Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống báo cháy" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Phan Thanh Quỳnh và Ưng Tấn Lực (ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Ngô Lâm.

1. Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật phát triển, tự động hóa ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống sinh hoạt. Các hệ thống nhúng tự động cảnh báo và vận hành xuất hiện ngày càng phổ biến với độ tin cậy và khả năng đa nhiệm cao. Vi điều khiển đóng vai trò trung tâm trong việc thu thập tín hiệu môi trường và ra quyết định xử lý. Trong số các họ vi xử lý được ứng dụng phổ biến, dòng vi điều khiển 8-bit PIC16F8xx sở hữu tập lệnh tinh gọn, cấu trúc phần cứng tích hợp nhiều chuẩn giao tiếp nối tiếp và bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC). Đề tài được lựa chọn nhằm xây dựng một mô hình hệ thống nhúng hoàn chỉnh, ứng dụng vi điều khiển PIC16F887A để tự động phát hiện, cảnh báo nguy cơ hỏa hoạn, rò rỉ khí gas và kích hoạt thiết bị dập lửa.

2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của đồ án là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một hệ thống phần cứng - phần mềm có khả năng giám sát các chỉ số môi trường, đưa ra cảnh báo đa kênh và xử lý tình huống cháy tự động hoặc thủ công.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Nghiên cứu kiến trúc phần cứng, tập thanh ghi và các ngoại vi của vi điều khiển PIC16F887A.
  2. Khảo sát nguyên lý hoạt động của các chuẩn truyền thông nối tiếp: UART/USART, SPI và chuẩn giao tiếp 1-Wire.
  3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in cho khối xử lý trung tâm, khối cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, khí gas), khối hiển thị LCD, khối truyền thông không dây (RF, GSM) và khối điều khiển thiết bị chấp hành (máy bơm nước).
  4. Mô phỏng hoạt động của mạch trên phần mềm Proteus trước khi thi công thực tế.
  5. Lập trình giải thuật điều khiển hệ thống, xử lý tín hiệu cảm biến, truyền nhận dữ liệu qua module SIM800L, module NRF24L01 và giao tiếp với Remote cầm tay.
  6. Thi công phần cứng, hàn lắp linh kiện, nạp code và kiểm nghiệm hoạt động thực tế của toàn bộ hệ thống.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống báo cháy tự động sử dụng vi điều khiển PIC16F887A, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, cảm biến khí gas/khói MQ-2, module GSM/GPRS SIM800L, module vô tuyến NRF24L01, màn hình hiển thị LCD và động cơ bơm nước DC 12V qua module Relay có cách ly quang.
  • Phạm vi không gian: Mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ trong phòng, phục vụ giám sát môi trường trong nhà (indoor).
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao từ ngày 19/09/2018 và hoàn thành nộp báo cáo vào ngày 19/01/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết về hệ thống nhúng, kỹ thuật vi xử lý, truyền số liệu và các phương pháp thiết kế mạch điện tử.

