưới sự hướng dẫn của ThS. Đậu Trọng Hiển (thời gian thực hiện từ 03/03/2017 đến 11/07/2017).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm 6 nội dung cụ thể:

  1. Nghiên cứu thu thập, xử lý tín hiệu từ cảm biến khí gas và cảm biến hồng ngoại bằng vi điều khiển Arduino.
  2. Thiết kế mô hình mạng cục bộ (LAN) Ethernet thông qua bo mạch mở rộng Arduino Ethernet Shield.
  3. Thiết lập cơ chế quay số gọi điện và truyền gửi tin nhắn văn bản (SMS) tự động qua module viễn thông di động GSM SIM900.
  4. Tìm hiểu và ứng dụng ngôn ngữ C# để lập trình giao diện phần mềm giám sát trên máy tính (PC).
  5. Tích hợp và truyền phát luồng dữ liệu hình ảnh thời gian thực từ camera IP vào phần mềm quản lý.
  6. Thi công mô hình phần cứng giám sát, hoàn thiện hệ thống truyền nhận dữ liệu từ cảm biến lên giao diện máy tính qua mạng LAN và kích hoạt còi báo động tại chỗ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 và các module phần cứng ngoại vi (cảm biến MQ-2, cảm biến vật cản hồng ngoại, module SIM900, Ethernet Shield W5100, camera IP Yoosee).
  • Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng giao diện phần mềm quản lý trên máy tính bằng ngôn ngữ C#; thu thập và xử lý tín hiệu từ các cảm biến theo từng khu vực giám sát; thi công mô hình phần cứng thực nghiệm truyền dữ liệu qua giao thức mạng nội bộ Ethernet và cảnh báo qua mạng GSM di động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng kỹ thuật vi điều khiển nhúng, công nghệ truyền thông di động và mạng máy tính:

  • Công nghệ mạng di động GSM và dịch vụ SMS: Hệ thống thông tin di động toàn cầu 2G hoạt động trên các băng tần 400 MHz, 900 MHz, 1800 MHz và 1900 MHz theo chuẩn của Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI), sử dụng phương thức đa truy cập phân chia theo thời gian (TDM). Dịch vụ tin nhắn ngắn (SMS) vận hành theo tiêu chuẩn 3GPP, quy định kích thước dữ liệu tối đa 140 byte (1120 bit), tương đương 160 ký tự 7-bit latin hoặc 70 ký tự Unicode (UCS2) 16-bit. Cấu trúc bản tin gồm 5 thành phần: chỉ thị giao diện vô tuyến (Air interface), chỉ thị trung tâm SMSC, chỉ thị thiết bị đầu cuối, chỉ thị SIM và phần nội dung (Message body).
  • Module truyền thông SIM900 Shield: Hoạt động ở 4 băng tần GSM 850/900/1800/1900 MHz; tích hợp giao thức GPRS/TCP/IP; giao tiếp với bộ xử lý trung tâm qua cổng nối tiếp UART với tốc độ baud từ 1200 đến 115200 bps. Hệ thống lệnh điều khiển sử dụng tập lệnh tiêu chuẩn AT Command: ATZ (khởi tạo, reset modem), ATE0 (tắt chế độ lặp lại lệnh), AT+CLIP=1 (hiển thị thông tin nhận diện số thuê bao gọi đến), AT&W (lưu cấu hình vào bộ nhớ), AT+CMGF=1 (chuyển đổi chế độ xử lý SMS sang dạng Text), AT+CNMI=2,0,0,0,0 (cấu hình chuyển hướng tiếp nhận tin nhắn lưu vào SIM), AT+CSAS (lưu thiết lập SMS), AT+CMGD (xóa bản tin tại ô nhớ số 1 và số 2), AT+CMGR (đọc nội dung tin nhắn), và AT+CMGS (lệnh gửi tin nhắn văn bản đến số điện thoại đích, kết thúc bằng mã ASCII 0x1A hoặc hủy bằng 0x1B/ESC).
  • Vi điều khiển Arduino Uno R3: Trang bị chip AVR Atmega328P hoạt động ở tần số 16 MHz, điện áp cấp 5V DC, cung cấp 14 chân I/O số (trong đó có 6 chân PWM), 6 kênh ngõ vào tương tự (A0 - A5) với bộ biến đổi ADC 10-bit. Bộ nhớ gồm 32 KB Flash (0.5 KB dành cho bootloader), 2 KB SRAM và 1 KB EEPROM. Môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE dựa trên ngôn ngữ lập trình Wiring (C/C++).
  • Bo mạch Arduino Ethernet Shield: Sử dụng chip điều khiển phần cứng mạng Wiznet W5100 tích hợp bộ đệm nội 16 KB, hỗ trợ đồng thời cả hai giao thức TCP và UDP với khả năng duy trì 4 kết nối socket song song. Module giao tiếp với Arduino qua chuẩn SPI tại các chân 11, 12, 13, chân chọn chip (SS) số 10 cho W5100 và chân số 4 cho khe cắm thẻ Micro-SD mở rộng.
  • Cảm biến rò rỉ khí gas MQ-2: Cấu tạo dựa trên vật liệu bán dẫn oxit thiếc ($SnO_2$). Trong điều kiện không khí sạch, vật liệu có độ dẫn điện thấp; khi tiếp xúc với các khí dễ cháy như LPG, propane, hydrogen, methane ($CH_4$), độ dẫn điện của cảm biến tăng tỉ lệ thuận với nồng độ khí. Module tích hợp mạch so áp với IC LM358 để chống nhiễu, xuất ra đồng thời 2 dạng tín hiệu: Analog ($A_{out}$, thang đo 0 - 5V) và Digital ($D_{out}$, trả về mức 1 khi nồng độ bình thường và mức 0 khi nồng độ vượt ngưỡng cài đặt trên biến trở).
