Hệ thống cảnh báo tích hợp trong gia đình

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

Hệ Thống Cảnh Báo Tích Hợp Trong Gia Đình
Nguyễn Văn Thắng
Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Thủy lợi
Email:
Abstract— Trong bài báo này, tác giả đề xuất mơ hình
một hệ thống nhúng tích hợp có thể thực hiện bốn cảnh
báo tự động và một cảnh báo bằng tay được ứng dụng
trong các gia đình. Việc giao tiếp giữa các cảm biến và
khối xử lý trung tâm thông qua các bộ thu phát RF. Bộ vi
điều khiển trong khối xử lý trung tâm sẽ nhận, xử lý dữ
liệu và đưa ra cảnh báo bằng Loa đặt tại nhà và tự động
gọi điện cảnh báo tới các số điện thoại được thiết lập
trước. Trên nền tảng sẵn có của các thiết bị, cảm biến, vi
điều khiển nên dễ ràng triển khai, lắp mạch, lập trình để
điều khiển cho hệ thống hoạt động ổn định, chất lượng
cao.

Hình 1. Mơ hình tổng thể hệ thống đề xuất

Với mục đích: Báo trộm, báo cháy, báo rị khí gas và
báo khi có tình huống khẩn cấp (người già bị ngã, đột
quỵ, thông báo khẩn cấp cho người thân) hệ thống sử
dụng một số thiết bị chính được đưa ra trong các Hình
2-8 dưới đây:

Keywords- Hệ thống nhúng, tích hợp cảm biến, gậy
chống thơng minh.

I.

GIỚI THIỆU

Tình trạng trộm đột nhập vào nhà dân lấy cắp tài
sản, những sự cố về rị khí gas, chập cháy ở các hộ gia
đình xảy ra khá phổ biến ở nước ta hiện nay. Điều đó
có thể dẫn tới thiệt hại về người và của. Chính vì vậy,
mỗi gia đình cần nâng cao cảnh giác và có biện pháp đề
phịng.
Bên cạnh đó, sức khỏe người già và những người
ốm đau bệnh tật không có khả năng tự đi lại mà phải
nhờ tới những chiếc gậy chống ln được các gia đình,
bác sĩ đặc biệt quan tâm, chăm sóc. Tình huống đột quỵ
hoặc té ngã có thể dẫn đến hậu quả khơn lường khi
khơng có người ở nhà cùng người bệnh.
Với sự phát triển của công nghệ hiện nay, tác giả đề
xuất một hệ thống tích hợp các thiết bị có thể giải quyết
một phần các tình huống nêu trên bằng cách đưa ra
cảnh báo tự động hoặc bằng tay để kịp thời ngăn chặn,
hạn chế tối đa thiệt hại về người và của, mang lại sự an
tồn, bình n cho các gia đình và xã hội.

Hình 2. Cảm biến chuyển động HC SR501 [1]

Hình 3. Cảm biến khí gas [2]

Phần cịn lại của bài báo được tổ chức như sau:
trong phần II, tác giả mô tả một số thiết bị cần dùng và
mô hình đề xuất. Phần III trình bày hoạt động của hệ
thống và kết quả đạt được. Kết luận bài báo được trình

bày trong phần IV.
II.

THIẾT BỊ VÀ MƠ HÌNH ĐỀ XUẤT

Mơ hình hệ thống đề xuất được mơ tả trong Hình 1.
Hình 4. Cảm biến báo cháy [3]

ISBN 978-604-80-7468-5

336


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

và lắp ráp mạch Khối xử lý dữ liệu (gọi là Mạch thực
tế khối thu và xử lý trung tâm trong Hình 19).
III.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ KẾT QUẢ
ĐẠT ĐƯỢC

Sơ đồ khối hệ thống cảnh báo đề xuất được mơ tả trong
Hình 9. Hình 10 là lưu đồ thuật tốn của hệ thống.

Hình 5. Gậy chống

Hình 9. Sơ đồ khối hệ thống cảnh báo đề xuất.