1. Khung lý thuyết và giao thức truyền thông

  • Truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART/USART: Hệ thống sử dụng chuẩn giao tiếp UART để liên lạc giữa vi điều khiển và module SIM800L. Cấu trúc khung truyền bất đồng bộ gồm: 1 bit Start (mức thấp 0), dữ liệu 8-bit (truyền bit trọng số thấp LSB trước, MSB sau), bit kiểm tra Parity (chẵn/lẻ) và 1 hoặc 2 bit Stop (mức cao). Trong vi điều khiển PIC16F887A, khối USART sử dụng hai chân RC6/TX/CK (truyền) và RC7/RX/DT (nhận), được cấu hình thông qua các thanh ghi TXSTA (địa chỉ 98h), RCSTA và thanh ghi tạo tốc độ baud SPBRG (99h).
  • Giao diện ngoại vi nối tiếp SPI: Chuẩn giao tiếp đồng bộ 4 dây hoạt động theo mô hình Master-Slave dùng để giao tiếp giữa PIC16F887A và module thu phát RF NRF24L01. Các đường tín hiệu bao gồm: MOSI/SDO (chân RC5), MISO/SDI (chân RC4), SCK (chân RC3) và SS (chân RA5). Khối MSSP trong PIC điều khiển quá trình dịch dữ liệu qua thanh ghi đệm SSPBUF và thanh ghi dịch SSPSR, đồng thời giám sát trạng thái qua các thanh ghi SSPCON1 và SSPSTAT (với các cờ BF, SSPIF, WCOL). Hệ thống hỗ trợ 4 chế độ xung nhịp (Mode 0, 1, 2, 3) dựa trên sự kết hợp của cực tính xung clock (CPOL) và pha xung clock (CPHA).
  • Giao tiếp 1-Wire: Sử dụng trên một dây tín hiệu duy nhất để truyền nhận dữ liệu số từ cảm biến DHT11. Dây DATA yêu cầu một điện trở kéo lên nguồn (pull-up resistor, 4.7kΩ - 10kΩ). Mỗi gói dữ liệu đọc về gồm đúng 40 bit: 8 bit phần nguyên độ ẩm + 8 bit phần thập phân độ ẩm + 8 bit phần nguyên nhiệt độ + 8 bit phần thập phân nhiệt độ + 8 bit kiểm tra tổng (Checksum).
Chuẩn giao tiếp Đường tín hiệu chính Băng thông / Tốc độ tối đa Ứng dụng trong hệ thống
UART TX (RC6), RX (RC7) Tùy chỉnh theo Baud Rate Kết nối vi điều khiển với Module GSM SIM800L
SPI SDO (RC5), SDI (RC4), SCK (RC3), SS (RA5) Lên tới 10 Mbps (Master Mode với Fosc = 40MHz) Giao tiếp vi điều khiển với Module RF NRF24L01
1-Wire 1 dây tín hiệu DATA (RD1) + trở kéo 1 khung 40 bit / lần lấy mẫu (tần số 1 Hz) Đọc dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến DHT11

2. Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập thông tin từ datasheet nhà sản xuất (Microchip, Nordic Semiconductor, SimCom), tài liệu môn học Vi xử lý, Mạch điện, Kỹ thuật số để xây dựng kiến trúc hệ thống.
  • Phương pháp mô phỏng mạch: Sử dụng phần mềm Proteus để vẽ sơ đồ nguyên lý, kiểm tra tính đúng đắn của các kết nối I/O và chạy thử mô phỏng logic phần mềm trước khi thi công thực tế.
  • Phương pháp thiết kế và thi công phần cứng: Thiết kế mạch nguồn phân cấp, mạch giao tiếp công suất qua Relay, hàn lắp linh kiện lên bo mạch, kết nối dây dẫn cho các module mở rộng.
  • Phương pháp kiểm nghiệm thực nghiệm: Thực hiện kích hoạt các ngưỡng báo động bằng cách tác động nhiệt độ, khói và khí gas trực tiếp vào đầu dò cảm biến; đo dòng tiêu thụ của các linh kiện; kiểm tra khoảng cách truyền nhận tín hiệu RF và độ trễ gửi nhận tin nhắn qua mạng GSM.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa, kết hợp giữa khối xử lý trung tâm, các cảm biến đầu vào, khối truyền thông không dây và các cơ cấu chấp hành cảnh báo, dập lửa.

+-------------------------------------------------------------+
|                      KHỐI NGUỒN                              |
|   (Adapter 12V-1A, Adapter 5V-1A, Module IC AMS1117 3.3V)    |
+------------------------------+------------------------------+
                               |
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                     KHỐI CẢM BIẾN                            |
|        DHT11 (Nhiệt độ, Độ ẩm)  |  MQ-2 (Khí Gas, Khói)      |
+------------------------------+------------------------------+
                               |
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|               KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM (CHỦ)                    |
|                 Vi điều khiển PIC16F887A                    |
|             (Thạch anh ngoài 20MHz, 5 Port I/O)             |
+----------+-------------------+-------------------+----------+
           |                   |                   |
           v                   v                   v
+--------------------+ +---------------+ +--------------------+
|   KHỐI HIỂN THỊ    | | KHỐI MODULE   | |    KHỐI THIẾT BỊ   |
|   Màn hình LCD     | |    SIM800L    | |  (RELAY & MÁY BƠM) |
| (Giao tiếp 4-bit)  | |  (UART, SMS)  | | Relay Opto + Bơm   |
+--------------------+ +---------------+ |       DC 12V       |
                                         +--------------------+
                               | (Sóng RF 2.4GHz)
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                     KHỐI REMOTE CẦM TAY                     |
|           (Module NRF24L01 + Màn hình LCD + Nút bấm)        |
+-------------------------------------------------------------+

