Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM ANH VŨ

XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO MÔI TRƢỜNG
TRONG TÒA NHÀ (CHÁY, ĐỘ ẨM)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM ANH VŨ

XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO MÔI TRƢỜNG
TRONG TÒA NHÀ (CHÁY, ĐỘ ẨM)

Chuyên ngành: Đo lƣờng và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS. TS. Phạm Thị Ngọc Yến

Hà Nội - Năm 2015

MỤC LỤC
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU ...............................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 3
3. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 3
4. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 3
5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 3
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC CẢM BIẾN ĐỘ ẨM, CẢM BIẾN
CHÁY ....................................................................................................................4
1.1. Cảm biến độ ẩm (Humidity sensor) ........................................................... 4
1.1.1. Cảm biến độ ẩm điện dung (Capacitive humidity sensor) ..................... 6
1.1.2. Cảm biến độ ẩm điện trở (Resistive humidity sensor) ............................ 7
1.1.3. Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt (Thermal Conductivity Humidity Sensor) ... 9
1.2. Cảm biến khói (Smoke sensor) ................................................................ 12
1.2.1. Cảm biến khói ion hoá (Ionization detector) ........................................ 13
1.2.2. Cảm biến khói quang điện (Photoelectric Smoke Detector)................. 14
1.2.3. Cảm biến khói quang dạng tia (Projected Beam Detector) .................. 16
1.2.4. Cảm biến khói lắp trên đường ống (Duct smoke detector) ................... 19
1.2.5. Đầu báo khói độ nhạy cao (Aspirating Smoke Detector hoặc Air
Sampling Detector - ASD) .............................................................................. 20
CHƢƠNG 2 MỘT SỐ PHƢƠNG THỨC TRUYỀN THÔNG KHÔNG
DÂY .....................................................................................................................22
2.1. Tổng quan ................................................................................................. 22

2.2. Lựa chọn phương thức ............................................................................. 22
2.2.1. Băng tần ISM 2.4 GHz .......................................................................... 22
2.2.2. Tin nhắn ngắn SMS............................................................................... 24
2.2.3. Wi-Fi ..................................................................................................... 25
2.2.4. ZigBee ................................................................................................... 27
2.2.5. Bluetooth ............................................................................................... 29
CHƢƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG HỆ
THỐNG...............................................................................................................32
3.1. Module xử lý trung tâm............................................................................ 32
3.1.1 Giới thiệu chung về chip ARM .............................................................. 32
3.1.2. Giới thiệu tổng quan Cortex-M3 ........................................................... 33
3.1.3. Khối MPU STM32F103........................................................................ 34
3.2. Module Hiển thị và phím bấm ................................................................. 37
3.2.1. Hình dáng và kích thước ...................................................................... 37
3.2.2. Chức năng các chân .............................................................................. 38
3.3. Module truyền tin GSM ........................................................................... 38
................................................................... 38
3.3.2. Cấu trúc mạng GSM.............................................................................. 39
3.3.3. Giới thiệu Module GSM SIM908 ......................................................... 40
3.3.4. Tập lệnh AT .......................................................................................... 42
3.4. Module nguồn ......................................................................................... 42
3.5. Vi điều khiển PIC ..................................................................................... 45
3.5.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC.............................................................. 45
3.5.2. Giới thiệu PIC 16F1823 ........................................................................ 47
3.6. Module cảm biến độ ẩm ........................................................................... 49
3.7. Module cảm biến khói.............................................................................. 50
3.8. Module truyền, nhận dữ liệu không dây Wireless ................................... 50
CHƢƠNG 4 CÁC BƢỚC XÂY DỰNG HỆ THỐNG .................................55

4.1. Xây dựng phần cứng của hệ thống........................................................... 55


4.2. Các bước xây dựng phần cứng hệ thống .................................................. 56
4.3. Xây dựng phần mềm của hệ thống........................................................... 57
4.3.1. Phần mềm vẽ mạch hệ thống Protel 99 se ............................................ 57
4.3.2.Phần mềm nạp vào điều khiển hệ thống ................................................ 58
CHƢƠNG 5 TÍCH HỢ

..........................................................61

5.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống......................................................................... 61
5.2. Mô hình truyền dữ liệu của hệ thống ....................................................... 62
5.3. Sơ đồ nguyên lý........................................................................................ 63
5.3.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống trung tâm .............................................. 63
5.3.2. Sơ đồ nguyên lý của module cảm biến và wireless .............................. 67
5.4. Thuậ

.................................................................................. 72
ối xử lý trung tâm................................................... 72
ối Cảm biến độ ẩm, khói, module Wireless ........... 73

5.5. Phần cứng hệ thống ................................................................................. 74
5.6. Phần mềm hệ thống .................................................................................. 76
5.7. Cài đặt hệ thống cảnh báo trong tòa nhà .................................................. 79
5.7.1. Lắp đặt module đo độ ẩm ...................................................................... 81
5.7.2. Lắp đặt module báo khói ....................................................................... 84
CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..............................86
6.1. Các kết quả đạt được ................................................................................ 86
6.2. Các kết quả chưa đạt được ....................................................................... 86

6.3. Khó khăn gặp phải trong quá trình làm luận văn ..................................... 87
6.4 Định hướng phát triển trong tương lai ...................................................... 87
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................i
PHỤ LỤC............................................................................................................ iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
1. Những nội dung trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự
hướng dẫn trực tiếp của GS. TS. Phạm Thị Ngọc Yến.
2. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả,
tên công trình, thời gian, địa điểm công bố.
3. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
4. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Tác giả luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết đầy đủ