  • Cảm biến vật cản hồng ngoại: Gồm cặp bóng phát và bóng thu quang phổ hồng ngoại bước sóng cố định, tích hợp IC so sánh, khoảng cách phát hiện vật cản hiệu chỉnh bằng biến trở trong phạm vi 2 đến 40 cm (phạm vi mở rộng 2 - 80 cm), góc quét 35 độ.
  • Thiết bị ngoại vi phụ trợ: Module còi báo động (Buzzer) hoạt động ở điện áp 3.3V - 5V, dòng tiêu thụ $\le$ 25 mA; module nguồn giảm áp hạ áp DC-DC LM2596 nhận dải điện áp đầu vào 3V - 40V, tạo điện áp đầu ra ổn định với dòng chịu tải cực đại 3A; màn hình ký tự LCD (16x2 hoặc 20x4) giao tiếp vi điều khiển thông qua mạch chuyển đổi giao thức I2C (sử dụng 2 chân tín hiệu SDA - A4 và SCL - A5); Camera IP Yoosee kết nối mạng truyền phát hình ảnh trực tiếp.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Khảo sát cấu trúc tập lệnh AT, sơ đồ chân và datasheet linh kiện phần cứng.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật và chế tạo mạch mẫu: Phân tách sơ đồ khối hệ thống, kết nối dây dẫn giữa khối vi điều khiển trung tâm với các shield và cảm biến ngoại vi.
  • Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống: Viết mã nguồn điều khiển phần cứng trên Arduino IDE bằng C/C++; thiết kế phần mềm máy tính trên nền tảng .NET/C# sử dụng Visual Studio.
  • Phương pháp thực nghiệm: Kiểm tra khả năng bắt tín hiệu rò rỉ gas, độ nhạy phát hiện đột nhập, kiểm tra thời gian trễ gửi SMS, quay số cuộc gọi và truyền dữ liệu mạng LAN.
Thiết bị / Linh kiện Chip xử lý / Vật liệu Thông số hoạt động chính Giao tiếp / Chuẩn kết nối
Arduino Uno R3 Atmega328P (8-bit) 16 MHz, 5V DC, 32 KB Flash, 2 KB SRAM UART, SPI, I2C, 14 Digital I/O, 6 Analog In
Ethernet Shield Wiznet W5100 Bộ đệm 16 KB, tốc độ 10/100 Mbps, 4 luồng song song Chuẩn SPI (Chân D10 chọn W5100, D4 chọn SD)
Module SIM900 SIMCOM SIM900 850/900/1800/1900 MHz, nguồn cấp 3.4V - 4.5V UART (AT Command, chân D7/D8/D9 trên shield)
Cảm biến khí gas MQ-2 ($SnO_2$, IC LM358) Nguồn 5V DC, độ nhạy cao với LPG, $CH_4$, khói Đầu ra Analog ($A_{out}$) và Digital ($D_{out}$)
Cảm biến vật cản LED thu - phát hồng ngoại Nguồn 3.3V - 5V DC, khoảng cách 2 - 40 cm, góc quét 35° Đầu ra Digital ($D_{out}$)
Module hạ áp LM2596 Vào 3V - 40V, ra hiệu chỉnh, dòng tối đa 3A, hiệu suất 92% Đầu nối Domino cấp nguồn hệ thống
Module cảnh báo Active Buzzer Nguồn 3.3V - 5V DC, dòng điện $\le$ 25 mA Tín hiệu kích hoạt Digital

