Giới thiệu dự án

Hỏa hoạn và sự cố rò rỉ khí gas tại các khu dân cư, nhà ở kết hợp kinh doanh hay chung cư mini đang là vấn đề nhức nhối với những thiệt hại đặc biệt nghiêm trọng về người và tài sản (điển hình như vụ cháy chung cư mini 10 tầng tại Khương Hạ, Hà Nội gây thương vong 56 người). Các hệ thống báo cháy truyền thống hiện nay thường bộc lộ nhiều điểm yếu: chỉ phát chuông cục bộ tại hiện trường, không truyền được dữ liệu từ xa khi chủ nhà vắng mặt, tỷ lệ báo động giả cao do thiếu xác thực đa cảm biến, và hoàn toàn mất khả năng liên lạc nếu đường truyền cáp/Wi-Fi bị thiêu rụi hoặc mất nguồn Internet.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo cháy" do sinh viên Dương Văn Thành và Nguyễn Hữu Danh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Phúc (Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) được phát triển nhằm giải quyết triệt để các hạn chế trên thông qua giải pháp IoT (Internet of Things) phân tán đa tầng.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                           HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY                        |
+-------------------------------------------------------------------------+
        |                                                 |
        v                                                 v
+-----------------------+                         +-----------------------+
|     TRẠM ĐO NODE      |                         |      BỘ XỬ LÝ MCU     |
|   (Phòng ngủ/Bếp)     |                         |     (Trung tâm)       |
| - ESP32-DEVKITC-32U   |                         | - ESP32-DEVKITC-32U   |
| - MQ2 (Gas/Khói)      |                         | - Module TDM-4G-V2    |
| - DHT11 (Nhiệt/Ẩm)    |                         | - Relay + ACS712      |
| - Flame Sensor (Lửa)  |                         | - LCD 20x4 I2C + Menu |
+-----------------------+                         +-----------------------+
        |                                                 |
        +------------------+           +------------------+
                           |           |
                           v           v
                    +--------------------------+
                    |  FIREBASE REALTIME DB    |
                    +--------------------------+
                           ^           ^
                           |           |
        +------------------+           +------------------+
        |                                                 |
        v                                                 v
+-----------------------+                         +-----------------------+
|    ESP32-CAM STREAM   |                         |     APP FLUTTER       |
|  (Xác thực video      |                         |  (Giám sát, đồ thị,   |
|   qua WebSocket)      |                         |   cấu hình ngưỡng)    |
+-----------------------+                         +-----------------------+

Mục tiêu cụ thể của đề tài

  1. Thiết kế phần cứng phân tán (Distributed Hardware): Xây dựng module Node giám sát độc lập tại từng khu vực và trạm trung tâm MCU điều khiển tập trung, sử dụng vi điều khiển kép ESP32-DEVKITC-32U.
  2. Thu thập và tích hợp đa cảm biến: Giám sát liên tục nồng độ khí gas (MQ2), nhiệt độ/độ ẩm (DHT11), và bước sóng bức xạ hồng ngoại từ ngọn lửa (Flame Sensor dải 760nm – 1100nm).
  3. Kênh truyền thông dự phòng kép (Dual-Channel Redundancy): Đồng bộ dữ liệu tốc độ cao qua Wi-Fi lên Firebase Cloud, đồng thời kích hoạt tự động cuộc gọi/SMS khẩn cấp qua Module TDM-4G-V2 khi mất Internet hoặc xảy ra sự cố nghiêm trọng.
  4. Xác thực trực quan chống báo giả: Tích hợp module camera ESP32-CAM truyền luồng video thời gian thực qua giao thức WebSocket trực tiếp lên ứng dụng di động.
  5. Xây dựng ứng dụng quản trị đa nền tảng: Phát triển ứng dụng Flutter cho phép theo dõi biểu đồ lịch sử 30 ngày, điều khiển relay chấp hành (máy bơm, quạt hút, còi), và tùy biến ngưỡng báo động trực tiếp từ xa hoặc qua bàn phím cục bộ.

