Giới thiệu dự án

Sự cố rò rỉ khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquified Petroleum Gas) là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra các vụ cháy nổ thảm khốc tại khu dân cư và cơ sở sản xuất. Theo thống kê từ Cục Cảnh sát Phòng cháy, chữa cháy và Cứu nạn, cứu hộ (PCCC & CNCH) – Bộ Công an, chỉ trong quý I năm 2021, toàn quốc đã xảy ra 627 vụ cháy nhà dân (chiếm 57% tổng số vụ cháy của cả năm 2020), trong đó bất cẩn trong sử dụng gas và thiết bị sinh lửa chiếm tỷ trọng chủ yếu. LPG gồm hai thành phần chính là Propan ($C_3H_8$) và Butan ($C_4H_{10}$) với tỷ lệ phối trộn công nghiệp tại Việt Nam dao động từ 20:80 đến 30:70. Ở thể hơi, tỷ trọng của Butan bằng 2.01 và Propan bằng 1.52 so với không khí; do đó, khi rò rỉ, khí gas chìm sát mặt đất, len lỏi vào các góc trũng kín gió tạo thành hỗn hợp nguy hiểm sẵn sàng phát nổ khi đạt giới hạn nổ dưới (LEL - Lower Explosive Limit) từ 1.8% đến 2.1%.

Các thiết bị cảnh báo gas đơn lẻ trên thị trường bộc lộ nhiều điểm yếu: không có khả năng liên kết mạng, không lưu trữ dữ liệu tập trung, không giám sát được tình trạng nguồn pin từ xa, và tiêu tốn nhiều năng lượng. Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế Hệ Thống Mạng Cảm Biến Đo Và Cảnh Báo Rò Rỉ Khí Gas" được nghiên cứu và thực hiện bởi sinh viên Chu Văn Tình và Nguyễn Quang Huy (Khoa Tự động hóa, Trường Điện – Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội) dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Việt Sơn nhằm giải quyết triệt để bài toán trên.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                             KIẾN TRÚC TỔNG THỂ WSN                             |
|                                                                               |
|  [ Nút Cảm Biến 1 ] ---\                                                     |
|  (ATmega8 + MQ-5)       \                                                     |
|                          +--> [ Trạm Thu Thập / Gateway ] ---> [ Webserver ]  |
|  [ Nút Cảm Biến 2 ] ---/      (NodeMCU ESP8266 + LCD)          (Giám sát LAN) |
|  (ATmega8 + MQ-5)    (Zigbee 2.4GHz)         \                                |
|                                               +--------------> [ Cloud DB ]   |
|                                                                (Google Sheets)|
+-------------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu của dự án:

  1. Nghiên cứu, thiết kế phần cứng và phần mềm cho Nút cảm biến (Sensor Node) độc lập sử dụng vi điều khiển ATmega8, cảm biến nồng độ khí gas MQ-5, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và module truyền thông không dây Zigbee CC2530.
  2. Tối ưu hóa năng lượng cho nút cảm biến dùng pin sạc Li-ion 18650 thông qua giải pháp đóng/ngắt chu kỳ nguồn buồng đốt cảm biến bằng transistor công suất.
  3. Thiết kế Trạm thu thập dữ liệu trung tâm (Gateway/Coordinator) sử dụng SoC NodeMCU ESP8266 kết hợp Zigbee CC2530 và màn hình LCD 16x2 giao tiếp I2C.
  4. Xây dựng giao diện Webserver nội mạng thời gian thực và tích hợp đồng bộ dữ liệu không dây lên cơ sở dữ liệu đám mây Google Sheets thông qua giao thức HTTP/Google Apps Script Webhook.
  5. Kiểm nghiệm khả năng truyền nhận tín hiệu RF trong môi trường thực tế (ít vật cản và nhiều vật cản) cùng độ chính xác của các thuật toán ước lượng dung lượng pin, tính toán nồng độ ppm.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khảo sát thị trường cho thấy các thiết bị cảnh báo rò rỉ gas thương mại như Kawasan KW-GL05, KVL-602, Robot Gas RB-668 sở hữu một số ưu điểm nhưng tồn tại nhiều hạn chế kỹ thuật:

Tiêu chí Thiết bị thương mại (Kawasan, KVL, Robot Gas) Hệ thống mạng cảm biến WSN đề xuất
Cấu trúc mạng Đơn lẻ (Standalone), chuông báo tại chỗ Mạng cảm biến không dây Zigbee (Star/Mesh Topology)
Giám sát từ xa Không hỗ trợ hoặc dùng module GSM đắt đỏ Tích hợp Webserver trực quan + Cloud Database Google Sheets
Nguồn cấp Cắm điện 220VAC cố định, mất tác dụng khi mất điện Pin Li-ion 18650 3.7V tích hợp mạch sạc Boost IP5306 5V
Quản lý năng lượng Đốt nóng cảm biến 100% thời gian Chu kỳ ngủ/đo (Duty cycle 15 phút), ngắt buồng đốt tiết kiệm pin
Hiệu chuẩn & Thuật toán Cảnh báo nhị phân (Bật/Tắt còi) cố định Tính toán giá trị nồng độ ppm chính xác qua hàm hồi quy Log-Log
Khả năng mở rộng Không thể ghép nối đa điểm Đánh địa chỉ ID phần cứng qua DIP switch 4-bit (hỗ trợ tối đa 16 node)

Nghiên cứu nguyên lý đo khí gas cho thấy 5 phương pháp phổ biến: Điện hóa (Electrochemical), Đốt xúc tác (Catalytic combustion), Hồng ngoại (NDIR), Quang hóa (PID), và Chất bán dẫn Oxit kim loại (MOS - Metal Oxide Semiconductor). Phương pháp bán dẫn $SnO_2$ (dòng MQ-5) được lựa chọn nhờ chi phí thấp, phản ứng cực nhạy với LPG/Isobutan/Propan, mạch đo đơn giản và độ bền cơ học cao.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      BẢNG YÊU CẦU HỆ THỐNG THEO MÔ HÌNH MOSCOW                |
+-------------------+-----------------------------------------------------------+
| Must-Have (Bắt buộc) | Đo ppm gas, cảnh báo còi/led tại chỗ, truyền Zigbee, Web UI|
| Should-Have (Nên có)| Thuật toán hồi quy pin bậc ba, ghi Google Sheets qua HTTPS |
| Could-Have (Có thể)| Đọc nhiệt độ/độ ẩm DHT11, cấu hình ngưỡng pin từ Web     |
| Won't-Have (Tương lai)| Bù trôi nhiệt ẩm tự động bằng mạng nơ-ron ANN (MISO)    |
+-------------------+-----------------------------------------------------------+

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc phần cứng và công nghệ bao gồm các khối chức năng được lựa chọn và tính toán chuẩn xác:

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       SƠ ĐỒ KHỐI PHẦN CỨNG CHI TIẾT                           |
|                                                                               |
|  [ KHỐI NGUỒN NODE ]                                                          |
|  Pin 18650 2200mAh ---> IC IP5306 (5V) ---> IC AMS1117-3.3 (3.3V)             |
|                                                                               |
|  [ KHỐI XỬ LÝ & ĐO ]                                                          |
|  Transistor 2N2222 (Bão hòa) ---> Điện trở đốt MQ-5 (31 Ohm)                  |
|  MQ-5 Aout -----------------------> ADC0 (PC0) - ATmega8                      |
|  VBAT Pin ------------------------> ADC1 (PC1) - ATmega8                      |
|  DHT11 Data ----------------------> PB0 (1-Wire) - ATmega8                    |
|  DIP Switch SWDIP4 ---------------> PB2..PB5 (Address Code)                   |
|                                                                               |
|  [ KHỐI TRUYỀN THÔNG ]                                                        |
|  ATmega8 (TX/RX) <--- UART 9600bps ---> Zigbee CC2530 (Router)               |
|                                    ^                                          |
|                             Sóng RF 2.4GHz                                    |
|                                    v                                          |
|  ESP8266 (D6/D7) <--- UART 9600bps ---> Zigbee CC2530 (Coordinator)          |
|  ESP8266 (D1/D2) <--- I2C (PCF8574)---> Màn hình LCD 16x2                    |
+-------------------------------------------------------------------------------+
  • Vi điều khiển Node: Microchip/Atmel ATmega8-16PU (Kiến trúc RISC 8-bit, 8KB Flash, 1KB SRAM, 512B EEPROM, 6 kênh ADC 10-bit).
  • Cảm biến khí Gas: Hanwei MQ-5, chuyên dụng phát hiện LPG và khí tự nhiên.
  • Truyền thông không dây: Module Zigbee CC2530 DL-20 (Texas Instruments SoC CC2530F256, chuẩn IEEE 802.15.4, công suất phát 4.5 dBm, tần số 2.4 GHz).
  • Trạm trung tâm (Gateway): NodeMCU V3 Lolin ESP8266 (SoC Tensilica L106 32-bit, tích hợp WiFi 802.11 b/g/n, giao tiếp UART và I2C).
  • Quản lý nguồn: IC nguồn tuyến tính AMS1117-3.3V (Dòng ra cực đại 1A), Mạch tăng áp & sạc thông minh IP5306 (Hiệu suất 92.5%, ngõ ra 5V/2A), Cell pin Lithium-ion 18650 dung lượng 2200mAh.

Methodology

Dự án được triển khai trong thời gian 15 tuần theo quy trình kỹ thuật hệ thống kết hợp lặp từng phần (Iterative Prototyping):

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       LỘ TRÌNH THỰC HIỆN 15 TUẦN                              |
|                                                                               |
| [Tuần 1-3]  Nghiên cứu nguyên lý đo gas, chuẩn Zigbee, khảo sát thị trường    |
| [Tuần 4-6]  Tính toán linh kiện, thiết kế sơ đồ nguyên lý trên Proteus        |
| [Tuần 7-9]  Thiết kế layout mạch in PCB trên Altium Designer & Gia công board |
| [Tuần 10-12]Lập trình firmware C (CodeVisionAVR), thuật toán Webserver/Sheets |
| [Tuần 13-14]Thử nghiệm thực địa cự ly truyền dẫn, đánh giá tiêu thụ pin       |
| [Tuần 15]   Tổng hợp dữ liệu, nghiệm thu chức năng và bảo vệ đồ án            |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Implementation và kết quả

Development process

1. Thuật toán tính nồng độ khí gas ppm từ cảm biến MQ-5

Điện trở bề mặt cảm biến $R_S$ thay đổi theo nồng độ khí gas. Mạch cầu phân áp với điện trở tải $R_L = 20,\text{k}\Omega$ cho biểu thức:

$$R_S = \frac{V_{CC} - V_{analog}}{V_{analog}} \times R_L = \left( \frac{5}{V_{analog}} - 1 \right) \times 20,\text{k}\Omega$$

Trong không khí sạch, tỷ số chuẩn từ datasheet nhà sản xuất là $\frac{R_S}{R_0} = 6.5$. Tại bước khởi tạo, vi điều khiển tính giá trị $R_0 = \frac{R_{S,\text{clean}}}{6.5}$.

Mối quan hệ giữa nồng độ $x$ (ppm) và tỷ số $y = \frac{R_S}{R_0}$ trên thang log-log được mô hình hóa theo dạng tuyến tính: $\log(y) = m \cdot \log(x) + b$. Lấy hai điểm chuẩn trên đường đặc tính khí LPG từ datasheet: $(x_1, y_1) = (200, 0.7)$ và $(x_2, y_2) = (5000, 0.2)$:

$$m = \frac{\log(0.2) - \log(0.7)}{\log(5000) - \log(200)} \approx -0.3892$$ $$b = \log(0.7) - (-0.3892) \cdot \log(200) \approx 0.7406$$

Từ đó, công thức giải mã nồng độ gas ppm nạp vào vi điều khiển là:

$$\text{ppm} = 10^{\left( \frac{\log(R_S / R_0) - 0.7406}{-0.3892} \right)}$$

2. Tối ưu năng lượng chu kỳ và định thời ngắt Timer 1

Cảm biến MQ-5 có điện trở đốt trong $R_{đốt} = 31,\Omega \pm 2,\Omega$, tiêu thụ dòng làm việc liên tục:

$$I_{đốt} = \frac{5,\text{V}}{33,\Omega} \approx 151.5,\text{mA} \implies P \approx 750,\text{mW}$$

Để giải quyết tình trạng cạn pin nhanh, mạch sử dụng transistor lưỡng cực NPN 2N2222 đóng cắt nguồn cấp buồng đốt. Để transistor hoạt động ở chế độ bão hòa hoàn toàn:

  • $I_C = 150,\text{mA}$, hệ số khuếch đại $\beta = 100 \implies I_B \ge \frac{I_C}{\beta} = 1.5,\text{mA}$.
  • Điện áp ngõ ra vi điều khiển $V_{OH} = 5,\text{V}$, $V_{BEsat} = 0.7,\text{V} \implies R_B \le \frac{5 - 0.7}{1.5 \times 10^{-3}} = 2866,\Omega$. Chọn $R_B = 1,\text{k}\Omega$ ($R_{20}$).

Nút cảm biến hoạt động theo chu kỳ 15 phút (900 giây). Trong 900s, transistor chỉ mở cấp nguồn cho MQ-5 trong 20s đầu để nung nóng và lấy mẫu đo, 880s còn lại buồng đốt được ngắt hoàn toàn.

Vi điều khiển ATmega8 chạy thạch anh nội 8 MHz, sử dụng bộ chia tần Timer 1 (Prescaler) là 256. Chu kỳ đếm: $T_{tick} = \frac{256}{8 \times 10^6} = 32,\mu\text{s}$. Số xung cần đếm để đạt thời gian 1 giây: $N = \frac{1}{32 \times 10^{-6}} = 31250,\text{xung}$. Giá trị nạp ban đầu cho thanh ghi đếm 16-bit TCNT1:

$$\text{TCNT1} = 65536 - 31250 = 34286 = \text{0x85EE}$$

// Trích đoạn chương trình ngắt Timer1 và xử lý bản tin UART (ATmega8)
#include <mega8.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

volatile unsigned int T = 0;
char rx_buffer[30];

interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void) {
    TCNT1 = 0x85EE; // Nạp lại giá trị để ngắt mỗi 1 giây
    T++;
}

void parse_zigbee_packet(char* packet, char* my_node_id) {
    char *token = strtok(packet, ",");
    if (token != NULL && strcmp(token, my_node_id) == 0) {
        token = strtok(NULL, ",");
        if (token != NULL && strcmp(token, "SEND") == 0) {
            // Gửi dữ liệu đo lưu trong EEPROM về Gateway
            send_sensor_data();
            token = strtok(NULL, ",");
            if (token != NULL) {
                // Cập nhật ngưỡng cảnh báo năng lượng nếu có
                update_battery_threshold(atoi(token));
            }
        }
    }
}

3. Mô hình hồi quy tính dung lượng Pin Lithium-ion

Đặc tính xả của pin 18650 2200mAh phi tuyến mạnh. Đồ án sử dụng công cụ hồi quy Planetcalc phân tích tập dữ liệu điện áp xả thực nghiệm để tìm hàm quan hệ giữa dung lượng còn lại $C$ (%) và điện áp đo $V$ (Volt):

$$\text{Mô hình bậc 3: } C \approx -96.53\cdot V^3 + 1099.64\cdot V^2 - 4022.39\cdot V + 4744.18$$

Sai số tương đối trung bình (MAPE) của các mô hình hồi quy được kiểm chứng:

  • Hồi quy tuyến tính: Sai số $15.8%$
  • Hồi quy bậc hai: Sai số $9.1%$
  • Hồi quy bậc ba: Sai số thấp nhất $6.4%$ (Được chọn cài đặt vào firmware)
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG NÚT CẢM BIẾN TRONG 1 CHU KỲ (15 PHÚT) |
+----------------------+------------------+------------------+------------------+
| Khối chức năng       | Dòng tiêu thụ    | Thời gian bật    | Năng lượng (mWs) |
+----------------------+------------------+------------------+------------------+
| Cảm biến DHT11       | 2.5 mA @ 3.3V    | 900 s            | 7,425            |
| Vi điều khiển ATmega8| 5.0 mA @ 3.3V    | 900 s            | 14,850           |
| Zigbee CC2530 (Sleep)| 3.0 mA @ 3.3V    | 900 s            | 8,910            |
| Buồng đốt MQ-5       | 150.0 mA @ 5.0V  | 20 s             | 15,000           |
| Tổng năng lượng/chu kỳ| -                | 900 s (15 phút)  | 46,185 mWs       |
+----------------------+------------------+------------------+------------------+
| Năng lượng pin 18650 | 2200mAh x 3.7V   | = 29,304,000 mWs | Thời gian sống:  |
| khả dụng (lý thuyết) |                  |                  | ~ 6.6 ngày       |
+----------------------+------------------+------------------+------------------+

Testing và validation

1. Kiểm nghiệm khoảng cách truyền dẫn RF Zigbee CC2530

Thực nghiệm đo khoảng cách truyền nhận gói tin không mất dữ liệu giữa Node và Trạm:

  • Môi trường thông thoáng (Line-of-Sight): Đạt cự ly tối đa $131.24,\text{m}$.
  • Môi trường nhiều vật cản (Xuyên qua 3 lớp tường gạch dày $10,\text{cm}$): Đạt cự ly tối đa $62.82,\text{m}$.

2. Kiểm nghiệm kịch bản rò rỉ khí gas và pin yếu

  • Kịch bản 1 (Rò rỉ Gas): Phụt khí gas thử nghiệm vào Node 1. Nồng độ đo vọt lên $2807,\text{ppm}$ ($> 1800,\text{ppm}$ ngưỡng cài đặt). Còi buzzer phát âm thanh báo động $> 80,\text{dB}$, đèn LED đỏ nhấp nháy liên tục. Trạm nhận bản tin hiển thị cảnh báo lên LCD 16x2. Giao diện Webserver chuyển khối Node 1 sang trạng thái cảnh báo màu đỏ và đẩy bản ghi lên Google Sheets theo thời gian thực.
  • Kịch bản 2 (Cảnh báo pin yếu & Điều khiển 2 chiều): Khi điện áp pin sụt xuống dưới ngưỡng mặc định $45%$, Node kích hoạt LED vàng và thông báo về Webserver. Người vận hành nhấn nút "Tắt cảnh báo" trên giao diện Web; lệnh được gửi xuống Trạm và chuyển tiếp đến Node ở chu kỳ phát tiếp theo để tắt LED thành công.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC SO VỚI MỤC TIÊU BAN ĐẦU                 |
+---------------------------------------+--------------------+------------------+
| Mục tiêu đề ra                        | Trạng thái         | Kết quả thực tế  |
+---------------------------------------+--------------------+------------------+
| Phần cứng mạch in PCB Node & Trạm    | Hoàn thành 100%    | Thiết kế Altium  |
| Đọc nồng độ gas, nhiệt độ, độ ẩm      | Hoàn thành 100%    | Sai số gas < 5%  |
| Tính toán dung lượng pin còn lại      | Hoàn thành 100%    | Sai số MAPE 6.4% |
| Truyền thông mạng Zigbee 2.4GHz       | Hoàn thành 100%    | Tầm xa 62 - 131m |
| Giao diện Webserver & Cloud Database  | Hoàn thành 100%    | Google Sheets API|
| Đóng vỏ hộp công nghiệp hoàn chỉnh    | Đạt 80% (Gia công) | Cần in 3D tối ưu |
+---------------------------------------+--------------------+------------------+

Đổi mới và đóng góp

  1. Kỹ thuật ngắt chu kỳ buồng đốt (Duty-Cycled Sensor Preheating): Giải quyết triệt để rào cản năng lượng của cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn. Việc tắt nguồn buồng đốt trong 880s trên mỗi chu kỳ 900s giúp giảm năng lượng tiêu thụ của cảm biến hơn $97.7%$ so với việc cấp nguồn liên tục ($15,000,\text{mWs}$ so với $675,000,\text{mWs}$).
  2. Xây dựng hàm ước lượng dung lượng pin phi tuyến bậc 3: Khác với các hệ thống đo pin tuyến tính đơn giản gây sai số lên tới $15.8%$, mô hình đa thức bậc 3 phản ánh chính xác vùng xả phẳng của pin Li-ion, đưa sai số xuống mức $6.4%$.
  3. Cấu hình địa chỉ mạng động qua DIP Switch 4-bit: Cho phép gán cứng địa chỉ phần cứng cho từng Node (từ 0000 đến 1111) mà không cần nạp lại mã nguồn vi điều khiển, giúp việc thay thế, mở rộng Node trong mạng Zigbee diễn ra tức thì.
  4. Giải pháp Cloud Database không tốn phí bản quyền: Sử dụng Google Apps Script làm cầu nối trung gian chuyển tiếp HTTPS POST từ ESP8266 vào Google Sheets, cung cấp hệ thống lưu trữ dung lượng 15GB với hạn ngạch 50,000 bản ghi/ngày hoàn toàn miễn phí.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Hệ thống được thiết kế đặc thù cho các bài toán an toàn phòng cháy chữa cháy dân dụng và bán công nghiệp:

  • Hộ gia đình và chung cư: Lắp đặt tại gian bếp, vị trí sát sàn từ $20 - 30,\text{cm}$, cách bình gas từ $1 - 1.5,\text{m}$.
  • Nhà hàng, khách sạn, bếp ăn tập thể: Nơi có hệ thống dàn bình gas công nghiệp $45,\text{kg}$, khoảng cách truyền dẫn Zigbee $60,\text{m}$ xuyên tường đáp ứng hoàn hảo không gian nhà bếp rộng.
  • Kho chứa hóa chất, trạm chiết nạp gas: Giám sát tập trung nhiều điểm đo về một Gateway duy nhất qua giao diện Web nội bộ.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      DỰ TOÁN BẢNG CHI PHÍ LINH KIỆN (BOM) / 1 NODE             |
+-----------------------------------------------+-------------------------------+
| Linh kiện / Module                            | Đơn giá ước tính (VND)        |
+-----------------------------------------------+-------------------------------+
| Vi điều khiển ATmega8-16PU                    | 22,000                        |
| Cảm biến khí gas Hanwei MQ-5                  | 35,000                        |
| Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11               | 25,000                        |
| Module Zigbee CC2530 DL-20 (UART)             | 95,000                        |
| Mạch sạc Boost 5V IP5306 + Cell pin 18650     | 65,000                        |
| IC nguồn AMS1117-3.3, Transistor 2N2222, PCB  | 35,000                        |
| Còi báo động Buzzer 5V, LED, phụ kiện         | 15,000                        |
+-----------------------------------------------+-------------------------------+
| TỔNG CHI PHÍ SẢN XUẤT 1 NODE                  | ~ 292,000 VND (~ 12.5 USD)    |
+-----------------------------------------------+-------------------------------+

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại:

  • Độ trôi cảm biến theo nhiệt ẩm: Cảm biến MQ-5 có đặc tính bị dịch chuyển điện trở theo nhiệt độ và độ ẩm môi trường. Đồ án đã tích hợp DHT11 để ghi nhận dữ liệu môi trường nhưng chưa xây dựng được hàm bù tự động do thiếu buồng kiểm chuẩn vi khí hậu chính xác.
  • Thời lượng pin thực tế: Với chu kỳ 15 phút, thời gian sống của pin 2200mAh đạt xấp xỉ 6.6 ngày. Con số này cần tiếp tục tối ưu hóa nếu muốn triển khai thương mại quy mô lớn.
  • Độ trễ điều khiển ngược: Do bản tin gửi từ Trạm xuống Node đồng bộ theo chu kỳ 15 phút/lần, các lệnh điều khiển cấu hình mức pin từ Webserver có thể chịu độ trễ tối đa 15 phút.

Hướng phát triển:

  1. Thuật toán bù sai số phi tuyến MISO (Multi-Input Single-Output): Áp dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) hoặc thuật toán tối ưu phi tuyến Levenberg-Marquardt để xây dựng hàm bù sai số nồng độ $R(t) = f(C(t), H(t), T(t))$.
  2. Nâng cấp thời lượng hoạt động: Sử dụng khối pin dung lượng cao $5400,\text{mAh}$ kết hợp cơ chế Deep-Sleep toàn phần cho ATmega8 (đưa dòng nghỉ về mức $\mu\text{A}$), nâng tuổi thọ pin lên từ $6 - 12$ tháng.
  3. Cơ cấu chấp hành tự động: Tích hợp rơ-le điều khiển đóng van điện từ (Solenoid Valve) tự động ngắt nguồn cấp gas và kích hoạt quạt thông gió chống cháy nổ khi nồng độ vượt ngưỡng $1800,\text{ppm}$.

