Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong điều kiện phát triển kinh tế và tốc độ đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam, hệ thống cơ sở hạ tầng bao gồm các tòa nhà cao tầng, trung tâm thương mại, khu chung cư và trụ sở văn phòng xuất hiện với mật độ ngày càng dày đặc. Những công trình này có quy mô kiến trúc rộng lớn, tập trung đông người và chứa nhiều tài sản giá trị, do đó luôn tiềm ẩn nguy cơ cao về hỏa hoạn và rò rỉ khí độc. Hậu quả của các vụ cháy nổ thường gây thiệt hại nghiêm trọng về tính mạng con người cũng như tài sản vật chất. Mặc dù công tác thông tin, tuyên truyền và chỉ đạo phòng cháy chữa cháy đã được triển khai sâu rộng, các sự cố hỏa hoạn trong thực tế vẫn diễn biến phức tạp. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc trang bị các hệ thống phát hiện sớm và cảnh báo tự động, có khả năng vận hành ổn định, chính xác nhằm hỗ trợ công tác ứng phó và di tản kịp thời.
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống báo cháy sử dụng công nghệ IoT" được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình giám sát môi trường, phát hiện dấu hiệu cháy nổ và cảnh báo đa kênh.
Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu môi trường (nồng độ khí gas, nhiệt độ, độ ẩm và sự xuất hiện của ngọn lửa), hiển thị thông số tại chỗ và trực tuyến qua mạng Internet, đồng thời kích hoạt các thiết bị cảnh báo (còi, chuông) và thiết bị xử lý sự cố (máy bơm nước, quạt hút khói). Khi phát hiện dấu hiệu nguy hiểm hoặc khi nút cảnh báo khẩn cấp được kích hoạt, hệ thống sẽ phát tín hiệu báo động tại chỗ, gửi cảnh báo qua tin nhắn SMS và cập nhật dữ liệu lên máy chủ web.
Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong đề tài bao gồm 8 nội dung:
- Kết nối vi điều khiển Arduino Mega 2560 với các module cảm biến: cảm biến khí gas MQ2, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11, cảm biến lửa.
- Kết nối module NodeMCU ESP8266 với mạng Internet để cập nhật dữ liệu phục vụ mục đích hiển thị và giám sát từ xa.
- Nghiên cứu và xây dựng Web Server phục vụ việc quản lý, giám sát và điều khiển hệ thống.
- Thiết kế mô hình phần cứng và không gian bố trí hệ thống.
- Nghiên cứu giải pháp lập trình để hiển thị các thông số đo đạc lên màn hình LCD 16x2.
- Thi công phần cứng, tiến hành chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh các thông số hoạt động của hệ thống.
- Viết tài liệu báo cáo thực hiện đồ án tốt nghiệp.
- Hoàn thiện báo cáo và bảo vệ luận văn tốt nghiệp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống giám sát cảnh báo cháy tích hợp vi điều khiển, các cảm biến môi trường (khí gas, nhiệt độ, độ ẩm, tia lửa), cơ cấu chấp hành (relay, máy bơm, quạt hút, chuông báo) và các module truyền thông không dây (Wi-Fi, GSM).
- Phạm vi không gian: Mô hình phòng giám sát thử nghiệm, bố trí các cảm biến và mạch điều khiển trong hộp bảo vệ chuyên dụng.
- Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 09/03/2020 và hoàn thành nghiệm thu vào ngày 11/08/2020 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết về mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things - IoT), kỹ thuật vi điều khiển nhúng, công nghệ cảm biến và các phương thức truyền thông nối tiếp.
