Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công tác phòng cháy và chữa cháy (PCCC) đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc bảo vệ tính mạng con người và tài sản xã hội. Trong đời sống sinh hoạt tại các khu đô thị và nhà phố, nguy cơ xảy ra hỏa hoạn thường bắt nguồn từ hai nguyên nhân chính: sự cố quá tải điện do thói quen quên tắt các thiết bị tiêu thụ điện khi rời khỏi nhà, và tình trạng rò rỉ khí gas sinh hoạt trong quá trình đun nấu. Khi xảy ra sự cố bất ngờ, nếu không có hệ thống cảnh báo sớm và xử lý kịp thời, thiệt hại về người và vật chất là rất nghiêm trọng.

Bên cạnh đó, nhu cầu giám sát từ xa các thông số điện năng (điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ) trở nên cấp thiết đối với người sử dụng và các đơn vị quản lý nhằm kiểm soát an toàn và tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, các hệ thống giám sát và quản lý điện năng chuyên dụng trên thị trường hiện nay thường có giá thành cao, cấu trúc phức tạp và hạn chế trong việc truy cập, điều khiển từ xa thông qua các thiết bị di động phổ biến. Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Nghiên cứu, thi công hệ thống phòng cháy và báo cháy cho nhà phố" được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình tích hợp đồng thời hai tính năng: cảnh báo cháy tự động và giám sát, điều khiển thiết bị điện từ xa qua mạng viễn thông GSM và nền tảng Web.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng điều khiển, đo lường điện năng của các thiết bị điện dân dụng trong nhà phố (đèn, quạt, máy sấy tóc...) thông qua giao diện website.
  2. Thiết lập cơ chế lưu trữ và truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển và nền tảng đám mây Firebase Realtime Database, đảm bảo giao tiếp thời gian thực giữa hai khối xử lý ATmega2560 và ESP8266.
  3. Hiển thị trực quan các thông số dòng điện, điện áp, công suất từng thiết bị, công suất tổng, nhiệt độ và độ ẩm môi trường lên màn hình LCD 20x4 tại chỗ và trên giao diện Web từ xa.
  4. Xây dựng cơ chế phát hiện sự cố rò rỉ khí gas và quá tải điện khi vắng nhà để kích hoạt chuông báo động tại chỗ, đồng thời tự động gửi tin nhắn SMS và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại người dùng thông qua module SIM.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 8 nội dung cụ thể:

  • Nội dung 1: Nghiên cứu kit phát triển Arduino MEGA WiFi R3 ATmega2560 + ESP8266, module GSM SIM900A và module đo điện năng PZEM-004T.
  • Nội dung 2: Kết nối cảm biến khí gas MQ-02, chuông báo động vào Arduino Mega 2560; nghiên cứu giao tiếp module SIM900A với Arduino Mega 2560 qua cổng nối tiếp.
  • Nội dung 3: Nghiên cứu, xây dựng khối đo điện năng PZEM-004T; thiết lập giao thức giao tiếp giữa Arduino Mega 2560 và vi xử lý ESP8266.
  • Nội dung 4: Cấu hình cơ sở dữ liệu Firebase, thiết kế giao diện và lập trình web quản trị.
  • Nội dung 5: Thiết kế kết cấu mô hình hệ thống và vỏ hộp bảo vệ.
  • Nội dung 6: Thi công mạch in, lắp ráp phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
  • Nội dung 7: Viết báo cáo tổng kết đề tài tốt nghiệp.
  • Nội dung 8: Bảo vệ đồ án trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống nhúng giám sát an toàn điện, phát hiện rò rỉ khí gas và truyền thông đa phương thức phục vụ nhà phố.
  • Phạm vi không gian và phần cứng: Hệ thống được đóng gói trong một hộp điều khiển kích thước 35 x 20 x 8 cm; mô hình phục vụ không gian nhà phố tiết diện nhỏ với 1 cảm biến khí gas MQ-02, 1 cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, 4 bộ đo điện năng PZEM-004T tương ứng điều khiển tối đa 4 thiết bị điện xoay chiều 1 pha.
  • Giới hạn thông số kỹ thuật: Điện áp đo lường 80 VAC – 250 VAC (tối đa 260 VAC); dòng điện 0 – 100 A; công suất 0 – 26 kW; điện năng tiêu thụ 0 – 10000 kWh; công suất tải điều khiển dưới 1000 W cho mỗi kênh (không áp dụng cho tải động cơ công suất lớn).
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 10/03/2020 đến ngày 18/08/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được xây dựng dựa trên sự tổng hợp các cơ sở lý thuyết về kỹ thuật vi điều khiển, mạng cảm biến, truyền thông nối tiếp và công nghệ web kết nối vạn vật (IoT):

