I. Giới Thiệu Mạch Cảnh Báo Rò Rỉ Khí Gas Tại Sao Quan Trọng
Việc thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo khí gas là một chủ đề rất quan trọng trong lĩnh vực an ninh và an toàn, đặc biệt trong các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp và các khu dân cư có nguy cơ cháy nổ cao. Việc lựa chọn đề tài này đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các công ty và tổ chức trong việc nâng cao mức độ an toàn và giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất và sử dụng khí gas. Hệ thống cảnh báo khí gas sẽ giúp phát hiện kịp thời sự xuất hiện của khí gas trong không khí và cảnh báo cho người dùng, giúp họ có thể thực hiện các biện pháp phòng cháy, nổ để đảm bảo an toàn cho bản thân và xung quanh. Việc áp dụng công nghệ IoT vào hệ thống cảnh báo khí gas sẽ giúp cho việc giám sát và quản lý trở nên dễ dàng hơn thông qua các thiết bị di động hoặc máy tính. Hơn nữa, hệ thống này có thể tích hợp với các hệ thống khác như hệ thống báo động cháy nổ để tăng cường tính toàn vẹn và hiệu quả cho hệ thống bảo vệ tổng thể của tòa nhà hoặc xưởng sản xuất. Do đó, việc chọn đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo khí gas" là rất cần thiết và hữu ích để nâng cao mức độ an toàn cho các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp và các khu dân cư. Nhóm thực hiện đề tài xây dựng một mô hình mạch in đáp ứng yêu cầu giám sát khí gas, sử dụng cảm biến khí gas và cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11. Mô hình sẽ được tối ưu hóa để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy trong việc phát hiện khí gas độc hại. Hệ thống sẽ được lập trình để xử lý dữ liệu từ cảm biến khí gas. Nếu giá trị gas vượt ngưỡng an toàn, hệ thống sẽ kích hoạt quạt để loại bỏ khí gas độc và đồng thời gửi thông báo cảnh báo cho người dùng thông qua ứng dụng Android. Sử dụng vi điều khiển ESP8266 để kết nối hệ thống với ứng dụng Android thông qua mạng Internet. Điều này cho phép người dùng theo dõi dữ liệu cảm biến và điều khiển quạt từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại di động. Mục tiêu của nhóm là cung cấp một giải pháp an toàn và tiện ích cho việc giám sát khí gas độc hại. Bằng cách sử dụng ứng dụng Android, người dùng có thể nhận được thông báo cảnh báo ngay khi có sự vượt ngưỡng gas và có thể điều khiển quạt để xử lý tình huống nguy hiểm. Đơn giản hóa quá trình giám sát khí gas bằng cách cung cấp một giao diện trực quan và dễ sử dụng. Người dùng có thể dễ dàng xem thông tin cảm biến, nhận cảnh báo và điều khiển từ xa chỉ thông qua ứng dụng Android. Tổng thể, mục tiêu đề tài của chúng tôi là cung cấp một giải pháp tích hợp phần cứng và phần mềm để giám sát và xử lý khí gas độc hại một cách hiệu quả, đồng thời tăng cường tính an toàn và tiện ích cho người dùng.
1.1. Mục tiêu và Phạm vi của Mạch Cảnh Báo Rò Rỉ Khí Gas
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của phần cứng ESP8266-DEVKITC-32U, module cảm biến MQ2, DHT11, LCD,… Nghiên cứu và tìm hiểu về cách lập trình ứng dụng điện thoại cũng như các ngôn ngữ lập trình liên quan. Nghiên cứu các giao thức giao tiếp giữa các module với nhau.Phạm vi: Nghiên cứu dựa trên các mô hình đã có sẵn, tích hợp và ứng dụng những tính năng mới cho đề tài.