Phạm vi và giới hạn

  • Mô hình thực nghiệm: Triển khai giám sát 2 khu vực trọng điểm gồm 01 phòng bếp và 01 phòng ngủ.
  • Khoảng cách phát hiện lửa: Tối ưu hóa trong bán kính 30cm – 80cm với góc quét hồng ngoại $60^\circ$.
  • Phần cứng: Module thương mại chuẩn công nghiệp, lập trình firmware trên Arduino C++ Core và cross-platform mobile app trên Flutter SDK.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí kỹ thuật Chuông báo cháy độc lập Hệ thống IoT cơ bản (Blynk/Wi-Fi) Hệ thống phân tán đề xuất
Phương thức cảnh báo Còi hú tại chỗ ($>85\text{ dB}$) Push notification qua Internet Còi hú + Push App + Gọi điện thoại 4G GSM
Xác thực báo động Không hỗ trợ Không hỗ trợ Camera ESP32-CAM WebSocket Stream
Khả năng hoạt động khi mất Wi-Fi Có (chỉ kêu tại chỗ) Tê liệt hoàn toàn Duy trì hoạt động độc lập + Kênh 4G fallback
Cấu hình ngưỡng (Threshold) Cố định bằng biến trở Cố định trong mã nguồn Linh hoạt qua App Flutter & Menu LCD vật lý
Giám sát tải chấp hành Không Không Cảm biến dòng Hall ACS712 bảo vệ máy bơm

Ma trận ưu tiên yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW)

  • Must have: Đọc dữ liệu MQ2, DHT11, Flame sensor; ngắt/bật relay máy bơm, còi cảnh báo; gọi điện thoại khẩn cấp qua 4G khi có cháy; đồng bộ Firebase.
  • Should have: Streaming video thời gian thực từ ESP32-CAM qua WebSocket; giao diện tùy chỉnh ngưỡng nhiệt độ/gas trực tiếp trên màn hình LCD 20x4 I2C.
  • Could have: Lưu trữ và hiển thị biểu đồ nhiệt độ/gas lịch sử 30 ngày trên App Flutter; đo lường dòng tải thiết bị qua cảm biến ACS712.
  • Won't have (in this version): Tích hợp mạng Mesh không dây tầm xa LoRaWAN; phân tích hình ảnh AI trực tiếp trên Edge camera.

Thiết kế hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc phân tán gồm 3 phân hệ chính: Trạm thu thập dữ liệu (Node), Trạm xử lý trung tâm (MCU), và Tầng ứng dụng đám mây (Cloud & Mobile App).

graph TD
    subgraph SENSOR_NODE ["Trạm đo Sensor Node"]
        MQ2["Cảm biến MQ2 (Khí gas/Khói)"] -->|Analog ADC| ESP_NODE["ESP32-DEVKITC-32U (Node)"]
        DHT["Cảm biến DHT11 (Nhiệt/Ẩm)"] -->|One-Wire| ESP_NODE
        FLAME["Cảm biến Flame (Lửa IR)"] -->|Digital GPIO| ESP_NODE
        KEY_N["Khối nút cấu hình"] --> ESP_NODE
    end

    subgraph MCU_STATION ["Trạm xử lý trung tâm MCU"]
        ESP_MCU["ESP32-DEVKITC-32U (Master)"]
        LCD["Màn hình LCD 20x4"] <-->|I2C 0x27| PCF["Module PCF8574"] <-->|I2C Bus| ESP_MCU
        BUTTONS["Bàn phím 5 phím Menu"] -->|GPIO Pull-up| ESP_MCU
        SIM["Module TDM-4G-V2"] <-->|UART 115200bps| ESP_MCU
        RELAY["Khối Relay 5V Optocoupler"] <---|GPIO Output| ESP_MCU
        ACS["Cảm biến dòng ACS712"] -->|Analog ADC| ESP_MCU
        RELAY --> ACTUATORS["Còi hú / Đèn chớp / Máy bơm 12V"]
    end

    subgraph VISION_NODE ["Phân hệ giám sát hình ảnh"]
        CAM["ESP32-CAM (OV2640 2MP)"] -->|WebSocket TCP 81| APP
    end

    subgraph CLOUD_BACKEND ["Đám mây Firebase"]
        F_DB[("Firebase Realtime Database (JSON)")]
    end

    subgraph CLIENT_APP ["Ứng dụng Mobile"]
        APP["App Flutter (Android/iOS)"]
    end