  • Lý thuyết hệ thống báo cháy và an toàn khí gas: Tổng quan về quy trình vận hành của hệ thống báo cháy tự động 24/24h; phân loại và đặc tính của các loại khí gas công nghiệp, khí gas sinh hoạt như LPG, Propane ($C_3H_8$), Butane ($C_4H_10$), Methane ($CH_4$), Hydro ($H_2$) và khí môi chất lạnh trong điều hòa, tủ lạnh ($R22, R410A, R32, R12, R134A, R404, R600$).
  • Cảm biến khí gas MQ-02: Hoạt động dựa trên bề mặt cảm biến vật liệu bán dẫn $SnO_2$ có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch. Khi tiếp xúc với khí dễ cháy hoặc khói, độ dẫn điện của cảm biến tăng tỉ lệ thuận với nồng độ khí, xuất ra đồng thời tín hiệu Analog và Digital.
  • Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 và giao tiếp 1-Wire: Hoạt động theo chuẩn truyền thông bán song công 1 dây; truyền nhận khung dữ liệu 40 bit (5 byte) gồm phần nguyên/phần thập phân của độ ẩm, phần nguyên/phần thập phân của nhiệt độ và 1 byte kiểm tra tổng (Checksum).
  • Chuẩn giao tiếp I2C và hiển thị LCD 20x4: Chuẩn giao tiếp 2 dây (SDA và SCL) chế độ Master-Slave với địa chỉ 7 bit. Ứng dụng module chuyển đổi I2C tích hợp driver HD44780 (địa chỉ mặc định 0x27) giúp tiết kiệm chân vi điều khiển khi xuất dữ liệu ra màn hình LCD 20x4.
  • Chuẩn giao tiếp UART và module đo điện năng PZEM-004T: Giao thức truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ (khung truyền 8 bit, 1 stop bit, không bit chẵn lẻ, tốc độ baud 9600 bps). Module PZEM-004T sử dụng IC chuyên dụng SDIC, đo dòng gián tiếp qua biến dòng CT và có Opto cách ly quang bảo vệ mạch điều khiển.
  • Module truyền thông GSM SIM900A và tập lệnh AT: Sử dụng mạng di động GSM để gửi/nhận tin nhắn SMS và thực hiện cuộc gọi cảnh báo thông qua các lệnh chuẩn: AT, AT+CPIN?, ATD, ATA, ATH, AT+CMGF, AT+CMGS, AT+CNMI.
  • Nền tảng vi điều khiển và phần mềm: Kit vi điều khiển tích hợp Arduino MEGA WiFi R3 (kết hợp ATmega2560 và ESP8266 qua cầu chuyển đổi CH340G), cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database, ngăn xếp phát triển web HTML, CSS và backend Node.js.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai trong đồ án gồm:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và tài liệu kỹ thuật: Phân tích cấu trúc phần cứng, sơ đồ chân và giao thức truyền thông của các module linh kiện.
  • Phương pháp thiết kế và thi công kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch in PCB, phân bổ công suất nguồn LM2596 và đấu nối phần cứng an toàn.
  • Phương pháp thực nghiệm - kiểm thử: Kiểm tra độ chính xác đo lường điện năng của module PZEM-004T, kiểm tra ngưỡng tác động của cảm biến MQ-02, kiểm tra thời gian đáp ứng của module SIM900A và độ trễ đồng bộ dữ liệu giữa ESP8266 với Firebase và giao diện Web.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc phân tầng, kết hợp giữa phần cứng thu thập - chấp hành tại chỗ và hệ thống phần mềm quản lý từ xa.