1.2. Giới Hạn Của Hệ Thống Cảnh Báo Rò Rỉ Khí Gas
Giới hạn phần cứng: Đề tài tập trung vào mô hình mạch in sử dụng cảm biến khí gas và cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11. Sẽ không đi sâu vào các loại cảm biến khí gas cụ thể khác hoặc mở rộng mạch in cho các ứng dụng phức tạp hơn. Giới hạn phần mềm: Nhóm thực hiện đề tài tập trung vào việc phát triển ứng dụng Android để cập nhật dữ liệu từ vi điều khiển ESP8266 và cung cấp giao diện người dùng trực quan. Tuy nhiên, nhóm không mở rộng nền tảng phần mềm cho các tính năng phức tạp khác ngoài việc hiển thị dữ liệu cảm biến và điều khiển quạt. Giới hạn chức năng: Hệ thống được thiết kế để giám sát và xử lý khí gas độc hại thông qua cảm biến khí gas và cảm biến nhiệt độ độ ẩm. Tập trung vào việc bật quạt để loại bỏ khí gas khi giá trị vượt ngưỡng. Tuy nhiên, không có các chức năng phức tạp khác như phân loại khí gas hoặc kích hoạt các biện pháp khác để xử lý tình huống nguy hiểm.
II. Tổng Quan Về IoT Nền Tảng Mạch Cảnh Báo Khí Gas Hiện Đại
IoT được viết tắt từ Internet of things được gọi là Internet kết nối vạn vật hiện nay đang là một xu hướng được mọi người quan tâm bởi tính ứng dụng đa dạng đã và đang tạo những bước tiến đột phá trong cách mạng khoa học kỹ thuật. Tuy nhiên khái niệm IoT thực chất đã được biết đến từ nhiều thập kỷ nhưng phải đến năm 1999 mới bắt đầu thực sự bùng nổ trong công nghiệp hóa tạo điều kiện thuận lợi giúp IoT liên tục phát triển cho đến hiện nay. Hệ thống IoT là một hệ thống kết nối liên mạng với sự kết hợp của nhiều thành phần có các chuẩn giao tiếp không dây như Wifi, Lora, Zigbee, Bluetooth,. Trong đó các thiết bị sẽ được tích hợp các bộ phận điện tử, phần mềm cũng như các loại thiết bị cảm biến giúp chúng ta có thể vừa thu thập dữ liệu vừa có thể kết nối với mạng máy tính để thực hiện việc truyền và chia sẻ dữ liệu. Cấu trúc của hệ thống IoT gồm 4 phần chính: Thiết bị (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng (Network and Cloud), dịch vụ (Services).
2.1. Cấu Trúc và Nguyên Lý Hoạt Động của Hệ Thống IoT
Các trạm kết nối ở đây đóng vai trò trung gian cho việc kết nối các vật dụng với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng hơn trong việc quản lý. Cơ sở hạ tầng mạng bao gồm các thiết bị tổng hợp, trạm kết nối và các thiết bị định tuyến,… để có thể kiểm soát được lưu lượng dữ liệu lưu thông bên cạnh đó cũng được kết nối với mạng lưới viễn thông triển khai bởi các nhà cung cấp. Điện toán đám mây sẽ bao gồm hệ thống các máy chủ, hệ thống mạng, lưu trữ ảo sẽ được kết nối. Giúp đưa ra những sản phẩm công nghệ IoT ra thị trường và tận dụng được những giá trị của việc phân tích dữ liệu hệ thống.
2.2. Ưu Điểm và Nhược Điểm của Ứng Dụng IoT
Ưu điểm: Có thể truy cập mọi lúc mọi nơi điều khiển thông qua mạng Internet một cách tiện lợi. Dữ liệu được lưu trữ trên cơ sở dữ liệu giúp tiếp kiệm thời gian và tiền bạc bên cạnh đó tăng tính linh động cho dữ liệu. IoT là giải pháp giúp mọi thứ tự động hóa các nhiệm vụ cải thiển chất lượng cuộc sống. Khuyết điểm: Với sự tiện lợi trong việc kết nối và chia sẻ thông tin trên Internet khi nhiều thiết bị được kết nối có thể xảy ra tình trạng lấy cắp thông tin. Vì cấu trúc của hệ thống luôn liên quan mật thiết nhau nên khi hệ thống xảy ra lỗi có khả năng các thiết bị kết nối sẽ bị hỏng. Hệ thống IoT không có tiêu chuẩn quốc tế cũng như sự tương thích nên gây khó khăn cho các nhà phát triển trong việc giao tiếp các thiết bị với nhau.
