Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG – Liquified Petroleum Gas) là nguồn nhiên liệu phục vụ rộng rãi trong đời sống dân dụng, thương mại và các hoạt động công nghiệp. Thành phần hóa học chính của LPG gồm Propan ($C_3H_8$) và Butan ($C_4H_{10}$) chiếm tối thiểu 95% khối lượng, với tỷ lệ pha trộn thông dụng tại Việt Nam dao động từ 20:80 đến 30:70. Ở trạng thái hơi, tỷ trọng của Butane là 2,01 và Propane là 1,52, nặng hơn không khí khoảng 1,5 đến 2 lần. Do đặc tính vật lý này, khi xảy ra rò rỉ, khí gas có xu hướng chìm xuống dưới, tích tụ tại các vùng trũng kín gió, góc sàn nhà và kho chứa, tạo thành hỗn hợp nguy hiểm khi kết hợp với oxy.

Theo số liệu từ Cục Cảnh sát phòng cháy, chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ (Bộ Công an), trong 3 tháng đầu năm 2021 toàn quốc đã ghi nhận 627 vụ cháy nhà dân (chiếm 57% tổng số vụ cháy của năm 2020), trong đó nguyên nhân trực tiếp bắt nguồn từ sự bất cẩn trong sử dụng nguồn nhiệt, lửa và rò rỉ khí gas. Việc con người hít phải LPG ở nồng độ cao trên 1% có thể gây choáng, chiếm chỗ oxy dẫn đến ngạt thở; đồng thời nhiệt độ ngọn lửa khí gas khi cháy lên tới 1900°C – 1950°C, gây thiệt hại nghiêm trọng về tính mạng và tài sản.

Đề tài "Thiết kế hệ thống mạng cảm biến đo và cảnh báo rò rỉ khí gas" được thực hiện bởi nhóm 02 sinh viên Chu Văn Tình và Nguyễn Quang Huy thuộc ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Trường Điện – Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Việt Sơn. Thời gian thực hiện từ ngày 17/10/2022 đến ngày 05/03/2023 (15 tuần).

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân công cụ thể cho tác giả Chu Văn Tình bao gồm:

  1. Tìm hiểu các hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas trên thị trường.
  2. Nghiên cứu mạng cảm biến không dây (WSN) và các chuẩn truyền thông không dây.
  3. Tính toán, lựa chọn linh kiện cho trạm thu thập số liệu khí gas.
  4. Tính toán, thiết kế sơ đồ nguyên lý trạm thu thập số liệu với các chức năng: kết nối nút cảm biến qua mạng không dây, cài đặt thông số nút cảm biến, kết nối máy tính và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu.
  5. Lập trình tính toán thời gian sống của nút cảm biến và tính toán mức năng lượng pin còn lại.
  6. Mô phỏng mạch nguyên lý bằng phần mềm Proteus, thiết kế mạch in (PCB) bằng phần mềm Altium Designer.
  7. Thử nghiệm thực tế và đánh giá các kết quả đạt được.
  8. Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu là nồng độ khí gas rò rỉ (ppm), nhiệt độ, độ ẩm môi trường, mức năng lượng pin của nút cảm biến và hệ thống mạng truyền thông không dây Zigbee kết hợp WiFi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo thử nghiệm mô hình phần cứng gồm các Node cảm biến và một Trạm trung tâm (Gateway) phục vụ giám sát trong quy mô hộ gia đình hoặc cơ sở dân dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án tổng hợp cơ sở lý thuyết về nguyên lý cháy nổ của chất khí, các tiêu chuẩn an toàn nồng độ giới hạn cháy nổ dưới (LEL) và giới hạn cháy nổ trên (UEL). Đối với không gian hạn chế, mức khí cháy an toàn phải dưới 10% LEL, tương ứng nồng độ bắt đầu kích hoạt cảnh báo rò rỉ khí gas trong đồ án được xác định là từ 1800 ppm trở lên.