Về mặt lý thuyết IoT, hệ thống áp dụng nguyên lý kết nối các thực thể vật lý với mạng Internet thông qua các định danh và giao thức mạng, cho phép thu thập, truyền tải và xử lý dữ liệu từ môi trường mà không cần sự can thiệp trực tiếp liên tục của con người. Về mặt vật lý học và hóa học của sự cháy, đề tài tiếp cận khái niệm tam giác cháy (nhiệt độ, oxy, chất cháy) và các dấu hiệu nhận biết cháy:
- Bức xạ hồng ngoại từ ngọn lửa: Mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0 Kelvin đều phát ra bức xạ hồng ngoại; ngọn lửa thông thường phát xạ bước sóng đặc trưng trong khoảng từ 760 nm đến 1100 nm.
- Nồng độ khí cháy và vật liệu cảm biến oxit bán dẫn: Cảm biến khí gas sử dụng vật liệu thiếc đioxit ($SnO_2$) có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch; khi tiếp xúc với các khí dễ cháy như LPG, Propane, Hydrogen, Methane, Butane hay khói, độ dẫn điện của cảm biến tăng tỉ lệ thuận với nồng độ khí.
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp thiết kế và thi công phần cứng: Tính toán mạch điện tử phân cực cho linh kiện bán dẫn (Transistor 2SC1815, Diode bảo vệ cuộn cảm relay), thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in PCB và lắp ráp các khối chức năng.
- Phương pháp ghép nối và truyền thông vi điều khiển: Thiết lập giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ UART giữa Arduino Mega 2560, NodeMCU ESP8266 và module GSM SIM900A; thiết lập giao tiếp 1-wire đơn tuyến đọc tín hiệu thời gian thực từ cảm biến DHT11; cấu hình giao tiếp 4-bit với chip điều khiển HD44780 của màn hình LCD 16x2.
- Phương pháp lập trình hệ thống: Xây dựng thuật toán điều khiển nhúng trên môi trường Arduino IDE theo hai chế độ Tự động (Auto) và Thủ công (Manual); phát triển giao diện Web Server trên nền tảng 000webhost và Adobe Dreamweaver.
- Phương pháp thực nghiệm kiểm thử: Đo đạc điện áp, dòng điện thực tế của các khối nguồn và tải; thử nghiệm kích hoạt cảm biến bằng nguồn nhiệt, khí gas và ngọn lửa thực tế để đánh giá thời gian đáp ứng và độ chính xác của hệ thống cảnh báo.
Nguồn dữ liệu:
Dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật chuẩn từ datasheet của nhà sản xuất linh kiện (Atmega2560, DHT11, MQ2, SIM900A, ESP8266, Relay 5V, 2SC1815) và số liệu thu thập thực nghiệm từ mô hình phần cứng trong quá trình đo kiểm nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas và trạng thái ngọn lửa.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 8 khối chức năng liên kết chặt chẽ với nhau:
| STT |
Tên khối chức năng |
Thành phần phần cứng / Nền tảng |
Chức năng kỹ thuật trong hệ thống |
| 1 |
Khối nguồn |
Mạch hạ áp, LED báo nguồn |
Cung cấp điện áp ổn định (5V, 3.3V) và dòng điện cho toàn bộ hệ thống |
| 2 |
Khối điều khiển trung tâm |
Board Arduino Mega 2560 (ATmega2560) |
Thu thập tín hiệu cảm biến, xử lý thuật toán, điều khiển khối công suất và giao tiếp dữ liệu |
| 3 |
Khối cảm biến |
Cảm biến lửa, MQ2, DHT11 |
