Tiểu luận về thiết kế bộ đo khí gas rò rỉ trong hệ thống nhúng

Tài liệu nghiên cứu Tiểu luận hệ thống nhúng thiết kế bộ đo khí gas rò rỉ, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Đặng Thành Nhân
• Người hướng dẫn: GVHD: Lê Quốc Đán
• Trường học: Trường Đại Học Sài Gòn
• Chuyên ngành: Hệ Thống Nhúng
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Đo Khí Gas Rò Rỉ
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Sài Gòn

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khí LPG
• 1.2. Đơn vị ppm
• 1.3. Giới hạn nổ trên và dưới
• 1.4. Cảm biến khí bán dẫn
• 1.5. Giao thức MQTT
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐO PHÁT HIỆN RÒ RỈ KHÍ GAS
• 2.1. Cách đọc giá trị từ cảm biến
• 2.2. Cách đọc bàn phím ma trận
• 2.3. Các chế độ WiFi của ESP32
• 2.4. Định dạng dữ liệu gửi lên Web
• 2.5. Lưu đồ cấu hình WiFi
• 2.6. Lưu đồ chính
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống đo khí gas rò rỉ nhúng

Bài báo trình bày thiết kế một bộ đo khí gas rò rỉ trong hệ thống nhúng, tập trung vào việc phát hiện và cảnh báo rò rỉ khí gas nguy hiểm như LPG, methane, propan, butane và carbon monoxide. Hệ thống sử dụng cảm biến khí gas để đo nồng độ khí trong không khí. Dữ liệu được xử lý trên vi điều khiển ESP32 hoặc STM32, sau đó được truyền lên một nền tảng đám mây thông qua giao tiếp không dây như WiFi hoặc LoRaWAN. Hệ thống có khả năng phát hiện rò rỉ khí gas với độ chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh. An toàn khí gas là yếu tố then chốt được xem xét trong quá trình thiết kế. Hệ thống được thiết kế với mục tiêu đảm bảo an toàn môi trường và sức khỏe con người. Giám sát khí gas được thực hiện liên tục và dữ liệu được lưu trữ để phân tích.

1.1. Phân tích nhu cầu và tầm quan trọng

Sự cố rò rỉ khí gas gây ra nhiều nguy hiểm, từ cháy nổ cho đến ngộ độc. An toàn khí gas là vấn đề cấp thiết trong các hộ gia đình và cơ sở sản xuất. Giám sát khí gas thường xuyên là biện pháp hữu hiệu phòng ngừa. Việc thiết kế một hệ thống tự động giám sát và cảnh báo rò rỉ khí gas là cần thiết. Bộ đo khí gas cần có độ nhạy cao, độ chính xác và thời gian đáp ứng nhanh. Ứng dụng công nghiệp và ứng dụng dân dụng đều cần thiết bị này. Hệ thống cần dễ sử dụng và có giá thành sản xuất hợp lý. Phân tích rủi ro và quản lý rủi ro là hai khía cạnh quan trọng trong thiết kế.

1.2. Công nghệ và phương pháp sử dụng

Thiết kế dựa trên hệ thống nhúng thời gian thực. Vi điều khiển như Arduino, ESP32, hoặc STM32 được sử dụng làm trung tâm điều khiển. Cảm biến khí gas bán dẫn được chọn để đo nồng độ khí. Xử lý tín hiệu từ cảm biến để loại bỏ nhiễu và tăng độ chính xác. Giao thức truyền thông như I2C, SPI, hoặc UART được dùng để kết nối các thành phần trong hệ thống. Phần mềm nhúng được viết bằng ngôn ngữ lập trình C. Thiết kế mạch điện tử nhúng cần tối ưu về kích thước và tiêu thụ điện năng. Thiết kế PCB đảm bảo tính ổn định và độ bền của hệ thống. Mô phỏng mạch điện giúp kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống trước khi sản xuất.