1. Kiến trúc phần cứng và thiết kế các khối chức năng

  • Khối xử lý trung tâm (PIC16F887A):
    • Vi điều khiển 8-bit, bộ nhớ chương trình Flash 8K x 14-bit, RAM 368 byte, EEPROM 256 byte, 33 chân I/O phân bố trên 5 Port (PORTA đến PORTE).
    • Chân 11, 32 nối nguồn 5V; Chân 12, 31 nối GND; Chân 13, 14 nối bộ dao động thạch anh ngoài tần số 20MHz; Chân 1 nối mạch Reset.
    • Các chân từ RD4 đến RD7 kết nối với các chân dữ liệu D4 - D7 của LCD để điều khiển xuất dữ liệu theo chuẩn 4-bit.
    • Chân RD1 kết nối với chân tín hiệu số (DATA) của cảm biến DHT11.
    • Chân 21 (ngõ ra I/O) kết nối tín hiệu kích hoạt khối Relay điều khiển máy bơm.
    • Chân 25 (TX), 26 (RX) dùng cho truyền thông nối tiếp UART với module GSM.
  • Khối cảm biến:
    • Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11: Điện áp hoạt động 3V - 5V DC, dải đo nhiệt độ 0°C đến 50°C (sai số ±2°C), dải đo độ ẩm 20% đến 90% RH (sai số ±5% RH), tần số lấy mẫu 1Hz (1 lần/giây), cự ly truyền tín hiệu tối đa 20m. Chân số 1 nối 5V, chân số 3 nối GND, chân số 2 (tín hiệu) nối chân RD1 của PIC16F887A.
    • Cảm biến khí gas và khói MQ-2: Nguồn cấp 5V DC, dòng tiêu thụ 150mA. Hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở bề mặt của màng oxit kim loại khi tiếp xúc với các khí cháy (LPG, i-butan, propan, metan, cồn, hydro và khói). Ngõ ra gồm chân DOUT (mức thấp khi nồng độ vượt ngưỡng cài đặt trên biến trở so sánh; mức cao khi môi trường an toàn) và chân AOUT (tín hiệu điện áp tương tự tỷ lệ thuận với nồng độ khí).
  • Khối truyền thông không dây:
    • Module GSM/GPRS SIM800L: Kích thước 25 mm x 22 mm, khe cắm MicroSIM, hỗ trợ 4 băng tần mạng di động. Nguồn cấp yêu cầu 4.2V DC (dòng đỉnh khi phát sóng đạt từ 100mA đến 1A; dòng ở chế độ chờ 10mA). Điều khiển qua tập lệnh AT thông qua cổng UART nối với vi điều khiển.
    • Module RF NRF24L01: Hoạt động ở dải tần 2.4GHz ISM, giao tiếp vi điều khiển bằng chuẩn SPI với tốc độ tối đa 8Mbps, tốc độ truyền dẫn vô tuyến lên đến 2Mbps. Gói tin truyền có độ dài từ 3 đến 32 byte. Tích hợp bộ tăng tốc phần cứng Enhanced ShockBurst. Hỗ trợ 125 kênh tần số độc lập, mỗi kênh cho phép nhận dữ liệu từ tối đa 6 địa chỉ slave khác nhau. Điện áp hoạt động từ 1.9V đến 3.6V DC (các chân I/O chịu được mức logic 5V), khoảng cách truyền thông đạt 30m - 50m trong nhà và lên tới 100m trong điều kiện không gian thoáng.
  • Khối hiển thị:
    • Sử dụng màn hình tinh thể lỏng LCD ký tự, giao tiếp vi điều khiển ở chế độ 4-bit (chân D4 - D7 nối PORTD/PORTB của PIC). Các chân điều khiển RS (chọn thanh ghi) và E (chân cho phép) nối với các ngõ ra điều khiển của PIC; chân R/W nối mass để cố định chế độ ghi dữ liệu; chân VEE nối biến trở 10kΩ để tinh chỉnh độ tương phản.
  • Khối chấp hành (Máy bơm nước) và cách ly công suất:
    • Động cơ bơm DC 12V được điều khiển đóng cắt thông qua module 1-Relay 5VDC tích hợp Optocoupler (cách ly quang). Thiết kế cách ly quang giúp ngăn hiện tượng sụt áp, nhiễu điện từ và xung điện áp ngược từ cuộn dây động cơ tác động vào khối xử lý trung tâm.
  • Khối nguồn phân cấp:
    • Hệ thống sử dụng nguồn đầu vào xoay chiều 220V AC qua hai adapter độc lập: Adapter 12V-1A cấp riêng cho máy bơm nước DC 12V; Adapter 5V-1A cấp cho vi điều khiển PIC16F887A, module Relay, cảm biến DHT11 và MQ-2.
    • Tích hợp thêm IC ổn áp tuyến tính AMS1117 để hạ áp từ 5V xuống 3.3V DC ổn định cấp nguồn cho module NRF24L01.
Thiết bị / Linh kiện Điện áp hoạt động Dòng tiêu thụ thực tế
Vi điều khiển PIC16F887A 5V DC 15 mA
Module Relay 1 kênh 5V DC 80 mA
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 3V - 5V DC 2.5 mA
Module truyền nhận RF NRF24L01 1.9V - 3.6V DC (qua AMS1117 3.3V) 20 mA (chế độ hoạt động ~12-20mA)
Máy bơm nước DC 12V DC 0.25 A (250 mA)
Module SIM800L 4.2V DC 10 mA (chờ) / 100 mA - 1A (phát sóng)