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phần cứng kết hợp ứng dụng phần mềm giám sát trên máy tính:

  1. Kiến trúc phân khối phần cứng:
  • Khối xử lý trung tâm: Bo mạch Arduino Uno R3 đóng vai trò tiếp nhận liên tục tín hiệu logic từ các chân cảm biến, điều phối việc gửi nhận lệnh qua module SIM, xuất dữ liệu qua mạng Ethernet và hiển thị thông báo ra màn hình LCD.
  • Khối cảm biến: Gồm cảm biến MQ-2 giám sát nồng độ khí gas và cảm biến hồng ngoại đặt tại các vị trí cửa hoặc hành lang để phát hiện vật thể di chuyển. Tín hiệu số từ chân $D_{out}$ của hai cảm biến được nối trực tiếp vào các chân ngõ vào số của Arduino.
  • Khối giao tiếp mạng viễn thông (GSM SIM900): Đặt chồng lên Arduino Uno qua giao diện shield, cấu hình giao tiếp Software Serial trên chân D7 (RX) và D8 (TX), sử dụng chân D9 để cấp xung kích hoạt nguồn cho module. Module đảm nhiệm việc quay số khẩn cấp và gửi chuỗi tin nhắn SMS báo động khi có sự cố.
  • Khối giao tiếp mạng nội bộ (Ethernet W5100): Kết nối với Arduino qua giao thức SPI (chân D10, D11, D12, D13), liên kết tới Router mạng nội bộ thông qua cáp mạng RJ45 chuẩn CAT5/CAT6, được thiết lập địa chỉ IP tĩnh và địa chỉ MAC vật lý xác định.
  • Khối hiển thị và cảnh báo tại chỗ: Màn hình LCD tích hợp module mở rộng I2C kết nối qua chân A4 (SDA) và A5 (SCL) để giảm thiểu số lượng dây dẫn; module Buzzer kết nối chân số để phát còi hú khi có sự cố.
  • Khối nguồn: Module LM2596 nhận nguồn adapter bên ngoài để hạ áp và ổn định mức điện áp 5V cung cấp dòng đủ lớn cho module GSM SIM900 hoạt động, tránh sụt áp gây reset vi điều khiển.
  • Khối giám sát hình ảnh: Camera IP Yoosee được cấu hình địa chỉ IP tĩnh trong mạng nội bộ, ghi nhận luồng hình ảnh video tại khu vực cần bảo vệ.
  1. Thiết kế phần mềm và giải thuật:
  • Chương trình nhúng trên Arduino: Khởi tạo các thông số cổng mạng (IP, Subnet, Gateway, MAC), cấu hình cổng truyền thông nối tiếp baudrate cho module SIM900 và tập lệnh AT (AT+CMGF=1, AT+CNMI=2,0,0,0,0). Vòng lặp chính (loop) liên tục quét trạng thái các chân cảm biến:
    • Nếu ngõ ra cảm biến gas xuống mức 0 (phát hiện rò rỉ khí): Bật còi Buzzer, xuất thông tin cảnh báo "CANH BAO GAS" lên màn hình LCD, gửi gói tin trạng thái qua Ethernet Shield lên máy tính, truyền lệnh AT qua SIM900 để thực hiện cuộc gọi khẩn cấp và gửi tin nhắn cảnh báo rò rỉ gas tới số điện thoại người quản lý.
    • Nếu ngõ ra cảm biến hồng ngoại chuyển trạng thái (phát hiện có người đột nhập): Bật còi Buzzer, xuất thông tin "CO TROM" lên màn hình LCD, truyền dữ liệu cảnh báo qua mạng nội bộ và kích hoạt gọi điện/nhắn tin báo động qua mạng GSM.
    • Khi không có tín hiệu kích hoạt: Duy trì hiển thị trạng thái an toàn bình thường trên LCD và cập nhật dữ liệu định kỳ lên máy tính.
  • Thiết kế phần mềm trên máy tính:
    • Giao diện đăng nhập: Thiết kế trên nền tảng Windows Forms (C#), yêu cầu người quản trị nhập tài khoản và mật khẩu, kiểm tra xác thực trước khi cho phép truy cập trang giám sát trung tâm. Có nút thoát ứng dụng (Exit).
    • Giao diện giám sát chính: Tích hợp khung hiển thị video từ Camera IP Yoosee qua giao thức mạng; bảng hiển thị trạng thái cảm biến từng phân vùng (báo an toàn bằng đèn màu hoặc thông báo văn bản khi có báo động rò rỉ gas/trộm đột nhập); các nút điều khiển cấu hình kết nối mạng LAN.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 mở đầu bằng phần đặt vấn đề về sự gia tăng của các vụ cháy nổ do bất cẩn trong đun nấu gas công nghiệp/dân dụng và sự gia tăng của tội phạm đột nhập trộm cắp tài sản. Tác giả trích dẫn các chỉ đạo thực tế của Bộ Công an năm 2015 và phát biểu của lãnh đạo Thành ủy TP.HCM năm 2016 về việc ứng dụng công nghệ cao kéo giảm tội phạm và phòng chống cháy nổ. Chương này khảo sát một số sản phẩm an ninh có mặt trên thị trường Việt Nam thời điểm đó như thiết bị hộp đen 3S của Công ty FNC và thiết bị Gsafe của Gtel ICT. Trên cơ sở đó, tác giả xác định mục tiêu đề tài là nghiên cứu mô hình tích hợp thu thập dữ liệu cảm biến rò rỉ gas, cảm biến hồng ngoại chống trộm, xử lý bằng Arduino Uno R3, gửi cảnh báo qua mạng di động bằng module SIM, truyền dữ liệu lên máy tính qua Ethernet và hiển thị luồng hình ảnh từ camera IP. Giới hạn đề tài tập trung vào lập trình giao diện cơ bản bằng C#, kết nối LAN qua W5100, điều khiển module SIM bằng lệnh AT và kiểm thử mô hình trong phạm vi mạng nội bộ.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết các cơ sở lý thuyết kỹ thuật sử dụng trong đồ án:

  • Tổng quan công nghệ mạng di động GSM: Cấu trúc mạng tế bào 2G, các dải băng tần ETSI quy định (400, 900, 1800, 1900 MHz), công nghệ đa phân chia thời gian TDM, công suất phát máy đầu cuối (tối đa 2W ở băng tần 850/900 MHz và 1W ở băng tần 1800/1900 MHz). Tác giả cung cấp số liệu thị trường viễn thông Việt Nam với 3 nhà mạng VinaPhone, MobiFone, Viettel chiếm trên 85% thị phần và đạt khoảng 120 triệu thuê bao di động.
  • Dịch vụ tin nhắn SMS: Tiêu chuẩn 3GPP, dung lượng giới hạn 140 byte (160 ký tự 7-bit hoặc 70 ký tự 16-bit UCS2), cấu trúc bản tin 5 thành phần (Instructions to air interface, Instructions to SMSC, Instructions to handset, Instructions to SIM, Message body) và cơ chế phân mảnh tin nhắn SMS chuỗi (Concatenated SMS).
  • Khảo sát module SIM900: Giới thiệu cấu trúc phần cứng Breakout SIM900 Shield, các dải nhiệt độ vận hành (chuẩn -30°C đến +80°C), tốc độ truyền GPRS (tải xuống tối đa 85.6 kbps, tải lên tối đa 42.8 kbps). Khảo sát sơ đồ chân và định danh các chân D7, D8, D9 giao tiếp vi điều khiển. Trình bày chi tiết cú pháp và chuỗi đáp ứng của các lệnh AT: ATZ, ATE0, AT+CLIP=1, AT&W, AT+CMGF=1, AT+CNMI=2,0,0,0,0, AT+CSAS, AT+CMGD, AT+CMGR, AT+CMGS. Ghi nhận tốc độ gửi tin nhắn trung bình của modem đạt từ 6 đến 10 tin nhắn/phút, thời gian gửi thực tế qua mạng MobiFone từ 3 đến 4 giây.
  • Vi điều khiển Arduino Uno R3: Thông số chip Atmega328P (14 chân Digital I/O, 6 kênh Analog, 32 KB Flash, 2 KB SRAM, 1 KB EEPROM, thạch anh 16 MHz), môi trường Arduino IDE và cấu trúc mã nguồn Wiring với hai hàm cơ bản setup() và loop().
  • Arduino Ethernet Shield: Sử dụng chip Wiznet W5100, bộ đệm nội 16 KB, hỗ trợ 4 luồng song song TCP/UDP, giao tiếp SPI qua các chân 10, 11, 12, 13 và chân số 4 cho khe cắm thẻ nhớ SD.
  • Cảm biến và linh kiện phụ trợ: Nguyên lý dẫn điện của vật liệu $SnO_2$ trong cảm biến MQ-2 khi gặp khí dễ cháy, tích hợp IC so áp LM358 tạo tín hiệu $A_{out}$ và $D_{out}$; thông số cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản (khoảng cách 2 - 40 cm, góc quét 35 độ, nguồn 3.3V - 5V); thông số module còi chíp (Buzzer, dòng $\le$ 25 mA); module giảm áp hạ áp DC-DC LM2596 (nguồn vào 3V - 40V, dòng cực đại 3A); sơ đồ 16 chân của màn hình LCD ký tự và Camera IP Yoosee.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 mô tả quá trình thiết kế phần cứng và phần mềm của hệ thống:

  • Đặt vấn đề và yêu cầu: Hệ thống phải phát hiện kịp thời khí gas rò rỉ và kẻ đột nhập, phát chuông báo động tại chỗ, hiển thị thông tin lên màn hình LCD, gửi cảnh báo cuộc gọi và tin nhắn SMS tới điện thoại người quản lý, truyền dữ liệu trạng thái lên phần mềm máy tính qua mạng LAN Ethernet và hiển thị hình ảnh từ camera IP.
  • Thiết kế phần cứng: Phân tích sơ đồ khối bao gồm 7 khối chức năng: Khối cảm biến khí gas (MQ-2), Khối phát hiện vật cản (cảm biến hồng ngoại), Khối hiển thị (LCD kết hợp module I2C để tiết kiệm chân vi điều khiển), Khối giao tiếp GSM (Module SIM900 Shield nối cổng nối tiếp mềm D7/D8), Khối giao tiếp mạng Ethernet (W5100 Shield nối qua SPI), Khối xử lý trung tâm (Arduino Uno R3) và Khối nguồn hạ áp LM2596. Thiết lập sơ đồ nguyên lý kết nối chi tiết giữa các chân tín hiệu.
  • Thiết kế phần mềm: Xây dựng lưu đồ giải thuật cho hệ thống nhúng (lưu đồ thiết lập kết nối ban đầu, lưu đồ kiểm tra trạng thái cảm biến và lưu đồ kích hoạt cảnh báo qua SMS/cuộc gọi/Ethernet). Thiết kế giao diện phần mềm máy tính bằng ngôn ngữ C# với 2 form chính: Form đăng nhập (quản lý người dùng, kiểm tra mật khẩu) và Form giám sát trung tâm (nhúng khung hình trực tiếp từ Camera IP Yoosee, hiển thị trạng thái kết nối mạng LAN và các tín hiệu báo động).

