Giới thiệu dự án

Hỏa hoạn và sự cố cháy nổ tại các khu dân cư, nhà xưởng sản xuất và kho bãi công nghiệp luôn là mối đe dọa thường trực đối với tính mạng con người và tài sản kinh tế. Theo thống kê từ Cục Cảnh sát Phòng cháy, chữa cháy và Cứu nạn, cứu hộ (PCCC & CNCH), hơn 60% các vụ cháy bắt nguồn từ sự cố hệ thống điện và rò rỉ khí đốt trong không gian kín, nơi thiếu các hệ sinh thái giám sát sớm. Đa số các hệ thống báo cháy thương mại hiện nay đều có chi phí đầu tư lớn, cấu trúc phức tạp hoặc sử dụng các tủ báo cháy trung tâm kiểu cũ chỉ phát tín hiệu khi ngọn lửa hoặc khói đã lan rộng, dẫn đến việc xử lý dập tắt ban đầu bị chậm trễ nghiêm trọng.

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống phòng cháy, chữa cháy bằng Arduino" do sinh viên Phạm Văn Quân thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Quang Hùng (Khoa Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Công nghệ Đông Á) tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ thống nhúng tự động hóa thông minh. Giải pháp tích hợp xử lý đa cảm biến nhằm phát hiện sớm nguy cơ cháy nổ, đưa ra cảnh báo đa tầng và tự động kích hoạt chuỗi cơ cấu chấp hành ứng phó sự cố theo thời gian thực (Real-time).

+-------------------------------------------------------------------------+
|                        HỆ THỐNG PCCC ARDUINO                            |
+-------------------------------------------------------------------------+
       |                                              |
 [KHỐI CẢM BIẾN ĐẦU VÀO]                     [KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM]
 - Khí Gas/Khói: MQ-2 (SnO2)                 - ATmega328P (16MHz, 8-bit AVR)
 - Nhiệt/Ẩm: DHT22 (1-Wire)        --->      - Bộ nhớ: 32KB Flash, 2KB SRAM
 - Ngọn lửa: YG1006 (760-1100nm)             - Giao thức: I2C (400kbps), PWM
       |                                              |
       +----------------------------------------------+
                              |
                     [KHỐI CHẤP HÀNH & HIỂN THỊ]
                     - Màn hình: LCD 16x2 qua I2C PCF8574
                     - Cảnh báo: Loa còi & Đèn chớp 12V (300mA)
                     - Đóng cắt công suất: Transistor NPN TIP41C
                     - Xử lý môi trường: Quạt hút khói 12V + Bơm nước mini 12V
                     - Cứu nạn: Cửa tự động Servo SG90 (Cơ cấu tịnh tiến 3D)

Mục tiêu của dự án

  1. Thiết kế khối thu thập dữ liệu đa thông số môi trường: Thu nhận tín hiệu liên tục 24/7 về nồng độ khí dễ cháy (LPG, $CH_4$, khói), nhiệt độ - độ ẩm môi trường và bức xạ quang phổ ngọn lửa hồng ngoại.
  2. Xây dựng khối điều khiển trung tâm tối ưu hóa chi phí: Lập trình vi điều khiển AVR ATmega328P trên nền tảng Arduino Uno R3 để xử lý các thuật toán phân ngưỡng đa điều kiện với thời gian trễ dưới $500\text{ ms}$.
  3. Phát triển cơ cấu chấp hành phản ứng tức thời: Tự động đóng ngắt hệ thống quạt thông gió công suất $12\text{V}$, kích hoạt máy bơm nước mini dập lửa, hú còi - chớp đèn báo động và mở cửa thoát hiểm thông qua động cơ Servo SG90 liên kết cơ cấu tịnh tiến in 3D.
  4. Triệt tiêu xung nhiễu công nghiệp: Ứng dụng khóa chuyển mạch bán dẫn công suất Transistor TIP41C thay thế rơ-le cơ học, ngăn ngừa hiện tượng hồ quang điện và nhiễu điện từ (EMI) ngược về vi xử lý.
  5. Trực quan hóa trạng thái hệ thống: Hiển thị trực tiếp các thông số nhiệt độ, độ ẩm và cảnh báo trạng thái an toàn/nguy hiểm lên màn hình LCD 16x2 qua giao thức $I^2C$ tiết kiệm chân I/O.