2. Thiết kế phần mềm và lưu đồ giải thuật

  • Thuật toán chương trình chính:
    • Bước 1 (Khởi tạo): Thiết lập cấu hình các Port xuất/nhập (thanh ghi TRISA đến TRISE), cài đặt chế độ truyền thông SPI (cho NRF24L01), UART (cho SIM800L với tốc độ baud tương ứng), khởi tạo màn hình LCD 4-bit và xóa bộ đệm.
    • Bước 2 (Thu thập dữ liệu): Định kỳ phát xung kích hoạt để đọc khung 40 bit từ cảm biến DHT11 và đọc trạng thái logic/tương tự từ cảm biến khí gas MQ-2.
    • Bước 3 (Xử lý và hiển thị): Tính toán giá trị nhiệt độ (°C), độ ẩm (% RH), kiểm tra tổng Checksum; hiển thị các giá trị tức thời lên màn hình LCD chính; đồng thời đóng gói dữ liệu gửi qua sóng RF bằng module NRF24L01 về Remote cầm tay.
    • Bước 4 (So sánh ngưỡng và cảnh báo tự động): So sánh các thông số đo được với ngưỡng an toàn cài đặt trước (nhiệt độ từ 20°C đến 50°C, độ ẩm từ 50% đến 100%, trạng thái chân DOUT của MQ-2). Nếu phát hiện khí gas rò rỉ hoặc nhiệt độ vượt ngưỡng báo cháy:
      • Bật còi chuông cảnh báo và kích hoạt đèn LED chỉ thị.
      • Kích hoạt ngõ ra chân 21 để đóng Relay, bật máy bơm nước 12V dập lửa.
      • Gửi chuỗi lệnh AT qua cổng UART yêu cầu module SIM800L gửi tin nhắn SMS cảnh báo và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại người dùng.
      • Gửi cờ báo động khẩn cấp qua NRF24L01 đến Remote cầm tay để kích hoạt chuông/màn hình trên Remote.
    • Bước 5 (Xử lý điều khiển từ xa): Lắng nghe ngắt truyền thông. Nếu nhận được lệnh từ Remote RF hoặc tin nhắn SMS gửi đến SIM800L (lệnh bật/tắt thiết bị hoặc kích hoạt phun nước thủ công), vi điều khiển tiến hành giải mã cú pháp lệnh và thay đổi trạng thái đóng ngắt của Relay tương ứng, sau đó gửi phản hồi xác nhận trạng thái về điện thoại/remote.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về xu hướng tự động hóa trong đời sống và sản xuất, sự phát triển của các dòng vi điều khiển hiện đại (ARM, AVR, PIC, STM, ATmega) và lý do lựa chọn vi điều khiển PIC16F887A cho đề tài hệ thống báo cháy. Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống cảnh báo cháy/rò rỉ gas tích hợp vòi phun nước tự động và truyền thông đa kênh qua SIM, RF, Bluetooth. Đồng thời, chương này nêu rõ giới hạn đề tài về mặt thiết bị, phạm vi thực nghiệm đọc cảm biến ở quy mô mô hình học tập và phác thảo bố cục 5 chương của quyển báo cáo tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về các chuẩn truyền thông và các linh kiện phần cứng cốt lõi được sử dụng trong hệ thống:

  • Phương thức hoạt động của UART: Khái niệm kênh truyền nối tiếp (đơn công simplex, bán song công half-duplex, song công full-duplex); cơ chế đồng bộ và bất đồng bộ; chi tiết khung truyền dữ liệu (Start bit, Data 8-bit, Parity bit chẵn/lẻ, Stop bit); phân biệt giữa tốc độ bit (bit rate) và tốc độ baud (baud rate).
  • Nguyên tắc giao tiếp SPI: Kiến trúc Master-Slave; chức năng các đường tín hiệu MOSI, MISO, SCK, SS; cơ chế hoạt động đồng thời của thanh ghi dịch nối tiếp giữa thiết bị chủ và thiết bị tớ; các kiểu kết nối nhiều slave (kết nối song song độc lập và kết nối chuỗi nối tiếp Daisy Chain); phân tích 4 chế độ xung nhịp SPI Mode 0, 1, 2, 3; cấu hình các thanh ghi chức năng trong PIC16F887A (SSPCON1, SSPSTAT, SSPBUF, SSPSR, các cờ BF, SSPIF, WCOL) ở cả hai chế độ Master và Slave.
  • Thông số kỹ thuật linh kiện: Cấu trúc phần cứng vi điều khiển PIC16F887A (35 lệnh 14-bit, 20MHz, 5 Port A-B-C-D-E với các thanh ghi TRISx, bộ nhớ Flash 8K, RAM 368 byte, EEPROM 256 byte, ADC 10-bit, Timer0/1/2, ICSP); module GSM SIM800L (kích thước 25x22mm, 4 băng tần, điều khiển bằng tập lệnh AT, nguồn 4.2V-1A); module RF NRF24L01 (2.4GHz, 125 kênh, khoảng cách 30-50m trong nhà / 100m ngoài trời, dòng 12mA); cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 (chuẩn 1-wire, khung dữ liệu 40-bit, dải đo 0-50°C và 20-90% RH); cảm biến khí gas MQ-2 (phát hiện LPG, propan, metan, khói qua ngõ DOUT/AOUT, nguồn 5V-150mA).

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 đi sâu vào thiết kế chi tiết phần cứng và phần mềm cho toàn bộ hệ thống:

  • Yêu cầu hệ thống và sơ đồ khối: Xác định các yêu cầu kỹ thuật: đo nhiệt độ trong khoảng 20°C - 50°C, đo độ ẩm 50% - 100%, cập nhật thông số liên tục, cảnh báo qua tin nhắn/chuông/LED khi có sự cố, hỗ trợ điều khiển đóng ngắt thiết bị và kích hoạt máy bơm nước từ xa qua Remote RF hoặc tin nhắn SMS. Sơ đồ khối bao gồm 8 khối: Xử lý trung tâm, Cảm biến, Module SIM, Remote, Hiển thị, Đóng ngắt, Bơm nước, và Nguồn.
  • Thiết kế phần cứng từng khối: Sơ đồ nguyên lý chi tiết của khối PIC16F887A (nối thạch anh 20MHz, cấu hình chân RD4-RD7 cho LCD, RD1 cho DHT11, chân 21 cho Relay, chân 25-26 cho UART); khối cảm biến DHT11 và MQ-2; khối hiển thị LCD chế độ 4-bit với biến trở tinh chỉnh độ tương phản 10kΩ; khối truyền thông SIM800L và NRF24L01; khối Relay cách ly quang điều khiển máy bơm nước DC 12V; khối nguồn kết hợp Adapter 12V-1A, Adapter 5V-1A và module ổn áp hạ dòng AMS1117 (3.3V).
  • Thiết kế phần mềm: Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính của hệ thống trạm chủ, lưu đồ chương trình điều khiển qua module SIM, lưu đồ xử lý ngắt, lưu đồ nhận lệnh điều khiển từ Remote và lưu đồ quét kiểm tra nút nhấn.