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương 4 thể hiện kết quả kiểm thử mô hình thực tế đã gia công hoàn chỉnh:

  • Kết quả phần cứng: Hệ thống mạch được lắp ráp, đóng gói hoàn chỉnh với các khối Arduino, Shield W5100, Shield SIM900, cảm biến MQ-2, cảm biến hồng ngoại, màn hình LCD và loa còi buzzer.
  • Kiểm thử chức năng cảnh báo:
    • Khi phát hiện người đi qua vùng quét cảm biến hồng ngoại: Còi buzzer phát âm thanh báo động, màn hình LCD hiển thị trạng thái cảnh báo trộm.
    • Khi đưa nguồn khí gas lại gần cảm biến MQ-2: Còi báo động kích hoạt, LCD hiển thị trạng thái phát hiện rò rỉ khí gas.
    • Hệ thống GSM hoạt động chính xác: Tự động kích hoạt cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại người quản lý cài đặt sẵn và gửi tin nhắn SMS cảnh báo chi tiết loại sự cố (báo gas hoặc báo có trộm).
  • Kết quả phần mềm trên máy tính: Giao diện C# vận hành ổn định trên hệ điều hành Windows, cho phép đăng nhập tài khoản hợp lệ, hiển thị thông báo trạng thái nhận được từ Arduino qua mạng LAN, chuyển đổi giao diện khi xảy ra báo động và truyền phát hình ảnh trực tiếp từ Camera IP Yoosee phục vụ việc giám sát trực quan.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu đặt ra ở Chương 1: Đề tài đã chế tạo thành công mô hình phần cứng hoạt động ổn định, phát hiện nhạy bén rò rỉ khí gas và vật cản chống trộm, cảnh báo đa phương thức qua còi tại chỗ, cuộc gọi và SMS di động, đồng thời truyền dữ liệu lên giao diện giám sát máy tính qua mạng nội bộ Ethernet kết hợp theo dõi camera IP. Về hướng phát triển, tác giả đề xuất việc nâng cấp hệ thống để quản lý từ xa qua môi trường Internet diện rộng (thay vì chỉ trong mạng LAN), mở rộng thêm các kênh cảm biến nhiệt độ, độ ẩm hoặc báo khói, tối ưu hóa phần mềm quản lý và thiết kế vỏ hộp hoàn thiện để áp dụng vào các hộ gia đình hoặc cơ quan thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài bao gồm các số liệu và tính năng kỹ thuật đã được kiểm chứng thực tế:

  • Hoàn thiện mô hình phần cứng tích hợp vi điều khiển Arduino Uno R3, Ethernet Shield W5100, SIM900 Shield, cảm biến MQ-2, cảm biến hồng ngoại, còi buzzer và màn hình LCD kết nối qua I2C.
  • Hệ thống GSM thực hiện cuộc gọi khẩn cấp và truyền phát tin nhắn SMS cảnh báo thành công qua mạng viễn thông MobiFone với thời gian gửi tin nhắn đo đạc thực tế từ 3 đến 4 giây; tốc độ xử lý gửi tin của module duy trì ổn định ở mức 6 - 10 tin nhắn/phút.
  • Thiết lập thành công kênh truyền thông dữ liệu mạng có dây chuẩn Ethernet tốc độ 10/100 Mbps dựa trên chip W5100, duy trì khả năng truyền nhận gói tin trạng thái giữa Arduino và máy tính qua cổng giao tiếp mạng LAN.
  • Xây dựng phần mềm giám sát trên máy tính bằng ngôn ngữ C#, tích hợp giao diện đăng nhập xác thực và giao diện giám sát trung tâm có khả năng nhúng hình ảnh trực tiếp từ Camera IP Yoosee.
  • Module nguồn hạ áp LM2596 vận hành hiệu quả (hiệu suất lý thuyết 92%), đáp ứng dòng tiêu thụ đột biến của module SIM900, đảm bảo toàn bộ hệ thống không bị khởi động lại trong suốt quá trình phát chuông và quay số.