Chữ viết tắt
AC

Alternating Current- Dòng xoay chiều

ADC

Analog-to-Digital Converter-Bộ biến đổi tương tự - số

ARM

Advanced RISC Machine- Cấu trúc ARM

ASD

Aspirating Smoke Detector-Cảm biến khói độ nhạy cao kiểu
nephelomet

CCK

Complementary Code Keying-Điều chế mã bù

CPS

Capacitive Sensing – cổng vào cảm biến điện dung của PIC

DAC

Digital-to-Analog Converter- Bộ biến đổi số- tương tự

DC

Direct current- Dòng điện một chiều

DMA

Direct Memory Access-Truy cập bộ nhớ trực tiếp

GPRS

General Packet Radio Service-Dịch vụ chuyển mạch gói

FCC

GSM

Federal Communications Commission-Ủy ban Truyền thông
Liên bang
Global System for Mobile Communications-Thông tin di động
GSM

I2S

Integrated Interchip Sound- Chuẩn giao tiếp âm thanh I2S

I2C

Inter-Integrated Circuit- Giao diện I2C

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers-Tổ chức các kỹ
sư điện tử và điện

ISM

Industrial Scientific Medical – Băng tần ISM

IrDA

Infrared Data Access- Truy cập hồng ngoại

KXLTT

Khối Xử Lý Trung Tâm

LAN

Local Area Network- Mạng LAN

LCD

Liquid Crystal Display- Màn hiển thị tinh thể lỏng

LED

Light Emitting Diode-Điod phát quang

LOS

Line of Sight-Tầm nhìn thẳng


MCU

Micro Controller Unit – Vi điều khiển

M2M

Machine-to-Machine-Giao diện máy-máy

NLOS

None Line of Sight- Ngoài tầm nhìn thẳng

OFDM

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing- Điều chế OFDM

nRF

nRF24L01

PC

Personal Computer- Máy tính cá nhân

PCB

Printed Circuit Board- Mạch in

PDA

Personal Digital Assistant- Máy tính cầm tay PDA

PIC

Programmable Intelligent Computer- Vi điều khiển PIC

PWM
RF

Pulse Width Modulation- Điều chế độ rộng xung
Radio Frequency- Tần số vô tuyến điện

SDIO

Secure Digital Input Output-Vào ra có bảo mật

SIM

Subscriber identity module- Thẻ SIM

SPI

Serial Peripheral Interface- Giao diện truyền thông nối tiếp

UART

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter- Bộ thu phát dị bộ

Wi-Fi

Wireless Fidelity - Mạng không dây


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Bảng hiển thị thông số quan trọng của cảm biến độ ẩm .............................5
Bảng 1.2. Độ nhạy tiêu chuẩn của cảm biến khói .....................................................13
Bảng 2.1. Các dải tần số phổ biến của ISM ..............................................................23
Bảng 3.1. Chức năng các chân của LCD ..................................................................38
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật chung của PIC16F1823 ..............................................47
Bảng 3.3. Chức năng của các chân module nRF24L01+ ..........................................53
Bảng 4.1. Danh sách linh kiện phần cứng .................................................................56


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Hình ảnh cảm biến độ ẩm ................................................................. 4
Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của cảm biến điện dung .......................................... 6
Hình 1.3. Cảm biến điện trở .............................................................................. 7
Hình 1.4. Cấu trúc của cảm biến điện trở ......................................................... 7
Hình 1.5. Tương quan giữa cảm biến điện trở với độ ẩm ở 25°C .................... 8
Hình 1.6. Tương quan giữa cảm biến điện trở và độ ẩm. ................................. 9
Hình 1.7. Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt................................................................. 9
Hình 1.8. Sơ đồ mạch của cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt ..................................... 10
Hình 1.9. Mối tương quan giữa độ ẩm và đầu ra của cảm biến độ ẩm dẫn
nhiệt ................................................................................................................. 11
Hình 1.10. Hình ảnh cảm biến khói ................................................................ 12
Hình 1.11. Cấu tạo đầu báo khói ion............................................................... 14
Hình 1.12. Cấu tạo đầu báo khói quang .......................................................... 14
Hình 1.13. Đầu báo beam dạng thu - phát ...................................................... 16
Hình 1.14. Đầu báo beam dạng phản xạ ......................................................... 17
Hình 1.15. Đầu báo tia báo động khi khói che khuất một phần tia hồng ngoại .. 17
Hình 1.16. Đám cháy được phát hiện bởi đầu báo beam ................................ 18
Hình 1.17. Hoạt động của đầu báo beam phản xạ .......................................... 19
Hình 1.18. Đầu báo Duct................................................................................. 19

Hình 1.19. Hệ thống ASD ............................................................................... 20
Hình 3.1. Mô hình giao tiếp vi điều khiển ARM STM32 ............................... 32
Hình 3.2. Các thành phần chính của vi xử lý Cortex-M3 ............................... 33
Hình 3.3. Hình ảnh chip vi điều khiển ARM STM32F103VET6 .................. 34
Hình 3.4. Sơ đồ khối chip vi điều khiển ARM STM32F103VET6 ................ 35
Hình 3.5. Sơ đồ chân của LCD ....................................................................... 37
Hình 3.6. Mô hình hệ thống GSM .................................................................. 39