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương 4 trình bày các kết quả chế tạo phần cứng và thử nghiệm thực tế:

  • Kết quả phần cứng: Hoàn thiện mạch vi điều khiển trung tâm và mạch Remote cầm tay sau khi cấp điện; lắp ráp hoàn chỉnh các khối cảm biến DHT11, MQ-2, module SIM800L, NRF24L01, khối Relay và máy bơm nước DC 12V.
  • Kết quả phần mềm và vận hành: Hệ thống khởi động thành công, đọc chính xác các thông số nhiệt độ, độ ẩm từ môi trường và hiển thị lên màn hình LCD; gửi dữ liệu không dây qua NRF24L01 hiển thị trực quan trên Remote cầm tay; thực hiện đóng cắt Relay bật/tắt thiết bị 1 và thiết bị 2 thông qua Remote RF; gửi và nhận dữ liệu điều khiển đóng ngắt, cảnh báo thành công thông qua tin nhắn SMS sử dụng module SIM800L.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết toàn bộ kết quả đạt được của đồ án tốt nghiệp, đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu ban đầu; phân tích các hạn chế còn tồn tại về mặt độ chính xác cảm biến và điều kiện thực nghiệm; đồng thời đề xuất phương hướng khắc phục, nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính kèm số liệu thực tế

Đồ án đã thiết kế, chế tạo và kiểm nghiệm thành công mô hình hệ thống báo cháy với các kết quả cụ thể:

  • Hoàn thành thi công phần cứng khối xử lý trung tâm dùng vi điều khiển PIC16F887A (xung nhịp 20MHz), bo mạch Remote cầm tay và các mạch kết nối ngoại vi.
  • Hệ thống đo đạc và cập nhật thành công các thông số môi trường: nhiệt độ (trong dải đo thiết kế 20°C đến 50°C), độ ẩm (50% đến 100% RH), và trạng thái nồng độ khí gas/khói từ cảm biến MQ-2.
  • Giao tiếp không dây tầm gần qua module NRF24L01 (2.4GHz) hoạt động ổn định ở cự ly trong nhà (từ 30m đến 50m), truyền nhận thông số hiển thị lên màn hình LCD của Remote và nhận lệnh điều khiển nút nhấn từ Remote để đóng ngắt thiết bị.
  • Giao tiếp từ xa qua mạng di động bằng module GSM SIM800L sử dụng bộ tập lệnh AT, thực hiện gửi tin nhắn SMS cảnh báo khi có sự cố cháy/khí gas và nhận tin nhắn điều khiển kích hoạt máy bơm nước.
  • Điều khiển thành công cơ cấu chấp hành: kích hoạt đóng cắt Relay 5V có cách ly quang để vận hành máy bơm nước DC 12V (dòng tiêu thụ 0.25A) khi vượt ngưỡng cảnh báo hoặc khi nhận lệnh cưỡng bức từ người dùng.

2. Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật của tác giả

  • Ứng dụng module Relay có tích hợp Optocoupler (cách ly quang) để phân tách hoàn toàn nguồn cấp công suất của máy bơm DC 12V với nguồn tín hiệu số 5V/3.3V của khối vi xử lý, loại bỏ triệt để xung nhiễu điện từ và hiện tượng sụt áp hệ thống khi động cơ khởi động.
  • Thiết kế mạch nguồn phân tầng kết hợp Adapter 12V-1A (cho bơm), Adapter 5V-1A (cho MCU và cảm biến) cùng IC hạ áp tuyến tính AMS1117 (5V xuống 3.3V cấp riêng cho NRF24L01) nhằm đảm bảo dòng điện và điện áp ổn định cho các module truyền thông không dây.
  • Phối hợp đa kênh truyền thông: sử dụng sóng vô tuyến RF (NRF24L01) cho nhu cầu giám sát, điều khiển trực tiếp cự ly gần bằng Remote và mạng viễn thông GSM (SIM800L) cho nhu cầu giám sát, cảnh báo khẩn cấp từ xa qua điện thoại di động.