Đồ án đã phân tích và so sánh 5 nguyên lý đo khí gas thông dụng:

Phương pháp đo Nguyên lý hoạt động Ưu điểm Nhược điểm
Điện hóa Khí khuếch tán qua màng xốp đến điện cực, xảy ra phản ứng oxy hóa/khử sinh ra dòng điện tỷ lệ tuyến tính với nồng độ khí. Đáp ứng nhanh, đầu ra tuyến tính. Cần oxy, tiêu hao chất điện phân, bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm, áp suất.
Đốt xúc tác Dùng mạch cầu Wheatstone đo sự thay đổi nhiệt độ và điện trở của cuộn dây Pt phủ chất xúc tác khi tiếp xúc với khí cháy. Dễ hiệu chuẩn riêng lẻ, chi phí bảo dưỡng thấp, tuổi thọ cảm biến cao. Dễ bị ngộ độc xúc tác, cần nồng độ oxy tối thiểu 15%, suy giảm hiệu suất nếu tiếp xúc lâu với khí nồng độ cao.
Hồng ngoại Dựa trên phổ hấp thụ hồng ngoại của phân tử khí theo định luật Beer-Lambert ($I = I_0 \cdot e^{-k \cdot l \cdot x}$). Miễn nhiễm ngộ độc hóa chất, không cần oxy, không cần hiệu chuẩn thường xuyên. Chi phí thiết bị cao, tiêu thụ nhiều điện năng, không đo được khí không hấp thụ tia IR (như hydro).
Quang hóa Sử dụng photon tử ngoại (UV) năng lượng cao để ion hóa phân tử khí, tạo thành dòng ion đo được. Thích hợp cho phân tích khí nồng độ thấp ở nhiệt độ và áp suất môi trường. Nhạy cảm với hơi nước, giá thành thiết bị tương đối cao, không hợp cho triển khai diện rộng lâu dài.
Chất bán dẫn (MOS) Dựa trên hiện tượng chemiresistor (Thiếc Dioxit - $SnO_2$). Phân tử khí làm thay đổi mật độ electron tự do trên bề mặt, làm biến thiên điện trở cảm biến. Cấu trúc đơn giản, giá thành rẻ, độ nhạy cao, tốc độ phản ứng nhanh. Phạm vi tuyến tính hẹp, dễ bị ảnh hưởng chéo bởi nhiệt độ, độ ẩm và các khí khác trong môi trường.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật được nhóm tác giả áp dụng bao gồm:

  • Phương pháp mô hình hóa và hồi quy toán học: Xây dựng hàm quan hệ giữa tỷ số điện trở $R_S/R_0$ với nồng độ khí gas ppm trên thang đo log-log; xây dựng phương trình hồi quy bậc ba để ước lượng dung lượng pin còn lại từ điện áp đo được qua bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC).
  • Phương pháp thiết kế phần cứng: Tính toán chọn lựa linh kiện điện tử, vẽ sơ đồ nguyên lý, tính toán chế độ bão hòa của transistor điều khiển nguồn, mô phỏng qua phần mềm Proteus và thiết kế bo mạch PCB trên Altium Designer.
  • Phương pháp lập trình nhúng và truyền thông: Lập trình vi điều khiển AVR trên CodeVisionAVR, cấu hình Timer ngắt định kỳ, lập trình xử lý chuỗi ký tự bằng strtok(), tích hợp giao thức HTTP Webserver và gửi dữ liệu lên Google Sheets thông qua Google Apps Script.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc tổng thể hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành cấu trúc mạng cảm biến không dây gồm 3 khối chức năng chính:

  • Các nút cảm biến (Node): Thu thập dữ liệu nồng độ khí gas, nhiệt độ, độ ẩm, điện áp pin; xử lý cảnh báo tại chỗ bằng còi và LED; gửi dữ liệu về trạm qua sóng Zigbee.
  • Trạm trung tâm (Trạm / Gateway): Thu thập dữ liệu từ các Node qua sóng Zigbee, hiển thị thông tin lên màn hình LCD, thiết lập Webserver nội bộ và chuyển tiếp dữ liệu lên cơ sở dữ liệu đám mây qua WiFi.
  • Hệ thống giám sát và lưu trữ: Webserver giao diện người dùng và bảng tính Google Sheets lưu trữ lịch sử đo.