Hình 6. Bo mạch Arduino nano

Hình 7. Rơle chuyển mạch

Để truyền được thông tin từ các cảm biến tới khối xử
lý dữ liệu được mơ tả trong Hình 1, mỗi cảm biến gắn
thêm một mạch phát RF. Ngược lại, khối xử lý dữ liệu
cũng cần có bộ thu RF (Hình 8).

Hình 10. Lưu đồ thuật tốn của hệ thống.

Nguyên lý hoạt động và kết quả của hệ thống:
+ Đối với thiết bị báo tình trạng khẩn cấp: Áp dụng
cho người già, người ốm yếu (gọi chung là người già)
phải sử dụng gậy chống khi di chuyển. Trường hợp này
có 2 tình huống điển hình: 1) Người già chủ động báo
cho người nhà, bác sĩ… khi tình trạng bệnh của bản
thân trở nặng, gặp nguy hiểm, hoặc sự cố khác xảy ra ở
nhà mà không thể tự gọi điện thoại được thì chỉ cần
bấm vào nút đã thiết kế sẵn trên đầu gậy (Hình 11b).

Hình 8. Mạch thu phát RF

Ngồi những thiết bị được trình bày ở trên, hệ thống
còn sử dụng nhiều thiết bị, linh kiện khác để thiết kế

ISBN 978-604-80-7468-5

337

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022)

Lập tức, tín hiệu cảnh báo được gửi đến điện thoại
trong Khối thu và xử lý trung tâm; 2) Người già không
chủ động báo được khi bị ngã, đột quỵ. Khi đó tín hiệu
cảnh báo tự động được gửi đến điện thoại. Tình huống
báo tin này thì gậy chống hoạt động như sau: Khi ngã,
gậy chống sẽ đổ ra, do phía chân gậy ln cao hơn phía
đầu gậy nên bi sắt được bố trí sẵn trong Hình 11a sẽ lăn
ngược lên phía trên đầu gậy làm thông mạch, tương tự
như trường hợp bấm khóa K trong tình huống thứ nhất.
Khi đó sẽ kích hoạt thiết bị báo khẩn cấp gắn dưới chân
gậy (sử dụng đồng hồ định vị của trẻ em). Thiết bị này
sẽ truyền thông tin cảnh báo đến điện thoại trong Khối
thu và xử lý trung tâm (Hình 9).

đảm bảo tín hiệu vào vi điều khiển đủ lớn, dễ xử lý).
Khi đó, Khối “Vi xử lý” sẽ lần lượt điều khiển đóng
mở các Rơle để gọi đến các số điện thoại cần báo tin
theo thứ tự ưu tiên đã được thiết lập trước.
+ Các cảm biến: Báo trộm, báo rị khí gas, báo cháy
Mỗi cảm biến thực hiện một chức năng tương ứng. Các
cảm biến sau khi phát hiện có trộm, bị rị rỉ khí gas, có
hỏa hoạn → tín hiệu được phát tới bộ thu RF-315 Mhz
(gọi tắt là bộ thu RF) nhờ bộ phát RF gắn cùng các cảm
biến. Từ bộ thu RF đưa ra điện áp ở các chân tương
ứng với từng cảm biến rồi đưa tới khối “Vi xử lý”.
Khối vi xử lý ở đây sử dụng vi điều khiển Arduino
nano (Hình 6).
Tiếp đến, khối “Vi xử lý” tạo ra các xung điện áp 5 V