3. Đóng góp tự nêu của đề tài

  • Xây dựng thành công một mô hình nhúng thực hành tích hợp đa chuẩn giao tiếp nối tiếp (UART, SPI, 1-Wire) và giao tiếp ngoại vi (ADC, GPIO, LCD 4-bit) trên dòng vi điều khiển 8-bit PIC16F887A.
  • Cung cấp tài liệu thiết kế phần cứng, sơ đồ chân và lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh, làm cơ sở nền tảng để nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu và mở rộng hệ thống lên quy mô lớn hơn trong các ứng dụng tự động hóa dân dụng và nông nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

  • Độ chính xác cảm biến: Cảm biến DHT11 có sai số nhiệt độ (±2°C) và độ ẩm (±5% RH), chỉ thích hợp cho môi trường thông thường, chưa đáp ứng được các môi trường công nghiệp hoặc điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt.
  • Điều kiện thực nghiệm: Quá trình thử nghiệm lấy mẫu khí gas, khói và nhiệt độ còn hạn chế do điều kiện phòng thí nghiệm chưa có buồng đốt chuẩn để hiệu chuẩn ngưỡng cảm biến MQ-2 một cách tuyệt đối.
  • Quy mô hệ thống: Đề tài mới dừng lại ở mức độ chế tạo mô hình thử nghiệm nhỏ với một trạm cảm biến đơn lẻ và một động cơ bơm nước công suất thấp (DC 12V - 0.25A), chưa triển khai mạng lưới nhiều điểm cảm biến phân tán.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp phần cứng bằng cách sử dụng các dòng vi điều khiển hoặc vi xử lý có hiệu năng cao hơn (họ 32-bit ARM, STM32) để xử lý đa nhiệm mượt mà hơn.
  • Thay thế các cảm biến công nghiệp có độ chính xác, độ nhạy và dải đo rộng hơn nhằm giảm thiểu tối đa sai số.
  • Mở rộng mạng lưới cảm biến không dây với cấu trúc nhiều node đo đạc tại các khu vực khác nhau, truyền dữ liệu tập trung về một trạm xử lý chính.
  • Phát triển ứng dụng trên điện thoại thông minh hoàn chỉnh kết nối qua Internet/GPRS/Bluetooth để người dùng theo dõi biểu đồ dữ liệu thời gian thực và điều khiển hệ thống trực quan hơn.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng sau:

  1. Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa:
    • Cung cấp tài liệu học tập và hướng dẫn cấu hình chi tiết tập thanh ghi cho các khối ngoại vi của vi điều khiển PIC16F887A, bao gồm cấu hình các cổng I/O (TRISx), khối giao tiếp nối tiếp MSSP (SSPCON1, SSPSTAT), USART (TXSTA, SPBRG) và ngắt.
    • Minh họa phương pháp lập trình đọc dữ liệu theo chuẩn giao tiếp 1-Wire cho cảm biến DHT11 và xử lý tín hiệu analog/digital từ cảm biến khí gas MQ-2.
  2. Người nghiên cứu và phát triển các hệ thống nhúng, thiết bị IoT:
    • Tham khảo thiết kế sơ đồ nguyên lý ghép nối module RF NRF24L01 qua giao tiếp SPI, cách phân chia 125 kênh tần số và thiết lập khung truyền dữ liệu không dây.
    • Tham khảo giải pháp thiết kế mạch nguồn phân cấp (12V, 5V, 3.3V) và kỹ thuật sử dụng module Relay có Opto cách ly quang để điều khiển tải công suất DC, chống hiện tượng nhiễu gây treo vi điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển PIC16F887A sử dụng các chân nào để giao tiếp với cảm biến DHT11, module LCD và máy bơm nước?

Trong thiết kế phần cứng của đồ án:

  • Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 kết nối chân tín hiệu số với chân RD1 của vi điều khiển PIC16F887A.
  • Màn hình LCD được điều khiển theo chuẩn 4-bit, trong đó 4 đường dữ liệu kết nối từ chân RD4 đến RD7 (hoặc B0-B3 tùy phiên bản port), chân điều khiển RS và E kết nối với chân B5, B4.
  • Khối máy bơm nước DC 12V (qua Relay cách ly quang) được kích hoạt điều khiển bằng tín hiệu ngõ ra tại chân số 21 của vi điều khiển.