Hình 3.7. Mô hình hệ thống thông tin di động tế bào ..................................... 40
Hình 3.8. Hình ảnh Module sim908 ................................................................ 41
Hình 3.9. Sơ đồ kết nối Sim908 với MCU ..................................................... 42
Hình 3.10. Sơ đồ hoạt động của khối nguồn mạch chính ............................... 43
Hình 3.11. Sơ đồ hoạt động của khối nguồn mạch Wireless .......................... 43
Hình 3.12. IC nguồn LM2576 chân dán ......................................................... 44
Hình 3.13. Sơ đồ cấu tạo bên trong của LM2576. .......................................... 44
Hình 3.14. sơ đồ khối của PIC16F1823 .......................................................... 48
Hình 3.15. Sơ đồ bố trí chân của PIC16F1823 ............................................... 49
Hình 3.16. Hình ảnh cảm biến độ ẩm ............................................................. 49
Hình 3.17. Hình ảnh cảm biến khói ................................................................ 50
Hình 3.18. Sơ đồ khối module nRF24L01+.................................................... 52
Hình 3.19. Sơ đồ bố trí chân (nhìn từ trên xuống) của module nRF24L01+ . 52
Hinh 3.20. Sơ đồ chân module nRF24L01 ..................................................... 54
Hình 4.1. Phần mềm thiết kế Protel 99se ........................................................ 57
Hình 4.2 Lập trình Keil cho ARM .................................................................. 58
Hình 4.3 MPLAB IDE và các thành phần hỗ trợ ........................................... 59
Hình 4.4 Chu trình thiết kế của MPLAB ........................................................ 60
Hình 5.1. Sơ đồ tổng thể hệ thống .................................................................. 62
Hình 5.2. Mô hình truyền dữ liệu của thiết bị ................................................. 62
Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý của hệ thốngtrung tâm ......................................... 63

Hình 5.4. Sơ đồ nối dây module Wireless ...................................................... 63
Hình 5.5. Sơ đồ nối dây module Sim908 ........................................................ 65
Hình 5.6. Sơ đồ nối dây module LCD ............................................................ 66
Hình 5.7. Sơ đồ nguồn hệ thống ..................................................................... 66
Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý của module cảm biến và Wireless ........................ 67
Hình 5.9. Sơ đồ nguyên lý mạch đo độ ẩm ..................................................... 67


Hình 5.10. Module cảm biến điện dung ......................................................... 68
Hình 5.11. Sơ đồ nguyên lý mạch đo độ ẩm và báo khói ............................... 69
Hình 5.12. Sơ đồ nguyên lý mạch nRF24L01 ................................................ 70
Hình 5.13. Hình ảnh Module cảm biến và Wireless ....................................... 74
Hình 5.14. Sơ đồ mạch in module cảm biến và Wireless ............................... 75
Hình 5.15. Bo mạch chính của hệ thống ........................................................ 75
Hình 5.16. Module 2 báo độ ẩm 100% RH và có khói ................................... 76
Hình 5.17. Hai module 1 và 2 báo độ ẩm 100% RH ...................................... 77
Hình 5.18. Tin nhắn cảnh báo trên điện thoại di động.................................... 78
Hình 5.19. Hình ảnh tổng quan hệ thống ........................................................ 78
Hình 5.20. Bố trí hệ thống cảnh báo trong tòa nhà ......................................... 80
Hình 5.21. Bố trí hệ thống cảnh báo trong 1 tầng nhà .................................... 80
Hình 5.22. Sương mù dày đặc làm tòa nhà Keangnam “mất ngọn” ............... 81
Hình 5.23. Trời nồm ........................................................................................ 81
Hình 5.24. Mốc trên sensor máy ảnh .............................................................. 81
Hình 5.25. Vị trí lắp đặt module cảm biến ẩm. ............................................... 82
Hình 5.27. Máy chụp cắt lớp giá 5,5 tỷ đồng.................................................. 83
Hình 5.28. Cháy dữ dội tại một tòa nhà .......................................................... 84
Hình 5.29. Module báo khói ở hành lang ....................................................... 84
Hình 5.30. Sơ đồ bố trí vị trí lắp đặt cảm biến khói trong phòng ở ................ 85
Hình 5.31. Sơ đồ bố trí vị trí lắp đặt cảm biến khói trong phòng làm việc .... 85

Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Là một quốc gia nhiệt đới, Việt Nam quanh năm có nhiệt độ cao và độ ẩm
lớn. Cùng với khí hậu nhiệt đới gió mùa, trời nồm, độ ẩm cao dẫn đến sàn nhà đọng
nước, trơn trượt có thể làm cho trẻ em và người già bị ngã, gây chấn thương. Ngoài
việc độ ẩm cao ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người như kích thích trực tiếp
niêm mạc đường thở dẫn đến các triệu chứng ho, hắt hơi, khó thở, làm tăng mức độ
trầm trọng của một số bệnh đường hô hấp mạn tính như bệnh phổi tắc nghẽn mạn
tính, hen phế quản. Độ ẩm cao tạo điều kiện thuận lợi cho các vi khuẩn, vi rút, nấm
mốc phát triển, dẫn đến tăng nguy cơ mắc các bệnh nhiễm trùng đường hô hấp
(bệnh viêm mũi họng cấp tính, viêm phế quản cấp, viêm phổi), nhiễm trùng đường
tiêu hóa, một số bệnh ngoài da và gia tăng tình trạng dị ứng. Độ ẩm cao còn làm
chập, cháy điện (chập, cháy điện là nguyên nhân lớn nhất gây hỏa hoạn ở nước ta
năm 2014), làm hỏng các thiết bị điện tử, quang học, các đồ vật bằng gỗ, gây mốc
tường…
Ngoài việc phải đối phó với độ ẩm môi trường cao, gây thiệt hại về sức khỏe
và vật chất cho người dân, việc đối phó với cháy, nổ và phòng cháy chữa cháy đã
trở thành mối quan tâm hàng đầu không chỉ ở nước ta mà ở hầu hết các nước trên
thế giới. Tính chung trong 10 tháng đầu năm 2014, cả nước đã xảy ra 2.078 vụ
cháy, nổ nghiêm trọng, làm 92 người chết và 138 người bị thương. Thiệt hại do
cháy, nổ gây ra ước tính khoảng 590 tỷ đồng. Để hạn chế tối đa thiệt hại về người
và của do cháy, nổ gây ra, tốt nhất là công tác phòng chống cháy, nổ. Hàng năm,
các cơ quan, trường học, lực lượng phòng cháy, chữa cháy thường xuyên tổ chức
diễn tập các phương án phòng cháy, chữa cháy. Chính phủ quy định thủ trưởng các
đơn vị phải trực tiếp làm trưởng ban phòng cháy, chữa cháy của đơn vị mình…
Điều này một lần nữa chứng tỏ tầm quan trọng của việc phòng cháy, chữa cháy,
nhất là với hiện tượng nóng lên toàn cầu nói chung và độ ẩm môi trường cao nói

riêng mà nước ta đang phải đối mặt hiện nay. Đồng thời với sự phát triển nhanh
chóng và ứng dụng rất rộng rãi của công nghệ thông tin vào đời sống, sản xuất. Các
Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
1


Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

hệ thống cảnh báo môi trường (cháy, độ ẩm…) là hết sức cần thiết, nó mang lại
nhiều lợi ích không chỉ về kinh tế, bảo đảm tài sản cho nhân dân, cơ quan, nhà
máy… mà còn đem lại tính mạng, sự an toàn và sức khỏe cho mọi người.
Các hệ thống cảnh báo môi trường này đã được nghiên cứu và triển khai
trong vài thập niên trước. Các hệ thống báo động, báo cháy, chữa cháy tự động ngày
nay phát huy vai trò quan trọng trong việc phát hiện sớm các sự cố, đề phòng rủi ro,
giảm thiểu chi phí cho các doanh nghiệp; đẩy nhanh quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước.
Hiện nay các hệ thống tương tự tại Việt Nam đều do nước ngoài lắp đặt
hoặc các đơn vị trong nước tích hợp bằng ghép nối các phần mua sẵn (phần cứng
và phần mềm) do vậy giá thành cao, chi phí lắp đặt, bảo trì nâng cấp cao. Để lắp
đặt hệ thống báo cháy cho một tòa nhà 9 tầng, mỗi tầng có 4 phòng, mỗi phòng
cần 1 cảm biến báo cháy, kinh phí theo báo giá của các công ty lắp đặt hệ thống
báo cháy tại Hà nội tháng 3 năm 2015 là 500 triệu đồng. Nếu không tính kinh phí
của thiết bị trung tâm và các đường dây nối từ trung tâm lên các tầng, kinh phí
trung bình cho một cảm biến sau khi lắp đặt là 8 triệu đồng. Giả thiết cần lắp hệ
thống báo cháy cho 1 tòa nhà 10 tầng, mỗi tầng có 20 căn hộ, mỗi căn hộ có 4
phòng, kinh phí tối thiểu cần để lắp đặt cho 800 cảm biến khói là 6,4 tỷ đồng.
Kinh phí này quá lớn và không khả thi đối với điều kiện kinh tế ở Việt Nam. Vì
vậy chủ động thiết kế, chế tạo hệ thống trong nước sẽ cho phép giảm giá thành, từ
đó tạo điều kiện cho các doanh nghiệp đầu tư cho hệ thống này để nâng cao hiệu
quả hoạt động. Đặc biệt với việc ứng dụng các kỹ thuật mạng không dây mới nhất
vào các hệ thống sẽ giúp phần làm giảm giá thành và chi phí hoạt động của hệ

thống cũng như có những ưu điểm vượt trội về số lượng các điểm đo nên có thể
thu thập được rất nhiều thông tin hữu ích mà các hệ truyền thống không thể có
được. Ngoài ra, các hệ thống sử dụng công nghệ không dây còn có các ưu điểm
khác: Tăng khả năng cạnh tranh ở tính di động và độ linh hoạt; Giảm chi phí bảo
trì công trình, chi phí dịch vụ; Có thể truy cập dữ liệu không phụ thuộc vào kết nối
mạng trong nhà và ngoài trời; Cắt giảm 90% chi phí cáp, chi phí và thời gian lắp
đặt so với các mạng hữu tuyến.
Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
2


Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

Với những ưu điểm vượt trội trên, luận văn tập trung nghiên cứu, xây dựng
hệ thống cảnh báo cháy, độ ẩm cao trong tòa nhà sử dụng các công nghệ không dây
như: ISM, GSM, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee … Hệ thống này sẽ sớm phát hiện các
hiện tượng khói, độ ẩm tăng cao vượt ngưỡng, thông qua hệ thống mạng không dây
gửi tin cảnh báo đến điện thoại di động của cá nhân, đơn vị chức năng.
Luận văn thực hiện tiến hành nghiên cứu tổng quan về nguyên lý làm việc của
các cảm biến độ ẩm, báo khói, một số các giao thức truyền tin không dây phổ biến.
Nghiên cứu và phát triển một hệ thống thiết bị có khả năng phát hiện có khói hay độ
ẩm cao ở các vị trí khác nhau, truyền các thông số môi trường đo được về trung tâm
bằng công nghệ không dây, trung tâm tiến hành xử lý thông tin, nếu phát hiện ra các
thông số nhận được vượt ngưỡng cho phép, trung tâm sẽ truyền thông tin cảnh báo
đến các thuê bao điện thoại di động của những người quản lý.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu, phát triển hệ thống thiết bị phát hiện hỏa hoạn, độ ẩm cao trong
tòa nhà; Truyền thông tin trong tòa nhà và thông tin cảnh báo đến điện thoại di
động sử dụng công nghệ không dây.
3. Đối tƣợng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn tập trung vào hệ thống cảnh báo môi
trường sử dụng công nghệ không dây, đặc biệt là ISM và GPS.
4. Phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu tổng quan các cảm biến cháy, độ ẩm và các kiến trúc vi
điều khiển PIC, ARM, module Wireless. Từ đó đề xuất thiết kế và xây dựng hệ
thống bao gồm các module thu thập dữ liệu, xử lý trung tâm, truyền tin và hiển thị…
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu: phương pháp tham khảo tài
liệu; phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia; phương pháp tổng hợp và phân
tích hệ thống; phương pháp thực nghiệm…

Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
3


Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC CẢM BIẾN ĐỘ ẨM, CẢM BIẾN CHÁY
1.1. Cảm biến độ ẩm (Humidity sensor)

Hình 1.1. Hình ảnh cảm biến độ ẩm
Độ ẩm là sự hiện diện của nước trong không khí. Lượng hơi nước trong
không khí có thể ảnh hưởng đến con người cũng như nhiều quy trình sản xuất trong
ngành công nghiệp. Sự có mặt của hơi nước cũng ảnh hưởng khác nhau về vật lý,
hóa học, và các quá trình sinh học. Cảm biến độ ẩm đo độ ẩm trong các ngành công
nghiệp có vai trò rất quan trọng bởi nó có thể ảnh hưởng đến chi phí kinh doanh của
sản phẩm cũng như sức khỏe và an toàn của các nhân viên. Trong ngành công
nghiệp bán dẫn, độ ẩm cần được kiểm soát đúng cách và theo dõi trong quá trình chế
biến nước. Trong các ứng dụng y tế, kiểm soát độ ẩm cần thiết cho các thiết bị hô

hấp, tiệt trùng, chế biến dược phẩm, và các sản phẩm sinh học. Kiểm soát độ ẩm cũng
rất cần thiết trong lọc khí hóa học, máy sấy, lò nướng, giấy và dệt may... Trong nông
nghiệp, đo độ ẩm rất quan trọng để bảo vệ rừng (phòng chống sương), giám sát độ ẩm
của đất, vv… Ngoài ra kiểm soát độ ẩm cũng cần thiết cho môi trường sống trong các
tòa nhà, … Trong tất cả các ứng dụng, cảm biến độ ẩm được sử dụng để cung cấp dấu
hiệu phát hiện sự bất thường của độ ẩm trong môi trường.
Đơn vị thường được sử dụng để đo độ ẩm:
- Độ ẩm tương đối(RH), hàm đặc trưng cho nhiệt độ và phụ thuộc vào nhiệt
- Độ ẩm tuyệt đối (Dew/Frostpoint - D /FPT): đặc trưng cho áp lực của không
khí nhưng không phụ thuộc vào nhiệt độ. Chúng thường được sử dụng như một chỉ số
của hơi nước trong quá trình nhiệt độ cao, chẳng hạn như sấy công nghiệp.
Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
4


Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

Tương ứng với các đơn vị đo độ ẩm thì trên thi trường cảm biến độ ẩm cũng
được chia làm 2 loại:
- Cảm biến độ ẩm tương đối (RH);
- Cảm biến độ ẩm tuyệt đối.
Bảng 1.1. cho các thông số quan trọng của các loại cảm biến độ ẩm:
Chất hoạt
động
Chất nền
Tham số