Thiết kế phần cứng

[Khối Cảm biến: MQ-5 + DHT11]
[Còi / LED]  [Module Zigbee CC2530 (Router)]
             [Module Zigbee CC2530 (Coordinator)]
          [Màn hình LCD]  [Mạng WiFi / Router]
                 [Webserver nội bộ] [Google Sheets]

  1. Phần cứng Node cảm biến:

    • Bộ xử lý: Vi điều khiển ATmega8 (kiến trúc AVR 8-bit, 8KB Flash, 1KB SRAM, 512B EEPROM, tích hợp bộ ADC 10-bit 6 kênh).
    • Cảm biến khí gas: Cảm biến MQ-5 với điện trở đốt $R_{đốt} = 31\Omega \pm 2\Omega$. Dòng làm việc ở mức 5V xấp xỉ 150mA ($P \approx 750mW$). Để tiết kiệm năng lượng, tác giả sử dụng transistor 2N2222 ($V_{CEsat} = 0.4V$, $\beta = 100$) hoạt động ở chế độ bão hòa ($R_B = 1k\Omega < 2482.75\Omega$) làm công tắc đóng/ngắt nguồn buồng sấy theo chu kỳ.
    • Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm: DHT11 giao tiếp chuẩn 1-Wire.
    • Khối truyền thông: Module Zigbee CC2530 DL-20 (chuẩn IEEE 802.15.4, tần số 2.4GHz, công suất phát 4.5dBm, giao tiếp UART, dòng tiêu thụ TX < 30mA, RX 20.5mA, dòng chờ 3.9mW).
    • Khối nguồn: Pin Lithium 18650 dung lượng 2200mAh (3.7V) kết hợp mạch sạc/tăng áp IP5306 cho đầu ra 5VDC ổn định. IC hạ áp tuyến tính AMS1117-3.3V cấp nguồn cho ATmega8 và CC2530.
    • Khối cấu hình và cảnh báo: Công tắc gạt 4-bit SWDIP4 kết nối với các chân PB2–PB5 để cài đặt mã định danh cứng (Node ID); còi buzzer 5VDC (biên độ > 80dB); LED báo trạng thái; nút nhấn Reset kèm tụ chống dội 104 (0.1µF) và trở treo 10kΩ.

  2. Phần cứng Trạm trung tâm (Gateway):

    • Bộ xử lý và WiFi: Module NodeMCU Lua V3 CH340 tích hợp chip WiFi SoC ESP8266.
    • Khối truyền thông: Module Zigbee CC2530 DL-20 cấu hình vai trò Điều phối viên (Coordinator), giao tiếp UART với ESP8266 qua chân D6 (RxD) và D7 (TxD).
    • Khối hiển thị: Màn hình LCD 16x2 tích hợp mạch chuyển đổi I2C sử dụng chip PCF8574, kết nối qua 2 dây tín hiệu SCL (D1) và SDA (D2).
    • Khối nguồn: Nguồn Adapter 5VDC/1A qua jack DC, tích hợp cuộn cảm 100µH làm phẳng dòng điện, tụ lọc nhiễu và diode chống dòng ngược.

Thiết kế phần mềm và thuật toán

  1. Thuật toán tại Node cảm biến:

    • Thiết lập Timer 1 (16-bit) của ATmega8 chạy ở tần số 8MHz, bộ chia 256. Để tạo chu kỳ ngắt 1 giây, giá trị khởi tạo thanh ghi được tính toán: $TCNT1 = 65536 - 31250 = 34286$ (tương đương 0x85EE).
    • Chu kỳ làm việc chính là 900 giây (15 phút). Đầu chu kỳ ($T = 0$), cấp nguồn cho cảm biến MQ-5 qua transistor 2N2222. Sau 20 giây làm nóng buồng đốt ($T = 20$), vi điều khiển đọc tín hiệu ADC, tính toán nồng độ ppm, đo nhiệt độ, độ ẩm và điện áp pin, lưu vào EEPROM rồi ngắt nguồn cảm biến.
    • Khi nồng độ khí gas vượt ngưỡng 1800 ppm, Node kích hoạt còi và bật LED cảnh báo.
    • Khi nhận bản tin từ Trạm qua ngắt UART, Node sử dụng hàm strtok() để bóc tách chuỗi định dạng (ví dụ: "0001,SEND" hoặc "0002,SEND,60"). Nếu mã code trùng khớp, Node phản hồi dữ liệu lần đo gần nhất hoặc cập nhật lại ngưỡng cảnh báo năng lượng.