Đóng góp của đồ án: So với các nghiên cứu và giải pháp thương mại đắt tiền được tác giả đề cập ở phần đầu (như thiết bị hộp đen 3S, hệ thống Gsafe), đồ án đã nghiên cứu và tự chế tạo một mô hình cảnh báo an ninh kết hợp phòng chống cháy nổ đa kênh với chi phí thấp từ các linh kiện điện tử phổ biến trên thị trường; xây dựng thành công giải pháp cảnh báo kép (vừa báo động tức thời tại chỗ bằng còi và tin nhắn/cuộc gọi di động, vừa giám sát tập trung trên máy tính qua mạng LAN có hình ảnh camera IP hỗ trợ).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Hệ thống mới chỉ dừng lại ở phạm vi truyền nhận dữ liệu và giám sát trên máy tính trong mạng nội bộ (mạng LAN Ethernet thông qua router), chưa hỗ trợ cơ chế NAT port hoặc Web Server trên đám mây để truy cập quản lý ngoài Internet diện rộng khi không có mạng nội bộ.
  • Giao diện máy tính viết bằng ngôn ngữ C# ở mức cơ bản, chưa tích hợp cơ sở dữ liệu để ghi nhật ký (log) các thời điểm xảy ra sự cố rò rỉ gas hoặc đột nhập phục vụ việc trích xuất lịch sử.
  • Khoảng cách phát hiện vật cản của cảm biến hồng ngoại còn tương đối ngắn (tối đa 40 - 80 cm), dễ bị hạn chế vùng phủ sóng so với các cảm biến chuyển động hồng ngoại thụ động (PIR) chuyên dụng trong an ninh.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Nâng cấp hệ thống để kết nối và điều khiển từ xa thông qua mạng Internet toàn cầu (Internet of Things - IoT), cho phép giám sát qua các ứng dụng trên điện thoại thông minh (smartphone).
  • Mở rộng thêm các loại cảm biến an toàn khác như cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát hiện khói, cảm biến báo vỡ kính.
  • Nâng cấp cơ sở dữ liệu trên phần mềm quản lý để lưu trữ lịch sử báo động và hình ảnh chụp lại từ camera khi xảy ra sự cố đột nhập.
  • Thiết kế mạch in công nghiệp (PCB) chuyên dụng nhỏ gọn và đóng gói vỏ hộp thẩm mỹ, nâng cao khả năng chống nhiễu để có thể ứng dụng trực tiếp vào các công trình dân dụng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa hoặc Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học, khóa luận tốt nghiệp về hệ thống nhúng và IoT:

  • Phần đáng tham khảo nhất là Chương 2 và Chương 3: Cung cấp chi tiết cấu trúc lệnh AT điều khiển modem SIM900 (từ khởi tạo modem, cấu hình chế độ đọc, xóa ngăn nhớ, đến cơ chế xử lý chuỗi SMS), sơ đồ ghép nối chân giữa Arduino với các shield mở rộng (W5100, SIM900) không bị trùng lặp chân điều khiển SPI/UART, và phương pháp ghép nối màn hình LCD qua bus I2C giúp tiết kiệm chân vi điều khiển.
  • Các nhà phát triển hệ thống cảnh báo độc lập quy mô nhỏ có thể tham khảo lưu đồ thuật toán và giải pháp chống sụt áp nguồn bằng module DC-DC LM2596 khi module GSM phát sóng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 giao tiếp với Module SIM900 Shield thông qua các chân tín hiệu nào? Theo thiết kế phần cứng của đồ án, Module SIM900 Shield giao tiếp với Arduino qua cổng nối tiếp phần mềm (Software Serial), sử dụng chân số D7 làm chân nhận dữ liệu (RX), chân số D8 làm chân truyền dữ liệu (TX), và chân số D9 được sử dụng để điều khiển việc kích hoạt bật/tắt nguồn (Power key) của module SIM900.