Nhựa dẻo

Nhựa dẻo

Khối dẻo

Khối

nóng

nóng

nóng

AlO3

Ceramic or

Ceramic or

Polyester or

N/A

N/A

Silicon

Silicon

mylar film

Capacitance

Capacitance

Capacitance

Resistance

%RH

%RH

%RH

%RH

%RH

%RH

0% to 100%

0% to 100%

0% to 100%

20% to

2% to 90%

15% to

Nhựa đất sét

Sợi LiCl

Ceramic

Resistance Conductivity

cảm biến
Tham số đo
lường
Độ biến đổi
RH

100%

Độ chính

±1% to ±5%

±3% to ±5% ±3% to ±5%

xác RH

<100%

±3% to

±1% to

±10%

±5%
poor

Khả năng

±2% to

±3% to

±3% to

±5% to

siêu biến

±10% RH

±20% RH

±20% RH

±25% RH

<1% to 3% RH

2% to 5%

2% to 5% RH

3% to 6%

±5%
±3% to
±10% RH

đổi
Hysterisis

RH

<2% RH

very poor

RH

Tuyến tính

±1% RH

±1% RH

±2% RH

Poor

poor

Very poor

Thời gian

15 s to 60 s

15 s to 90 s

15 s to 90 s

2 min to 5

3 min to 5

3 min to 5

min

min

min
-

tăng thêm
Khoảng

-40 °C to

-30 °C to

-25°C to

10 °C to

-10 °C to

nhiệt độ

185 °C

190 °C

100 °C

40 °C

75 °C

±1%RH/5 yr

±1%RH/yr

±1%RH/yr

±3%RH/yr

±3%

Giới hạn ổn

định dài

>1% RH/°C

RH/yr

Bảng 1.1 Bảng các thông số quan trọng của các cảm biến độ ẩm
Nguyên tắc cảm biến: Đo độ ẩm có thể được thực hiện bằng ẩm kế khô và
ướt, bóng đèn, ẩm kế điểm sương và ẩm kế điện tử. Thường được sử dụng nhất là
ẩm kế điện tử và được gọi là cảm biến độ ẩm.
Cảm biến độ ẩm có thể được phân chia thành ba loại:
Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
5


Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

- Cảm biến điện dung;
- Cảm biến điện trở;
- Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt.
1.1.1. Cảm biến độ ẩm điện dung (Capacitive humidity sensor)
Cảm biến độ ẩm dựa trên nguyên tắc này bao gồm một vật liệu điện môi hút
ẩm kẹp giữa một cặp điện cực tạo thành một tụ điện nhỏ. Hầu hết các cảm biến điện
dung sử dụng một loại nhựa polymer hoặc làm vật liệu điện môi với hằng số điện
môi điển hình khác nhau, từ 2 đến 15. Trong trường hợp không có độ ẩm, hằng số
điện môi của vật liệu điện môi hút ẩm và hình dạng cảm biến xác định giá trị của
điện dung;
Ở nhiệt độ bình thường(25oC), hằng số điện môi của hơi nước có giá trị
khoảng 80, lớn hơn nhiều so với hằng số điện môi của vật liệu cảm biến. Vì vậy, sự
hấp thụ hơi nước bằng những kết quả cảm biến làm tăng cảm ứng điện dung;

Ở điều kiện cân bằng, lượng ẩm trong vật liệu hút ẩm phụ thuộc vào cả nhiệt
độ môi trường xung quanh và áp suất hơi nước. Điều này cũng đúng đối với các vật
liệu điện môi hút ẩm được sử dụng trên bộ cảm biến.
Theo định nghĩa, độ ẩm tương đối là một hàm của nhiệt độ môi trường xung
quanh và áp suất hơi nước. Vì vậy có một mối quan hệ giữa độ ẩm tương đối, lượng
ẩm trong các bộ cảm biến và cảm ứng điện dung. Mối quan hệ này điều chỉnh các
hoạt động của một công cụ độ ẩm điện dung. Trên hình 1.2 cho cấu trúc cơ bản của
cảm biến điện dung.

Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của cảm biến điện dung
Trên bề mặt nhôm, điện cực thấp được làm bằng vàng, bạch kim hoặc vật
liệu khác. Một lớp nhựa polymer như PVA được tích trên các điện cực. Lớp này sẽ
cảm nhận độ ẩm. Trên phim polymer này, lớp vàng được tích để hoạt động như điện
Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
6


Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

cực. Các điện cực cũng cho phép hơi nước đi qua nó, vào lớp cảm biến. Hơi vào
hoặc rời khỏi lớp cảm biến hút ẩm cho đến khi lượng hơi cân bằng với không khí
xung quanh hoặc gas. Do đó loại cảm biến điện dung về cơ bản là một tụ điện có
lớp phim polymer như điện môi cảm nhận độ ẩm.
1.1.2. Cảm biến độ ẩm điện trở (Resistive humidity sensor)

Hình 1.3. Cảm biến độ ẩm điện trở
Cảm biến độ ẩm loại điện trở lấy những thay đổi trong giá trị điện trở của
phần tử cảm biến để đáp ứng với sự thay đổi về độ ẩm. Hình 1.3 cho hình các cảm
biến độ ẩm điện trở. Hình 1.4 cho hình cấu trúc cơ bản của cảm biến độ ẩm điện trở.

Hình 1.4. Cấu trúc của cảm biến độ ẩm điện trở
Một màng dẫn dày làm bằng kim loại quý như vàng, bạch kim được in và
nung khô trong hình dạng của chiếc lược để tạo thành một điện cực. Sau đó, một
phim nhựa polymer được áp lên các điện cực; phim sẽ cảm nhận độ ẩm qua các ion
di chuyển dẫn đến thay đổi trở kháng.

Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
7


Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

Sự thay đổi trở kháng thường tỷ lệ nghịch với hàm mũ của độ ẩm. Hình 1.5
cho sự tương quan giữa cảm biến điện trở và độ ẩm ở 25oC.

Hình 1.5. Tương quan giữa cảm biến điện trở với độ ẩm ở 25°C
Cảm biến điện trở bao gồm các điện cực kim loại quý hoặc kết tủa trên một
bề mặt bằng các kỹ thuật cản quang hoặc các điện cực trên nhựa hoặc thủy tinh hình
trụ. Bề mặt được phủ một lớp muối hoặc polymer dẫn điện. Khi bị giải phóng hoặc
bị treo trong một chất kết dính lỏng nó có chức năng như một phương tiện để phân
lớp cảm biến. Ngoài ra, các chất nền có thể được chế bằng hóa chất kích hoạt như
axit. Các cảm biến hấp thụ hơi nước và các nhóm chức năng ion được tách ra, dẫn
đến sự gia tăng tính dẫn điện. Thời gian đáp ứng cho hầu hết các cảm biến điện trở
dao động từ 10 đến 30s cho một bước thay đổi 63%. Phạm vi trở kháng của các yếu
tố điện trở điển hình thay đổi từ 1 k

đến 100 M .