  2. Thuật toán tính toán nồng độ khí gas ppm:

    • Điện trở cảm biến $R_S$ được tính qua công thức: $$R_S = \left(\frac{V_{cc}}{V_{analog}} - 1\right) \cdot R_L$$ (trong đó $V_{cc} = 5V$, $R_L = 20k\Omega$, $V_{analog}$ là điện áp đọc từ chân ADC0).
    • Giá trị $R_0$ được xác định tại thời điểm khởi tạo trong không khí sạch dựa trên tỷ số chuẩn $R_S/R_0 = 6.5$.
    • Trên hệ trục log-log của datasheet, đường đặc tính LPG đi qua 2 điểm $(200, 0.7)$ và $(5000, 0.2)$. Phương trình suy ra hệ số góc $m \approx -0.3892$ và hằng số $b \approx 0.7406$. Nồng độ ppm được tính theo công thức: $$ppm = 10^{\frac{\log(R_S/R_0) - 0.7406}{-0.3892}}$$

  3. Thuật toán tính mức dung lượng pin còn lại:

    • Tác giả thu thập đặc tính xả của pin 18650 và sử dụng công cụ Planetcalc để so sánh 5 mô hình hồi quy giữa điện áp $V$ và dung lượng còn lại $C$ (%):
Phương pháp hồi quy Dạng phương trình Sai số tương đối trung bình
Tuyến tính (Linear) $C \approx 119.8 \cdot V - 400.7$ 15.8%
Bậc hai (Quadratic) $C \approx -101.9 \cdot V^2 + 888.7 \cdot V - 1836.4$ 9.9%
Bậc ba (Cubic) $C \approx -96.13 \cdot V^3 + 1018.6 \cdot V^2 - 3465.1 \cdot V + 3824.2$ 6.28%
Logarit (Logarithmic) $C \approx 446.5 \cdot \ln(V) - 545.1$ 12.4%
Hypebol (Hyperbolic) $C \approx -1729.1 / V + 482.3$ 9.5%
  • Mô hình hồi quy bậc ba có sai số nhỏ nhất (6.28%) được lựa chọn nạp vào vi điều khiển để tính % pin trực tiếp từ điện áp đo tại chân ADC1.
  1. Webserver và Cơ sở dữ liệu:
    • ESP8266 đóng vai trò Webserver cục bộ phục vụ các giao diện HTML/CSS/JavaScript gồm: Trang chủ, Trạng thái các Node (hiển thị nồng độ gas, đồ thị ppm, nhiệt độ, độ ẩm, dung lượng pin, nút thay đổi ngưỡng cảnh báo), Dữ liệu bảng và Trang thông báo.
    • Để lưu trữ lâu dài, ESP8266 gửi HTTPS Request chứa ID Google Script và tham số đo. Google Apps Script tiếp nhận và thực hiện phương thức POST dữ liệu vào Google Sheets.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu chung

Chương 1 trình bày tổng quan về mức độ nguy hiểm của khí gas LPG trong sinh hoạt và công nghiệp, các số liệu thống kê cháy nổ thực tế, cấu tạo cơ bản của hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas (gồm đầu dò khí, bộ xử lý trung tâm, thiết bị cảnh báo/bảo vệ). Tác giả phân tích các cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây (Star, Mesh, Tree) và so sánh các chuẩn truyền thông không dây (Wi-Fi, Zigbee, Sigfox). Từ đó, đồ án lựa chọn giải pháp mạng kết hợp: Zigbee cho truyền thông tầm ngắn/tiết kiệm năng lượng giữa các Node và Trạm, Wi-Fi cho kết nối Internet từ Trạm lên Webserver.

Chương 2. Thiết kế hệ thống

(Nội dung đánh số mục trong văn bản tiếp nối phần cơ sở lý thuyết và thiết kế hệ thống) Chương này tập trung vào việc tính toán, lựa chọn linh kiện chi tiết và thiết kế phần cứng, phần mềm:

  • Phân tích nguyên lý và đặc tính kỹ thuật của cảm biến MQ-5, DHT11, vi điều khiển ATmega8, NodeMCU ESP8266, module Zigbee CC2530, pin 18650, IC IP5306, AMS1117, màn hình LCD I2C.
  • Tính toán năng lượng và thiết kế mạch bão hòa cho transistor 2N2222 điều khiển buồng đốt cảm biến MQ-5.
  • Thiết kế mạch in PCB cho cả Node cảm biến và Trạm trên phần mềm Altium Designer.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán chi tiết cho Node và Trạm; thiết lập phương trình hồi quy bậc ba tính dung lượng pin và phương trình log-log tính nồng độ ppm; thiết kế giao diện Webserver và cơ chế đẩy dữ liệu lên Google Sheets thông qua Google Apps Script.