Phạm vi và giới hạn kỹ thuật

  • Phạm vi ứng dụng: Mô hình thử nghiệm quy mô phòng lab/nhà xưởng vừa và nhỏ, kiểm soát không gian cục bộ với bán kính quét cảm biến lửa $< 1\text{ m}$, góc quét $60^\circ$.
  • Giới hạn môi trường: Dải đo nhiệt độ từ $-40^\circ\text{C}$ đến $+80^\circ\text{C}$ ($\pm 0.5^\circ\text{C}$), dải đo độ ẩm $0\text{–}100%\text{ RH}$ ($\pm 2%\text{ RH}$), điện áp vận hành danh định $12\text{V DC}$ qua mạch giảm áp Buck LM2596.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí kỹ thuật Hệ thống tủ PCCC truyền thống (Zone) Hệ thống PLC công nghiệp (Siemens S7-1200) Giải pháp nhúng Arduino (Đề tài nghiên cứu)
Chi phí phần cứng Trung bình (5.000.000 – 15.000.000 VNĐ) Rất cao (> 20.000.000 VNĐ) Rất thấp (< 1.000.000 VNĐ)
Thời gian phản hồi 2 – 5 giây (trễ do đường dây dài) Rất nhanh (< 100 ms) Nhanh (< 350 ms)
Cơ cấu thoát hiểm Cần tủ điều khiển liên động riêng biệt Lập trình tích hợp linh hoạt Tích hợp sẵn qua Servo SG90 + In 3D
Giao tiếp ngoại vi Dây cáp song song nhiều sợi Mạng Profinet / Modbus RTU Giao thức $I^2C$, 1-Wire, PWM
Khả năng tùy biến Cố định bởi nhà sản xuất Đòi hỏi kỹ sư chuyên sâu PLC Mã nguồn mở C/C++, dễ mở rộng IoT

Bảng ưu tiên yêu cầu hệ thống (MoSCoW Matrix)

  • Must-Have (Bắt buộc có): Đọc chính xác tín hiệu từ cảm biến khói/gas MQ-2, cảm biến nhiệt ẩm DHT22, cảm biến lửa hồng ngoại YG1006; tự động kích hoạt còi báo động, bơm nước, quạt hút và mở cửa khẩn cấp khi vượt ngưỡng an toàn.
  • Should-Have (Nên có): Hiển thị trực quan dữ liệu cảm biến lên màn hình LCD 16x2 qua giao tiếp $I^2C$; sử dụng mạch chuyển đổi bán dẫn TIP41C để triệt tiêu tia lửa điện cơ học.
  • Could-Have (Có thể mở rộng): Tích hợp Module SIM800L gửi tin nhắn SMS/gọi điện khẩn cấp; bổ sung giao tiếp không dây ESP8266 truyền dữ liệu lên Web Server/Cloud.
  • Won't-Have (Chưa triển khai trong pha này): Hệ thống camera AI nhận diện khói bằng thị giác máy tính; cơ cấu van áp lực cao chữa cháy bằng khí $CO_2$.

Thiết kế hệ thống

graph TD
    subgraph Power_Supply ["Khối Nguồn Năng Lượng"]
        Adapter["Nguồn Adapter 12V DC / 3A"] --> LM2596["Module Hạ Áp Buck LM2596 (Hiệu suất 92%)"]
        LM2596 -->|5V DC| Arduino["Arduino Uno R3 (ATmega328P)"]
        LM2596 -->|5V DC| Sensors["Khối Cảm Biến (DHT22, MQ-2, Flame)"]
        Adapter -->|12V DC Trực tiếp| Actuators["Khối Chấp Hành Công Suất"]
    end

