Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Theo số liệu thống kê được tác giả trích dẫn trong 6 tháng đầu năm 2020, trên phạm vi cả nước đã xảy ra 1.490 vụ cháy, nổ, làm 48 người thiệt mạng, 111 người bị thương và gây thiệt hại tài sản ước tính gần 336,65 tỷ đồng. Thực trạng này cho thấy công tác phòng chống cháy nổ và trang thiết bị cảnh báo an toàn tại các khu dân cư còn nhiều hạn chế. Các thiết bị phòng cháy chữa cháy truyền thống đang được sử dụng phổ biến hiện nay như đầu báo khói độc lập, đầu báo xì gas đơn lẻ hoặc bình chữa cháy xách tay chỉ mang tính cục bộ, chưa thể tự động hóa quy trình can thiệp và thiếu khả năng giám sát dữ liệu môi trường liên tục từ xa.

Trước yêu cầu cấp thiết về việc kiểm soát các chỉ số môi trường nhằm chủ động phòng ngừa nguy cơ hỏa hoạn, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống thu thập dữ liệu môi trường, hiển thị thông tin trên web và cảnh báo hỏa hoạn qua SMS" được thực hiện. Nhóm tác giả kế thừa và nâng cấp từ đồ án môn học trước đó (hệ thống cảnh báo quá nhiệt độ qua SMS) để xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh, tích hợp đa cảm biến, truyền thông không dây tầm ngắn và kết nối Internet of Things (IoT).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của đồ án là thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình hệ thống có khả năng tự động thu thập các chỉ số môi trường, cập nhật dữ liệu trực tuyến lên website, phát hiện kịp thời các sự cố rò rỉ khí gas hoặc cháy nổ để kích hoạt thiết bị xử lý tại chỗ và gửi thông báo khẩn cấp đến người dùng qua mạng di động.

Để đạt được mục tiêu trên, nhóm nghiên cứu đã xác định và hoàn thành 10 nội dung nhiệm vụ cụ thể:

  1. Lên ý tưởng thực hiện đồ án, khảo sát và tìm hiểu các linh kiện phần cứng cần sử dụng.
  2. Thiết kế và thi công khối cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, phát hiện lửa, rò rỉ khí gas và cường độ ánh sáng.
  3. Thiết kế khối giao tiếp ngoại vi, kết nối lấy và gửi cơ sở dữ liệu trực tuyến qua Internet, thiết lập truyền nhận không dây giữa trạm phụ (thu thập) và trạm trung tâm.
  4. Xây dựng các lưu đồ giải thuật điều khiển cho toàn bộ hệ thống.
  5. Lập trình phần mềm điều khiển nhúng cho các vi điều khiển và module xử lý.
  6. Thiết kế và tích hợp hoàn chỉnh hệ thống thu thập dữ liệu môi trường, hiển thị thông tin trên web và cảnh báo hỏa hoạn qua tin nhắn SMS.
  7. Lắp ráp các khối mạch điện tử và cơ cấu chấp hành vào mô hình bảo vệ.
  8. Chạy thử nghiệm, cân chỉnh sai số và tối ưu hóa hệ thống.
  9. Viết báo cáo luận văn tốt nghiệp.
  10. Báo cáo đánh giá đề tài trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng nhúng thu thập dữ liệu môi trường, mạch truyền nhận dữ liệu không dây RF, module kết nối mạng WiFi, module mạng di động GSM/GPRS và các cơ cấu chấp hành dập lửa, thông gió.
  • Phạm vi không gian: Mô hình thử nghiệm được thiết kế định hướng ứng dụng cho không gian phòng nhỏ và vừa trong hộ gia đình, bao gồm phòng bếp (kích thước $3 \times 3\text{ m}$), phòng khách ($5 \times 5\text{ m}$) và garage để xe ($5 \times 5\text{ m}$).
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được giao nhiệm vụ từ ngày 07/03/2020 và hoàn thành nghiệm thu vào ngày 04/08/2020.
  • Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống sử dụng vi điều khiển chính Arduino Nano nguồn 5VDC; truyền nhận dữ liệu không dây giữa các trạm qua sóng RF tần số 2.4GHz với cự ly tối đa 100m trong điều kiện không vật cản; động cơ bơm nước dập lửa P385 nguồn 12VDC kích thước $86 \times 46 \times 46\text{ mm}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Hệ thống được xây dựng dựa trên sự tích hợp của các nền tảng phần cứng và chuẩn truyền thông công nghiệp:

  • Cảm biến khí gas MQ-2: Sử dụng vật liệu cảm biến $\text{SnO}_2$ có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch và tăng lên khi tiếp xúc với các chất khí dễ cháy. Cảm biến hoạt động với điện áp mạch $V_c \le 24\text{V DC}$, công suất gia nhiệt $P_H \le 900\text{mW}$, dải nồng độ phát hiện từ 300 đến 10.000 ppm đối với các loại khí LPG, Methane ($\text{CH}_4$), Hydrogen ($\text{H}_2$), Propane ($\text{C}_3\text{H}_8$), cồn và khói.
  • Cảm biến lửa (Flame Sensor): Sử dụng diode hồng ngoại chuyên dụng nhạy với ngọn lửa và bức xạ nhiệt trong dải bước sóng $760\text{ nm} - 1.100\text{ nm}$, góc quét phát hiện 60 độ, cự ly nhận diện từ $20\text{ cm}$ đến $100\text{ cm}$, sử dụng IC so sánh điện áp LM393 để đưa ra ngõ ra số (Digital) hoặc ngõ ra tương tự (Analog).
  • Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22: Đo nhiệt độ trong dải từ $-40^\circ\text{C}$ đến $80^\circ\text{C}$ (sai số $< \pm 0,5^\circ\text{C}$) và độ ẩm tương đối từ $0%$ đến $100%\text{RH}$ (sai số $\pm 2%\text{RH}$), chu kỳ lấy mẫu 2 giây. Dữ liệu truyền về vi điều khiển theo định dạng khung 40 bit qua chuẩn One-Wire.
  • Quang trở (LDR): Hoạt động dựa trên hiệu ứng quang dẫn với điện áp tối đa 150VDC, công suất cực đại 100mW và thời gian đáp ứng 20ms để nhận biết sự thay đổi cường độ ánh sáng trong môi trường.
  • Vi điều khiển Arduino Nano: Trang bị vi điều khiển trung tâm ATmega328P-AU (8-bit AVR, tần số thạch anh 16MHz, bộ nhớ Flash 32KB), tích hợp chip nạp CH340, gồm 14 chân Digital I/O và 8 chân Analog.
  • Kit phát triển WiFi ESP8266 NodeMCU Lua: Tích hợp SoC ESP8266, chip chuyển đổi UART CP2102, bộ nhớ Flash 4MB, hỗ trợ giao thức mạng TCP/IP, chuẩn bảo mật WPA/WPA2, nhận dữ liệu qua cổng UART và đẩy lên nền tảng đám mây ThingSpeak.com.
  • Module GSM/GPRS SIM800L: Hoạt động với nguồn điện áp 4.2VDC (dòng điện đỉnh 1A), giao tiếp với vi điều khiển bằng chuẩn UART thông qua tập lệnh AT chuẩn (AT Commands) để thực hiện gọi điện thoại và gửi tin nhắn SMS cảnh báo.
  • Mạch truyền nhận RF NRF24L01+: Sử dụng băng tần 2.4GHz (125 kênh tần số từ 2.400MHz đến 2.525MHz), tốc độ truyền sóng từ 250kbps đến 2Mbps, tích hợp tính năng tự động gửi lại (Auto Re-Transmit), bộ đệm FIFO 32 byte và hỗ trợ 6 luồng dữ liệu (Data Pipes).
  • Mạch điều khiển động cơ L298: Cầu H đôi L298N có dải điện áp điều khiển 5–30VDC, dòng tải tối đa 2A mỗi kênh, công suất 25W, dùng để đóng/ngắt và điều khiển động cơ bơm nước P385 cùng quạt thông gió.
  • Mạch giảm áp LM2596: Mạch nguồn xung Step-down chuyển đổi điện áp vào từ 3–30VDC thành điện áp ra 1.5–30VDC điều chỉnh được, dòng đáp ứng tối đa 3A, hiệu suất đạt 92%.
Tên linh kiện / Module Thông số kỹ thuật chính Chức năng trong hệ thống
Arduino Nano ATmega328P-AU, 16MHz, 32KB Flash, 8 chân ADC, 14 chân I/O Điều khiển, đọc cảm biến và xử lý logic tại các khối
DHT22 Đo $-40^\circ\text{C} \sim 80^\circ\text{C}$, $0 \sim 100%\text{RH}$, chuẩn One-Wire 40 bit Thu thập nhiệt độ và độ ẩm không khí
MQ-2 Dải đo 300–10.000 ppm, chất nhạy $\text{SnO}_2$ Phát hiện rò rỉ khí gas (LPG, $\text{CH}_4$, $\text{H}_2$, khói)
Flame Sensor Bước sóng $760 - 1.100\text{ nm}$, góc quét $60^\circ$, cự ly $20 - 100\text{ cm}$ Phát hiện ngọn lửa và bức xạ nhiệt
NRF24L01+ Tần số 2.4GHz, cự ly 100m, giao tiếp SPI Truyền/nhận dữ liệu không dây giữa 2 khối
ESP8266 NodeMCU SoC 32-bit, WiFi 802.11 b/g/n, giao tiếp UART Đẩy dữ liệu lên cơ sở dữ liệu web ThingSpeak
SIM800L GSM/GPRS 4 băng tần, điều khiển bằng tập lệnh AT Gửi tin nhắn SMS và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp
Module L298 Cầu H đôi, dòng cực đại 2A/kênh, công suất 25W Điều khiển động cơ bơm nước P385 và quạt hút
LCD 16x2 + I2C 2 dòng $\times$ 16 ký tự, giao tiếp 2 dây (SDA/SCL, địa chỉ 0x27) Hiển thị trực quan dữ liệu môi trường tại chỗ
Module LM2596 Nguồn vào 12VDC, hạ áp ra 5VDC, dòng tối đa 3A Cung cấp nguồn 5V ổn định cho toàn mạch