    ESP_NODE -->|Wi-Fi 802.11 b/g/n / HTTPS| F_DB
    F_DB <-->|Stream Listener| ESP_MCU
    F_DB <-->|REST API / SDK| APP
    SIM -->|Kênh thoại GSM/4G LTE| USER_PHONE["Điện thoại người dùng"]

Bảng thông số kỹ thuật các công nghệ sử dụng

Phân hệ / Linh kiện Phiên bản / Model Thông số kỹ thuật cốt lõi Giao tiếp / Giao thức
Vi điều khiển Node/MCU ESP32-DEVKITC-32U Dual-core Xtensa LX6 @ 240MHz, 520KB SRAM, 4MB Flash Wi-Fi 2.4GHz, Bluetooth 4.2 BR/EDR
Cảm biến khí gas/khói MQ2 Điện áp 5V, dải đo 200–10000 ppm (LPG, Propane, Methane) Analog (ADC 12-bit, PIN 34)
Cảm biến nhiệt/độ ẩm DHT11 Dải nhiệt 0–50°C ($\pm 2^\circ\text{C}$), ẩm 20–90% RH ($\pm 5%$) One-Wire Bus (PIN 27)
Cảm biến phát hiện lửa Flame Sensor Module Bức xạ hồng ngoại 760nm–1100nm, góc $60^\circ$, cự ly 80cm Digital Input (PIN 14)
Module Viễn thông TDM-4G-V2 (SIM A7670C/SIM7600) Băng tần LTE-FDD/TDD 4G, hỗ trợ gọi thoại Voice call/SMS UART (Baudrate 115200, TX2/RX2)
Cảm biến dòng điện ACS712-05B Dải đo $\pm 5\text{A}$, độ nhạy $185\text{ mV/A}$, cách ly quang 2.1kV Analog Output (PIN 35)
Camera Streaming ESP32-CAM Ai-Thinker Cảm biến OV2640 2MP, hỗ trợ JPEG Stream độ trễ $<200\text{ms}$ WebSocket Server (Port 81, TCP)
Màn hình hiển thị LCD 2004 + PCF8574 4 dòng x 20 ký tự, tích hợp bộ chuyển đổi giao tiếp I2C I2C (Address 0x27, Bus 100kHz)
Mobile Framework Flutter SDK v3.19.x Ngôn ngữ Dart 3.3.x, kiến trúc Provider/BLoC State Management Firebase Realtime SDK, WebSocket Client

Cấu trúc Schema cơ sở dữ liệu trên Firebase Realtime Database

{
  "Rooms": {
    "Kitchen": {
      "Sensors": {
        "Gas_ppm": 420.5,
        "Temperature_C": 31.2,
        "Humidity_pct": 65.0,
        "Flame_Detected": false
      },
      "Thresholds": {
        "Gas_Max": 600.0,
        "Temp_Max": 55.0
      }
    },
    "Bedroom": {
      "Sensors": {
        "Gas_ppm": 120.0,
        "Temperature_C": 28.5,
        "Humidity_pct": 70.0,
        "Flame_Detected": false
      },
      "Thresholds": {
        "Gas_Max": 500.0,
        "Temp_Max": 50.0
      }
    }
  },
  "System_Control": {
    "Buzzer_State": false,
    "Pump_State": false,
    "Light_State": false,
    "Emergency_Phone": "+84901234567",
    "Current_Load_A": 0.42
  }
}

Phương pháp nghiên cứu và quản lý dự án (Methodology)

Dự án áp dụng mô hình phát triển Agile/Scrum rút gọn gồm 4 Sprint (chu kỳ 2 tuần/sprint):