Kiến trúc phần cứng

Khối phần cứng trung tâm sử dụng Kit Arduino MEGA WiFi R3 tích hợp vi điều khiển ATmega2560 và vi xử lý Wi-Fi ESP8266. Sự phân định nhiệm vụ giữa các khối chức năng được tổ chức như sau:

  1. Khối xử lý trung tâm (ATmega2560): Chịu trách nhiệm đọc dữ liệu từ các cảm biến MQ-02, DHT11; đọc dữ liệu điện áp, dòng điện, công suất từ 4 module PZEM-004T; điều khiển xuất thông số ra màn hình LCD 20x4 qua bus I2C; điều khiển chuông còi báo động và gửi tập lệnh AT sang module SIM900A khi có sự cố; giao tiếp dữ liệu với ESP8266 qua cổng UART nội bộ.
  2. Khối truyền thông IoT (ESP8266): Kết nối mạng Wi-Fi, nhận dữ liệu trạng thái từ ATmega2560 để cập nhật lên Firebase Realtime Database, đồng thời nhận tín hiệu điều khiển bật/tắt thiết bị từ Firebase để chuyển tiếp về ATmega2560.
  3. Khối đo lường và đóng ngắt: Sử dụng 4 module PZEM-004T mắc nối tiếp với các tải tiêu thụ thông qua cuộn biến dòng CT độc lập; module Relay 4 kênh cách ly quang nhận lệnh điều khiển để đóng ngắt nguồn cấp cho 4 thiết bị điện.
  4. Khối cảnh báo và an toàn: Module SIM900A kết nối với cổng UART phần cứng của Mega2560; cảm biến gas MQ-02 kết nối chân Digital/Analog; 1 công tắc hành trình gắn tại cửa ra vào và 1 công tắc gạt tay cho phép người dùng kích hoạt chế độ "Vắng nhà".
  5. Khối nguồn: Module hạ áp xung LM2596 nhận nguồn đầu vào và hạ áp ổn định 5 VDC cung cấp cho vi điều khiển, module Sim và các mạch cảm biến ngoại vi.
Tên linh kiện / Module Vai trò chức năng Giao tiếp / Thông số kỹ thuật
Arduino MEGA 2560 Xử lý trung tâm, đọc cảm biến, điều khiển I/O Vi điều khiển 8-bit AVR, tốc độ 16 MHz, 54 chân I/O
NodeMCU ESP8266 Kết nối Wi-Fi, đồng bộ dữ liệu đám mây Chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n, giao tiếp UART với Mega2560
PZEM-004T (4 bộ) Đo điện áp, dòng điện, công suất, điện năng UART (9600 bps), áp 80–260VAC, dòng 0–100A, công suất 0–26kW
Cảm biến MQ-02 Phát hiện khí gas (LPG), Methane, Hydro, khói Cảm biến hóa học $SnO_2$, nguồn 5VDC, tín hiệu Analog/Digital
Cảm biến DHT11 Đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường Chuẩn 1-Wire, dải đo 0–50°C (±2°C), 20–90% RH (±5% RH)
Màn hình LCD 20x4 Hiển thị thông số vận hành tại chỗ Giao tiếp qua module chuyển đổi I2C (PCF8574), 4 dòng x 20 ký tự
Module SIM900A Gửi tin nhắn SMS cảnh báo và gọi điện khẩn Băng tần kép GSM/GPRS, điều khiển bằng tập lệnh AT qua UART
Module Relay 4 kênh Đóng/ngắt nguồn điện cho 4 thiết bị tiêu thụ Kích mức thấp (Active Low), cách ly quang Optocoupler
Module LM2596 Hạ áp nguồn cấp ổn định cho mạch điều khiển Mạch nguồn Buck DC-DC, dòng ngõ ra tối đa 3A