II. Thiết kế phần cứng và phần mềm

Phần cứng bao gồm cảm biến khí gas, vi điều khiển (ESP32 trong trường hợp này), module WiFi, màn hình LCD, bàn phím ma trận, và các thành phần điện tử khác. Thiết kế mạch điện tử nhúng được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả. Thiết kế PCB được tối ưu hóa về kích thước và chi phí. Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ lập trình C, bao gồm các chức năng đo khí gas, xử lý dữ liệu, xử lý tín hiệu, điều khiển cảnh báo và kết nối WiFi. Giao thức MQTT được sử dụng để truyền dữ liệu lên cloud computing. Phần mềm nhúng được tối ưu để hoạt động hiệu quả trên vi điều khiển có mạch điện tử công suất thấp.

2.1. Thiết kế mạch điện và PCB

Thiết kế mạch điện tử nhúng cần đáp ứng yêu cầu về độ chính xác, độ tin cậy và khả năng chống nhiễu. Cảm biến khí gas cần được kết nối đúng cách với vi điều khiển. Việc lựa chọn các linh kiện điện tử cần cân nhắc các yếu tố như độ chính xác, độ bền và giá thành. Thiết kế PCB cần được tối ưu để giảm thiểu kích thước và chi phí, đồng thời đảm bảo tính ổn định và độ bền của hệ thống. Kiểm tra và hiệu chỉnh là giai đoạn quan trọng để đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống. Sử dụng mô phỏng mạch điện để kiểm tra hoạt động trước khi sản xuất.

2.2. Phát triển phần mềm nhúng

Phần mềm nhúng được viết bằng ngôn ngữ lập trình C Thu thập dữ liệu từ cảm biến khí gas. Xử lý tín hiệu để loại bỏ nhiễu và tăng độ chính xác. Phân tích dữ liệu để phát hiện rò rỉ khí gas. Điều khiển cảnh báo thông qua âm thanh, đèn LED, hoặc kết nối internet of things (IoT). Giao tiếp không dây với module WiFi để gửi dữ liệu lên máy chủ. Thiết kế phần mềm phải đảm bảo tính thời gian thực và độ tin cậy cao. Kiểm tra và hiệu chỉnh phần mềm là giai đoạn quan trọng để đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống.

III. Kết quả và đánh giá

Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và chính xác trong việc phát hiện rò rỉ khí LPG. Độ nhạy và độ chính xác của hệ thống đáp ứng yêu cầu đề ra. Thời gian đáp ứng nhanh, đảm bảo cảnh báo kịp thời. Hệ thống dễ sử dụng và có giá thành sản xuất hợp lý. Phân tích dữ liệu thu thập được cho thấy hệ thống có hiệu quả cao trong việc giám sát khí gas. Tuy nhiên, một số điểm cần cải thiện, ví dụ như độ chính xác của ADC của ESP32.

3.1. Phân tích kết quả thử nghiệm

Các thử nghiệm được tiến hành trong môi trường có kiểm soát. Dữ liệu được thu thập và phân tích để đánh giá hiệu suất của hệ thống. Độ nhạy, độ chính xác, và thời gian đáp ứng được đo lường và so sánh với các tiêu chuẩn. Phân tích rủi ro được thực hiện để xác định các yếu tố có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống. Kết quả cho thấy hệ thống có hiệu quả cao trong việc phát hiện rò rỉ khí gas và đáp ứng yêu cầu đặt ra.