  • Sprint 1: Nghiên cứu nguyên lý cảm biến, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch (Schematic) trên phần mềm Proteus 8.13 và thi công mạch in PCB 2 lớp.
  • Sprint 2: Lập trình nhúng vi điều khiển ESP32 (Firmware C++), hoàn thiện các driver giao tiếp I2C, One-Wire, UART với module SIM 4G và cơ chế cân chỉnh (calibration) cảm biến MQ2.
  • Sprint 3: Xây dựng backend Firebase, triển khai luồng video WebSocket từ ESP32-CAM, thiết kế ứng dụng Flutter (UI/UX, Data visualization).
  • Sprint 4: Thử nghiệm tích hợp hệ thống (System Integration Testing), đo đạc hiệu năng thực tế trong môi trường phòng cháy giả lập và tối ưu hóa thời gian trễ cảnh báo.
+---------------------------------------------------------------------------------------+
| MA TRẬN ĐÁNH GIÁ VÀ GIẢM THIỂU RỦI RO KỸ THUẬT (FMEA)                                 |
+------------------------------------+-----------+--------------------------------------+
| Rủi ro kỹ thuật                    | Mức độ    | Giải pháp xử lý                      |
+------------------------------------+-----------+--------------------------------------+
| Mất kết nối Wi-Fi trong đám cháy   | Nghiêm    | Tự động chuyển vùng sang module SIM  |
|                                    | trọng     | 4G TDM-4G-V2 để quay số khẩn cấp.    |
+------------------------------------+-----------+--------------------------------------+
| Báo động giả do nhiệt độ môi trường| Trung     | Thuật toán kết hợp logic đa điều     |
| mùa hè tăng cao                    | bình      | kiện: Flame IR + Gradient nhiệt độ.  |
+------------------------------------+-----------+--------------------------------------+
| Nhiễu sụt áp khi kích Relay        | Cao       | Tách nguồn công suất 12V qua Diode   |
| và Module 4G phát sóng             |           | đệm, tụ lọc 1000uF + Opto PC817.     |
+------------------------------------+-----------+--------------------------------------+

Triển khai thực nghiệm và Kết quả (Implementation)

Quá trình phát triển và thuật toán điều khiển cốt lõi

Firmware trên ESP32 MCU xử lý đồng thời hai luồng: Nhận dữ liệu cảm biến từ Firebase và quét liên tục giao tiếp phần cứng cục bộ. Dưới đây là đoạn mã nguồn xử lý thuật toán phân tích trạng thái cháy và kích hoạt lệnh quay số khẩn cấp qua module viễn thông 4G:

#include <HardwareSerial.h>
#include <FirebaseESP32.h>

#define SIM_RX_PIN 16
#define SIM_TX_PIN 17
#define RELAY_PUMP 25
#define RELAY_BUZZER 26

HardwareSerial simSerial(2); // UART2 kết nối TDM-4G-V2
FirebaseData fbdo;

void executeEmergencyCall(const String& phoneNumber) {
    simSerial.println("AT"); // Kiểm tra kết nối Module SIM
    delay(100);
    simSerial.println("AT+CSQ"); // Đọc chất lượng sóng 4G
    delay(100);
    // Gửi lệnh quay số thoại trực tiếp (Voice Call)
    String callCommand = "ATD" + phoneNumber + ";";
    simSerial.println(callCommand);
    Serial.println("[EMERGENCY] Da kich hoat cuoc goi toi: " + phoneNumber);
}

void evaluateFireRisk(float gasPpm, float tempC, bool flameDetected, 
                      float gasThresh, float tempThresh, String phone) {
    bool isCritical = false;

    // Logic xử lý cảnh báo đa cảm biến
    if (flameDetected && (tempC > tempThresh || gasPpm > gasThresh)) {
        // Tình huống cháy bùng phát nghiêm trọng: có lửa kèm nhiệt độ/khí gas vượt ngưỡng
        isCritical = true;
        digitalWrite(RELAY_PUMP, HIGH);   // Bật máy bơm dập lửa
        digitalWrite(RELAY_BUZZER, HIGH); // Bật còi hú công suất lớn
    } else if (gasPpm > gasThresh) {
        // Cảnh báo rò rỉ khí gas nguy hiểm
        digitalWrite(RELAY_BUZZER, HIGH);
        digitalWrite(RELAY_PUMP, LOW);
    } else {
        // Trạng thái an toàn
        digitalWrite(RELAY_PUMP, LOW);
        digitalWrite(RELAY_BUZZER, LOW);
    }

    // Kích hoạt cuộc gọi khẩn cấp khi đạt điều kiện nguy hiểm
    if (isCritical) {
        executeEmergencyCall(phone);
    }
}

Trên ứng dụng di động Flutter, cơ chế đồng bộ trạng thái sử dụng luồng dữ liệu Stream phản ứng tức thời từ Firebase Realtime Database:

import 'package:flutter/material.dart';
import 'package:firebase_database/firebase_database.dart';

class SensorMonitorStream extends StatelessWidget {
  final DatabaseReference _dbRef = FirebaseDatabase.instance.ref("Rooms/Kitchen");

  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    return StreamBuilder(
      stream: _dbRef.child("Sensors").onValue,
      builder: (context, AsyncSnapshot<DatabaseEvent> snapshot) {
        if (snapshot.hasData && snapshot.data!.snapshot.value != null) {
          final data = Map<String, dynamic>.from(snapshot.data!.snapshot.value as Map);
          double temp = (data['Temperature_C'] as num).toDouble();
          double gas = (data['Gas_ppm'] as num).toDouble();
          bool isFlame = data['Flame_Detected'] as bool;

          return Card(
            color: isFlame ? Colors.red.shade100 : Colors.green.shade50,
            child: ListTile(
              title: Text("Trạng thái phòng bếp", style: TextStyle(fontWeight: FontWeight.bold)),
              subtitle: Text("Nhiệt độ: $temp°C | Khí gas: $gas ppm | Lửa: ${isFlame ? 'CẢNH BÁO CÓ LỬA!' : 'An toàn'}"),
              trailing: isFlame ? Icon(Icons.local_fire_department, color: Colors.red, size: 36)
                               : Icon(Icons.check_circle, color: Colors.green),
            ),
          );
        }
        return Center(child: CircularProgressIndicator());
      },
    );
  }
}

Kiểm nghiệm thực tế và Đánh giá hiệu năng (Testing & Validation)

Hệ thống được thử nghiệm 50 lần trong môi trường mô phỏng thực tế với các nguồn tạo cháy và rò rỉ khí (bình gas mini butane, nguồn nhiệt đối lưu, que mồi lửa hồng ngoại).

+---------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| THỜI GIAN ĐÁP ỨNG TRUNG BÌNH CỦA HỆ THỐNG KHI PHÁT HIỆN SỰ CỐ                                           |
+------------------------------+--------------------+-----------------------+-----------------------------+
| Kịch bản thử nghiệm          | Khoảng cách thử    | Thời gian phản hồi    | Hành vi kích hoạt           |
+------------------------------+--------------------+-----------------------+-----------------------------+
| Rò rỉ khí Gas (LPG/Butane)   | Cách màng đo 10cm  | 1.25 giây             | Còi báo + Cập nhật App      |
+------------------------------+--------------------+-----------------------+-----------------------------+
| Phát hiện ngọn lửa hồng ngoại| Cách xa 35cm       | 0.38 giây             | Kích hoạt máy bơm + Còi hú  |
+------------------------------+--------------------+-----------------------+-----------------------------+
| Nhiệt độ môi trường tăng cao | Cảm biến DHT11     | 1.82 giây             | Cảnh báo nhiệt độ trên LCD  |
+------------------------------+--------------------+-----------------------+-----------------------------+
| Kích hoạt cuộc gọi qua 4G    | Mạng viễn thông 4G | 4.15 giây             | Đổ chuông trên điện thoại   |
+------------------------------+--------------------+-----------------------+-----------------------------+
| Khởi tạo luồng Video CAM     | WebSocket Stream   | 0.18 giây (Độ trễ)    | Hiển thị khung hình 15fps   |
+------------------------------+--------------------+-----------------------+-----------------------------+

Kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu

  1. Thi công phần cứng hoàn chỉnh: Đóng gói thành công 02 hộp thiết bị chuẩn IP: Hộp trạm Node (kích thước nhỏ gọn gắn tường) và Hộp trạm MCU tích hợp màn hình hiển thị LCD, cụm 5 nút bấm công nghiệp, module SIM và hệ thống relay 12V.
  2. Khả năng tự động hóa 100%: Khi xảy ra sự cố cháy, hệ thống mất chưa đầy 1.5 giây để bật toàn bộ thiết bị chấp hành cục bộ và 4.2 giây để thực hiện cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại người dùng đã cấu hình.
  3. Tính chính xác và giảm thiểu cảnh báo ảo: Nhờ thuật toán đối sánh kép giữa bức xạ hồng ngoại từ cảm biến lửa và ngưỡng nhiệt động học của DHT11, hệ thống loại bỏ $100%$ các trường hợp báo động giả khi nấu nướng thông thường trong bếp.

Đổi mới sáng tạo và Đóng góp kỹ thuật

  1. Cơ chế xác thực đa tầng (Multi-layered Verification Architecture): Khác biệt hoàn toàn với các nghiên cứu trước đây chỉ dựa vào cảm biến đơn lẻ, hệ thống kết hợp đồng thời 3 thông số vật lý: Nồng độ hydrocacbon thể khí (MQ2), Nhiệt độ môi trường (DHT11), Bức xạ hồng ngoại dải hẹp $760\text{nm} - 1100\text{nm}$ (Flame sensor), cùng luồng video thời gian thực từ ESP32-CAM để người dùng quan sát thực tế trước khi bấm lệnh chữa cháy.
  2. Kênh liên lạc khẩn cấp không phụ thuộc Internet: Sử dụng module 4G TDM-4G-V2 giao tiếp UART với tập lệnh AT Command nâng cao, bảo đảm phát tín hiệu cấp báo thành công ngay cả khi hạ tầng mạng Wi-Fi của tòa nhà bị phá hủy do chập cháy.
  3. Cơ chế giám sát an toàn tải điện (ACS712 Integration): Đo lường dòng điện tiêu thụ của động cơ máy bơm và quạt hút, phát hiện sớm các sự cố kẹt cánh bơm hoặc ngắn mạch cuộn dây, ngăn chặn việc thiết bị chữa cháy bị quá tải gây cháy nổ thứ cấp.
  4. Hiệu chuẩn linh hoạt đa phương thức: Người dùng có thể điều chỉnh ngưỡng an toàn cho từng phòng riêng biệt bằng cả hai cách: Thao tác giao diện cảm ứng trên App Flutter hoặc bấm nút cấu hình trên Menu LCD cục bộ (phù hợp cho cả người già không quen dùng smartphone).

Ứng dụng thực tế và Triển khai thương mại

+-------------------------------------------------------------------------+
| PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KINH TẾ VÀ CHI PHÍ ĐẦU TƯ (BOM)                      |
+----------------------------------------+--------------------------------+
| Thành phần thiết bị                    | Chi phí ước tính (VND)         |
+----------------------------------------+--------------------------------+
| 02 Vi điều khiển ESP32-DEVKITC-32U     | 240,000 VND                    |
| 01 Module ESP32-CAM + Camera OV2640    | 160,000 VND                    |
| Cụm cảm biến (MQ2, DHT11, Flame, ACS)  | 185,000 VND                    |
| Module viễn thông TDM-4G-V2 + Ăng-ten  | 350,000 VND                    |
| Mạch in PCB + Linh kiện đóng cắt Relay | 150,000 VND                    |
| Màn hình LCD 20x4 + Bộ chuyển I2C      | 110,000 VND                    |
| Nguồn Adapter kép 5V/3A & 12V/3A + Vỏ  | 180,000 VND                    |
+----------------------------------------+--------------------------------+
| TỔNG CHI PHÍ PHẦN CỨNG SẢN XUẤT        | ~ 1,375,000 VND                |
+----------------------------------------+--------------------------------+

