Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kiến trúc đô thị hiện đại, loại hình nhà phố và các khu nhà trọ liền kề thường có đặc thù không gian hẹp, dạng hình ống, ít lối thoát hiểm và tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ cao từ hệ thống điện sinh hoạt hoặc rò rỉ khí đốt. Mặc dù thị trường đã xuất hiện nhiều hệ thống báo cháy, tình trạng thiệt hại do hỏa hoạn vẫn xảy ra thường xuyên. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ việc tốc độ lan truyền của đám cháy quá nhanh khiến con người không kịp xử lý, hoặc do các hệ thống báo cháy truyền thống thiếu công tác bảo trì định kỳ, chỉ phát huy hiệu quả trong giai đoạn đầu lắp đặt. Bên cạnh đó, các hệ thống báo cháy độc lập hiện nay thường tách rời với hệ thống điện gia dụng, chưa hỗ trợ khả năng kiểm soát thiết bị từ xa khi xảy ra sự cố khẩn cấp.

Đề tài "Thiết kế hệ thống báo cháy kết hợp điều khiển thiết bị cho nhà phố" được thực hiện bởi sinh viên Võ Đăng Khoa và Võ Tuấn Kiệt (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, chuyên ngành Điện tử Công nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh), dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Hiệp (thời gian thực hiện từ 19/02/2024 đến 20/06/2024).

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế hệ thống phần cứng phân tán gồm 3 trạm thu thập dữ liệu (node) và 1 trạm xử lý trung tâm; các node có nhiệm vụ thu thập thông số môi trường và truyền về trung tâm để tính toán, xử lý và phát cảnh báo.
  2. Kết nối các node với mạch trung tâm thông qua chuẩn truyền thông không dây tầm xa LoRa nhằm đảm bảo tính thẩm mỹ, loại bỏ dây dẫn phức tạp, đảm bảo tốc độ đáp ứng nhanh và độ tin cậy truyền nhận dữ liệu.
  3. Tích hợp tính năng điều khiển thiết bị điện gia dụng thông qua kết nối mạng không dây Wi-Fi.
  4. Xây dựng ứng dụng di động trên nền tảng Android phục vụ việc giám sát các chỉ số cảm biến theo thời gian thực và điều khiển bật/tắt thiết bị từ xa.
  5. Thiết kế mạch in (PCB), lắp ráp linh kiện và gia công vỏ hộp đóng gói hoàn thiện mô hình.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 7 nội dung theo văn bản giao việc:

  • Nội dung 1: Kết nối vi điều khiển PIC16F1825 với các module cảm biến và module LoRa tại các node đo.
  • Nội dung 2: Kết nối vi điều khiển STM32F103C8T6 với module ESP32, truy cập Internet để đồng bộ dữ liệu hiển thị và nhận lệnh điều khiển.
  • Nội dung 3: Nghiên cứu, xây dựng ứng dụng Android giao tiếp giữa người dùng và hệ thống phần cứng.
  • Nội dung 4: Nghiên cứu, lập trình thuật toán nhúng điều khiển toàn bộ hệ thống.
  • Nội dung 5: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật.
  • Nội dung 6: Viết và hoàn chỉnh báo cáo đề tài.
  • Nội dung 7: Bảo vệ khóa luận tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống nhúng cảnh báo cháy đa điểm kết hợp rơ-le điều khiển thiết bị điện dân dụng. Phạm vi nghiên cứu về không gian áp dụng cho mô hình nhà phố hoặc dãy nhà trọ có bán kính hoạt động dưới 1 km, sử dụng 3 node thu thập dữ liệu tại 3 khu vực riêng biệt. Phạm vi kỹ thuật quy định: khi xảy ra sự cố mất kết nối mạng Wi-Fi, hệ thống vẫn duy trì xử lý báo động cháy tại chỗ (hú còi, hiển thị LCD) và gửi cảnh báo khẩn cấp qua mạng viễn thông di động (gọi điện, gửi tin nhắn SMS), nhưng dữ liệu đo lường sẽ không thể đồng bộ lên ứng dụng Android.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận phát triển dựa trên việc kế thừa và cải tiến hai công trình tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh:

  • Đề tài "Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và khí độc nguy hiểm" (Trần Ngọc Lợi, Mai Thị Hòe, Khóa 2014): Đề tài này sử dụng ba mạch vi điều khiển Arduino Nano, mô-đun nRF24L01 để thu phát cao tần, mô-đun SIM900A, cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến khói MQ-2 và cảm biến khí độc MQ-135. Hạn chế của công trình này là phạm vi truyền nhận của nRF24L01 bị giới hạn, khả năng xuyên vật cản kém và module SIM sử dụng mạng 2G truyền thống.
  • Đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển nhà thông minh" (Cao Thị Lan Anh, Phạm Thị Ngọc Hân, Khóa 2018): Sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 4 Model B kết hợp ESP32, màn hình Nextion HMI, module rơ-le điều khiển nguồn 220VAC, cảm biến DHT-11 và cảm biến khí gas MQ-135. Hướng phát triển đề tài trước đã gợi mở việc tích hợp kênh cảnh báo SMS/cuộc gọi dự phòng khi mất kết nối Internet.

Về mặt lý thuyết truyền thông và phần cứng, khóa luận dựa trên các nền tảng kỹ thuật:

  • Công nghệ LoRa (Long Range): Ứng dụng kỹ thuật điều chế trải phổ Chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS) với hai dạng tín hiệu xung quét tần số tăng dần (up-chirp) và giảm dần (down-chirp). Kỹ thuật này cho phép tín hiệu được giải mã chính xác ngay cả khi công suất tín hiệu thấp hơn mức sàn nhiễu xung quanh. Hệ thống lựa chọn dải tần số 433 MHz (nằm trong băng tần quy chuẩn 410 - 441 MHz dành cho khu vực châu Á).
  • Công nghệ Wi-Fi: Dựa trên chuẩn IEEE 802.11 b/g/n băng tần 2.4 GHz để kết nối thiết bị xử lý với hệ thống mạng Internet.
Thế hệ Wi-Fi Chuẩn kỹ thuật Tần số hoạt động Tốc độ lý thuyết tối đa
Wi-Fi 1 802.11b 2.4 GHz 11 Mbps
Wi-Fi 2 802.11a 5 GHz 54 Mbps
Wi-Fi 3 802.11g 2.4 GHz 54 Mbps
Wi-Fi 4 802.11n 2.4 GHz / 5 GHz 600 Mbps
Wi-Fi 5 802.11ac 5 GHz 6933 Mbps
Wi-Fi 6 802.11ax 2.4 GHz / 5 GHz 9608 Mbps

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật (datasheet) để lựa chọn linh kiện bán dẫn, cảm biến và vi điều khiển có thông số tải, dải đo và giao thức truyền thông tương thích.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật và tính toán thực nghiệm: Tính toán cân bằng công suất nguồn cấp (adapter, pin Lithium dự phòng, mạch chuyển mạch relay), phối ghép tầng kích transistor điều khiển cuộn dây rơ-le, xây dựng phương trình đặc tính giải mã điện áp cảm biến sang nồng độ ppm.
  • Phương pháp kiểm thử thực nghiệm: Bố trí mô hình phần cứng tại các vị trí vật lý để kiểm tra cự ly truyền nhận LoRa, đo đạc dòng tiêu thụ, kích hoạt môi trường khói/nhiệt giả định để ghi nhận độ trễ cảnh báo chuông, cuộc gọi và phản hồi trên ứng dụng Android.

Dữ liệu nghiên cứu thu thập trực tiếp từ:

  • Dữ liệu cảm biến môi trường đo được: Giá trị nhiệt độ từ thanh ghi số của AHT10 thông qua giao thức I2C; giá trị điện áp ngõ ra tương tự của cảm biến MQ-2 qua bộ chuyển đổi ADC 10-bit trên PIC16F1825.
  • Dữ liệu cơ sở dữ liệu thời gian thực (Realtime Database) lưu trữ trên nền tảng đám mây Google Firebase.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo mô hình phân tán gồm 3 khối chức năng chính: Khối trạm thu thập (3 Node cảm biến), Khối xử lý trung tâm và Khối ứng dụng giám sát/điều khiển.

1. Kiến trúc phần cứng các trạm thu thập (Node 1, 2, 3)

Mỗi trạm thu thập được đặt tại một khu vực giám sát độc lập, vận hành xoay quanh vi điều khiển 8-bit PIC16F1825:

  • Vi điều khiển PIC16F1825: Cấu trúc 8-bit RISC, điện áp vận hành 1.8V - 5.5V, bộ nhớ Flash 3.5 KB, RAM 128 Bytes, EEPROM 256 Bytes, tích hợp bộ dao động nội hỗ trợ tần số hoạt động lên tới 32 MHz, tích hợp 1 bộ USART, 1 bộ I2C, 8 kênh ADC 10-bit và chế độ nghỉ tiêu thụ năng lượng thấp 50 nA.
  • Cảm biến nhiệt độ AHT10: Giao tiếp trực tiếp với PIC16F1825 qua chuẩn giao tiếp I2C. Điện áp làm việc 1.8V - 6V, dải đo nhiệt độ từ -40°C đến 85°C, độ phân giải 0.01°C, sai số đo lường ±0.3°C, dòng tiêu thụ cực đại 60 µA. Thời gian chuyển đổi trạng thái của cảm biến tối đa 75 ms. Dữ liệu nhiệt độ trả về gồm 6 byte; vi điều khiển trích xuất 2 byte cuối cùng cùng 4 bit thấp của byte thứ 4 để tạo chuỗi dữ liệu nhị phân 20-bit ($S_T$), sau đó tính toán theo công thức: $$T = \left(\frac{S_T}{2^{20}}\right) \times 200 - 50 \quad (^\circ\text{C})$$
  • Cảm biến khí gas và khói MQ-2: Cảm biến bán dẫn oxit kim loại $\text{SnO}2$, dải phát hiện từ 200 ppm đến 10.000 ppm đối với các loại khí LPG, propane, methane, butane, cồn, hydro và khói. Thời gian sấy nóng cảm biến ban đầu là 20 giây. Điện trở của cảm biến ($R_S$) thay đổi phụ thuộc vào nồng độ khí đo qua mạch phân áp với điện trở tải $R_L = 10\text{ k}\Omega$: $$V{RL} = \frac{V_{CC}}{1023} \times ADC_{value}$$ $$R_S = \left(\frac{1023}{ADC_{value}} - 1\right) \times 10\text{ k}\Omega$$ Trong điều kiện không khí sạch, tỉ số chuẩn $R_S / R_O = 9.8$, do đó giá trị $R_O$ được hiệu chuẩn bằng $R_S / 9.8$. Đặc tính nồng độ khí được xấp xỉ qua quan hệ tuyến tính hóa logarit $\log(y) = a\log(x) + b$ với $y = R_S / R_O$ và $x = \text{PPM}$. Khóa luận tính toán phương trình nồng độ cho khí LPG và khói dựa trên hệ phương trình hai điểm thực nghiệm trên đồ thị: $$\text{LPG: } \log(\text{PPM}) = \frac{\log(R_S/R_O) - 1.25}{-0.45}$$ $$\text{Khói: } \log(\text{PPM}) = \frac{\log(R_S/R_O) - 1.55}{-0.44}$$
  • Module LoRa AS32: Sử dụng chip thu phát RF vi sai tầm xa, tần số mặc định 433 MHz, công suất phát 20 dBm (100 mW), khoảng cách truyền tối đa 3000 m (điều kiện lý tưởng), giao tiếp với PIC qua cổng UART.

2. Kiến trúc Khối xử lý trung tâm

Mạch trung tâm đóng vai trò phân tích tín hiệu, kích hoạt bảo vệ cục bộ, liên lạc viễn thông và đẩy dữ liệu lên Internet:

  • Vi điều khiển STM32F103C8T6: Nhân 32-bit ARM Cortex-M3, tần số xung nhịp tối đa 72 MHz, 64 KB bộ nhớ Flash, 20 KB SRAM, 37 chân GPIO, 10 kênh ADC 12-bit, tích hợp các bộ USART, I2C, SPI, CAN và PWM. Vi điều khiển này nhận dữ liệu từ module LoRa AS32, hiển thị lên màn hình LCD 2004 (qua mạch chuyển đổi I2C), điều khiển module SIM và gửi gói dữ liệu sang module ESP32.
  • Module Wi-Fi ESP32: Vi xử lý lõi kép tần số 240 MHz, 520 KB SRAM, bộ nhớ Flash tích hợp từ 4 MB đến 16 MB. ESP32 nhận dữ liệu từ STM32F103C8T6 thông qua giao thức nối tiếp UART, sau đó kết nối mạng Wi-Fi (chuẩn 802.11 b/g/n 2.4 GHz) và thực hiện các tác vụ đọc/ghi dữ liệu thời gian thực với Google Firebase.
  • Module SIM A7680C: Thuộc dòng module LTE Cat 1 (tốc độ tải xuống 10 Mbps, tải lên 5 Mbps), thay thế các dòng SIM 2G cũ nhờ khả năng tương thích hạ tầng mạng viễn thông hiện đại. Module giao tiếp UART với STM32 bằng tập lệnh chuẩn AT: kiểm tra đáp ứng (AT), bật chế độ hiển thị số gọi đến (AT+CLIP=1), thực hiện cuộc gọi khẩn cấp (ATD[Số_điện_thoại];), cài đặt SMS định dạng văn bản (AT+CMGF=1), gửi nội dung tin nhắn cảnh báo (AT+CMGS).
  • Khối rơ-le điều khiển thiết bị: Tích hợp 4 kênh rơ-le 5V để đóng/ngắt thiết bị điện sinh hoạt (220VAC). Mạch kích relay sử dụng opto quang PC817 để cách ly quang học giữa mạch điều khiển 3.3V của STM32 và mạch tải 5V. Tầng công tắc sử dụng bóng bán dẫn NPN mã hiệu J3Y ($h_{FE} = 150$, dòng cực góp bão hòa $I_{Csat} = 500\text{ mA}$, dòng kích bão hòa $I_{Bsat} = I_{Csat} / h_{FE} = 3.3\text{ mA}$). Điện trở định thiên cực bazơ được tính toán và lựa chọn là $R_b = 1\text{ k}\Omega$.

3. Thiết kế mạch nguồn kép và quản lý năng lượng

Nhằm đảm bảo hệ thống không bị vô hiệu hóa khi xảy ra sự cố cháy gây sập cầu dao điện lưới, khối nguồn của mạch trung tâm và các node được trang bị hệ thống nguồn kép tự động:

  • Nguồn cấp chính: Adapter DC chuyển đổi từ lưới điện xoay chiều, đầu ra 5V - 2A.
  • Mạch chọn nguồn: Một rơ-le cơ học đóng vai trò chuyển mạch. Khi có nguồn adapter 5V, rơ-le đóng tiếp điểm cấp thẳng nguồn này cho toàn bộ hệ thống; khi mất nguồn lưới, tiếp điểm rơ-le tự động nhả về vị trí nối với khối pin dự phòng.
  • Bộ lưu điện và sạc: Sử dụng pin sạc Lithium dung lượng 2A (điện áp danh định 3.7V - 4.2V). Mạch sạc sử dụng IC TP4056 dòng sạc cực đại 1A, kết hợp cùng IC bảo vệ DW01A và cặp MOSFET FS8205A nhằm chống hiện tượng sạc quá áp, xả cạn và quá dòng tải.
  • Mạch tăng áp (Boost Converter): Sử dụng IC MT3608 để nâng điện áp pin từ 3.7V lên mức ổn định 5V cung cấp cho hệ thống khi mất điện lưới, dòng tải tối đa đạt 2A.
Khối phần cứng Thành phần linh kiện Dòng tiêu thụ tính toán Nguồn cấp lựa chọn
Node cảm biến LoRa AS32 (phát cực đại: 670 mA), AHT10 (60 µA), MQ-2 (180 mA) Tổng cộng: ~1 A Adapter 5V - 2A + Pin Lithium 3.7V/2A qua mạch tăng áp MT3608
Mạch trung tâm LoRa AS32 (670 mA), SIM A7680C (đỉnh ~1 A), ESP32 (80 mA), còi báo (280 mA) Tổng cộng: ~2 A Adapter 5V - 2A + Pin Lithium 3.7V/2A qua mạch tăng áp MT3608

4. Thiết kế phần mềm và giải thuật

  • Phần mềm vi điều khiển: Viết chương trình bằng ngôn ngữ C. Giải thuật tại các node vận hành theo cơ chế vòng quét: khi nhận ký tự yêu cầu qua cổng UART từ LoRa, PIC16F1825 tiến hành đọc dữ liệu từ AHT10 và MQ-2, đóng gói bản tin và kích hoạt LoRa truyền ngược về trung tâm. Tại bộ xử lý trung tâm, STM32 tuần tự thực hiện chương trình con gui_yeu_cau() tới từng địa chỉ node, sau đó gọi hàm doc_gui_dl_stm() để trích xuất dữ liệu, so sánh giá trị nhiệt độ và nồng độ khí gas với ngưỡng an toàn cài đặt sẵn.
  • Ứng dụng Android và Cơ sở dữ liệu: Xây dựng giao diện giám sát 3 node và 4 nút bật/tắt thiết bị; kết nối với Firebase Realtime Database qua API đồng bộ dữ liệu thời gian thực. Khi người dùng thao tác trên điện thoại, giá trị biến điều khiển (0/1) được cập nhật lên Firebase, ESP32 đọc dữ liệu này qua Wi-Fi và gửi chuỗi ký tự sang STM32 để đóng/ngắt các rơ-le tương ứng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của công tác phòng cháy chữa cháy đối với loại hình nhà phố, nhà ống tại Việt Nam; xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống cảnh báo sớm kết hợp điều khiển thiết bị gia dụng. Tác giả vạch ra 7 nội dung nhiệm vụ nghiên cứu, đồng thời giới hạn phạm vi đề tài trong phạm vi mạng cục bộ bán kính 1 km với 3 node cảm biến và cấu trúc 6 chương của toàn bộ báo cáo.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung phân tích tổng quan các công trình tiền nhiệm khóa 2014 và 2018 tại nhà trường; phân loại các hệ thống báo cháy hiện hành (báo cháy thông thường, báo cháy địa chỉ, báo cháy không dây, báo cháy kết hợp và báo cháy thông minh). Chương này trình bày chi tiết nguyên lý điều chế sóng vô tuyến của công nghệ LoRa, cấu trúc gói mạng LoRaWAN, các dải tần LoRa theo khu vực địa lý, lược sử và các thế hệ chuẩn Wi-Fi từ 802.11b đến 802.11ax, cùng tổng quan các hệ sinh thái nhà thông minh thương mại (Google Home, Amazon Alexa, Apple HomeKit, SmartThings, Mi Home).

Chương 3. Thiết kế và tính toán

Chương 3 phân tích sơ đồ khối tổng thể hệ thống, phân chia nhiệm vụ các khối chức năng và lập luận lựa chọn linh kiện. Tác giả trình bày bảng so sánh cảm biến nhiệt độ (AHT10, DS18B20, LM35) và cảm biến viễn thông (SIM 7680C so với SIM7000, SIM7600, SIM900). Chương này công bố chi tiết phương pháp tính toán điện trở tải, công thức giải mã nồng độ khí MQ-2, tính chọn điện trở $R_b = 1\text{ k}\Omega$ cho mạch kích rơ-le dùng transistor bán dẫn J3Y, và tính toán cân bằng dòng tải để chọn adapter 5V-2A cùng khối pin lưu điện dung lượng 2A cho trạm trung tâm và các node.

Chương 4. Thi công hệ thống

Chương 4 ghi lại toàn bộ tiến trình kỹ thuật chế tạo mạch phần cứng và đóng gói mô hình:

  • Thiết kế mạch in PCB 2 lớp trên phần mềm chuyên dụng cho cả mạch node và mạch trung tâm (trình bày các lớp dây trên, lớp dây dưới và hình ảnh mô phỏng 3D).
  • Quy trình hàn linh kiện dán (SMD) và linh kiện cắm (THT), hoàn thiện bản mạch thực tế.
  • Thiết kế bản vẽ cơ khí 6 mặt của hộp bảo vệ cho các node và khối điều khiển trung tâm, gia công vỏ hộp và cố định các board mạch, màn hình LCD 2004, chuông báo, ăng-ten LoRa.
  • Xây dựng các lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh: lưu đồ trạm node, lưu đồ chính của STM32, lưu đồ chương trình của ESP32, lưu đồ chương trình con gửi yêu cầu gui_yeu_cau() và đọc truyền dữ liệu doc_gui_dl_stm().
  • Lập trình giao diện ứng dụng Android và quy trình cấu hình hệ thống khi đưa vào vận hành.

Chương 5. Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 cung cấp hình ảnh thực tế của hệ thống sau khi lắp đặt hoàn thiện, kết quả hiển thị dữ liệu nhiệt độ và khí gas trên màn hình LCD 2004, cấu trúc dữ liệu JSON lưu trữ thời gian thực trên Firebase, giao diện giám sát 3 khu vực và 4 nút điều khiển tải trên ứng dụng di động Android. Tác giả thực hiện kiểm nghiệm thực tế chức năng kích hoạt còi hú, tính năng tự động quay số gọi điện khẩn cấp và gửi tin nhắn cảnh báo SMS về số thuê bao cài đặt sẵn thông qua module SIM A7680C. Chương này tổng kết bảng trạng thái điều khiển thiết bị và bảng đánh giá độ ổn định hoạt động của toàn bộ hệ thống.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tóm tắt các kết quả kỹ thuật đã hoàn thành theo mục tiêu ban đầu, xác nhận hệ thống vận hành ổn định, độ trễ thấp, đáp ứng khả năng báo cháy tức thời. Đồng thời, tác giả đề xuất 5 hướng nghiên cứu mở rộng nhằm nâng cao tính ứng dụng của mô hình trong thực tế sản xuất và đời sống.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm cụ thể

Hệ thống đã được chế tạo hoàn chỉnh về phần cứng và phần mềm, đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật:

  • Hoạt động ổn định của mạng cảm biến không dây: 3 node đo gửi dữ liệu liên tục về mạch trung tâm qua sóng LoRa AS32 tần số 433 MHz. Thời gian trích xuất và hiển thị dữ liệu nhiệt độ (từ AHT10) và nồng độ khí độc/khói (từ MQ-2) lên màn hình LCD 2004 diễn ra chính xác theo chu kỳ quét.
  • Đồng bộ đám mây và ứng dụng: Dữ liệu từ STM32 được ESP32 chuyển tiếp lên Firebase Realtime Database qua mạng Wi-Fi và cập nhật trực tiếp lên giao diện app Android.
  • Khả năng cảnh báo đa kênh: Khi thông số nhiệt độ hoặc nồng độ khí gas vượt quá ngưỡng cài đặt, còi báo động 5V (dòng tải 280 mA) lập tức phát âm thanh cảnh báo tại chỗ; đồng thời module SIM A7680C tự động kích hoạt cuộc gọi thoại và gửi tin nhắn SMS cảnh báo cháy chính xác tới số điện thoại của chủ nhà.
  • Chức năng điều khiển thiết bị: Hệ thống thực hiện đóng/ngắt thành công 4 rơ-le công suất điều khiển thiết bị điện 220VAC thông qua nút bấm trên ứng dụng di động hoặc công tắc thủ công, trạng thái phản hồi lập tức được cập nhật đồng bộ trên giao diện.
Biến điều khiển trên Firebase Trạng thái rơ-le kích hoạt Trạng thái thiết bị ngoại vi
thietbi1 = 0 Relay 1 đóng Đèn/Thiết bị 1 TẮT
thietbi1 = 1 Relay 1 ngắt Đèn/Thiết bị 1 BẬT
thietbi2 = 0 Relay 2 đóng Đèn/Thiết bị 2 TẮT
thietbi2 = 1 Relay 2 ngắt Đèn/Thiết bị 2 BẬT
thietbi3 = 0 Relay 3 đóng Đèn/Thiết bị 3 TẮT
thietbi3 = 1 Relay 3 ngắt Đèn/Thiết bị 3 BẬT
thietbi4 = 0 Relay 4 đóng Đèn/Thiết bị 4 TẮT
thietbi4 = 1 Relay 4 ngắt Đèn/Thiết bị 4 BẬT
  • Đánh giá khả năng dự phòng mất điện: Khi ngắt nguồn adapter 5V, mạch chọn nguồn sử dụng rơ-le lập tức chuyển đổi sang khối pin Lithium và mạch tăng áp MT3608 mà không làm khởi động lại (reset) vi điều khiển trung tâm và các node đo.

2. Đóng góp kỹ thuật so với các nghiên cứu tiền nhiệm

So với đề tài của Trần Ngọc Lợi và Mai Thị Hòe (2014), khóa luận đã khắc phục nhược điểm về cự ly truyền thông bằng cách thay thế module nRF24L01 bằng công nghệ LoRa AS32, mở rộng cự ly truyền nhận không dây trong môi trường vật cản lên tới 1 km. Đồng thời, việc nâng cấp từ module 2G SIM900A lên dòng SIM A7680C hỗ trợ mạng di động LTE Cat 1 giúp hệ thống bắt kịp lộ trình tắt sóng 2G tại Việt Nam.

So với đề tài của Cao Thị Lan Anh và Phạm Thị Ngọc Hân (2018), nghiên cứu này đã tích hợp thêm hệ thống nguồn sạc - pin dự phòng tự động chuyển mạch (sử dụng TP4056, DW01A, FS8205A, MT3608), đảm bảo thiết bị hoạt động độc lập ngay cả khi hỏa hoạn làm tê liệt nguồn điện lưới 220VAC. Hệ thống cảm biến cũng được nâng cấp sang dòng cảm biến kỹ thuật số AHT10 giao tiếp I2C có sai số thấp hơn (±0.3°C) so với các dòng cảm biến cơ bản như LM35 hay DHT11.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

Dựa trên phạm vi kỹ thuật được tác giả xác định trong văn bản:

  • Hệ thống bị giới hạn ở quy mô 3 node thu thập dữ liệu, chỉ đại diện được cho 3 khu vực quan trắc trong một ngôi nhà.
  • Cự ly hoạt động bị giới hạn trong bán kính dưới 1 km, chỉ phù hợp cho cấu trúc nhà phố hoặc dãy nhà trọ liền kề, chưa kiểm nghiệm ở các tòa nhà cao tầng có nhiều lớp bê tông cốt thép dày đặc.
  • Khi xảy ra sự cố mất kết nối mạng Wi-Fi, dù mạch trung tâm vẫn duy trì cảnh báo còi hú và gọi điện/nhắn tin SMS qua SIM, tính năng đồng bộ và điều khiển trên ứng dụng Android bị gián đoạn hoàn toàn.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

Nhóm tác giả đề xuất 5 định hướng phát triển mô hình trong tương lai:

  • Tích hợp thêm hệ thống chữa cháy tự động cục bộ, bao gồm máy bơm áp lực và hệ thống van phun nước/hóa chất tự động tại các khu vực phát hiện điểm cháy.
  • Bổ sung các cảm biến an ninh khác như cảm biến chuyển động nhằm phát hiện đột nhập, cảm biến phát hiện bước chân tại cầu thang để kích hoạt hệ thống chiếu sáng thông minh ban đêm.
  • Mở rộng chức năng chăm sóc nhà thông minh thông qua việc tích hợp cảm biến đo độ ẩm đất, phục vụ việc tưới tiêu tự động cho sân vườn khi người dùng vắng nhà.
  • Triển khai lắp đặt hệ thống camera an ninh giám sát hình ảnh để truyền trực tiếp dữ liệu hình ảnh về điện thoại khi có cảnh báo đột nhập hoặc cháy nổ.
  • Nâng cấp phần cứng và phần mềm để mở rộng quy mô lắp đặt từ phạm vi hộ gia đình sang các công trình lớn hơn như tòa nhà văn phòng, khu nhà xưởng và khu công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, cũng như Kỹ thuật Máy tính và IoT đang thực hiện các đồ án thiết kế hệ thống nhúng.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Phương pháp tính toán phối ghép tầng công suất kích rơ-le cách ly qua opto PC817 và transistor NPN J3Y (Chương 3).
  • Giải thuật giải mã tín hiệu số cảm biến nhiệt I2C AHT10 và phương pháp tuyến tính hóa hàm logarit để quy đổi giá trị ADC của cảm biến MQ-2 sang nồng độ ppm khí LPG và khói (Chương 3).
  • Thiết kế mạch nguồn kép tích hợp sạc pin TP4056, bảo vệ pin DW01A/FS8205A và tăng áp MT3608 kèm rơ-le chuyển mạch tự động (Chương 3, Chương 4).
  • Bộ tập lệnh AT command điều khiển cuộc gọi và tin nhắn SMS trên dòng module viễn thông thế hệ mới SIM A7680C kết nối qua STM32 (Chương 3).
  • Lưu đồ thuật toán phân chia vai trò xử lý giữa vi điều khiển chuyên trách ngoại vi (STM32F103C8T6) và vi điều khiển chuyên trách kết nối mạng đám mây (ESP32) qua giao tiếp UART (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những loại cảm biến nào để phát hiện dấu hiệu hỏa hoạn và thông số kỹ thuật ra sao? Hệ thống sử dụng hai loại cảm biến chính tại mỗi node: cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số AHT10 (giao tiếp I2C, dải đo -40°C đến 85°C, độ phân giải 0.01°C, sai số ±0.3°C, thời gian chuyển đổi tối đa 75 ms) và cảm biến khí gas/khói MQ-2 (cảm biến điện trở, thời gian sấy 20 s, dải đo từ 200 ppm đến 10.000 ppm đối với các loại khí LPG, propane, methane, butane và khói).