III. Thiết Kế Mạch Cảnh Báo Khí Gas Các Khối Chức Năng Chính
Với những yêu cầu đặt ra như trên của đề tài thì sơ đồ khối của hệ thống sẽ như sau: Khối nguồn: Cung cấp điện cho toàn mạch. Sử dụng nguồn adapter 12V-DC để cung cấp cho khối thiết bị (đèn 12v, quạt12v) và đi qua 1 mạch hạ áp xuống còn 5v để cung cấp nguồn cho (esp8266,led,cảm biến,và còi) nguồn điện cần liên tục và ổn định. Khối xử lý trung tâm: Có chức năng nhận và xử lí thông tin với các khối khác trong toàn hệ thống. Bộ điều khiển trung tâm sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến. Thông qua chương trình vi điều khiển, tín hiệu kỹ thuật số được xử lý, các tín hiệu sau đó gửi đến các cổng đầu ra tương ứng của vi điều khiển.Khối ngoại vi: Có chức năng thu thập dữ liệu từ bên ngoài và gửi đến cho khối xử lý trung tâm để xử lý,tính toán. Khối giao diện tương tác: Có chức năng truyền và nhận dữ liệu, liên kết với wifi để thực hiện việc đẩy dữ liệu nhận được lên cơ sở dữ liệu (Firebase) và đồng thời nhận các dữu liệu trên firebase để đi điều khiển các khối. Khối cảnh báo:Có chức năng nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm để đi thực hiện các cảnh báo khác nhau tùy thuộc vào dữ liệu nhận đưsợc từ khối ngoại vi. Khối xử lý và chấp hành:Có chức năng nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tầm để đi thực hiện các các tác vụ xử lý và điều khiển tùy thuộc vào dữ liệu nhận được từ khối ngoại vi hoặc khối giao diện tương tác.
3.1. Khối Xử Lý Trung Tâm Chọn Vi Điều Khiển ESP8266
Vì hệ thống cần vừa phải module điều khiển với số lượng chân khá vừa như đã liệt kê ở bảng 3.1 nên cần có một board vi điều khiển đáp ứng được về số lượng chân sử dụng và có thể đẩy dữ liệu lên cơ sở dữ liệu thông qua mạng Internet nên đã quyết định chọn esp. Vì không cần sử dụng quá nhiều chân GPIO cũng như các tính năng khác nên so sánh giữa hai module ESP8266 và ESP32 quyết định chọn module ESP8266 để thực hiện. Với phần cứng được tích hợp nhiều chức năng cơ bản và là mã nguồn mở do đó có thể giúp có thể tiếp dễ dàng lập trình cũng như tiếp cận gần hơn với hệ thống. ESP8266 là một module Wi-Fi có khả năng kết nối internet được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng IoT (Internet of Things) và các dự án nhúng. Module này được phát triển bởi Espressif Systems và có khả năng xử lý tốc độ cao, bộ nhớ nội bộ đầy đủ, các cổng giao tiếp như UART, SPI và I2C.
3.2. Khối Ngoại Vi Sử Dụng Cảm Biến MQ2 và DHT11
Theo yêu cầu cầu hệ thống ta cần 1 cảm biến để đo lượng khí trong không khí thì MQ2 là lựa chọn phù hợp.Vì MQ-2 có giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng và tích hợp vào hệ thống. Nó có thể hoạt động ở nhiều mức độ độ nhạy khác nhau, cho phép tùy chỉnh để phát hiện các loại khí cụ. Ta cũng cần 1 cảm biến để đo nhiệt độ ,độ ẩm do esp8266 chỉ có duy nhất 1 chân analog A0 đã xử dụng cho cảm biến MQ2 nên cảm biến DHT11 là sự lựa chọn hợp lý.Vì DHT11 giao tiếp với esp theo chuẩn one wire không cần chân analog như các cảm biến nhiệt độ thông thường. MQ-2 là một loại cảm biến khí, thường được sử dụng để phát hiện và đo lượng khí trong không khí. Cảm biến MQ-2 có khả năng phát hiện các khí như LPG, i-butane, propane, methane, alcohol, Hydrogen và fume.