  2. Trình tự các lệnh AT cơ bản được nhóm tác giả sử dụng để cấu hình và gửi tin nhắn SMS trên module SIM900 là gì? Nhóm tác giả sử dụng các lệnh: ATZ (khởi tạo, reset modem), ATE0 (tắt chế độ lặp lại ký tự lệnh), AT+CMGF=1 (chuyển chế độ SMS sang định dạng văn bản Text mode), AT+CNMI=2,0,0,0,0 (thiết lập lưu tin nhắn mới vào SIM mà không tự động đẩy sang vi điều khiển), AT+CSAS (lưu cấu hình SMS vào bộ nhớ), AT+CMGD=1 và AT+CMGD=2 (xóa ô nhớ tin nhắn 1 và 2 để tránh thất lạc), và lệnh AT+CMGS="số điện thoại" (sau đó gửi chuỗi nội dung tin nhắn và kết thúc bằng mã điều khiển ASCII 0x1A).

  3. Cảm biến khí gas MQ-2 xử lý tín hiệu đầu ra như thế nào trước khi đưa vào Arduino? Cảm biến MQ-2 sử dụng lớp bán dẫn $SnO_2$. Trên module có tích hợp IC khuếch đại, so áp LM358 để triệt tiêu nhiễu và so sánh điện áp từ cảm biến với ngưỡng đặt trước (bằng biến trở). Module xuất ra hai chân tín hiệu: chân $A_{out}$ cung cấp điện áp biến thiên liên tục dạng Analog (0 - 5V) tỉ lệ thuận với nồng độ khí gas; chân $D_{out}$ cung cấp mức logic Digital, trong đó mức bình thường là 1, khi nồng độ khí gas vượt ngưỡng cho phép thì ngõ ra chuyển xuống mức 0 và làm sáng đèn LED báo trên module.

  4. Chip Ethernet nào được sử dụng trong bo mạch Ethernet Shield và phương thức kết nối với Arduino Uno R3 ra sao? Đồ án sử dụng bo mạch Arduino Ethernet Shield trang bị chip điều khiển Wiznet W5100 tích hợp bộ đệm nội dung lượng 16 KB, hỗ trợ giao thức mạng TCP và UDP với tối đa 4 luồng song song. Shield giao tiếp với vi điều khiển Arduino Uno R3 thông qua chuẩn bus SPI tại các chân D11 (MOSI), D12 (MISO), D13 (SCK), và sử dụng chân số D10 làm chân chọn chip (SS) riêng cho chip W5100.

  5. Thời gian thực nghiệm gửi tin nhắn SMS của hệ thống qua mạng di động mất bao lâu? Theo số liệu thực nghiệm được nhóm tác giả ghi nhận trong văn bản, khi tiến hành kiểm thử gửi tin nhắn cảnh báo thông qua SIM của nhà mạng viễn thông MobiFone, thời gian cần thiết để gửi một tin nhắn từ module SIM900 đến máy điện thoại của người quản lý mất khoảng từ 3 đến 4 giây; năng lực gửi tin của modem đạt từ 6 đến 10 tin nhắn trong vòng 1 phút.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống giám sát và cảnh báo qua mạng" của hai tác giả Trần Anh Tuấn và Nguyễn Khánh Tiên đã nghiên cứu và hiện thực hóa thành công mô hình cảnh báo an ninh và phòng ngừa cháy nổ khí gas dựa trên nền tảng vi điều khiển Arduino Uno R3. Hệ thống tích hợp hiệu quả cảm biến rò rỉ khí gas MQ-2, cảm biến hồng ngoại, module viễn thông SIM900, bo mạch mạng Ethernet W5100 và camera IP Yoosee, cho phép phát chuông báo động tại chỗ, gọi điện thoại, gửi tin nhắn SMS khẩn cấp tới người dùng và hiển thị thông tin trực quan trên giao diện máy tính C#. Kết quả thực nghiệm minh chứng tính khả thi và độ ổn định của thiết kế phần cứng cũng như giải thuật điều khiển, tạo tiền đề tốt cho các nghiên cứu phát triển hệ sinh thái an ninh gia đình thông minh kết nối qua nền tảng Internet diện rộng trong tương lai.