Triển khai phần mềm và hệ thống điều khiển

Chương trình điều khiển được phân chia thành hai luồng thực thi:

  • Chương trình nhúng trên ATmega2560 và ESP8266: Được lập trình trên môi trường Arduino IDE. ATmega2560 thực hiện vòng lặp quét định kỳ các kênh PZEM-004T, đọc trạng thái MQ-02 và DHT11. Khi phát hiện nồng độ gas vượt mức hoặc khi công tắc hành trình báo cửa đóng kết hợp công tắc tay bật (trạng thái chủ nhà đã rời khỏi nhà) mà tổng công suất 4 tải lớn hơn 0 W (có thiết bị quên chưa tắt), vi điều khiển sẽ kích hoạt còi báo, truyền lệnh AT qua SIM900A để gọi điện và gửi SMS cảnh báo. ESP8266 duy trì kết nối Wi-Fi, sử dụng thư viện kết nối Firebase để đồng bộ các khóa dữ liệu (Database Secrets) theo cơ chế thời gian thực.
  • Giao diện quản trị Web: Được xây dựng bằng HTML, CSS, JavaScript và backend Node.js, sử dụng phần mềm Bitvise SSH Client để quản lý môi trường máy chủ. Trang web kết nối trực tiếp đến Firebase Realtime Database để hiển thị trạng thái ON/OFF của từng thiết bị, đồ thị công suất, thông số dòng điện, điện áp, tổng công suất, nhiệt độ và độ ẩm; đồng thời cho phép người dùng click các nút điều khiển để đóng ngắt relay từ xa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày lý do chọn đề tài, phân tích tầm quan trọng của công tác phòng cháy chữa cháy trong đời sống và nhu cầu thực tế về một hệ thống giám sát an toàn điện năng chi phí thấp cho nhà phố. Tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu, liệt kê 8 nội dung thực hiện cụ thể và đặt ra các giới hạn kỹ thuật của mô hình (đo lường tối đa 4 thiết bị, công suất dưới 1000W, dải điện áp xoay chiều 80–250VAC, đóng gói trong hộp 35x20x8 cm).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung khảo sát cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thành phần phần cứng và giao thức truyền thông:

  • Khái quát về hệ thống báo cháy tự động và đặc tính vật lý, ứng dụng của các loại khí gas công nghiệp, môi chất lạnh gia dụng ($R22, R410A, R32, R134A...$).
  • Cấu tạo cảm biến MQ-02 và nguyên lý biến đổi điện trở màng bán dẫn $SnO_2$.
  • Cảm biến DHT11 và định dạng khung truyền dữ liệu 5 byte theo chuẩn 1-Wire.
  • Cấu trúc thanh ghi IR, DR, bảng mã lệnh và cờ bận (BF) của màn hình LCD 20x4 tích hợp chip HD44780, kết hợp mạch chuyển đổi giao tiếp bus I2C.
  • Nguyên lý truyền thông UART bất đồng bộ, cấu trúc khung truyền (Start, Data, Parity, Stop bit) và các chế độ Baudrate.
  • Thông số kỹ thuật, sơ đồ chân và phương pháp đo dòng gián tiếp qua biến dòng CT của module PZEM-004T.
  • Khảo sát các dòng module SIM (SIM800A mini, SIM800L, SIM900A), nguyên lý phân áp tín hiệu khi kết nối vi điều khiển và chi tiết bảng tập lệnh AT xử lý cuộc gọi, tin nhắn SMS.
  • Đặc tính của module hạ áp LM2596 và kit vi điều khiển kép Arduino MEGA WiFi R3 ATmega2560 + ESP8266 (bao gồm sơ đồ chuyển đổi DIP Switch để cấu hình chế độ nạp code và giao tiếp).