3.2. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng

Hệ thống có thể được ứng dụng rộng rãi trong các hộ gia đình, nhà hàng, khách sạn, và các cơ sở sản xuất sử dụng khí gas. Ứng dụng dân dụng giúp đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Ứng dụng công nghiệp giúp ngăn ngừa tai nạn cháy nổ và bảo vệ môi trường. Hệ thống có thể được tích hợp với các hệ thống thông minh khác như internet of things (IoT) để tạo ra một giải pháp giám sát tổng thể. Thiết kế tiết kiệm năng lượng làm giảm chi phí vận hành. Triển vọng phát triển hệ thống bao gồm việc cải thiện độ chính xác, mở rộng khả năng phát hiện nhiều loại khí khác nhau và tích hợp với các công nghệ tiên tiến hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HỆ THỐNG NHÚNG THIẾT KẾ BỘ ĐO KHÍ GAS RÒ RỈ GVHD: Lê Quốc Đán Sinh viên thực hiện: Nhóm 11: - Đặng Thành Nhân - 3119510032 - Giang Kiến Vinh - 3118510057 21/02/2023 Hệ thống nhúng 1 c Tổng quan về đề tài - Khí đốt là nguồn nhiên liệu trong hoạt động công nghiệp và đời sống của con người. - Các loại khí đốt phổ biến: CH4, butan, propane, LPG, LNG, … - Khí LPG (Liquefied petroleum gas), là khí dầu mỏ hoá lỏng, được dùng trong nấu ăn và sưởi ấm. - Ưu điểm: Dễ vận chuyển, không độc hại. - Nhược điểm: Dễ gây cháy nổ khi rò rỉ.

21/02/2023 Hệ thống nhúng 2 c Tổng quan về đề tài - Người ta thêm chất tạo mùi để dễ nhận biết khi bị rò. - Tuy nhiên sự cố có thể xảy ra khi không có người ở đó. - Rất nguy hiểm khi bắt gặp nguồn lửa, gây cháy nổ. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 3 c Ý tưởng thiết kế - Đo được nồng độ khí gây cháy trong không khí.

- Phân biệt được từng loại khí gây cháy và nồng độ của chúng. - Phát ra cảnh báo khi nồng độ quá cao bằng giọng nói. - Lưu lại nồng độ khí đo được để tiện theo dõi. - Hỗ trợ tương tác trực tiếp trên thiết bị và ngay cả ở xa.

- Thực hiện gọi điện, gửi tin nhắn vào điện thoại khi phát hiện nồng độ quá cao. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 4 c Ý tưởng thiết kế - Hỗ trợ giọng nói khi thực hiện cuộc gọi cảnh báo. - Hỗ trợ kết nối WiFi, gắn sim kết nối 4G. - Ra lệnh các thiết bị có hỗ trợ IoT như quạt, hệ thống thông gió, cửa sổ, … tự bật khi nồng độ khí vượt qua ngưỡng.

- Đánh giá tác hại của nồng độ các khí đo được đến sức khoẻ con người bằng trí tuệ nhân tạo. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 5 c Mục tiêu thiết kế - Loại khí cần đo: LPG. - Khoảng nồng độ đo được: 300ppm đến 10000ppm. - Độ phân giải: 1ppm.

- Cảnh báo qua âm thanh. - Có LCD và trang web tương tác với người dùng. - Thay đổi qua bàn phím ma trận 4x4, ngưỡng từ 300ppm đến 10000ppm. - Điện áp hoạt động: 5V.

- Hỗ trợ kết nối WiFi. - Nơi sử dụng ở gần vị trí đặt bình Gas. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 6 c Nội dung 1. Cơ sở lý thuyết: Khí LPG, đơn vị ppm, giới hạn nổ trên và dưới, cảm biến khí bán dẫn, mô hình TCP/IP, giao thức MQTT.

Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas: Đọc giá trị từ cảm biến, đọc giá trị từ bàn phím ma trận, lưu đồ cấu hình WiFi, định dạng dữ liệu đưa lên web. Kết quả thực hiện. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 7 c 1. Khí LPG - Khí LPG (Liquefied petroleum gas) còn gọi là khí dầu mỏ hoá lỏng, gồm hai thành phần: propane và butane - Ưu điểm: Dễ dàng lưu trữ, vận chuyển, ít gây ô nhiễm, không độc hại.

- Nhược điểm: Dễ cháy khi rò ra ngoài, nồng độ quá cao làm giảm nồng độ oxy trong không khí gây ngạt thở, tích tụ ở những chỗ thấp trũng, khó phát hiện. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 8 c 1.2 Đơn vị ppm - (parts per million), một phần triệu. - Chỉ tỷ lệ lượng của một chất trong tổng số lượng của hỗn hợp chứa chất đó. - Nồng độ của một khí nào đó là tỷ lệ số phân tử của loại khí đó trên tổng số phân tử khí.