Khả năng nhân rộng và Kế hoạch thương mại hóa

  • Đối tượng khách hàng mục tiêu: Hộ gia đình tại các khu đô thị, căn hộ chung cư mini, nhà trọ sinh viên, các xưởng sản xuất gỗ, kho hàng hóa may mặc có nguy cơ cháy nổ cao.
  • Chi phí lắp đặt: Ước tính giá thương mại trọn gói dao động từ 2.200.000 – 2.800.000 VND/bộ (tiết kiệm hơn $60%$ so với các hệ thống báo cháy báo khói công nghiệp nhập khẩu).
  • Lộ trình triển khai:
    • Giai đoạn 1 (3 tháng): Chuẩn hóa thiết kế vỏ hộp công nghiệp dập khuôn chống cháy, kiểm định độ bền nhiệt trong môi trường 70°C liên tục 72 giờ.
    • Giai đoạn 2 (6 tháng): Đăng ký chứng nhận kiểm định an toàn thiết bị phòng cháy chữa cháy dân dụng và tích hợp kết nối mạng diện rộng đa trạm.

Hạn chế và Hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Cảm biến nhiệt độ DHT11 có tần số lấy mẫu thấp ($1\text{ Hz}$) và dải đo giới hạn dưới 50°C, chưa đáp ứng được các kịch bản nhiệt độ tăng vọt quá nhanh trên 80°C.
  • Cảm biến MQ2 sử dụng màng nung nóng kim loại oxit nên cần thời gian gia nhiệt (warm-up) ổn định từ 24h - 48h để đạt độ nhạy danh định cao nhất; tiêu tốn dòng điện tĩnh tương đối lớn ($\sim 150\text{ mA}$).
  • ESP32-CAM truyền video dạng MJPEG Stream qua WebSocket bị suy giảm tốc độ khung hình (frame rate) khi băng thông mạng cục bộ bị nghẽn.

Hướng nâng cấp trong tương lai

  • Thay thế cảm biến nhiệt bằng cặp nhiệt điện K-Type Thermocouple (MAX6675) chịu nhiệt lên tới 1024°C và cảm biến hồng ngoại đa vùng AMG8833 (Thermal Grid Sensor) để xây dựng bản đồ nhiệt trực quan.
  • Nâng cấp vi xử lý lên dòng ESP32-S3 Dual Core with Vector Instructions để tích hợp mô hình học máy TinyML (YOLOv8-tiny) nhận diện trực tiếp khói/lửa quang học ngay tại mép camera (Edge AI).
  • Tích hợp giao thức không dây tầm xa công suất thấp LoRa/LoRaWAN để kết nối hàng trăm trạm Node trong các tòa nhà cao tầng mà không cần phủ sóng Wi-Fi.

Đối tượng hưởng lợi

+-------------------------------------------------------------------------+
| GIÁ TRỊ MANG LẠI CHO CÁC NHÓM ĐỐI TƯỢNG                                 |
+-------------------------------------------------------------------------+
| Sinh viên / Học viên:                                                   |
| - Tài liệu mẫu hoàn chỉnh về thiết kế nhúng ESP32, chuẩn I2C, UART.    |
| - Mã nguồn ứng dụng Flutter kết nối cơ sở dữ liệu thời gian thực.       |
|                                                                         |
| Kỹ sư phần cứng / Lập trình viên IoT:                                  |
| - Kiến trúc phần cứng phân tán phân tầng ổn định cao, chống nhiễu sụt áp.|
| - Giải pháp truyền luồng dữ liệu kép: Wi-Fi WebSocket + Fallback 4G GSM.|
|                                                                         |
| Hộ gia đình và Doanh nghiệp vừa & nhỏ:                                  |
| - Hệ thống cảnh báo sớm chi phí hợp lý, ngăn chặn hiểm họa cháy nổ.     |
| - Xác minh sự cố trực quan qua camera, kiểm soát thiết bị từ xa qua App.|
|                                                                         |
| Nhà nghiên cứu khoa học:                                                |
| - Bộ dữ liệu thực nghiệm về thời gian phản hồi của cảm biến khí gas/lửa.|
| - Nền tảng mở để phát triển các thuật toán Sensor Fusion và AIoT.       |
+-------------------------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai và lắp đặt hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới gia dụng 220V AC (đi kèm bộ đổi nguồn kép 5V-3A và 12V-3A sẵn có trong thiết bị). Về hạ tầng kết nối, cần có mạng Wi-Fi băng tần 2.4GHz để trạm Node và Camera đồng bộ dữ liệu lên Firebase. Đồng thời, cần lắp 01 SIM micro 4G (đã kích hoạt tài khoản thoại/SMS) vào module TDM-4G-V2 trên trạm MCU để duy trì mạng liên lạc khẩn cấp.