Các chuẩn truyền dữ liệu được sử dụng

  1. Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface): Giao tiếp đồng bộ 4 dây (SCK, MOSI, MISO, SS/CSN) ở chế độ Master-Slave giữa Arduino Nano và module RF NRF24L01+, cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao.
  2. Chuẩn giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ qua 2 dây TX và RX. Cấu trúc khung truyền gồm 1 Start bit, 8 bit dữ liệu (D0–D7), bit kiểm tra Parity và 1 Stop bit. UART được sử dụng cho liên lạc giữa Arduino với module SIM800L và kit ESP8266.
  3. Chuẩn giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp nối tiếp 2 dây gồm SDA (Serial Data) và SCL (Serial Clock), có sử dụng điện trở kéo lên nguồn dương (Pull-up resistors). Được dùng để giao tiếp vi điều khiển với màn hình LCD 16x2 thông qua IC chuyển đổi PCF8574 nhằm tiết kiệm chân kết nối của vi điều khiển.
  4. Chuẩn giao tiếp One-Wire (DHT22): Quá trình giao tiếp bắt đầu bằng tín hiệu Start từ MCU, sau đó cảm biến gửi phản hồi gói dữ liệu 40 bit (gồm 16 bit độ ẩm + 16 bit nhiệt độ + 8 bit Checksum).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm:

  • Phân tích yêu cầu và mô hình hóa hệ thống thành các khối chức năng độc lập.
  • Tính toán và thiết kế sơ đồ nguyên lý, thiết kế mạch in PCB 2 lớp.
  • Lập trình nhúng điều khiển hệ thống trên phần mềm Arduino IDE.
  • Phương pháp thực nghiệm đo kiểm: Thử nghiệm đánh giá sai số cảm biến DHT22 bằng cách so sánh đối chứng trực tiếp với thiết bị đo chuẩn là nhiệt ẩm kế thương mại FY-11 trong cùng điều kiện môi trường; thực nghiệm tạo các tình huống cháy và rò rỉ khí gas giả lập để đánh giá thời gian đáp ứng của cơ cấu chấp hành và hệ thống cảnh báo.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phân tầng của hệ thống