21/02/2023 Hệ thống nhúng 9 c 1.3 Giới hạn nổ trên và dưới - Giới hạn nổ dưới (LEL): Nồng độ khí đó tối thiểu trong không khí để có thể gây nổ. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 10 c 1.3 Giới hạn nổ trên và dưới - Giới hạn nổ trên (UEL): Nồng độ khí đó tối đa trong không khí để có thể gây nổ. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 11 c 1.3 Giới hạn nổ trên và dưới - Propane: LEL là 2.1% (21000ppm) và UEL là 9. - Butane: LEL là 1.8% (18000ppm) và UEL là 8.

21/02/2023 Hệ thống nhúng 12 c 1.3 Giới hạn nổ trên và dưới - %LEL: Tỷ lệ nồng độ khí gây cháy với giới hạn nổ dưới của khí đó. - 10%LEL xem như nguy hiểm. - 10%LEL của propane và butane là 2100ppm và 1800ppm. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 13 c 1.4 Cảm biến khí bán dẫn 21/02/2023 Hệ thống nhúng 14 c 1.4 Mô hình TCP/IP 21/02/2023 Hệ thống nhúng 15 c 1.5 Giao thức MQTT •Mô hình Pub/Sub Là giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình • publish/subscribe.

Client • Được sử dụng- cho  Publisher Nơi các gửi thiết thôngbịđiệp IoT với băng thông thấp. • Nó dựa trên một  Subscriber - NơiBroker (tạm điệp nhận thông dịch là “Máy chủ môi giới”) • “nhẹ” Broker(khá ít xử - Máy lý)môi chủ đơngiới giản và dễ cài đặt. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 16 c 1.5 Giao thức MQTT Mô hình Pub/Sub • Client • Broker - Client: Broker:Chia Là thành điểm hai nhóm giao củalà Publisher tất cả cácvà Subscriber. kết nối đến từ Client - Nhiệm vụ: Publish các thông điệp (message) lên một/nhiều topic cụ (Publisher/Subscriber).

- thể hoặcvụ: Nhiệm subscribe một/nhiều Nhận thông điệp topic nào đótừđể (message) nhận message Publisher, từ topic xếp vào hàng này. đợi rồi chuyển đến một địa điểm cụ thể. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 17 c 1.5 Giao thức MQTT Cơ chế tổng quan 21/02/2023 Hệ thống nhúng 18 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 21/02/2023 Hệ thống nhúng 19 c 2.

Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 21/02/2023 Hệ thống nhúng 20 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.1 Cách đọc giá trị từ cảm biến +5 Rs R5 Vmq 5K1 R2 R6 1K 10K GND 21/02/2023 Hệ thống nhúng 21 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.1 Cách đọc giá trị từ cảm biến 21/02/2023 Hệ thống nhúng 22 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.1 Cách đọc giá trị từ cảm biến 21/02/2023 Hệ thống nhúng 23 c 2.

Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.1 Cách đọc giá trị từ cảm biến Tìm Rs: +5 Rs R5 Vmq 5K1 R2 R6 1K 10K GND 21/02/2023 Hệ thống nhúng 24 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.1 Cách đọc giá trị từ cảm biến Tìm 21/02/2023 Hệ thống nhúng 25 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.1 Cách đọc giá trị từ cảm biến 21/02/2023 Hệ thống nhúng 26 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.1 Cách đọc giá trị từ cảm biến Giả sử Ω ADCVal M(ppm) 512 122 1023 515 2048 2194 3000 4868 3500 6715 21/02/2023 Hệ thống nhúng 27 c 2.

Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.2 Cách đọc bàn phím ma trận - Phương phép quét cột. - Cho một trong các cột của ma trận phím xuống mức thấp và lần lượt đọc tín hiệu tại các hàng. - Khi nút không được nhấn thì tín hiệu tại hàng đó có ở cao, khi được nhấn thì ở mức thấp. - Với chỉ số hàng và cột biết được dùng để truy xuất một mảng chứa giá trị các nút nhấn do người dùng định nghĩa, từ đó ta biết nút nào được nhấn.