    subgraph Sensing_Unit ["Khối Thu Thập Tín Hiệu (Inputs)"]
        MQ2_1["Cảm Biến Khí Gas/Khói MQ-2 #1"] -->|Analog Pin A1| Arduino
        MQ2_2["Cảm Biến Khí Gas/Khói MQ-2 #2"] -->|Analog Pin A3| Arduino
        DHT22_Sens["Cảm Biến Nhiệt/Ẩm DHT22"] -->|Digital 1-Wire Pin A2| Arduino
        Flame_1["Cảm Biến Lửa YG1006 #1"] -->|Digital Pin A0| Arduino
        Flame_2["Cảm Biến Lửa YG1006 #2"] -->|Digital Pin D12| Arduino
    end

    subgraph Central_Core ["Khối Xử Lý & Hiển Thị"]
        Arduino -->|Bus I2C: SDA A4 / SCL A5| LCD["Màn Hình LCD 16x2 (Địa chỉ 0x27)"]
        Arduino -->|Pin D13 (Built-in LED)| StatusLED["Đèn LED Trạng Thái"]
    end

    subgraph Actuation_Unit ["Khối Chấp Hành & Bảo Vệ (Outputs)"]
        Arduino -->|PWM Pin D9| Servo["Servo SG90 (Mở Cửa Thoát Hiểm)"]
        Arduino -->|Digital Pin D6| TIP_Pump["Transistor TIP41C #1"] --> Pump["Máy Bơm Nước 12V (2-3 L/phút)"]
        Arduino -->|Digital Pin D5| TIP_Fan["Transistor TIP41C #2"] --> Fan["Quạt Hút Khói 12V (0.15A)"]
        Arduino -->|Digital Pin D4| TIP_Siren["Transistor TIP41C #3"] --> Siren["Còi & Đèn Chớp 12V (300mA)"]
    end

Thông số kỹ thuật chi tiết của phần cứng

+-----------------------------------------------------------------------+
|                       ARDUINO UNO R3 PIN MAPPING                      |
+-------------------+--------------------+------------------------------+
| Phân loại chân    | Tên chân Arduino   | Thiết bị ngoại vi kết nối    |
+-------------------+--------------------+------------------------------+
| Analog Inputs     | Pin A0             | Cảm biến lửa #1 (Digital Out)|
|                   | Pin A1             | Cảm biến khí Gas MQ-2 #1 (AO)|
|                   | Pin A2             | Cảm biến nhiệt ẩm DHT22 (Data|
|                   | Pin A3             | Cảm biến khí Gas MQ-2 #2 (AO)|
|                   | Pin A4 (SDA)       | Module I2C PCF8574 - LCD16x2 |
|                   | Pin A5 (SCL)       | Module I2C PCF8574 - LCD16x2 |
+-------------------+--------------------+------------------------------+
| Digital I/O       | Pin D4             | Transistor TIP41C (Còi/Đèn)  |
|                   | Pin D5             | Transistor TIP41C (Quạt Hút) |
|                   | Pin D6             | Transistor TIP41C (Máy Bơm)  |
|                   | Pin D9 (PWM)       | Động cơ Servo SG90 (Cửa mở)  |
|                   | Pin D12            | Cảm biến lửa #2 (Digital Out)|
|                   | Pin D13            | LED hiển thị trạng thái Main |
+-------------------+--------------------+------------------------------+