Hệ thống được phân chia thành hai khối chức năng riêng biệt tương tác với nhau qua mạng không dây:

[Khối Cảm Biến: DHT22, MQ-2, Flame, Quang trở]
       [Khối Thu Thập Dữ Liệu]
       (Arduino Nano + ESP8266)
  (Giao tiếp SPI)      (Giao tiếp UART)
 [Module NRF24L01+]    [Trang Web IoT ThingSpeak]
 (Truyền sóng RF)      (Giám sát từ xa qua Internet)
 [Module NRF24L01+]
 (Nhận sóng RF)
   [Khối Xử Lý Trung Tâm] (Arduino Nano)
  1. Khối thu thập dữ liệu (Trạm đo phân tán):
    • Vi điều khiển Arduino Nano kết nối trực tiếp với cảm biến khí gas MQ-2 (chân A0), cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT22 (chân A1), cảm biến phát hiện lửa (chân số D3) và cảm biến quang trở (chân Analog).
    • Tín hiệu đo đạc được Arduino thu thập, đóng gói và truyền sang module NRF24L01+ qua chuẩn SPI để phát không dây về trạm trung tâm. Đồng thời, dữ liệu được truyền qua UART sang ESP8266 NodeMCU để tải lên nền tảng IoT ThingSpeak qua mạng WiFi.
  2. Khối xử lý trung tâm (Trạm điều khiển & Cảnh báo):
    • Vi điều khiển Arduino Nano thứ hai nhận dữ liệu môi trường từ module thu NRF24L01+ (chuẩn SPI).
    • Dữ liệu nhận được xuất ra màn hình LCD 16x2 qua giao tiếp I2C.
    • Khi phát hiện nồng độ khí gas vượt ngưỡng an toàn hoặc phát hiện có ngọn lửa: vi điều khiển kích hoạt tín hiệu điều khiển mạch cầu H L298 để khởi động máy bơm nước mini P385 (12VDC) dập lửa hoặc bật quạt thông gió làm giảm nồng độ khí gas; đồng thời kích hoạt module SIM800L truyền lệnh AT qua UART để quay số gọi điện và gửi tin nhắn văn bản cảnh báo đến số điện thoại người dùng.

Thiết kế mạch nguồn

Toàn bộ hệ thống được cấp nguồn chính từ một Adapter chuyển đổi 220VAC sang 12VDC/3A.

  • Nguồn 12VDC được cấp trực tiếp cho mạch điều khiển động cơ L298 để vận hành bơm nước và quạt.
  • Nguồn 12VDC đi qua mạch hạ áp LM2596 để chuyển đổi thành nguồn 5VDC ổn định (dòng tối đa 3A, công suất 15W), cấp cho hai board Arduino Nano, kit WiFi ESP8266 NodeMCU, module SIM800L và các khối cảm biến.

Lập trình và tích hợp ThingSpeak

Phần mềm hệ thống được lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ trên môi trường Arduino IDE. Kênh truyền dữ liệu IoT được thiết lập trên dịch vụ ThingSpeak.com gồm 5 trường dữ liệu (Fields) hiển thị theo hai dạng giao diện:

  • Dạng đồng hồ đo (Gauge): Hiển thị tức thời mức nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ gas, trạng thái lửa và cường độ ánh sáng.
  • Dạng biểu đồ diễn tiến (Chart): Vẽ đồ thị biểu diễn sự thay đổi của các thông số môi trường theo trục thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài dựa trên số liệu thực tế về các vụ cháy nổ 6 tháng đầu năm 2020 tại Việt Nam. Tác giả phân tích những hạn chế của các hệ thống cảnh báo cục bộ hiện có, từ đó xác định mục tiêu thiết kế một hệ thống giám sát môi trường tự động, có khả năng kết nối mạng không dây và IoT. Chương này cũng công bố chi tiết 10 nội dung nghiên cứu thực hiện, bảng giới hạn phạm vi đề tài về mặt không gian (phòng $3\times 3\text{ m}$ đến $5\times 5\text{ m}$), các linh kiện sử dụng và cấu trúc 6 chương của toàn bộ khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày toàn diện nguyên lý hoạt động, cấu trúc phần cứng và thông số kỹ thuật của từng linh kiện điện tử cấu thành hệ thống. Tác giả phân tích sâu về:

  • Cảm biến khí gas MQ-2 và đặc tuyến độ nhạy.
  • Cảm biến lửa bước sóng $760 - 1.100\text{ nm}$ tích hợp IC so sánh LM393.
  • Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT22 với giao thức truyền 40 bit.
  • Quang trở và hiện tượng quang dẫn.
  • Vi điều khiển ATmega328P trên board Arduino Nano.
  • Kit thu phát WiFi ESP8266 NodeMCU Lua với chip nạp CP2102.
  • Module GSM SIM800L cùng cấu trúc tập lệnh điều khiển AT (nhóm lệnh kiểm tra kết nối AT, AT+CPIN?, nhóm lệnh gọi điện ATD, ATH và nhóm lệnh nhắn tin AT+CMGF=1, AT+CMGS).
  • Mạch công suất L298 và module giảm áp xung LM2596.
  • Nguyên lý 3 chuẩn giao tiếp nối tiếp: SPI (truyền toàn phần Master-Slave), UART (khung truyền bất đồng bộ) và I2C (cơ chế truyền bit với điều kiện Start/Stop trên đường SDA/SCL).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào khâu thiết kế kỹ thuật từ sơ đồ khối tổng quát đến sơ đồ nguyên lý chi tiết:

  • Phân tích chức năng và luồng dữ liệu của từng khối chức năng trên sơ đồ khối.
  • Tính toán phối ghép ngõ vào/ngõ ra cho các cảm biến: DHT22 kết nối chân A1, MQ-2 kết nối chân A0, cảm biến lửa kết nối chân D3 của Arduino Nano.
  • Thiết kế sơ đồ phân phối điện áp của khối nguồn (Adapter 12V/3A kết hợp mạch LM2596 tạo điện áp 5VDC).
  • Lập bảng danh mục linh kiện tiêu thụ nguồn 5V, 3.3V và danh mục linh kiện cho khối xử lý trung tâm.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý giao tiếp giữa vi điều khiển với NRF24L01+, ESP8266, SIM800L, L298 và LCD 16x2.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa thiết kế từ bản vẽ sang sản phẩm phần cứng và giải thuật phần mềm:

  • Thiết kế layout và gia công mạch in PCB cho cả khối thu thập dữ liệu và khối xử lý trung tâm.
  • Lắp ráp linh kiện, hàn mạch và đóng gói hệ thống vào hộp bảo vệ hoàn chỉnh.
  • Xây dựng 5 lưu đồ giải thuật chi tiết: lưu đồ chương trình khối thu thập dữ liệu, lưu đồ truyền dữ liệu qua NRF24L01+, lưu đồ truyền dữ liệu UART sang NodeMCU, lưu đồ NodeMCU đẩy dữ liệu lên web và lưu đồ khối xử lý trung tâm.
  • Hướng dẫn cấu hình kênh dữ liệu và thiết lập các widget hiển thị (Gauge, Chart) trên trang web ThingSpeak.
  • Xây dựng tài liệu quy trình thao tác và hướng dẫn vận hành hệ thống cho người sử dụng.