điều khiển cho các Rơle đóng mở tiếp điểm. Trong hệ
thống này sử dụng 02 Rơle dành cho “Khối điều khiển
nguồn”, 08 Rơle dành cho các cuộc điện thoại khẩn cấp
– Cài đặt để lần lượt gọi cho 8 số điện thoại theo thứ tự
ưu tiên. Sau đó, đưa tín hiệu đến “Khối xử lý âm
thanh” dạng MP3. Trong khối này, đã ghi âm và cài đặt
sẵn các cảnh báo như: Ứng với cảm biến báo trộm là
“Nhà có trộm” hoặc “Trộm đột nhập”…, ứng với cảm
biến báo khẩn cấp là “Bố bị ngã”, “Mẹ bị đột
quỵ”…ứng với cảm biến báo rò khí gas là “Hở bình
gas”, “Nguy hiểm, nguy hiểm, chú ý bình gas bị
hở”…ứng với cảm biến báo cháy là “Cháy nhà, cháy
nhà, cần dập lửa ngay”… Thời gian xung điện áp đưa
ra các Rơle là 3 giây (sau 3 giây là tắt), khoảng thời
gian từ xung thứ 1 đến xung lần 2, và các xung tiếp
theo là 1 phút (bao gồm cả thời gian on và off của xung
điện áp). Ta có thể thay đổi các khoảng thời gian này
theo ý muốn.
Trong 8 Rơle kết nối đến điện thoại thì mỗi Rơle sẽ kết
nối tương ứng với một phím điện thoại từ 1 đến 8 (Có
thể thiết lập 9 số ứng với 9 phím, nhưng trong ứng
dụng này chỉ để tối đa là 8 số điện thoại). Khi Rơle nào
đóng thì số điện thoại tương ứng sẽ được gọi đi từ điện
thoại trong Khối thu và xử lý trung tâm. Các số điện
thoại cần liên lạc và nhận tín hiệu cảnh báo được lưu
trong ứng dụng gọi nhanh của điện thoại.
Đồng thời, bộ vi xử lý đưa tín hiệu đến khối xử lý âm
thanh để thơng báo tình trạng báo động (đã đặt sẵn cảm
biến nào thì cảnh báo đó). Khối xử lý âm thanh dùng
Module DFPlayer Mini [4] được chỉ ra trong Hình 12.

(a)

(b)
Hình 11. Gậy chống thơng minh: a) Thiết kế bên trong, b)
Sản phẩm hoàn thiện

Ở cả 2 tình huống nêu trên, sau khi tín hiệu cảnh báo
gửi đến điện thoại, tín hiệu tiếp tục được đưa tới khối
“Vi xử lý” (giữa đầu ra của điện thoại với đầu vào vi
điều khiển thiết kế một mạch khuếch đại tín hiệu nhằm

ISBN 978-604-80-7468-5

Hình 12. Sơ đồ khối của Module DFPlayer Mini

338


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

Trong hệ thống đề xuất, cảm biến khí gas được đặt ở
khu vực bếp đun, cảm biến báo cháy được đặt ở nơi có
nguy cơ cháy nổ cao hoặc những nơi có luồng khí bay
lên của căn nhà (lý do là khi cháy, nổ sẽ sinh ra lửa,
khói), cảm biến báo trộm (cảm biến chuyển động)
thường được đặt ở khu vực bên trong cửa ra vào hoặc
nơi xung yếu, dễ bị kẻ trộm đột nhập nhất của căn nhà.
Còn cảnh báo khẩn cấp của người già thì ln nằm trên
chiếc gậy chống, nên phụ thuộc vào sự di chuyển của

người già. Khối thu và xử lý trung tâm, loa cảnh báo sẽ
đặt ở vị trí thuận tiện cho việc thu tín hiệu từ gậy chống
và các bảm biến. Đồng thời, để người trong nhà dễ
ràng nghe được báo động.
Phạm vi kết nối giữa bộ thu và phát RF từ 30 đến 50 m
khi có vật cản, nếu khơng có vật cản là 100 m. Trong
thiết kế có chức năng cảnh báo qua điện thoại cũng cho
phép người nhận cảnh báo ở vị trí xa bất kỳ.
Hình 13-15 dưới đây là hình ảnh của cảm biến chuyển
động, cảm biến khí gas, cảm biến nhiệt độ sau khi gắn
thêm bộ phát RF để có thể truyền dữ liệu sang bộ thu
RF.

Hình 15. Module báo cháy hồn thiện

Khối thu và xử lý trung tâm mơ tả trong Hình 9 được
thiết kế thành một mạch tích hợp riêng. Trước khi lắp
ráp mạch thực tế cần qua công đoạn thiết kế.
Thiết kế mạch in 2D, 3D lớp trên và 3D lớp dưới của
Khối thu và xử lý trung tâm l lần lượt được chỉ trong
Hình 16-18.