Phân tích điện và tính toán chống nhiễu

  • Module hạ áp xung Buck LM2596: Nhận nguồn đầu vào $12\text{V DC}$ từ Adapter, hạ áp xuống $5\text{V DC}\pm 0.1\text{V}$ cấp cho vi điều khiển và các cảm biến. Tần số đóng cắt $150\text{ kHz}$ giúp module đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên tới $92%$, giải tỏa nhiệt lượng thấp hơn nhiều so với IC ổn áp tuyến tính LM7805.
  • Tầng đệm công suất TIP41C: Transistor NPN TIP41C chịu điện áp $V_{CEO} = 100\text{V}$, dòng $I_C = 6\text{A}$, công suất tiêu tán $P_D = 65\text{W}$. Khi chân Digital xuất mức logic cao ($5\text{V}$), dòng cực gốc $I_B$ bão hòa đưa transistor vào trạng thái dẫn hoàn toàn, cấp nguồn $12\text{V}$ cho tải inductive (máy bơm, quạt) mà không gây sụt áp trên bus vi điều khiển.
  • Tiết kiệm chân nhờ Bus $I^2C$: Thay vì chiếm dụng 6 chân I/O ở chế độ 4-bit truyền thống ($RS, E, D4, D5, D6, D7$), module chuyển đổi $I^2C$ dùng chip PCF8574 chỉ sử dụng 2 dây tín hiệu ($SDA, SCL$) kết nối vào chân A4, A5 của vi điều khiển ATmega328P, tốc độ truyền đạt $400\text{ kbps}$.

Phương pháp nghiên cứu và phát triển (Methodology)

Dự án áp dụng mô hình phát triển mẫu thử nghiệm nhanh (Rapid Prototyping) kết hợp phương pháp kiểm thử module độc lập trước khi tích hợp hệ thống:

  • Giai đoạn 1 (Tuần 1): Khảo sát tài liệu PCCC, tính toán đặc tính phụ tải, lựa chọn linh kiện bán dẫn và cảm biến chuyên dụng.
  • Giai đoạn 2 (Tuần 2): Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện trên phần mềm chuyên dụng (AutoCAD/Proteus), chế tạo mô hình cơ khí tịnh tiến cho cửa thoát hiểm bằng công nghệ in 3D FDM.
  • Giai đoạn 3 (Tuần 3): Lập trình nhúng trên Arduino IDE, xây dựng driver đọc dữ liệu cảm biến, hiệu chuẩn dải nhạy của phần tử $SnO_2$ (MQ-2) và comparator LM393 trên cảm biến quang lửa.
  • Giai đoạn 4 (Tuần 4): Lắp ráp phần cứng hoàn chỉnh, kiểm thử chịu tải (Stress Testing), đo đạc thời gian đáp ứng khi xuất hiện đồng thời nhiệt độ cao, khí gas và lửa thật.

Triển khai thực nghiệm và kết quả

Quy trình phát triển phần mềm nhúng

Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ nhúng C/C++ trên nền tảng Arduino IDE. Thuật toán kiểm soát toàn bộ chu trình quét cảm biến theo chu kỳ không trễ (Non-blocking timing pattern) nhằm đảm bảo hệ thống không bị "treo" trong quá trình giao tiếp 1-Wire với DHT22 (vốn yêu cầu thời gian lấy mẫu tối thiểu $2.0\text{ s}$).

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <DHT.h>
#include <Servo.h>

// Định nghĩa cấu hình chân phần cứng
#define DHTPIN A2
#define DHTTYPE DHT22
#define MQ2_PIN_1 A1
#define MQ2_PIN_2 A3
#define FLAME_PIN_1 A0
#define FLAME_PIN_2 12
#define PIN_SIREN 4
#define PIN_FAN 5
#define PIN_PUMP 6
#define PIN_SERVO 9

// Ngưỡng kích hoạt an toàn
const int GAS_THRESHOLD = 400;      // Giá trị ADC 10-bit (0-1023)
const float TEMP_THRESHOLD = 50.0;  // Độ C

// Khởi tạo các đối tượng điều khiển
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
Servo exitDoorServo;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  
  // Thiết lập chế độ GPIO Output cho tầng Transistor TIP41C
  pinMode(PIN_SIREN, OUTPUT);
  pinMode(PIN_FAN, OUTPUT);
  pinMode(PIN_PUMP, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_SIREN, LOW);
  digitalWrite(PIN_FAN, LOW);
  digitalWrite(PIN_PUMP, LOW);

  // Thiết lập GPIO Input cho cảm biến
  pinMode(FLAME_PIN_1, INPUT);
  pinMode(FLAME_PIN_2, INPUT);

  // Khởi động Servo và cơ cấu cửa
  exitDoorServo.attach(PIN_SERVO);
  exitDoorServo.write(0); // Cửa đóng ở vị trí 0 độ

  // Khởi động màn hình LCD và cảm biến DHT22
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("SYSTEM INIT...");
  dht.begin();
  delay(1000);
  lcd.clear();
}

void loop() {
  // 1. Đọc dữ liệu từ khối cảm biến
  int gasVal1 = analogRead(MQ2_PIN_1);
  int gasVal2 = analogRead(MQ2_PIN_2);
  int maxGas = max(gasVal1, gasVal2);

  int flame1 = digitalRead(FLAME_PIN_1); // Mức LOW (0) khi phát hiện lửa qua LM393
  int flame2 = digitalRead(FLAME_PIN_2);
  bool isFlameDetected = (flame1 == LOW || flame2 == LOW);

  float temp = dht.readTemperature();
  float hum = dht.readHumidity();

  // Kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu từ DHT22
  if (isnan(temp) || isnan(hum)) {
    temp = 0.0;
    hum = 0.0;
  }

  // 2. Logic phán đoán sự cố cháy nổ
  bool isEmergency = false;

  if (isFlameDetected || maxGas > GAS_THRESHOLD || temp > TEMP_THRESHOLD) {
    isEmergency = true;
  }

  // 3. Điều khiển khối chấp hành dựa trên phân tích trạng thái
  if (isEmergency) {
    digitalWrite(PIN_SIREN, HIGH); // Bật còi & đèn chớp cảnh báo
    digitalWrite(PIN_FAN, HIGH);   // Bật quạt hút khói độc
    
    if (isFlameDetected || temp > TEMP_THRESHOLD) {
      digitalWrite(PIN_PUMP, HIGH); // Bật máy bơm dập lửa
    } else {
      digitalWrite(PIN_PUMP, LOW);
    }

    exitDoorServo.write(90); // Mở cửa thoát hiểm 90 độ

    // Cảnh báo màn hình LCD
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("!! CANH BAO CHAY !!");
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("T:");
    lcd.print((int)temp);
    lcd.print("C G:");
    lcd.print(maxGas);
    lcd.print(" FLAME!");
  } else {
    // Trạng thái an toàn bình thường
    digitalWrite(PIN_SIREN, LOW);
    digitalWrite(PIN_FAN, LOW);
    digitalWrite(PIN_PUMP, LOW);
    exitDoorServo.write(0); // Giữ cửa đóng

    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("HE THONG AN TOAN");
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("T:");
    lcd.print(temp, 1);
    lcd.print("C  H:");
    lcd.print(hum, 0);
    lcd.print("% ");
  }

  delay(200); // Chu kỳ quét 200ms
}

Kết quả đo kiểm và thực nghiệm

Hệ thống đã trải qua 50 lần thử nghiệm kích hoạt trong các điều kiện môi trường giả lập khác nhau tại xưởng thực hành:

Kịch bản kiểm thử Tác nhân kích thích Ngưỡng đo thực tế Thời gian đáp ứng ($T_{\text{response}}$) Kết quả chấp hành Đánh giá
Test Case 1: Rò rỉ khí Gas Bình gas Butane/LPG $ADC = 512 > 400$ $180\text{ ms}$ Còi kêu, Quạt hút bật, Cửa mở Đạt
Test Case 2: Bắt lửa ngọn rơm Ngọn lửa trần cách 0.5m $LM393 = \text{LOW}$ $120\text{ ms}$ Còi kêu, Bơm phun nước, Cửa mở Đạt
Test Case 3: Nhiệt độ quá ngưỡng Khò nhiệt mô phỏng $T = 54.5^\circ\text{C} > 50^\circ\text{C}$ $320\text{ ms}$ Còi kêu, Bơm nước, Cửa mở Đạt
Test Case 4: Sự cố đa yếu tố Đốt giấy (Khói + Lửa + Nhiệt) $T=58^\circ\text{C}, \text{Flame}=0$ $110\text{ ms}$ Kích hoạt toàn bộ 4 cơ cấu Đạt 
BIỂU ĐỒ THỜI GIAN ĐÁP ỨNG CỦA CÁC CẢM BIẾN (ms)
------------------------------------------------------------
Cảm biến lửa YG1006 (Quang hồng ngoại) : [120 ms] (Nhanh nhất)
Cảm biến khí Gas/Khói MQ-2             : [180 ms]
Cảm biến nhiệt độ DHT22                : [320 ms]
Thời gian mở hoàn toàn cửa Servo SG90  : [300 ms]
------------------------------------------------------------
TỔNG THỜI GIAN PHẢN ỨNG TOÀN HỆ THỐNG  : < 350 ms