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày các bước tính toán, thiết kế sơ đồ khối toàn mạch và thiết kế sơ đồ nguyên lý chi tiết:

  • Sơ đồ khối hệ thống gồm: Khối xử lý trung tâm (ATmega2560), Khối kết nối IoT (ESP8266), Khối đo điện năng (4 module PZEM-004T), Khối cảm biến (MQ-02, DHT11), Khối chấp hành (Relay 4 kênh, chuông còi báo động), Khối hiển thị (LCD 20x4 I2C), Khối truyền thông GSM (SIM900A) và Khối nguồn.
  • Tính toán phân phối dòng điện tiêu thụ cho toàn hệ thống để lựa chọn mạch nguồn hạ áp LM2596 phù hợp.
  • Bản vẽ sơ đồ nguyên lý chi tiết kết nối giữa Arduino Mega 2560 với 4 module PZEM-004T, module relay, LCD, module SIM900A và cảm biến gas.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ thiết kế:

  • Thiết kế layout mạch in (PCB), gia công và bố trí linh kiện mặt trước, mặt sau của bo mạch.
  • Đóng gói toàn bộ bo mạch điều khiển và các module ngoại vi vào hộp bảo vệ chuyên dụng kích thước 35x20x8 cm.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình chính trên Arduino Mega 2560, lưu đồ giải thuật cho NodeMCU ESP8266, lưu đồ chương trình con đọc cảm biến PZEM và lưu đồ chương trình con gọi điện, gửi tin nhắn qua module SIM.
  • Thiết lập môi trường lập trình Arduino IDE, cấu hình Realtime Database và Database Secrets trên Firebase, triển khai máy chủ web bằng Node.js và phần mềm quản trị Bitvise SSH Client.
  • Lập trình giao diện website hiển thị nút nhấn, định dạng giao diện bằng HTML/CSS và viết mã JavaScript xử lý sự kiện lắng nghe thay đổi dữ liệu từ Firebase.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương này công bố các kết quả thực nghiệm đạt được trên mô hình thực tế:

  • Giao diện website hiển thị đầy đủ trạng thái kết nối, biểu đồ công suất, các nút điều khiển ON/OFF cho 4 thiết bị, giá trị nhiệt độ, độ ẩm và tổng công suất tiêu thụ tức thời.
  • Hoạt động thử nghiệm của khối phần cứng và module SIM: Module SIM900A gửi tin nhắn SMS cảnh báo chính xác về số điện thoại người dùng khi phát hiện rò rỉ khí gas hoặc khi có thiết bị điện vẫn hoạt động sau khi cửa đóng và công tắc tay được gạt.
  • Nhận xét và đánh giá hiệu năng: Hệ thống vận hành đúng logic thiết kế, đo đạc ổn định các thông số điện năng và môi trường; tuy nhiên tốc độ đáp ứng lệnh từ web còn phụ thuộc vào đường truyền mạng và băng thông Wi-Fi.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tác giả tóm tắt toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành, khẳng định mô hình đã đáp ứng đầy đủ các mục tiêu đề ra về phòng cháy, báo cháy và giám sát điện năng từ xa. Đồng thời, chương này đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm

  • Thi công hoàn chỉnh phần cứng: Hệ thống được đóng gói hoàn chỉnh trong hộp điều khiển kích thước 35 x 20 x 8 cm, bảo đảm tính thẩm mỹ và an toàn khi kết nối với lưới điện xoay chiều.
  • Đo lường chính xác các thông số điện năng: Thu thập ổn định điện áp (80 – 260 VAC), dòng điện (0 – 100 A), công suất tiêu thụ (0 – 26 kW) và điện năng tích lũy (0 – 9999 kWh) của 4 nhánh tải độc lập qua module PZEM-004T.
  • Cảnh báo tức thời qua mạng viễn thông GSM: Module SIM900A thực hiện cuộc gọi và gửi tin nhắn SMS khẩn cấp đến người dùng khi cảm biến MQ-02 phát hiện nồng độ gas vượt ngưỡng, hoặc khi hệ thống phát hiện còn thiết bị tiêu thụ điện hoạt động lúc chủ nhà đã rời khỏi nhà.
  • Giám sát và điều khiển qua Web: Xây dựng thành công giao diện web kết nối qua Firebase Realtime Database, cho phép cập nhật thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm từ DHT11) và điều khiển bật/tắt 4 relay với công suất tải dưới 1000 W/kênh.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Đóng góp về mặt giải pháp kỹ thuật: Đề tài đề xuất giải pháp phòng cháy chủ động bằng cách kết hợp giám sát rủi ro điện năng (phát hiện thiết bị bật quên khi vắng nhà nhằm ngăn ngừa cháy nổ từ sớm) song song với cảnh báo rò rỉ khí gas sinh hoạt, thay vì chỉ phản ứng thụ động khi đám cháy đã bùng phát.
  • Tối ưu hóa chi phí và kiến trúc nhúng: Sử dụng kit tích hợp vi điều khiển kép ATmega2560 + ESP8266 giúp phân tách rõ ràng giữa tác vụ điều khiển I/O thời gian thực và tác vụ truyền thông Internet, giảm thiểu tối đa chi phí linh kiện so với việc đầu tư các hệ thống quản lý năng lượng (BMS) công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống có độ trễ nhất định khi thực thi lệnh điều khiển từ xa qua website, do phụ thuộc lớn vào tốc độ mạng Internet, chất lượng sóng Wi-Fi/3G và thời gian truyền nối tiếp giữa vi điều khiển Mega2560 và ESP8266.
  • Khả năng điều khiển mới dừng lại ở 4 thiết bị điện với công suất thuần trở dưới 1000 W mỗi kênh, chưa thiết kế mạch chịu tải và mạch lọc chống nhiễu cho các loại tải cảm (tải động cơ công suất lớn).
  • Cảm biến khí gas MQ-02 chỉ đo lường cục bộ tại 1 vị trí cố định, việc điều chỉnh ngưỡng nhạy còn phải thực hiện thủ công thông qua biến trở phần cứng.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tối ưu hóa giải thuật truyền thông và cấu trúc dữ liệu gửi lên Firebase để giảm thiểu tối đa độ trễ phản hồi giữa Web và phần cứng.
  • Nâng cấp phần cứng công suất: Sử dụng các relay hoặc contactor công suất cao hơn, tích hợp mạch dập hồ quang để điều khiển an toàn các tải động cơ lớn trong gia đình.
  • Phát triển mạng cảm biến phân tán không dây (sử dụng chuẩn truyền thông RF, Zigbee hoặc LoRa) để mở rộng nhiều đầu báo gas, báo khói và cảm biến nhiệt độ tại các phòng, các tầng khác nhau trong nhà phố.
  • Xây dựng ứng dụng di động chuyên dụng (Mobile Application) trên nền tảng Android và iOS để nâng cao trải nghiệm người dùng so với việc truy cập giao diện trình duyệt web.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống Nhúng/IoT.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong tài liệu bao gồm:

  • Thiết kế mạch ghép nối đa giao thức truyền thông đồng thời: 1-Wire (DHT11), I2C (LCD 20x4), UART phần cứng (PZEM-004T, SIM900A) và UART nội bộ (kết nối giữa ATmega2560 và ESP8266).
  • Quy trình lập trình tập lệnh AT điều khiển module GSM SIM900A để gọi điện và nhắn tin tự động từ vi điều khiển AVR.
  • Phương pháp cấu hình cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database và xây dựng backend Node.js kết nối hệ thống nhúng với giao diện Web điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối xử lý trung tâm của hệ thống được cấu hình như thế nào và nhiệm vụ của từng vi điều khiển là gì?
Khối điều khiển trung tâm sử dụng Kit Arduino MEGA WiFi R3 tích hợp đồng thời vi điều khiển ATmega2560 và vi xử lý Wi-Fi SoC ESP8266 trên cùng một bo mạch. ATmega2560 chịu trách nhiệm thu thập tín hiệu từ cảm biến MQ-02, DHT11, giao tiếp với 4 module PZEM-004T, xuất dữ liệu ra LCD 20x4, điều khiển còi báo, gửi lệnh AT đến module SIM900A và đóng ngắt module relay. ESP8266 đảm nhận nhiệm vụ kết nối mạng Wi-Fi và đồng bộ dữ liệu hai chiều với Firebase Realtime Database.