Chương 3. Kết quả đạt được và đánh giá

Chương 3 công bố kết quả hiện thực hóa phần cứng sau đóng hộp, vị trí lắp đặt thực tế của Node (cách mặt đất 20 – 30cm, cách bếp gas 1 – 1.5m). Đồng thời, chương trình bày chi tiết hai kịch bản thử nghiệm chức năng (rò rỉ khí gas và pin yếu) cùng hai thực nghiệm đo khoảng cách truyền thông Zigbee trong môi trường thực tế (ít vật cản và nhiều vật cản).

Chương 4. Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương cuối tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành sau 15 tuần nghiên cứu, chỉ rõ những hạn chế còn tồn tại về thời gian sống của pin và sự phụ thuộc của cảm biến vào nhiệt độ/độ ẩm. Tác giả đề xuất các hướng phát triển gồm: áp dụng mô hình MISO kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) hoặc giải thuật Levenberg-Marquardt để bù sai số môi trường; tối ưu hóa năng lượng và tích hợp cơ cấu chấp hành tự động khóa van gas, bật quạt thông gió.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm cụ thể

  1. Kết quả thử nghiệm chức năng:

    • Kịch bản rò rỉ khí gas: Thử nghiệm phụt khí gas từ bật lửa vào Node 1. Khi nồng độ vượt ngưỡng 1800 ppm (ghi nhận thực tế đạt 2807 ppm), còi buzzer tại Node 1 phát âm thanh cảnh báo (>80dB), LED sáng; màn hình LCD tại Trạm hiển thị trạng thái rò rỉ; khối trạng thái trên giao diện Web chuyển màu đỏ; toàn bộ dữ liệu được cập nhật đồng thời lên Google Sheets.
    • Kịch bản cảnh báo pin yếu: Thiết lập ngưỡng cảnh báo mặc định là 45%. Khi điện áp pin của Node 1 xuống dưới ngưỡng, Node 1 bật LED cảnh báo và Webserver hiển thị cảnh báo đỏ. Thử nghiệm gửi lệnh tắt/thay đổi ngưỡng cảnh báo từ giao diện Web xuống Node thành công thông qua chu kỳ phát bản tin của Trạm.

  2. Kết quả đo khoảng cách truyền thông Zigbee CC2530:

    • Môi trường ngoài trời (ít vật cản): Khoảng cách truyền nhận ổn định tối đa đạt 131.24 mét.
    • Môi trường trong nhà (nhiều vật cản, xuyên qua ít nhất 3 lớp tường gạch): Khoảng cách truyền nhận ổn định tối đa đạt 62.82 mét.

  3. Tính toán thời gian sống của Node cảm biến:

    • Bảng tổng hợp công suất tiêu thụ của các linh kiện trên một Node:
Thành phần Điện áp Dòng điện Công suất tiêu thụ
Cảm biến MQ-5 (khi sấy) 5V 150 mA 750 mW
Vi điều khiển ATmega8 5V 5 mA 25 mW
Module Zigbee CC2530 (TX) 3.3V 30 mA 99 mW
Module Zigbee CC2530 (RX) 3.3V 20 mA 66 mW
Module Zigbee (Chờ) 3.3V 3 mA 3.9 mW
Cảm biến DHT11 3.3V 2.5 mA 8.25 mW
Còi Buzzer (khi kêu) 5V 25 mA 125 mW
  • Tổng năng lượng tiêu thụ xấp xỉ của Node trong một chu kỳ đo 15 phút (900 giây) gồm 20 giây sấy cảm biến MQ-5: $$E_{chu_ky} = (8.25 \times 900) + (25 \times 900) + (3.9 \times 900) + (750 \times 20) = 48.435\text{ mWs} \approx 48.435\text{ J}$$
  • Với pin sạc 18650 dung lượng $2200\text{ mAh} \times 3.7\text{V} = 29.304.000\text{ mWs}$, thời gian sống lý thuyết ước tính đạt khoảng: $$T_{song} = \frac{29.304.000}{48.435} \approx 605\text{ chu kỳ} \approx 6.3\text{ ngày}$$