Hầu hết các cảm biến điện trở sử dụng điện áp kích thích đối xứng AC không
có thành phần DC để ngăn chặn sự phân cực của cảm biến. Kết quả là dòng điện

được chuyển đổi và sửa chữa một tín hiệu điện áp DC cho rộng thêm, khuếch đại,
tuyến tính, hoặc chuyển đổi A /DR (xem hình 1.6).

Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
8


Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

Hình 1.6. Tương quan giữa cảm biến điện trở và độ ẩm.
Ưu điểm của bộ cảm biến độ ẩm điện trở là chúng có thể thay thế lẫn nhau,
thường là trong vòng ± 2% RH, điều này cho phép các mạch điều khiển tín hiệu
điện tử được hiệu chỉnh bởi một điện trở tại một điểm cố định RH. Điều này loại bỏ
sự cần thiết phải tiêu chuẩn hóa độ ẩm hiệu chuẩn. Độ chính xác của cảm biến độ
ẩm điện trở đơn lẻ có thể được xác định bằng cách kiểm tra trong một căn phòng
hiệu chuẩn RH hoặc bằng một hệ thống DA trên máy tính tham chiếu đến môi
trường kiểm soát độ ẩm tiêu chuẩn. Nhiệt độ hoạt động trên lý thuyết của cảm biến
điện trở dao động từ -40 ° C đến 100 ° C.
Trong môi trường khu dân cư và thương mại, tuổi thọ của các cảm biến này
là hơn 5 năm, nhưng tiếp xúc với hơi hóa chất và chất gây ô nhiễm khác như sương
dầu có thể dẫn đến bị hỏng. Nhược điểm của một số cảm biến điện trở là xu hướng
thay đổi giá trị khi tiếp xúc với các chất hòa tan trong nước. Cảm biến độ ẩm điện
trở phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ khi được đặt trong môi trường biến động nhiệt
độ lớn(> 10 ° F).
1.1.3. Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt (Thermal Conductivity Humidity Sensor)

Hình 1.7. Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt
Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
9

Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt đo độ ẩm tuyệt đối bằng cách định lượng sự khác
biệt giữa độ dẫn nhiệt của không khí khô và không khí có hơi nước. Để đo độ ẩm
tuyệt đối ở nhiệt độ cao, cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt thường được sử dụng. Chúng
khác nhau về nguyên tắc điều hành từ điện trở và điện dung cảm biến. Cảm biến độ
ẩm tuyệt đối ở bên trái và ở giữa; phòng nhiệt điện trở ở bên phải. Khi không khí
khô, nó có khả năng tản nhiệt lớn hơn, ví dụ như khí hậu sa mạc. Ở Sa mạc, trời
nóng vào ban ngày, nhưng vào ban đêm nhiệt độ xuống nhanh do khí quyển khô.
Đối với khí hậu ẩm ướt thì nhiệt không hạ nhanh vào ban đêm do hơi nước trong
khí quyển giữ lại nhiệt.
Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt (hoặc cảm biến độ ẩm tuyệt đối) bao gồm hai phần
tử hợp hệ số nhiệt độ âm (NTC) được nối trong một mạch cầu; một phần tử được đóng
gói trong nitơ khô và phần tử khác được tiếp xúc với môi trường (xem hình 1.8).

Hình 1.8. Sơ đồ mạch của cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt
Trong các cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt, hai điện trở nhiệt kết hợp được sử dụng
trong một mạch cầu DC. Một cảm biến được đóng gói trong nitơ khô và một cảm
biến khác được tiếp xúc với môi trường xung quanh. Điện áp đầu ra mạch cầu tỷ lệ
thuận với độ ẩm tuyệt đối.
Khi dòng điện đi qua các điện trở nhiệt, điện trở nhiệt làm tăng nhiệt độ lớn
hơn 200°C. Nhiệt tiêu tán từ nhiệt điện trở kín lớn hơn nhiệt điện trở tiếp xúc do sự
khác biệt về sự dẫn nhiệt của hơi nước so với khí nitơ khô. Do nhiệt lượng tiêu tán
theo nhiệt độ, sự khác biệt về trở kháng của điện trở nhiệt là tỉ lệ thuận với độ ẩm
tuyệt đối (xem hình 1.9).
Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
10

Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

Hình 1.9. Mối tương quan giữa độ ẩm và đầu ra
của cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt
Tín hiệu đầu ra của cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt theo nhiệt độ hoạt động. Đầu ra
tối đa ở nhiệt độ 600°C; ở 200°C đầu ra xuống 70%. Mạng lưới điện trở đơn giản cho
điện áp ra trong khoảng 0-130g / m3 ở 60°C. Hiệu chuẩn được thực hiện bằng cách
đặt các cảm biến độ ẩm trong không khí tự nhiên hoặc khí nitơ và điều chỉnh không ở
đầu ra. Cảm biến độ ẩm tuyệt đối rất bền, hoạt động ở nhiệt độ lên đến 575°F (300°C)
và có khả năng kháng hơi hóa chất do được xây dựng từ các vật liệu trơ như thủy
tinh, vật liệu bán dẫn cho điện trở nhiệt, nhựa chịu nhiệt độ cao hoặc nhôm.
Ưu điểm của cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt là nó đáp ứng với bất kỳ loại khí có
tính chất nhiệt khác với nitơ khô; điều này sẽ ảnh hưởng đến các phép đo. Cảm biến
độ ẩm tuyệt đối thường được sử dụng trong các thiết bị như máy sấy quần áo, lò vi
sóng và lò hơi nước phun. Ứng dụng công nghiệp bao gồm lò sấy gỗ; máy móc thiết
bị để sấy dệt may, giấy, hóa chất và các chất rắn; sản xuất dược phẩm; nấu ăn; mất
nước và thực phẩm. Bởi vì một trong những sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy và
hoạt động tế bào nhiên liệu là hơi nước, sử dụng cảm biến độ ẩm tuyệt đối để theo
dõi hiệu quả của những phản ứng này được đặc biệt quan tâm.
Nói chung, cảm biến độ ẩm tuyệt đối cung cấp độ phân giải lớn hơn ở nhiệt
độ lớn hơn 200°F so với các cảm biến điện dung và điện trở, và có thể được sử dụng
Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
11


Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

trong các ứng dụng mà các cảm biến này không hoạt động được. Độ chính xác điển
hình của một bộ cảm biến độ ẩm tuyệt đối là 3g/m3; chuyển đổi khoảng ± 5% RH ở
40°C và ± 0.5% RH ở 100°C. Như vậy, sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ

bán dẫn, phương pháp thổi ion, và lớp phủ gốm / silicon, đã tạo ra các bộ cảm biến
độ ẩm có độ chính xác cao và có sức đề kháng với hóa chất và chất gây ô nhiễm vật
lý. Các cảm biến điện trở, điện dung, nhiệt và dẫn nhiệt đều cung cấp các lợi thế
riêng biệt. Cảm biến điện trở có thể hoán đổi, có thể sử dụng cho các địa điểm từ xa,
chi phí thấp. Cảm biến điện dung cho dải đo rộng. Cảm biến dẫn nhiệt hoạt động tốt
trong môi trường ăn mòn và ở nhiệt độ cao. Tùy vào điều kiện môi trường đều có
thể lựa chọn các cảm biến phù hợp.
1.2. Cảm biến khói (Smoke sensor)

Hình 1.10. Hình ảnh cảm biến khói
Cảm biến khói thường đặt trong một vỏ nhựa hình đĩa có đường kính khoảng
100 mm (4 inch) hoặc 150 mm (6 inch), nhưng hình dạng có thể thay đổi tuỳ theo
nhà sản xuất hoặc dòng sản phẩm (hình 1.10).
Cảm biến khói được đấu nối với trung tâm báo cháy bằng dây 2 lõi hoặc 4 lõi:
- Cảm biến 2 dây là cảm biến được cấp nguồn và truyền tín hiệu trên cùng
01 đôi dây (2 dây). Thường sử dụng nguồn DC 24V;
- Cảm biến 4 dây là cảm biến được cấp nguồn riêng với đường tín hiệu. Hai
dây cấp nguồn (DC 12V hoặc DC 24V) và hai dây tín hiệu loại thường hở (NO)
hoặc thường đóng (NC).
Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
12


Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

Hệ thống báo cháy chuyên dụng chủ yếu dùng loại cảm biến 2 dây với điện
áp 24V DC.
Độ nhạy của cảm biến khói: là đơn vị đo lường tiêu chuẩn dùng để xác định
độ nhạy của cảm biến khói. Độ nhạy là hiệu ứng mà khói làm giảm tầm nhìn của
của đầu dò. Độ nhạy càng lớn thì nồng độ khói càng nhiều. Bảng 1.2 cho độ nhạy

tiêu chuẩn của các cảm biến khói.
Độ nhạy tiêu chuẩn của cảm biến khói
Độ nhạy (Obscuration Level)

Loại cảm biến
Ionization – ion hoá

2.6–5.0% obs/m

0.8–1.5% obs/ft

Photoelectric – quang điện

6.5–13.0% obs/m

2–4% obs/ft

Aspirating – độ nhạy cao

0.005–20.5% obs/m

0.0015–6.25% obs/ft

Bảng 1.2. Độ nhạy tiêu chuẩn của cảm biến khói
1.2.1. Cảm biến khói ion hoá (Ionization detector)
Cảm biến khói ion hoá (còn gọi là báo khói ion) sử dụng một chất đồng vị
phóng xạ như Americium 241 (nguồn phát hạt alpha – α) để tạo ra sự ion hoá trong
không khí.
Cảm biến khói ion có độ nhạy cao trong giai đoạn cháy rực (khói không nhìn
thấy) hơn so với cảm biến khói quang, trong khi cảm biến khói quang lại phát hiện

tốt những đám cháy trong giai đoạn đầu âm ỉ.
Buồng thu khói (smoke chamber) hay còn gọi là buồng ion hoá
(ionization chamber) có cấu tạo đặc biệt để bụi và côn trùng khó lọt vào được,
nhưng khói có thể dễ dàng đi vào.
Trong buồng thu khói có một lượng nhỏ chất phóng xạ Americium 241 và 2
điện cực (hình 1.11). Chất phóng xạ sản sinh ra các ion mang điện trong không khí.
Một điện thế được đặt giữa 2 điện cực làm cho các ion dịch chuyển về các điện cực
khác dấu tạo thành một dòng điện trong mạch của cảm biến.

Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07
13