2. Cơ chế cảnh báo phòng ngừa nguy cơ cháy nổ do quên tắt điện hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
Hệ thống sử dụng một công tắc hành trình gắn ở cửa và một công tắc gạt tay. Khi chủ nhà rời khỏi nhà, họ gạt công tắc tay và đóng cửa lại. Nếu 4 module PZEM-004T đo được tổng công suất tiêu thụ của các thiết bị trong nhà vẫn lớn hơn 0 W (chứng tỏ còn thiết bị điện chưa được tắt), Arduino Mega 2560 sẽ kích hoạt module SIM900A tự động gửi tin nhắn SMS cảnh báo và gọi điện thoại trực tiếp thông báo cho chủ nhà.

3. Module đo điện năng PZEM-004T giao tiếp với vi điều khiển bằng chuẩn gì và đo được các thông số nào?
PZEM-004T giao tiếp với vi điều khiển qua cổng nối tiếp UART (tốc độ baud mặc định 9600 bps, khung truyền 8 bit, 1 stop bit, không có bit kiểm tra parity) và sử dụng IC đo SDIC chuyên dụng kết hợp Opto cách ly an toàn. Module có khả năng đo: Điện áp xoay chiều (80 ~ 260 VAC), dòng điện (0 ~ 100 A qua cuộn biến dòng CT), công suất hoạt động (0 ~ 26000 W) và năng lượng điện tiêu thụ tích lũy (0 ~ 9999 kWh).

4. Vì sao hệ thống sử dụng module chuyển đổi I2C cho màn hình LCD 20x4?
Màn hình text LCD 20x4 sử dụng driver HD44780 thông thường cần tối thiểu 6 chân tín hiệu của vi điều khiển (RS, EN, DB4–DB7) để giao tiếp ở chế độ 4-bit. Việc tích hợp module chuyển đổi I2C (PCF8574) giúp giảm số chân kết nối xuống chỉ còn 2 dây tín hiệu (SDA và SCL), giúp tiết kiệm chân I/O trên Arduino Mega 2560 để dành tài nguyên kết nối cho 4 bộ PZEM-004T, module SIM, module Relay và các cảm biến khác.

5. Giao diện Web quản trị được xây dựng bằng công nghệ gì và trao đổi dữ liệu như thế nào?
Giao diện Web được lập trình bằng HTML, CSS và JavaScript ở phía máy khách (Client), kết hợp với backend viết bằng Node.js và phần mềm quản trị Bitvise SSH Client. Web trao đổi dữ liệu trực tiếp với Firebase Realtime Database qua cơ chế lắng nghe sự kiện (Event Listener), cho phép hiển thị tức thời các chỉ số đo lường và gửi lệnh đảo trạng thái nút bấm về Firebase để ESP8266 cập nhật cho relay.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thi công hệ thống phòng cháy và báo cháy cho nhà phố" đã nghiên cứu và chế tạo thành công một hệ thống nhúng hoàn chỉnh, kết hợp hài hòa giữa giải pháp giám sát an toàn điện năng và cảnh báo rò rỉ khí gas sinh hoạt. Bằng việc tích hợp kit điều khiển kép ATmega2560 + ESP8266, module GSM SIM900A, các cảm biến chuyên dụng và nền tảng đám mây Firebase, hệ thống thực hiện hiệu quả nhiệm vụ phát hiện sự cố từ sớm, kích hoạt báo động tại chỗ và truyền tin khẩn cấp qua SMS, cuộc gọi và giao diện Web. Đây là giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao, đáp ứng tốt yêu cầu an toàn PCCC trong các hộ gia đình đô thị với chi phí thi công hợp lý.