Đóng góp của đề tài

  • Chế tạo thành công mô hình mạng cảm biến hoàn chỉnh (phần cứng + phần mềm nhúng + Webserver + Cloud Database) có khả năng định danh linh hoạt từng Node thông qua công tắc gạt cứng DIP switch và giải mã chuỗi bản tin bằng phần mềm.
  • Đề xuất giải pháp tiết kiệm năng lượng cho cảm biến oxit kim loại tiêu thụ dòng cao (MQ-5) bằng cách điều khiển đóng ngắt buồng đốt gián đoạn qua transistor theo chu kỳ 15 phút.
  • Ứng dụng thành công mô hình hồi quy bậc ba giúp chuyển đổi chính xác giá trị điện áp ADC thành dung lượng pin thực tế với sai số nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được tác giả chỉ ra

  1. Chưa bù trừ ảnh hưởng môi trường: Cảm biến bán dẫn MQ-5 chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ và độ ẩm, nhưng do thiếu buồng tạo mẫu môi trường kiểm chuẩn chuyên dụng, đồ án mới chỉ dừng lại ở việc đọc dữ liệu DHT11 lưu trữ chứ chưa nhúng thuật toán bù sai số vào công thức tính ppm.
  2. Thời gian sử dụng pin còn ngắn: Thời gian sống của Node thực tế dưới 6.6 ngày do buồng đốt MQ-5 tiêu thụ dòng lớn (150mA trong 20 giây mỗi chu kỳ), gây bất tiện khi phải sạc pin thường xuyên.
  3. Độ trễ điều khiển từ Webserver: Do chu kỳ gửi bản tin giữa Trạm và Node cố định 15 phút/lần nhằm tiết kiệm pin, các lệnh điều khiển (như thay đổi ngưỡng cảnh báo, tắt LED) từ Webserver gửi xuống Node có độ trễ tối đa lên tới 15 phút.
  4. Cơ cấu chấp hành và thẩm mỹ: Vỏ hộp thiết bị còn gia công thủ công bằng tay (chưa kịp in 3D); hệ thống mới cảnh báo bằng còi/đèn mà chưa có cơ cấu tự động khóa van gas hay bật quạt thông gió.

Hướng phát triển trong tương lai

  • Hiệu chỉnh cảm biến theo nhiệt độ, độ ẩm:
    • Nghiên cứu mô hình nhiều đầu vào - một đầu ra (MISO) kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) theo nghiên cứu của Hossein-Babaei (2010).
    • Hoặc sử dụng thiết bị đo gas chuẩn công nghiệp để thu thập dữ liệu sai lệch, sau đó áp dụng giải thuật bình phương tối thiểu Levenberg-Marquardt xây dựng hàm bù sai số.
  • Nâng cao thời lượng pin: Nâng dung lượng pin lên các dòng lớn hơn (ví dụ 5400mAh), chuyển vi điều khiển và Zigbee sang chế độ ngủ sâu (Deep Sleep / Power-down mode) khi không hoạt động.
  • Mở rộng tính năng: Tích hợp module điều khiển van ngắt gas tự động và rơ-le kích hoạt quạt hút thông gió khi phát hiện sự cố.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính và IoT: Tham khảo quy trình thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống nhúng từ sơ đồ khối, tính toán mạch nguyên lý (chế độ bão hòa transistor, mạch lọc nguồn, giao tiếp UART/I2C/1-Wire) đến thiết kế bo mạch PCB 2 lớp trên Altium Designer.
  • Các đề tài ứng dụng mạng cảm biến không dây (WSN): Cung cấp phương pháp xây dựng giao thức truyền thông đa điểm với module Zigbee CC2530, phương pháp đóng gói khung bản tin ASCII phân tách bằng dấu phẩy và xử lý ngắt Timer/UART trên dòng vi điều khiển AVR (ATmega8).
  • Kỹ thuật xử lý tín hiệu cảm biến và tiết kiệm năng lượng: Tham khảo phương pháp chuyển đổi đồ thị log-log của cảm biến khí gas sang phương trình toán học và phương pháp hồi quy bậc ba xác định dung lượng pin từ điện áp xả.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án sử dụng kết hợp cả hai chuẩn truyền thông Zigbee và Wi-Fi mà không dùng duy nhất một chuẩn?