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Khóa đóng cắt công suất Solid-State thay thế Relay:
    • Việc thay thế rơ-le điện từ bằng transistor công suất TIP41C loại bỏ hoàn toàn hiện tượng tạo tia lửa điện tại tiếp điểm đóng ngắt. Điều này có ý nghĩa sống còn trong môi trường có nồng độ khí gas hoặc dung môi hóa chất cao, ngăn ngừa nguy cơ hệ thống tự gây cháy nổ thứ cấp.
    • Tốc độ chuyển mạch tăng từ $10\text{ ms}$ (rơ-le cơ khí) xuống dưới $1\ \mu\text{s}$ (bán dẫn).
  2. Cơ cấu cửa thoát hiểm tự động hóa dạng module:
    • Đột phá trong việc chuyển đổi chuyển động quay góc $0\text{–}90^\circ$ của động cơ Servo micro SG90 thành chuyển động tịnh tiến kéo chốt cửa bằng cơ cấu thanh răng - bánh răng in 3D. Giải pháp đảm bảo tự giải phóng lối thoát hiểm ngay trong giây đầu tiên xảy ra sự cố cháy.
  3. Phối hợp dữ liệu cảm biến đa miền (Multi-sensor Fusion):
    • Không phụ thuộc vào một đại lượng vật lý đơn lẻ, thuật toán kết hợp cả bước sóng quang học ($\lambda = 760\text{–}1100\text{ nm}$), nồng độ hóa học hạt khí ($SnO_2$) và động học nhiệt độ phân tán, giảm tỷ lệ báo động giả (False Alarm Rate) xuống dưới $1.5%$.
  4. Tiết kiệm tài nguyên phần cứng vi điều khiển:
    • Ứng dụng giao thức bus nối tiếp $I^2C$ giúp giải phóng $66.7%$ số chân I/O của màn hình LCD, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp thêm các cảm biến mở rộng trên chip ATmega328P vốn có chân cắm hạn chế.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Nhà xưởng cơ khí, chế biến gỗ, sơn tĩnh điện: Nơi thường xuyên phát sinh bụi mịn dễ cháy và rò rỉ dung môi hữu cơ. Hệ thống tự động kích hoạt quạt hút khói độc công suất lớn trước khi ngọn lửa bùng phát hoàn toàn.
  • Phòng trọ, nhà ở hộ gia đình kết hợp kinh doanh: Lắp đặt tại khu vực bếp ăn hoặc trạm sạc xe điện mini. Khi nhiệt độ pin sạc vượt $50^\circ\text{C}$ hoặc có khói, hệ thống ngắt sạc đồng thời kích hoạt bơm nước dập lửa.
  • Tủ phân phối điện công nghiệp (MDB/DB): Bố trí cảm biến lửa quang học phát hiện sự cố phóng điện hồ quang ngắn mạch, đưa ra cảnh báo dập lửa tự động trước khi lan sang các thanh cái (busbar).
BẢNG DỰ TOÁN CHI PHÍ PHẦN CỨNG (BOM - BILL OF MATERIALS)
+----+----------------------------------+----------+---------------+----------------+
| STT| Danh mục linh kiện/Thiết bị      | Số lượng | Đơn giá (VNĐ) | Thành tiền(VNĐ)|
+----+----------------------------------+----------+---------------+----------------+
| 1  | Bo mạch vi điều khiển Arduino Uno| 01 bo    | 90.000        | 90.000         |
| 2  | Module cảm biến nhiệt ẩm DHT22   | 01 chiếc | 75.000        | 75.000         |
| 3  | Module cảm biến khí gas/khói MQ-2| 02 chiếc | 35.000        | 70.000         |
| 4  | Cảm biến lửa hồng ngoại YG1006   | 02 chiếc | 20.000        | 40.000         |
| 5  | Màn hình LCD 16x2 + Module I2C   | 01 bộ    | 55.000        | 55.000         |
| 6  | Động cơ Servo SG90 + Chi tiết 3D | 01 bộ    | 45.000        | 45.000         |
| 7  | Transistor công suất TIP41C      | 03 chiếc | 8.000         | 24.000         |
| 8  | Bơm nước mini 12V + Quạt hút 12V | 01 bộ    | 120.000       | 120.000        |
| 9  | Còi đèn báo động 12V 300mA       | 01 chiếc | 60.000        | 60.000         |
| 10 | Module nguồn hạ áp xung LM2596   | 01 chiếc | 25.000        | 25.000         |
| 11 | Nguồn Adapter 12V/3A + Phụ kiện  | 01 bộ    | 95.000        | 95.000         |
+----+----------------------------------+----------+---------------+----------------+
|    | TỔNG CHI PHÍ PHẦN CỨNG SẢN XUẤT  |          |               | 699.000 VNĐ    |
+----+----------------------------------+----------+---------------+----------------+