Đối tượng hưởng lợi

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      GIÁ TRỊ MANG LẠI CHO CÁC NHÓM ĐỐI TƯỢNG                   |
|                                                                               |
|  [ SINH VIÊN & HỌC VIÊN ]                                                     |
|  - Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về mạng WSN Zigbee và VĐK AVR          |
|  - Nắm vững quy trình thiết kế mạch nhúng từ Altium đến nạp firmware C       |
|                                                                               |
|  [ KỸ SƯ & DEVELOPER ]                                                        |
|  - Mẫu thiết kế phần cứng chuẩn cho mạch đo cảm biến khí MOS tiết kiệm điện  |
|  - Phương pháp tích hợp Webserver nhúng ESP8266 với Google Sheets qua Script  |
|                                                                               |
|  [ DOANH NGHIỆP & CƠ SỞ F&B ]                                                 |
|  - Giải pháp cảnh báo sớm rò rỉ gas chi phí thấp (< 300k/node), dễ lắp đặt    |
|  - Giám sát tập trung không dây, lưu trữ vết sự cố minh bạch                  |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai và nạp lại hệ thống này là gì?

Người dùng cần máy tính cài đặt phần mềm Altium Designer (để mở và xuất file Gerber mạch in), CodeVisionAVR hoặc Arduino IDE (để biên dịch mã nguồn C cho ATmega8 và ESP8266), mạch nạp USBasp (nạp cho ATmega8) và cáp Micro-USB (nạp cho NodeMCU ESP8266).

2. Giới hạn số lượng Node cảm biến tối đa mà một Trạm Gateway có thể quản lý?

Về phần cứng, công tắc SWDIP4 hỗ trợ cấu hình mã nhị phân 4-bit, cho phép quản lý tối đa $2^4 = 16$ nút cảm biến. Về giao thức mạng Zigbee CC2530, mạng Star/Mesh có thể mở rộng lên hàng chục nút nếu cấu hình bộ nhớ RAM của Coordinator phù hợp.

3. Tại sao vị trí lắp đặt cảm biến MQ-5 bắt buộc phải cách mặt đất 20 - 30cm?

Do khí gas dân dụng (LPG) có thành phần chính là Butan và Propan với tỷ trọng hơi nặng hơn không khí từ $1.52 - 2.01$ lần, khí thoát ra sẽ chìm xuống sàn nhà và tích tụ ở các vùng trũng. Lắp đặt trên cao (như cảm biến khói) sẽ làm mất khả năng phát hiện rò rỉ sớm.

4. Hệ thống có thể hoạt động bình thường khi mất kết nối Internet/WiFi không?

Có. Hệ thống hoạt động độc lập theo cấu trúc phân tầng: chức năng đo, quét ngưỡng và hú còi/bật LED cảnh báo tại chỗ được thực hiện trực tiếp bởi vi điều khiển ATmega8 tại Node; màn hình LCD tại Trạm vẫn nhận và hiển thị thông tin qua sóng nội bộ Zigbee 2.4GHz ngay cả khi không có WiFi/Internet.

5. Chi phí vận hành cơ sở dữ liệu Google Sheets có phát sinh sau này không?

Hoàn toàn không. Dự án tận dụng tài nguyên miễn phí của Google Apps Script và Google Sheets với dung lượng lưu trữ $15,\text{GB}$, cho phép tiếp nhận tới 50,000 bản tin mỗi ngày, đáp ứng hoàn hảo chu kỳ gửi $15,\text{phút/lần}$ của hệ thống mạng cảm biến mà không phát sinh bất kỳ khoản phí duy trì nào.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế Hệ Thống Mạng Cảm Biến Đo Và Cảnh Báo Rò Rỉ Khí Gas" của sinh viên Chu Văn Tình và Nguyễn Quang Huy đã giải quyết xuất sắc bài toán giám sát an toàn cháy nổ khí gas dân dụng. Bằng việc kết hợp hài hòa giữa vi điều khiển ATmega8, công nghệ truyền thông không dây Zigbee CC2530, IoT Gateway ESP8266 và giải thuật điều khiển chu kỳ nguồn buồng đốt thông minh, hệ thống đạt được sự cân bằng tối ưu giữa chi phí sản xuất thấp, độ tin cậy phần cứng cao và khả năng tiết kiệm năng lượng. Kết quả nghiên cứu không chỉ mang giá trị học thuật xuất sắc tại Đại học Bách khoa Hà Nội mà còn mở ra tiềm năng thương mại hóa mạnh mẽ trong lĩnh vực nhà thông minh (Smart Home) và an toàn công nghiệp.