Chương 5: Kết quả thực hiện, đánh giá hệ thống

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được sau khi chế tạo và thử nghiệm mô hình thực tế:

  • Kiểm tra hiển thị dữ liệu môi trường trên màn hình LCD 16x2 tại chỗ.
  • Đánh giá sai số cảm biến DHT22 thông qua bảng so sánh đối chứng với nhiệt ẩm kế FY-11.
  • Thử nghiệm chức năng phát hiện hỏa hoạn: Cảm biến lửa nhận diện ngọn lửa, kích hoạt máy bơm nước P385 dập tắt lửa thành công, đồng thời hệ thống thực hiện cuộc gọi và gửi tin nhắn cảnh báo SMS đến điện thoại di động.
  • Thử nghiệm chức năng rò rỉ khí gas: Cảm biến MQ-2 nhận diện khí gas, kích hoạt quạt thông gió hoạt động để làm giảm nồng độ khí và hiển thị cảnh báo lên màn hình.
  • Kiểm tra tính ổn định của giao diện web ThingSpeak trong việc cập nhật liên tục 5 thông số môi trường qua WiFi.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, khẳng định hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng tốt yêu cầu giám sát môi trường và cảnh báo sự cố cháy nổ. Đồng thời, tác giả chỉ ra các điểm còn hạn chế của mô hình và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm phát triển, nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đo kiểm và thực nghiệm hệ thống

Hệ thống đã được thi công hoàn chỉnh và vượt qua các bài kiểm tra thực nghiệm với các thông số cụ thể được ghi nhận trong văn bản:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        BẢNG ĐỐI CHỨNG DỮ LIỆU ĐO MÔI TRƯỜNG                       |
+------------------------------------+----------------------------------------------+
| Thiết bị đo chuẩn (Nhiệt ẩm kế FY-11)| Hệ thống thực nghiệm (Cảm biến DHT22)        |
+------------------------------------+----------------------------------------------+
| Nhiệt độ: 30,0 °C                  | Nhiệt độ: 30,2 °C  (Sai lệch: +0,2 °C)       |
| Độ ẩm:    72,0 %RH                 | Độ ẩm:    71,0 %RH (Sai lệch: -1,0 %RH)      |
+------------------------------------+----------------------------------------------+

Kết quả đo kiểm cho thấy cảm biến DHT22 hoạt động rất ổn định với sai số nhiệt độ chỉ lệch $0,2^\circ\text{C}$ và độ ẩm lệch $1,0%\text{RH}$ so với thiết bị đo chuẩn FY-11, nằm hoàn toàn trong giới hạn cho phép của nhà sản xuất ($< \pm 0,5^\circ\text{C}$ và $\pm 2%\text{RH}$).

Trong các kịch bản thử nghiệm sự cố:

  • Thực nghiệm phát hiện hỏa hoạn: Khi đưa nguồn lửa vào vùng quét của cảm biến ($20\text{ cm} - 100\text{ cm}$, góc $60^\circ$), ngõ ra số của Flame Sensor chuyển từ mức cao xuống mức thấp, Arduino kích hoạt mạch L298 cấp nguồn cho máy bơm P385 phun nước dập lửa ngay lập tức; đồng thời module SIM800L gửi tin nhắn SMS cảnh báo và thực hiện cuộc gọi đến số điện thoại đã lập trình.
  • Thực nghiệm rò rỉ khí gas: Khi nồng độ khí gas vượt ngưỡng quy định, cảm biến MQ-2 xuất tín hiệu cảnh báo, hệ thống lập tức kích hoạt quạt hút khí gas và hiển thị thông báo sự cố lên LCD.
  • Giám sát IoT trực tuyến: Module ESP8266 cập nhật ổn định dữ liệu 5 tham số môi trường lên hệ thống máy chủ ThingSpeak.com, hiển thị trực quan dạng máy đo và biểu đồ đồ thị thời gian thực.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  1. Thiết kế tích hợp hoàn chỉnh hệ thống nhúng 2 khối: Tách biệt thành công trạm thu thập dữ liệu hiện trường và trạm điều khiển trung tâm bằng liên kết vô tuyến RF 2.4GHz (NRF24L01+), giúp tăng tính linh hoạt khi triển khai trong thực tế.
  2. Đa dạng hóa phương thức cảnh báo và giám sát: Kết hợp đồng thời 3 kênh cảnh báo gồm cơ chế xử lý tại chỗ (bơm nước, quạt hút), cảnh báo từ xa qua mạng viễn thông di động (SMS/Call qua SIM800L) và giám sát trực quan liên tục trên nền tảng đám mây IoT (ThingSpeak).
  3. Cải tiến và tối ưu mạch phần cứng: Tối ưu hóa số lượng chân kết nối của vi điều khiển thông qua việc sử dụng module I2C cho LCD và cấu hình các giao tiếp nối tiếp tốc độ cao SPI, UART trên nền tảng vi điều khiển nhỏ gọn Arduino Nano.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Phạm vi không gian: Mô hình thực nghiệm mới chỉ được thiết kế và kiểm thử cho các không gian phòng có diện tích nhỏ ($3\times 3\text{ m}$ đến $5\times 5\text{ m}$).
  • Khoảng cách truyền nhận vô tuyến: Module NRF24L01+ bị suy giảm khoảng cách truyền sóng khi gặp vật cản hoặc tường bê tông trong môi trường nhà ở thực tế (khoảng cách 100m chỉ đạt được trong điều kiện không gian mở).
  • Phụ thuộc kết nối mạng: Việc tải dữ liệu lên web ThingSpeak phụ thuộc hoàn toàn vào chất lượng sóng WiFi của mạng Internet tại điểm đặt trạm thu thập.
  • Đặc tính cảm biến: Cảm biến khí gas MQ-2 cần thời gian sấy nóng sơ bộ (preheat) và có độ nhạy với nhiều loại khí khác nhau, chưa phân lập chuyên biệt tuyệt đối từng loại khí riêng biệt.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Mở rộng mạng lưới cảm biến thành mạng cảm biến không dây (WSN) đa điểm (Multi-node), hỗ trợ kiến trúc mạng hình Mesh để tăng phạm vi bao phủ cho các tòa nhà nhiều tầng.
  • Thiết kế ứng dụng di động độc lập (Mobile App trên Android/iOS) có giao diện tùy biến chuyên nghiệp thay cho việc sử dụng giao diện web mặc định của ThingSpeak.
  • Tích hợp thêm bộ lưu điện dự phòng (Pin sạc Lithium và mạch sạc UPS) để đảm bảo hệ thống vẫn hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố cắt điện do cháy nổ.
  • Phát triển thêm các cơ cấu chấp hành tự động như van điện từ để tự động khóa van bình gas khi phát hiện rò rỉ.

Giá trị tham khảo

Đối tượng sử dụng tài liệu

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Thông tin: Tài liệu là nguồn tham khảo trực tiếp cho các học phần Đồ án môn học, Thiết kế hệ thống nhúng và Khóa luận tốt nghiệp đại học.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu phát triển thiết bị IoT: Tham khảo cấu trúc phần cứng và phương thức xây dựng thiết bị cảnh báo môi trường sử dụng vi điều khiển kết hợp truyền thông không dây.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao trong khóa luận

  • Quy trình tính toán và thiết kế mạch phần cứng: Sơ đồ phối ghép chi tiết các chuẩn giao tiếp công nghiệp (SPI cho NRF24L01+, UART cho ESP8266/SIM800L, I2C cho LCD 16x2) và thiết kế mạch phân phối nguồn kết hợp IC giảm áp LM2596.
  • Tập lệnh điều khiển Module SIM800L: Phương pháp cấu hình và sử dụng tập lệnh AT chuẩn để gửi SMS và quay số cuộc gọi trong các ứng dụng báo động khẩn cấp.
  • Giải thuật truyền thông và tích hợp IoT: Lưu đồ giải thuật chi tiết về việc bắt gói tin, xử lý dữ liệu và đẩy thông tin lên máy chủ ThingSpeak.com.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những loại cảm biến nào để giám sát các chỉ số môi trường?

Hệ thống tích hợp 4 loại cảm biến chính tại khối thu thập dữ liệu:

  • Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22 (dải đo $-40^\circ\text{C} \sim 80^\circ\text{C}$ và $0 \sim 100%\text{RH}$).
  • Cảm biến khí gas MQ-2 (phát hiện LPG, Methane, Hydrogen, khói với nồng độ từ 300 đến 10.000 ppm).
  • Cảm biến phát hiện lửa Flame Sensor (nhận diện bức xạ hồng ngoại bước sóng $760 - 1.100\text{ nm}$, góc quét $60^\circ$, cự ly $20 - 100\text{ cm}$).
  • Quang trở LDR (đo cường độ ánh sáng môi trường).