2. Module viễn thông nào được sử dụng để gọi điện, nhắn tin cảnh báo và tại sao lại chọn module này? Hệ thống sử dụng module SIM A7680C giao tiếp với STM32F103C8T6 qua giao thức UART. Module này được lựa chọn vì hỗ trợ công nghệ mạng LTE Cat 1 (tốc độ tải xuống 10 Mbps, tải lên 5 Mbps), mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn các dòng LTE Cat 4, kích thước nhỏ gọn và đáp ứng được việc vận hành lâu dài khi hạ tầng mạng di động 2G dần bị ngừng hỗ trợ.

3. Khi bị mất nguồn điện lưới 220VAC, hệ thống duy trì nguồn cấp bằng cơ chế nào? Hệ thống sử dụng mạch nguồn kép gồm adapter 5V-2A và một bộ pin sạc Lithium dung lượng 2A. Khi có điện lưới, tiếp điểm rơ-le đóng cấp nguồn từ adapter, đồng thời mạch sạc TP4056 (kèm IC bảo vệ DW01A và FS8205A) tiến hành nạp pin. Khi mất điện lưới, rơ-le tự động chuyển mạch sang đường pin, qua mạch tăng áp MT3608 kích lên mức 5V ổn định với khả năng đáp ứng dòng tải lên đến 2A.

4. Dữ liệu từ các node cảm biến được truyền về khối xử lý trung tâm bằng công nghệ gì và khoảng cách bao xa? Dữ liệu từ 3 node cảm biến được truyền về khối trung tâm thông qua sóng vô tuyến LoRa sử dụng các module LoRa AS32 (tần số 433 MHz, công suất phát 20 dBm ~ 100 mW). Khoảng cách truyền dẫn trong điều kiện lý tưởng có thể đạt tới 3000 m; trong phạm vi thiết kế thực tế của đồ án, hệ thống hoạt động ổn định trong bán kính dưới 1 km.

5. Khi mất kết nối Wi-Fi, chức năng cảnh báo cháy của hệ thống có hoạt động được không? Hệ thống vẫn thực hiện đầy đủ chức năng cảnh báo cháy cục bộ khi mất Wi-Fi. Vi điều khiển STM32F103C8T6 vẫn nhận dữ liệu qua LoRa, hiển thị lên màn hình LCD 2004, kích hoạt chuông báo động 5V và điều khiển module SIM A7680C thực hiện cuộc gọi khẩn cấp cùng gửi tin nhắn SMS tới điện thoại người dùng. Tuy nhiên, dữ liệu sẽ không thể đẩy lên nền tảng Google Firebase để cập nhật trên ứng dụng Android.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Võ Đăng Khoa và Võ Tuấn Kiệt đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế và chế tạo hệ thống cảnh báo cháy đa điểm kết hợp điều khiển thiết bị điện dân dụng dành cho nhà phố. Hệ thống kết hợp hiệu quả giữa công nghệ truyền thông không dây tầm xa LoRa AS32, kết nối Internet Wi-Fi qua ESP32 và kênh liên lạc viễn thông di động LTE qua module SIM A7680C. Các kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy mạch phần cứng hoạt động ổn định, độ phản hồi cảnh báo nhanh, hỗ trợ nguồn pin sạc dự phòng tự động và kiểm soát hiệu quả thiết bị qua ứng dụng di động Android.