21/02/2023 Hệ thống nhúng 28 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.2 Cách đọc phím ma trận 21/02/2023 Hệ thống nhúng 29 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.2 Cách đọc phím ma trận 21/02/2023 Hệ thống nhúng 30 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.2 Cách đọc phím ma trận - Phương pháp chống dội phím: Dịch bit.

21/02/2023 Hệ thống nhúng 31 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.2 Cách đọc phím ma trận 21/02/2023 Hệ thống nhúng 32 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.3 Các chế độ WiFi của ESP32  Station  Access-point 21/02/2023 Hệ thống nhúng 33 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.3 Các chế độ WiFi của ESP32  Cơ chế tổng quan đẩy dữ liệu khí gas lên internet (Station)  Cơ chế tổng quan cấu hình WiFi (Access-point) CLIENT Enthernet Enthernet/ Enthernet/ 192.1 Enthernet/ Enthernet /Wireless Wireless Wireless Wireless GAS /Wireless SENSOR Enthernet/ MQTT BORKER Wireless 192.1 21/02/2023 Hệ thống nhúng 34 c 2.

Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.4 Định dạng dữ liệu gửi lên Web  Thiết bị sẽ đưa dữ liệu qua kênh gas/general, dữ liệu sẽ được truyền theo dạng JSON.  JSON (JavaScript Object Notation), là một kiểu định dạng dữ liệu tuân theo một quy luật nhất định mà hầu hết các ngôn ngữ lập trình hiện nay đều có thể đọc được. JSON là một tiêu chuẩn mở để trao đổi dữ liệu trên web. Kiểu dữ liệu này bao gồm chủ yếu là text, có thể đọc được theo dạng cặp "thuộc tính - giá trị" (Key-value).

Ví dụ: { "PPMval":1000, "PPMThresold": 1800 } 21/02/2023 Hệ thống nhúng 35 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.5 Lưu đồ cấu hình WiFi 21/02/2023 Hệ thống nhúng 36 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.5 Lưu đồ cấu hình WiFi 21/02/2023 Hệ thống nhúng 37 c 2. Thiết kế bộ đo phát hiện rò rỉ khí gas 2.6 Lưu đồ chính 21/02/2023 Hệ thống nhúng 38 c 3.

Kết quả thực hiện Sản phẩm hoàn thiện 21/02/2023 Hệ thống nhúng 39 c 3. Kết quả thực hiện Đặt ngưỡng cảnh báo 21/02/2023 Hệ thống nhúng 40 c 3. Kết quả thực hiện Tìm Ro 21/02/2023 Hệ thống nhúng 41 c 3. Kết quả thực hiện Thiết lập kết nối WiFi 21/02/2023 Hệ thống nhúng 42 c 3.

Kết quả thực hiện Kết quả tìm Rs Điện trở (Ω) Rs (Ω) Sai số (%) 4700 5289.25 21/02/2023 Hệ thống nhúng 43 c 3. Kết quả thực hiện - Từ kết quả trên, khi điện trở có giá trị trên 4700Ω hoặc dưới 330Ω kết quả tìm có sai số rất lớn, nguyên nhân do ADC của ESP32 chưa tốt. 21/02/2023 Hệ thống nhúng 44 c 3. Kết quả thực hiện Giao diện thiết lập WiFi và kết nối thành công 21/02/2023 Hệ thống nhúng 45 c 3.

Kết quả thực hiện Giao diện trang chủ 21/02/2023 Hệ thống nhúng 46 c 3. Kết quả thực hiện Giao diện trang “Biểu đồ” 21/02/2023 Hệ thống nhúng 47 c 3. Kết quả thực hiện Giao diện trang “Cài đặt” 21/02/2023 Hệ thống nhúng 48 c HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO VÀ CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS 21/02/2023 Hướng dẫn sử dụng 49 c Về tài liệu này - Tài liệu này được biên soạn nhằm cung cấp các thông tin về thiết bị này và hướng dẫn sử dụng cho người dùng. Lưu ý: • Đọc kỹ hướng dẫn sử dụng trước khi dùng.