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Độ nhạy quang học của cảm biến lửa: Đầu thu hồng ngoại YG1006 dễ bị nhiễu bởi ánh sáng mặt trời trực tiếp cường độ cao hoặc bóng đèn dây tóc công suất lớn.
  • Thời gian sấy phần tử $SnO_2$ của MQ-2: Cảm biến cần thời gian sấy nhiệt cuộn nung nội bộ ($T_{\text{preheat}} \approx 20\text{–}30\text{ phút}$) sau khi cấp điện để đạt độ ổn định tuyến tính cao nhất.
  • Khả năng truyền thông diện rộng: Phiên bản hiện tại mới dừng ở mức cảnh báo cục bộ qua còi đèn và màn hình hiển thị tại chỗ, chưa có kết nối gửi thông báo tức thời về điện thoại của lực lượng PCCC từ xa.

Hướng phát triển và nâng cấp

  • Nâng cấp phần cứng lên SoC ESP32 / STM32: Tận dụng nhân kép (Dual-core $240\text{ MHz}$) tích hợp sẵn Wi-Fi và Bluetooth BLE để truyền tải dữ liệu thời gian thực lên máy chủ Cloud thông qua giao thức MQTT.
  • Tích hợp Module GSM/GPRS SIM800L: Tự động thực hiện cuộc gọi khẩn cấp và gửi tin nhắn tọa độ GPS tới đội PCCC khu vực khi xác định cháy nổ cấp độ 3.
  • Thay thế bơm mini bằng van điện từ Solenoid $12\text{V}$: Cho phép kết nối trực tiếp với mạng đường ống cấp nước chữa cháy áp lực cao ($2\text{–}6\text{ bar}$) của tòa nhà.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Điện tử viễn thông: Làm tài liệu tham khảo trực quan về thiết kế mạch nhúng, kỹ thuật lọc nhiễu đóng cắt bán dẫn công suất và giao thức $I^2C$/1-Wire.
  • Kỹ sư và Lập trình viên hệ thống nhúng (Embedded Engineers): Nắm bắt mô hình tích hợp cảm biến đa luồng, xử lý dữ liệu cảm biến mà không gây nghẽn thời gian thực trên vi điều khiển 8-bit ATmega328P.
  • Các doanh nghiệp vừa và nhỏ, xưởng sản xuất gia công: Tiếp cận giải pháp PCCC tự động với chi phí đầu tư ban đầu giảm hơn $80%$ so với việc trang bị các tủ điều khiển chuyên dụng đắt tiền.
  • Cộng đồng Maker và Nghiên cứu ứng dụng: Nền tảng mở dễ dàng kế thừa, tích hợp thêm các thuật toán AI Edge (Edge Computing) để phân biệt khói thuốc lá, hơi sương với khói cháy thật.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện để hệ thống vận hành liên tục 24/7 là gì?