Đo nhiệt độ (0–50°C), độ ẩm (20–80%RH), nồng độ khí gas và bắt tia hồng ngoại ngọn lửa (760–1100 nm) |
| 4 |
Khối ngõ ra công suất |
Relay 5VDC, Transistor 2SC1815, Diode |
Đóng ngắt cách ly điều khiển quạt hút khí độc, máy bơm nước dập lửa và chuông báo |
| 5 |
Khối hiển thị |
Màn hình LCD 16x2, biến trở 10kΩ |
Hiển thị trực tiếp tại chỗ các thông số nhiệt độ, độ ẩm, khí gas và trạng thái cảnh báo |
| 6 |
Khối giao tiếp Wi-Fi |
Module NodeMCU ESP8266 (IEEE 802.11 b/g/n) |
Kết nối mạng không dây 2.4 GHz, chuyển tiếp dữ liệu giữa Arduino Mega và máy chủ web |
| 7 |
Khối Web Server |
Nền tảng 000webhost, Adobe Dreamweaver |
Lưu trữ, trực quan hóa dữ liệu môi trường và cung cấp giao diện điều khiển từ xa |
| 8 |
Khối truyền tin GSM |
Module SIM900A Mini |
Gửi tin nhắn SMS cảnh báo khẩn cấp đến số điện thoại người quản lý khi xảy ra sự cố |
Tính toán mạch điều khiển khối công suất (Relay)
Do chân ngõ ra của vi điều khiển Arduino chỉ cung cấp dòng điện tối đa khoảng 25–40 mA, không đủ mức 80 mA cần thiết để kích cuộn hút của Relay 5V (điện trở cuộn dây $R_{relay} = 55,\Omega$), mạch điều khiển sử dụng transistor NPN 2SC1815 hoạt động ở chế độ bão hòa:
- Dòng kích cuộn dây relay:
$$I_C = I_{relay} = \frac{V_{CC}}{R_{relay}} = \frac{5,\text{V}}{55,\Omega} \approx 87{,}3,\text{mA}$$
- Transistor 2SC1815 có dòng cực đại $I_{C\max} = 150,\text{mA}$, chọn hệ số khuếch đại dòng $\beta = 200$. Dòng điện cực gốc $I_B$ cần thiết:
$$I_B = \frac{I_C}{\beta} = \frac{87{,}3,\text{mA}}{200} \approx 0{,}44,\text{mA}$$
- Điện trở hạn dòng cực gốc ($R_B$) được tính toán với $V_{BE} = 0{,}7,\text{V}$:
$$R_B = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{I_B} = \frac{5,\text{V} - 0{,}7,\text{V}}{0{,}44,\text{mA}} \approx 9{,}77,\text{k}\Omega$$
- Trong thiết kế thực tế, nhóm tác giả lựa chọn điện trở chuẩn $R_B = 10,\text{k}\Omega$. Một diode bảo vệ được mắc song song ngược cực với cuộn dây relay nhằm triệt tiêu suất điện động tự cảm khi transistor ngắt dòng đột ngột.
Giao thức truyền thông và lưu đồ thuật toán
- Giao thức DHT11: Vi điều khiển kéo chân dữ liệu xuống mức thấp trong 25 ms (lớn hơn ngưỡng 18 ms) để phát tín hiệu Start, sau đó chờ cảm biến phản hồi. Dữ liệu nhận về gồm 40 bit (5 byte): Byte 1 (phần nguyên độ ẩm), Byte 2 (phần thập phân độ ẩm), Byte 3 (phần nguyên nhiệt độ), Byte 4 (phần thập phân nhiệt độ) và Byte 5 (Checksum). Dữ liệu chỉ hợp lệ khi:
$$\text{Byte 5} = (\text{Byte 1} + \text{Byte 2} + \text{Byte 3} + \text{Byte 4}) \pmod{256}$$
- Giao thức UART: Truyền nhận dữ liệu bất đồng bộ giữa vi điều khiển và ESP8266/SIM900A thông qua khung truyền gồm 1 Start bit (mức thấp), 8 bit dữ liệu (truyền bit LSB trước), bit kiểm tra Parity và Stop bit (mức cao).
- Lưu đồ vận hành: Hệ thống hỗ trợ 2 chế độ:
- Chế độ Auto (Tự động): Vi điều khiển liên tục đọc dữ liệu cảm biến; nếu phát hiện có lửa, khí gas vượt ngưỡng hoặc nhiệt độ tăng cao, hệ thống tự động kích hoạt còi báo, bật quạt/bơm, gửi SMS qua SIM900A và cập nhật trạng thái lên LCD cùng Web Server.
- Chế độ Manual (Thủ công): Người dùng có thể chủ động điều khiển bật/tắt quạt và máy bơm thông qua giao diện Web Server.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày lý do lựa chọn đề tài dựa trên thực trạng hỏa hoạn tại các công trình cao tầng ở Việt Nam. Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống cảnh báo sớm kết hợp công nghệ IoT, phân chia 8 nội dung công việc cần hoàn thành, đồng thời nêu rõ các giới hạn về mặt phần cứng (sử dụng Arduino Mega 2560 làm trung tâm, ngõ vào là các cảm biến gas, nhiệt, lửa; ngõ ra gồm chuông báo, quạt hút, máy bơm nước) và bố cục tổng thể gồm 6 chương của báo cáo.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 cung cấp toàn diện các kiến thức nền tảng và thông số kỹ thuật chi tiết của các linh kiện:
- Tổng quan về IoT, lịch sử từ MIT Auto-ID Center (Kevin Ashton, 1999) và vai trò của IoT trong xử lý dữ liệu lớn, điện toán đám mây và đô thị thông minh.
- Board vi điều khiển Arduino Mega 2560 với chip ATmega2560 (100 chân, 256 kB Flash, 8 kB SRAM, 4 kB EEPROM, 54 chân I/O số, 16 ngõ vào tương tự, tần số 16 MHz).
- Màn hình LCD 16x2 sử dụng chip điều khiển HD44780 với hai thanh ghi chính là thanh ghi lệnh (IR) và thanh ghi dữ liệu (DR).
- Cảm biến khí gas MQ2 (nguồn 4.5–5V, dòng tiêu thụ $\le 180,\text{mA}$, thời gian đáp ứng $\le 10,\text{s}$, thời gian phục hồi $\le 30,\text{s}$, trở kháng khi nóng $31,\Omega \pm 3,\Omega$).
- Module Wi-Fi ESP8266 NodeMCU chuẩn IEEE 802.11 b/g/n băng tần 2.4 GHz.
- Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 (đo độ ẩm 20–80%RH sai số 5%, đo nhiệt độ 0–50°C sai số $\pm 2^\circ\text{C}$, tần số lấy mẫu 1 Hz).
- Cảm biến ngọn lửa sử dụng LED thu hồng ngoại (bước sóng nhận diện 760–1100 nm, góc quét 60°, cự ly phát hiện khoảng 50 cm, dòng tiêu thụ 15 mA).
- Module GSM SIM900A Mini (dòng chế độ chờ 10 mA, dòng hoạt động từ 100 mA đến 2A, điều khiển bằng tập lệnh AT) và các linh kiện đóng cắt như Relay 5V, Transistor 2SC1815 cùng chuẩn giao tiếp nối tiếp UART.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Chương này tập trung mô tả chi tiết sơ đồ khối hệ thống gồm 8 khối và thiết kế sơ đồ nguyên lý liên kết giữa Arduino Mega 2560 với từng module:
- Sơ đồ kết nối chân Digital của cảm biến lửa và DHT11 vào vi điều khiển.
- Sơ đồ nối chân Analog Aout của cảm biến khí gas MQ2 vào chân A0 của Arduino Mega.
- Sơ đồ điều khiển màn hình LCD 16x2 theo chế độ 4-bit qua các chân D4–D7 và chân điều khiển RS, E.
- Mạch ghép nối UART với NodeMCU ESP8266 và SIM900A.
- Trình bày toàn bộ phép tính chọn transistor 2SC1815 và điện trở phân cực $10,\text{k}\Omega$ để kích dòng cho relay, cùng sơ đồ nguyên lý tổng thể toàn hệ thống.
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương 4 mô tả quá trình hiện thực hóa phần cứng và phần mềm:
- Thiết kế layout mạch in PCB, bố trí linh kiện trên board mạch điều khiển hai mặt.
- Thi công mô hình sản phẩm thực tế, lắp đặt các cảm biến tại các vị trí không gian mô phỏng và đóng gói khối điều khiển trong hộp bảo vệ.
- Xây dựng lưu đồ thuật toán chi tiết: lưu đồ chọn chế độ hoạt động, lưu đồ xử lý chế độ Auto, lưu đồ chế độ Manual, lưu đồ truyền nhận dữ liệu qua lại giữa vi điều khiển và ESP8266, lưu đồ điều khiển trên Web Server.
- Giới thiệu các công cụ phần mềm sử dụng: Arduino IDE, Adobe Dreamweaver, nền tảng lưu trữ web 000webhost và xây dựng tài liệu hướng dẫn quy trình vận hành hệ thống.
Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá
Chương này công bố các kết quả đạt được sau quá trình thi công và thử nghiệm thực tế:
- Nắm vững phương pháp lập trình, làm chủ kỹ thuật điều khiển và giao tiếp với các cảm biến (lửa, gas MQ2, DHT11), module Wi-Fi ESP8266, module GSM SIM900A và vi điều khiển Arduino Mega.
- Thử nghiệm các kịch bản thực tế và ghi nhận kết quả: hệ thống phát hiện chính xác khi có khí gas rò rỉ, khi xuất hiện ngọn lửa hoặc khi nhiệt độ môi trường tăng cao; các trạng thái này được phản ánh đồng thời trên màn hình LCD, giao diện Web và tự động gửi tin nhắn SMS cảnh báo về điện thoại di động.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương tổng kết toàn bộ các mục tiêu đã hoàn thành của đồ án tốt nghiệp, khẳng định hệ thống vận hành đúng yêu cầu thiết kế ban đầu và đề xuất các định hướng nâng cấp, mở rộng hệ thống trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Hệ thống sau khi thi công và thử nghiệm thực tế đã đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật và chức năng đặt ra ban đầu:
| Kịch bản thử nghiệm |
Tín hiệu đầu vào |
Phản hồi tại chỗ (LCD & Chuông/Bơm/Quạt) |
Phản hồi từ xa qua Web Server |
Phản hồi qua mạng GSM (SMS) |
| Trạng thái bình thường |
Nhiệt độ, độ ẩm, gas ở mức chuẩn; không có lửa |
LCD hiển thị thông số môi trường; thiết bị ngõ ra ở trạng thái tắt |
Web cập nhật liên tục thông số nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian thực |
Không gửi tin nhắn |
| Phát hiện rò rỉ khí gas |
Cảm biến MQ2 phát hiện nồng độ gas tăng cao |
LCD hiển thị cảnh báo có gas; chuông báo động kêu; quạt hút tự động bật |
Giao diện Web chuyển sang trạng thái cảnh báo phát hiện có gas |
Gửi tin nhắn SMS cảnh báo rò rỉ khí gas đến số điện thoại cài đặt |
| Phát hiện ngọn lửa |
Cảm biến lửa thu tia hồng ngoại (760–1100 nm) |
LCD hiển thị thông báo phát hiện có lửa; chuông kêu; máy bơm nước kích hoạt |
Giao diện Web hiển thị cảnh báo có lửa |
Gửi tin nhắn SMS khẩn cấp thông báo hỏa hoạn |
| Nhiệt độ tăng cao bất thường |
Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt |
LCD hiển thị cảnh báo nhiệt độ tăng cao; chuông báo động kích hoạt |
Giao diện Web hiển thị trạng thái nhiệt độ môi trường tăng cao |
Gửi tin nhắn SMS cảnh báo nhiệt độ bất thường |
| Điều khiển thủ công |
Người dùng thao tác nút nhấn trên Web |
Thiết bị chấp hành (bơm, quạt) bật/tắt theo lệnh điều khiển; LCD hiển thị chế độ |
Web chuyển sang trạng thái lựa chọn chế độ Manual và điều khiển thiết bị |
Không gửi tin nhắn |
Đóng góp của đề tài:
- Chế tạo thành công một mô hình phần cứng báo cháy hoàn chỉnh với chi phí thấp, tích hợp đa cảm biến giúp tăng độ tin cậy trong phát hiện hỏa hoạn so với các hệ thống đơn cảm biến.
- Hiện thực hóa cơ chế giám sát và cảnh báo đa tầng: kết hợp báo động âm thanh/hình ảnh tại chỗ, giám sát trực quan qua mạng Internet bằng giao diện Web và cảnh báo tầm xa qua mạng di động viễn thông (SMS) không phụ thuộc vào kết nối Internet.
- Thiết kế và tính toán chi tiết mạch công suất đóng cắt relay sử dụng BJT 2SC1815, giải quyết triệt để hạn chế về dòng cấp của chân vi điều khiển và bảo vệ mạch chống dòng điện cảm ứng ngược.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên các kết quả và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong văn bản:
- Hạn chế: Hệ thống được triển khai và thử nghiệm ở quy mô mô hình phòng mẫu; giao diện Web xây dựng trên nền tảng lưu trữ miễn phí (000webhost); kết nối truyền thông phụ thuộc vào độ ổn định của mạng Wi-Fi và mạng viễn thông cục bộ.
- Hướng phát triển tiếp theo:
- Nâng cấp và hoàn thiện giao diện Web Server nhằm tăng tính bảo mật, tối ưu hóa tốc độ truyền tải và lưu trữ dữ liệu môi trường trong thời gian dài.
- Mở rộng số lượng nút cảm biến, phát triển mạng cảm biến không dây nhằm áp dụng cho các tòa nhà có diện tích lớn hoặc nhiều tầng.
- Cải tiến giải thuật xử lý tín hiệu để tăng cường khả năng chống báo động giả từ môi trường.
- Tích hợp thêm nguồn dự phòng (pin/ắc quy) để đảm bảo hệ thống duy trì hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố cắt điện lưới do hỏa hoạn.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và các kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Máy tính, Tự động hóa và Hệ thống IoT.
Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:
- Quy trình tính toán thiết kế mạch lái công suất cho relay bằng transistor BJT kèm diode dập xung bảo vệ.
- Phương pháp lập trình giao tiếp vi điều khiển với cảm biến DHT11 theo chuẩn 1-wire và xử lý gói tin 5 byte có kiểm tra checksum.
- Kỹ thuật kết nối và phân luồng dữ liệu giữa vi điều khiển trung tâm (Arduino Mega 2560) với module Wi-Fi (NodeMCU ESP8266) và module GSM (SIM900A) thông qua các cổng giao tiếp UART.
- Tài liệu quy trình thi công mạch in, bố trí cảm biến và xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển hai chế độ Auto/Manual trong các ứng dụng điều khiển - giám sát nhúng.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao hệ thống cần sử dụng mạch đệm transistor 2SC1815 để kích relay mà không điều khiển trực tiếp từ chân Arduino Mega 2560?
Chân I/O của vi điều khiển Arduino Mega 2560 chỉ cung cấp dòng điện định mức khoảng 20–40 mA, trong khi cuộn hút của Relay 5V có điện trở $55,\Omega$, đòi hỏi dòng điện kích tối thiểu $87{,}3,\text{mA}$ để đóng tiếp điểm. Việc nối trực tiếp sẽ làm sụt áp hoặc gây hỏng chân vi điều khiển. Mạch đệm transistor 2SC1815 hoạt động ở chế độ bão hòa khuếch đại dòng cực gốc $I_B \approx 0{,}44,\text{mA}$ từ Arduino để tạo dòng cực thu $I_C \approx 87{,}3,\text{mA}$ cấp cho cuộn dây relay, đồng thời có diode bảo vệ triệt tiêu dòng tự cảm ngược khi ngắt mạch.
2. Quy trình đọc dữ liệu từ cảm biến DHT11 về vi điều khiển diễn ra theo các bước nào và làm sao để biết dữ liệu có chính xác?
Vi điều khiển kéo chân dữ liệu xuống mức 0 trong khoảng 25 ms (tín hiệu Start), sau đó thả chân lên 1 và chuyển thành chân ngõ vào. DHT11 phản hồi bằng cách kéo chân xuống mức thấp trong $80,\mu\text{s}$ rồi đưa lên mức cao trong $80,\mu\text{s}$. Cảm biến tiếp tục truyền liên tiếp 40 bit (5 byte) dữ liệu: Byte 1 (nguyên độ ẩm), Byte 2 (thập phân độ ẩm), Byte 3 (nguyên nhiệt độ), Byte 4 (thập phân nhiệt độ), Byte 5 (byte kiểm tra). Dữ liệu được xác nhận chính xác khi Byte 5 bằng tổng 8-bit của 4 byte đầu tiên; nếu không bằng thì kết quả đo bị hủy bỏ.
3. Cảm biến lửa trong hệ thống phát hiện sự cháy dựa trên nguyên lý vật lý nào và thông số kỹ thuật ra sao?
Cảm biến sử dụng một LED thu hồng ngoại chuyên dụng để bắt các bức xạ nhiệt phát ra từ ngọn lửa. Mọi vật thể cháy đều phát ra bức xạ hồng ngoại, trong đó ngọn lửa thông thường phát mạnh ở dải bước sóng từ 760 nm đến 1100 nm. Cảm biến có góc quét 60°, tầm phát hiện khoảng 50 cm, ngõ ra dạng tín hiệu Digital, hoạt động ở điện áp 3.3–5V và tiêu thụ dòng điện 15 mA.
4. Module ESP8266 và module SIM900A phối hợp thực hiện nhiệm vụ truyền thông trong hệ thống như thế nào?
Module NodeMCU ESP8266 đóng vai trò cầu nối không dây chuẩn Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n), nhận dữ liệu môi trường từ Arduino Mega qua cổng UART để tải lên máy chủ Web (000webhost) nhằm hiển thị đồ thị, thông số và nhận lệnh điều khiển từ xa. Trong khi đó, module SIM900A Mini sử dụng mạng di động GSM/GPRS, được điều khiển bằng tập lệnh AT qua giao tiếp nối tiếp để gửi tin nhắn SMS cảnh báo tức thời đến số điện thoại khẩn cấp đã cài đặt sẵn khi phát hiện lửa hoặc rò rỉ gas, đảm bảo khả năng cảnh báo kể cả khi mất kết nối mạng Internet.
5. Cảm biến khí gas MQ2 phát hiện được những loại khí nào và cơ chế biến đổi tín hiệu ra sao?
Cảm biến MQ2 có độ nhạy cao với các khí Propane, LPG, Hydrogen, Methane, Butane, cồn và khói. Thành phần cảm nhận của MQ2 là vật liệu bán dẫn $SnO_2$. Trong môi trường không khí sạch, $SnO_2$ có độ dẫn điện thấp. Khi xuất hiện khí dễ cháy, độ dẫn điện của lớp cảm biến tăng lên theo nồng độ khí. Mạch chuyển đổi sự biến thiên độ dẫn điện này thành điện áp tương tự và đưa về chân Analog A0 của vi điều khiển Arduino Mega để tính toán tỷ lệ phần trăm nồng độ khí.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống báo cháy sử dụng công nghệ IoT" đã hoàn thành việc nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo thực nghiệm một hệ thống cảnh báo sớm hoàn chỉnh dựa trên nền tảng vi điều khiển Arduino Mega 2560. Hệ thống tích hợp đồng bộ các cảm biến phát hiện lửa, khí gas MQ2 và nhiệt độ - độ ẩm DHT11, kết hợp các cơ cấu chấp hành dập tắt và thông gió tại chỗ. Đồng thời, giải pháp truyền thông đa kênh qua module Wi-Fi ESP8266 và module GSM SIM900A đã bảo đảm tính liên tục và độ tin cậy trong việc giám sát từ xa qua giao diện Web và cảnh báo khẩn cấp bằng tin nhắn SMS.