2. Dữ liệu giữa khối thu thập và khối xử lý trung tâm được truyền bằng phương thức nào?

Dữ liệu giữa hai khối được truyền không dây thông qua module RF NRF24L01+ hoạt động trên dải tần 2.4GHz. Vi điều khiển Arduino Nano giao tiếp với module NRF24L01+ qua chuẩn giao tiếp SPI 4 dây (SCK, MOSI, MISO, SS/CSN), cho phép truyền nhận dữ liệu với khoảng cách tối đa 100m trong môi trường không vật cản.

3. Khi phát hiện sự cố cháy hoặc rò rỉ khí gas, hệ thống xử lý như thế nào?

Hệ thống thực hiện quy trình xử lý 2 cấp độ:

  • Xử lý cơ học tại chỗ: Vi điều khiển kích hoạt mạch cầu H L298 để cấp nguồn cho máy bơm nước P385 (12VDC) dập lửa ngay khi có tín hiệu từ Flame Sensor, hoặc bật quạt thông gió để hút khí gas ra ngoài khi MQ-2 phát hiện rò rỉ gas.
  • Cảnh báo từ xa: Vi điều khiển điều khiển module SIM800L qua tập lệnh AT để gửi tin nhắn văn bản SMS và quay số gọi điện thoại trực tiếp đến số điện thoại của người dùng; đồng thời trạng thái sự cố được hiển thị lên màn hình LCD 16x2 và đẩy lên trang web ThingSpeak.

4. Dữ liệu được đưa lên trang web ThingSpeak thông qua module nào và theo giao thức gì?

Dữ liệu được đẩy lên website thông qua module WiFi ESP8266 NodeMCU Lua (tích hợp chip nạp CP2102). ESP8266 nhận dữ liệu từ Arduino Nano qua chuẩn UART, sau đó kết nối với mạng WiFi cục bộ và sử dụng giao thức TCP/IP để gửi các gói tin cập nhật dữ liệu vào 5 trường (Fields) tương ứng trên nền tảng IoT ThingSpeak.com.

5. Độ chính xác của cảm biến đo môi trường trong đề tài được kiểm chứng ra sao?

Độ chính xác của hệ thống được kiểm chứng bằng thực nghiệm so sánh đối chứng giữa cảm biến DHT22 với thiết bị đo chuẩn là nhiệt ẩm kế thương mại FY-11 tại cùng một thời điểm. Kết quả thực nghiệm ghi nhận nhiệt độ lệch $0,2^\circ\text{C}$ (DHT22 đo $30,2^\circ\text{C}$ so với FY-11 là $30,0^\circ\text{C}$) và độ ẩm lệch $1,0%\text{RH}$ (DHT22 đo $71,0%\text{RH}$ so với FY-11 là $72,0%\text{RH}$), chứng minh hệ thống đo đạc với độ tin cậy cao.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống thu thập dữ liệu môi trường, hiển thị thông tin trên web và cảnh báo hỏa hoạn qua SMS" của sinh viên Lâm Đường Nguyên và Nguyễn Quốc Trọng Nhân đã giải quyết trọn vẹn yêu cầu thiết kế và chế tạo một hệ thống nhúng giám sát an toàn môi trường hoàn chỉnh. Đề tài tích hợp thành công các khối cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, ánh sáng, ngọn lửa với vi điều khiển Arduino Nano, mạng truyền thông vô tuyến NRF24L01+, module cảnh báo GSM SIM800L và nền tảng IoT ThingSpeak qua ESP8266. Các kết quả thử nghiệm thực tế khẳng định hệ thống hoạt động ổn định, đo đạc chính xác và có khả năng tự động kích hoạt các cơ cấu dập lửa, thông gió cũng như gửi cảnh báo khẩn cấp kịp thời, mang lại giá trị ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực nhà thông minh và phòng cháy chữa cháy dân dụng.