2. Chuẩn truyền thông SPI trên vi điều khiển PIC16F887A sử dụng các chân và thanh ghi nào để giao tiếp với module NRF24L01?

Giao thức SPI trên PIC16F887A sử dụng 4 chân chức năng thuộc khối MSSP:

  • RC5/SDO: Ngõ ra dữ liệu nối tiếp.
  • RC4/SDI: Ngõ vào dữ liệu nối tiếp.
  • RC3/SCK: Ngõ xuất/nhập xung nhịp đồng bộ.
  • RA5/SS: Chân chọn thiết bị Slave. Các thanh ghi chức năng liên quan bao gồm thanh ghi điều khiển SSPCON1, thanh ghi trạng thái SSPSTAT, thanh ghi đệm truyền/nhận SSPBUF và thanh ghi dịch SSPSR.

3. Thông số kỹ thuật đo lường của cảm biến DHT11 và cảm biến khí gas MQ-2 trong hệ thống được xác định như thế nào?

  • Cảm biến DHT11: Hoạt động ở điện áp 3V - 5V DC; dải đo độ ẩm từ 20% đến 90% RH (sai số ±5% RH); dải đo nhiệt độ từ 0°C đến 50°C (sai số ±2°C); tần số lấy mẫu tối đa là 1Hz (1 lần/giây); khoảng cách truyền tối đa 20m.
  • Cảm biến MQ-2: Nguồn cấp 5V DC, dòng tiêu thụ 150mA; phát hiện được các khí LPG, i-butan, propan, metan, cồn, hydro và khói; có 2 ngõ ra gồm chân DOUT (mức logic thấp khi có nồng độ khí vượt ngưỡng) và chân AOUT (điện áp tương tự).

4. Hệ thống giải quyết bài toán cấp nguồn và chống nhiễu cho máy bơm nước như thế nào?

Hệ thống sử dụng giải pháp nguồn phân cấp:

  • Dùng một Adapter 12V-1A cấp nguồn độc lập cho động cơ máy bơm nước DC 12V (dòng tiêu thụ 0.25A).
  • Dùng một Adapter 5V-1A cấp nguồn cho vi điều khiển PIC16F887A, module Relay và các cảm biến.
  • Dùng IC ổn áp AMS1117 để hạ áp từ 5V xuống 3.3V cấp riêng cho module NRF24L01.
  • Sử dụng module 1-Relay tích hợp Optocoupler (cách ly quang) để cách ly hoàn toàn mạch lực của máy bơm với mạch điều khiển vi xử lý, ngăn hiện tượng sụt áp và xung điện áp cảm ứng làm treo vi điều khiển.

5. Khung truyền dữ liệu và cơ chế gửi nhận giữa trạm chính và Remote cầm tay hoạt động ra sao?

Khối truyền nhận không dây sử dụng module vô tuyến NRF24L01 hoạt động ở dải tần 2.4GHz với tốc độ truyền RF 2Mbps. Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và trạng thái khí gas được vi điều khiển PIC16F887A đóng gói thành khung dữ liệu (từ 3 đến 32 byte) truyền qua chuẩn SPI tới NRF24L01 phát đi. Module NRF24L01 trên Remote cầm tay thu nhận gói tin ở cự ly 30m - 50m trong nhà, giải mã và hiển thị lên màn hình LCD của Remote; đồng thời khi người dùng nhấn nút trên Remote, tín hiệu điều khiển sẽ được truyền ngược lại về trạm chính để đóng ngắt Relay.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống báo cháy" đã nghiên cứu và triển khai thành công một hệ thống nhúng tự động hoàn chỉnh dựa trên vi điều khiển 8-bit PIC16F887A. Hệ thống tích hợp hiệu quả các cảm biến môi trường DHT11, MQ-2 cùng các chuẩn truyền thông UART, SPI và 1-Wire để thực hiện đồng thời hai phương thức giám sát: tầm gần qua sóng vô tuyến NRF24L01 với Remote cầm tay và tầm xa qua mạng di động GSM SIM800L. Mặc dù vẫn còn một số hạn chế về quy mô thử nghiệm và độ chính xác của cảm biến dân dụng, đồ án đã chứng minh tính khả thi của giải pháp phân cấp nguồn, cách ly công suất máy bơm và cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống nhúng.