Tác giả lựa chọn Zigbee cho đường truyền giữa các Node cảm biến và Trạm vì Zigbee tiêu thụ rất ít năng lượng (dòng nhận 20.5mA, dòng chờ 3.9mW), có khả năng chống nhiễu tốt và khoảng cách truyền xa (thực nghiệm đạt tới 131.24m ngoài trời). Trong khi đó, Wi-Fi trên NodeMCU ESP8266 tại Trạm được dùng để kết nối trực tiếp vào hạ tầng mạng Internet sẵn có trong gia đình, giúp lưu trữ dữ liệu lên Google Sheets và vận hành Webserver mà không cần kéo dây mạng hay bổ sung các bộ chuyển đổi phức tạp.

2. Phương pháp nào được dùng để khắc phục vấn đề tiêu hao nhiều năng lượng của cảm biến khí gas MQ-5?

Cảm biến MQ-5 cần sấy nóng cuộn dây với dòng tiêu thụ lớn (~150mA, công suất 750mW). Nếu cấp nguồn liên tục, pin sẽ cạn kiệt rất nhanh. Tác giả đã giải quyết bằng cách sử dụng transistor 2N2222 đóng vai trò như một khóa điện tử được điều khiển từ chân vi điều khiển. Cứ sau 15 phút (900 giây), vi điều khiển mới kích mở transistor trong 20 giây để sấy nóng và thực hiện phép đo, sau đó lập tức ngắt nguồn buồng sấy.

3. Nồng độ khí gas được tính toán từ tín hiệu điện áp analog của cảm biến MQ-5 như thế nào?

Từ điện áp analog $V_{analog}$ đọc qua bộ ADC0 10-bit, vi điều khiển tính ra điện trở cảm biến $R_S$ theo công thức phân áp với trở tải $R_L = 20k\Omega$. Tỷ số $R_S/R_0$ ($R_0$ là điện trở đo trong không khí sạch) được đưa vào phương trình hàm mũ suy ra từ đồ thị log-log trong datasheet của nhà sản xuất: $$ppm = 10^{\frac{\log(R_S/R_0) - 0.7406}{-0.3892}}$$

4. Hệ thống phân biệt dữ liệu giữa các Node cảm biến khác nhau trong cùng mạng Zigbee bằng cách nào?

Mỗi Node cảm biến được thiết lập một mã định danh 4-bit (ví dụ: 0001, 0002) thông qua công tắc gạt SWDIP4 kết nối với các chân GPIO của ATmega8. Khi Trạm phát bản tin điều khiển dưới dạng chuỗi (ví dụ "0001,SEND"), vi điều khiển tại các Node sẽ dùng ngắt UART nhận dữ liệu và hàm strtok() để trích xuất mã code. Chỉ Node nào có mã code trùng khớp với bản tin mới thực hiện gửi dữ liệu phản hồi kèm mã định danh về Trạm.

5. Dữ liệu giám sát được đưa lên Google Sheets thông qua cơ chế nào?

Do Google Sheets không cho phép vi điều khiển ESP8266 gửi trực tiếp dữ liệu qua giao thức HTTP/HTTPS không chứng thực, tác giả sử dụng dịch vụ Google Apps Script làm cầu nối trung gian. ESP8266 gửi một HTTPS Request chứa URL có gắn ID của Google Apps Script kèm các thông số đo (nồng độ gas, nhiệt độ, độ ẩm, pin). Khi nhận được yêu cầu, Google Apps Script sẽ trích xuất dữ liệu từ URL và thực hiện lệnh POST ghi trực tiếp vào các hàng của bảng tính Google Sheets.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống mạng cảm biến đo và cảnh báo rò rỉ khí gas" của sinh viên Chu Văn Tình đã hoàn thành các mục tiêu đề ra về thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm nhúng và triển khai mạng giám sát không dây Zigbee - WiFi. Hệ thống thử nghiệm với mô hình 2 Node và 1 Trạm đã chứng minh khả năng đo đạc chính xác nồng độ khí gas, cảnh báo tức thời khi nồng độ vượt ngưỡng 1800 ppm và cập nhật dữ liệu liên tục lên Webserver cùng cơ sở dữ liệu Google Sheets. Mặc dù còn tồn tại hạn chế về thời lượng pin và chưa nhúng thuật toán bù trừ nhiệt - ẩm, các giải pháp kỹ thuật và kết quả đo đạc thực nghiệm trong đồ án cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho các nghiên cứu phát triển thiết bị IoT cảnh báo an toàn dân dụng.