Hình 16. Mạch in 2D

Hình 13. Module chuyển động hồn thiện

Hình 17. Mạch in 3D lớp dưới

Hình 14. Module phát hiện rị khí gas hồn thiện

Hình 18. Mạch in 3D lớp trên

ISBN 978-604-80-7468-5

339


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

thông qua mạng gia đình để nâng cao chất lượng cuộc
sống [5]; Sử dụng kết nối Bluetooth, GSM để tương tác
giữa các thiết bị điện trong nhà với người dùng để điều
khiển các thiết bị một cách thuận tiện hoặc hoạt động
theo lịch trình đã được cài đặt sẵn [6]; Xây dựng hệ
thống mơ phỏng mơ hình nhà thơng minh tích hợp
phần cứng và phần mềm sử dụng công nghệ IoT để
điều khiển các thiết bị [7] etc. Mỗi nghiên cứu và ứng
dụng đưa ra một giải pháp khác nhau. Trong nghiên
cứu này, tác giả đã kết hợp thiết bị phần cứng với mạng
điện thoại, thiết bị điều khiển RF để thực hiện việc kết
nối và truyền thông tin cảnh báo. Hệ thống được thiết
kế đơn giản nhưng hoạt động tốt, có độ tin cậy cao, chi
phí thấp, có tính ứng dụng cao cho các gia đình.

Hình 19. Mạch thực tế khối thu và xử lý trung tâm.

IV.

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trong bài báo này, tác giả đề xuất xây dựng hệ thống
thiết bị có thể nhúng và tích hợp được 03 cảm biến và
01 thiết bị cảnh báo khi có tình huống khẩn cấp. Hệ
thống có thể đưa ra cảnh báo khi có trộm đột nhập nhờ
cảm biến chuyển động, cảnh báo rị rỉ khí gas, cảnh báo
cháy. Chiếc gậy chống được thiết kế đặc biệt để người
già có thể chủ động gửi thơng báo khẩn cho người thân,
bác sĩ hoặc có thể gửi cảnh báo khẩn tự động khi người
già bị ngã, đột quỵ. Khi cảnh báo đều thông qua Loa
đặt tại nhà và gọi trực tiếp tới điện thoại được thiết lập
trước.
Khoảng cách kết nối giữa bộ thu RF và bộ phát RF lên
đến 50 m khi có vật cản và lên tới 100 m khi khơng có
vật cản. Do cảnh báo cả bằng hình thức gọi điện thoại
nên cho phép người nhận cảnh báo ở bất cứ nơi đâu,
chỉ phụ thuộc vào sóng điện thoại liên lạc giữa hai
máy.
Trên thực tế, đã có nhiều nghiên cứu về mơ hình nhà
thơng minh như: Tích hợp cơng nghệ và các dịch vụ

ISBN 978-604-80-7468-5

[1]
[2]
[3]
[4]
[5]

[6]

[7]

340

/>Hướng dẫn sử dụng cảm biến khí GAS (MQ2) với Arduino |
Cộng đồng Arduino Việt Nam
Mạch Cảm Biến Nhiệt Độ W1209 12v | Shopee Việt Nam
DFPlayer_Mini_SKU_DFR0299-DFRobot.
Rosslin John Robles and Tai-hoon Kim. "Applications,
systems and methods in smart home technology: a review."
International Journal of Advanced Science and Technology,
Vol. 15, February, 2010, Pg 37-47.
Võ Minh Phụng, Dương Thị Thanh Hiên, Võ Tiến Phúc,
“Nghiên cứu xây dựng mơ hình điều khiển nhà thơng minh sử
dụng kết nối Bluetooth, GSM”, Tạp chí khoa học Đại học Đà
Lạt, Tập 8, Số 3, 2018 49-60.
Nguyễn Văn Thắng, Phạm Trung Minh, Nguyễn Cảnh Toàn,
Nguyễn Trọng Đức, “Ứng dụng Internet of Things xây dựng
ngôi nhà thông minh”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải
số 47, 2016 54-58.