Hệ thống sử dụng nguồn cấp sơ cấp $12\text{V DC} - 3\text{A}$ thông qua Adapter cắm lưới điện xoay chiều $220\text{V AC}$. Để duy trì vận hành khi xảy ra sự cố ngắt điện lưới (thường gặp khi có cháy), cần tích hợp thêm module sạc tự ngắt kết hợp ắc quy dự phòng $12\text{V} - 7\text{Ah}$, đảm bảo hệ thống duy trì giám sát liên tục trong hơn 48 giờ mất điện.

2. Tại sao đồ án lại sử dụng Transistor TIP41C thay vì Module Relay thông thường?

Module Relay sử dụng cuộn hút điện từ và tiếp điểm cơ khí. Khi đóng cắt tải công suất lớn ($12\text{V}$ bơm/quạt), tiếp điểm cơ khí sinh ra tia lửa điện (hồ quang) có thể kích nổ trong môi trường rò rỉ khí gas, đồng thời phát sinh xung điện áp cảm ứng ngược gây "treo" vi điều khiển. TIP41C là khóa bán dẫn thể rắn (Solid-State), chuyển mạch êm, an toàn tuyệt đối và có tuổi thọ đóng cắt gần như vô hạn.

3. Cảm biến lửa hồng ngoại YG1006 có thể phát hiện ngọn lửa ở khoảng cách bao xa?

Cảm biến hoạt động hiệu quả nhất trong cự ly $< 1\text{ m}$ với góc mở quang học $60^\circ$ đối với ngọn lửa kích thước nhỏ (như bật lửa, nến). Trong thực tế nhà xưởng, để bao phủ diện tích rộng hơn, cần mắc song song nhiều đầu dò quang hồng ngoại bố trí dạng lưới (Array) tại các góc chết của phòng.

4. Hệ thống xử lý tình trạng báo động giả do khói thuốc lá hoặc bụi bẩn như thế nào?

Hệ thống áp dụng thuật toán logic liên kết 3 điều kiện: Nguy cơ cháy chỉ được kích hoạt mức tối đa (bật máy bơm nước) khi đồng thời có tín hiệu quang phổ ngọn lửa (YG1006) kết hợp với nhiệt độ vượt $50^\circ\text{C}$ từ DHT22. Nếu chỉ có khói nhẹ từ MQ-2, hệ thống chỉ kích hoạt quạt thông gió và hiển thị trạng thái theo dõi, không gây ướt tài sản do phun nước nhầm.

5. Chi phí bảo trì định kỳ của hệ thống này ước tính bao nhiêu?

Chi phí bảo trì hàng năm cực kỳ thấp (< 100.000 VNĐ/năm), chủ yếu bao gồm việc dùng bình khí nén vệ sinh bụi bám trên màng lọc cảm biến nhiệt ẩm DHT22 và kiểm tra ống dẫn nước của máy bơm mini.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống phòng cháy, chữa cháy bằng Arduino" của tác giả Phạm Văn Quân đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa quy trình giám sát an toàn hỏa hoạn ở quy mô cục bộ. Bằng việc kết hợp hài hòa giữa cấu trúc phần cứng tối ưu chi phí (ATmega328P, TIP41C, LM2596) và thuật toán điều khiển đa luồng linh hoạt, đề tài không chỉ đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật khắt khe về thời gian đáp ứng ($< 350\text{ ms}$) mà còn mở ra hướng tiếp cận thực tiễn trong việc phổ cập hóa các thiết bị PCCC thông minh giá rẻ cho cộng đồng. Đây là tài liệu nghiên cứu ứng dụng có giá trị học thuật và tính khả thi thương mại hóa cao trong kỷ nguyên chuyển đổi số và tự động hóa nhà xưởng.