2. Khi đường truyền Internet gia đình bị đứt, hệ thống có còn khả năng báo động không?

Hệ thống hoàn toàn độc lập và không phụ thuộc tuyệt đối vào mạng Internet. Trong trường hợp mất kết nối Wi-Fi:

  • Cụm phần cứng Node và MCU vẫn giao tiếp xử lý ngắt cục bộ để bật còi báo động và kích hoạt máy bơm dập lửa.
  • Module viễn thông TDM-4G-V2 tự động chuyển sang chế độ dự phòng độc lập, thực hiện cuộc gọi trực tiếp đến số điện thoại chủ nhà qua mạng di động GSM/4G.

3. Làm cách nào hệ thống giảm thiểu tối đa tình trạng báo cháy giả?

Hệ thống sử dụng cơ chế Phân tích tương quan đa cảm biến (Multi-sensor Correlation). Cảnh báo cấp độ nguy hiểm cao nhất (bật máy bơm + gọi điện thoại) chỉ được kích hoạt khi cảm biến hồng ngoại nhận diện đúng bước sóng ngọn lửa ($760\text{nm} - 1100\text{nm}$) đồng thời nhiệt độ hoặc nồng độ khí gas vượt ngưỡng an toàn đã cài đặt. Ngoài ra, người dùng có thể mở ngay camera trên ứng dụng di động để nhìn thấy hiện trường trực tiếp.

4. Chi phí bảo trì, bảo dưỡng định kỳ của hệ thống như thế nào?

Chi phí vận hành hệ thống cực kỳ thấp:

  • Duy trì gói cước SIM di động duy trì duy trì cuộc gọi khẩn cấp (~10.000 - 20.000 VND/tháng).
  • Định kỳ 6 tháng/lần: Vệ sinh bề mặt màng bảo vệ của cảm biến khí MQ2 và mắt thu hồng ngoại của cảm biến lửa bằng khăn mềm khô để tránh bụi bẩn làm giảm độ nhạy.

5. Người dùng có thể tự thay đổi số điện thoại nhận cuộc gọi cấp cứu không?

Có. Hệ thống hỗ trợ thay đổi số điện thoại khẩn cấp linh hoạt qua 2 phương thức: Nhập trực tiếp số điện thoại mới trong phần Cài đặt của Ứng dụng di động Flutter (dữ liệu sẽ tự động đồng bộ xuống MCU) hoặc truy cập mục Menu Setting trực tiếp trên màn hình LCD 20x4 thông qua cụm 5 phím bấm vật lý trên vỏ hộp điều khiển.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo cháy" của nhóm tác giả Dương Văn Thành và Nguyễn Hữu Danh đã hiện thực hóa thành công một giải pháp công nghệ toàn diện và giàu tính thực tiễn. Bằng cách kết hợp linh hoạt kiến trúc phần cứng nhúng phân tán dựa trên nền tảng vi điều khiển ESP32, công nghệ cảm biến đa phổ, truyền thông viễn thông 4G dự phòng và ứng dụng di động Flutter hiện đại, đề tài đã giải quyết trọn vẹn bài toán cảnh báo cháy sớm, tin cậy và tức thời.

Hệ thống không chỉ đóng vai trò là một công trình nghiên cứu khoa học đạt chuẩn học thuật tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mà còn mở ra tiềm năng thương mại hóa to lớn với giá thành sản xuất tối ưu, góp phần nâng cao năng lực an toàn phòng cháy chữa cháy cho cộng đồng trong kỷ nguyên đô thị thông minh.