IV. Thi Công Mạch Cảnh Báo Rò Rỉ Khí Gas Quy Trình Chi Tiết
Sau khi thiết kế mạch PCB cho hệ thống tiếp tục thực hiện việc gia công in mạch và hàn các linh kiện. Tiếp đó nhóm tiến hành kiểm tra, đo đạc nguồn cung cấp cho các linh kiện để xác định board mạch có chạy tốt hay không. Số 1: Jack kết nối với nguồn Adapter 12V. Số 2: Hàng rào cái 3 chân kết nối với cảm biến MQ2. Số 3: Hàng rào cái 3 chân kết nối với cảm biến HDT11. Số 4: Header kết nối led blue. Số 5: Header kết nối led red. Số 6: Header kết nối LED 12V. Số 7: Header kết nối quạt 12V.
4.1. Lập Trình Mạch Cảnh Báo Khí Gas Lưu Đồ Giải Thuật
Khi mới cấp nguồn chương trình sẽ tiến hành khởi tạo các port, và kết nối đến wifi và firebase theo đường dẫn và password đã khởi tạo trước đó. Sau đó tiến hành đọc nhiệt độ, độ ẩm và gửi giá trị đọc được lên firebase khi có giá trị thay đổi. Chương trình sẽ tiếp tục đọc khí gas và tiến hành lấy các giá trị từ firebase về để đi điều khiển các port theo mức cảnh báo. Quạt sẽ được bật tốc độ sẽ phụ thuộc vào lượng khí gas hiện tại và mail sẽ được gửi đi nếu lượng khí gas trông không khí lớn hơn 400ppm.
4.2. Lập Trình App Android Cho Mạch Cảnh Báo Khí Gas
Đầu tiên App sẽ tiến hành thực hiện việc kết nối với Wifi, sau đó nhận dữ liệu danh sách sinh viên đã được liệt kê sẵn và đẩy dữ liệu này lên Firebase. Sau khi App đã kết nối tới Wifi sẽ thực hiện lấy các giá trị khí gas, nhiệt độ và độ ẩm sau đó đem đi so sánh với giá trị đã cài đặt và đem đi hiện thị và cảnh báo. Đồng thời đem gửi các trạng thái cảnh báo và tiến hành thanh đổi các imageview trên app để cảnh báo cho người dùng các mức độ khác nhau. Khi quạt còi led và đèn home được bật thì imageview tương ứng cũng sẽ thay đổi và các trạng thái tương ứng của nó cũng sẽ được gửi lên cho firebase để esp có thể đọc được và đem đi xử lý.
V. Kết Quả và Đánh Giá Mạch Cảnh Báo Rò Rỉ Khí Gas
Sau quá trình thực đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo khí gas”, nhóm thực hiện đã vận dụng các kiến thức đã được học để nghiên cứu vào thực tiễn. Tuy nhiên trong quá trình thực hiện còn gặp không ít khó khăn nhưng cuối cùng nhóm đã hoàn thiện được đề tài này. Ngoài ra nhóm còn được tiếp thu các kiến thức mới khi nghiên cứu cũng như có thể cũng cố lại lượng kiến thức cũ đã được học. Đóng gói mô hình hệ thống: Ở đây nhóm sử dụng chất liệu giấy form để hoàn thiện mô hình cho hệ thống với tính chất xốp nhưng không kém phần cứng cáp dễ dàng cho việc cắt tạo hình cho mô hình.
5.1. Đánh Giá Kết Quả Thực Nghiệm Của Mạch Cảnh Báo
Kết quả phần mềm:Hình 6-2 Giao diện app cài đặt Hình 6-3 Giao diện app hiện thị Hình 6-4 Thao tác trên app
5.2. Nhận Xét và Hướng Phát Triển Mạch Cảnh Báo Khí Gas
Giải pháp khắc phục. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .
