Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
CẢNH BÁO, PHÒNG CHỐNG

HỎA HOẠN VÀ RÒ RỈ KHÍ GAS
GVHD : Hà A Thồi
SVTH1: Trần Minh Tâm
MSSV : 15141277
SVTH2: Đỗ Thị Huê
MSSV : 15141168

Tp. Hồ Chí Minh – 6/2019
i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 1 tháng 6 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Trần Minh Tâm
Đỗ Thị Huê

MSSV: 15141277
MSSV: 15141168

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Điên - Điên tử

Mã ngành: 41

Hê đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hê: 1

Khóa:

2015

Lớp: 15141DT

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO,
PHÒNG CHỐNG HỎA HOẠN VÀ RÒ RỈ KHÍ GAS
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liêu ban đầu:
Hê thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas được thực hiên với các số liêu ban đầu
như sau:
-

Hê thống thu thập dữ liêu từ cảm biến lửa, nhiêt độ, khí gas.

-

Hiển thị giá trị thu thập được lên LCD và trang web Thingspeak.com để theo

dõi nồng độ khí gas, nhiêt độ trong phòng.
-

Nếu phát hiên có gas, lửa hay nhiêt độ quá cao sẽ báo động bằng cách gọi,

gửi tin nhắn cho người sử dụng và mở quạt thông gió nhằm làm giảm nồng độ khí
gas trong không khí, kích hoạt máy bơm hoạt động dập tắt lửa.
2. Nội dung thực hiên:
-

Lên ý tưởng đồ án

-

Tìm hiểu về linh kiên sử dụng

-

Thiết kế, thi công khối cảm biến đo nhiêt độ, cảm biến phát hiên lửa, cảm

biến rò rỉ khí gas.
-

Thiết kế khối giao tiếp ngoại vi, lấy cơ sở dữ liêu trực tuyến thông qua
Internet, truyền nhận thông tin giữa trạm phụ và trạm trung tâm.

-

Vẽ lưu đồ giải thuật.
ii


-

Thiết kế và thi công hê thống cảnh báo và rò rỉ khí gas

-

Lắp ráp các khối vào mô hình.

-

Chạy thử nghiêm hê thống.

-

Cân chỉnh hê thống.

-

Viết luận văn

-

Báo cáo đề tài tốt nghiêp

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

18/02/2019

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

10/06/2019

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

Thầy Hà A Thồi

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iii

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o---Tp.HCM, ngày 28, tháng 02, năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Đỗ Thị Huê
Lớp:15141DT1C
MSSV:15141168
Họ tên sinh viên 2: Trần Minh Tâm
Lớp:15141DT2A
MSSV:15141277
Tên đề tài: Thiết kế và thi công hê thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn

và rò rỉ khí gas
Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 3

Gặp GVHD để nghe phổ biến về yêu cầu làm
đồ án , tiến hành chọn đồ án

GVHD tiến hành xét duyêt đề tài

(18/2 – 24/2)
Tuần 4
(25/2 – 3/3)
Tuần 5
(4/3 – 10/3)

Tuần 6
(11/3 – 17/3)
Tuần 7
(18/3 – 24/3)
Tuần 8
(25/3 – 31/3)
Tuần 9
(1/4 – 7/4)

Xác nhận
GVHD

Viết đề cương và lịch trình thực hiên đồ án tốt
nghiêp
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan tới đề tài:
cảm biến khí gas MQ2, cảm biến phát hiên
lửa flame sensor, cảm biến nhiêt độ DHT-22,
Arduino Uno R3, động cơ bơm P385,
ESP8266 Node MCU, LCD 16X2
Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module, các
cảm biến với Arduino ở bộ điều khiển trung
tâm

Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức
năng các khối ( khối nguồn, khối xử lí, khối
hiển thị, khối cảm biến, khối truyền dữ liêu)
Tính toán thiết kế khối nguồn, thiết kế sơ đồ
toàn mạch và giải thích nguyên lý hoạt động
của mạch
Vẽ PCB
Vẽ lưu đồ giải thuật
iv


Tuần 10
(8/4 – 14/4)
Tuần 11
(15/4 – 21/4)

Lập trình code cho VDK và tiến hành thi
công mạch
Lập trình code cho VDK và tiến hành thi
công mạch

(22/4 – 28/4)

Lập trình code cho VDK và tiến hành thi
công mạch

Tuần 13
(29/4 – 5/5)

Kiểm tra , cân chỉnh mạch thi công

Viết báo cáo nội dung đã làm

Tuần 12

(6/5 – 12/5)

Hoàn thiên báo cáo và gởi cho GVHD để xem
xét góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo

Tuần 15
(13/5 – 19/5)

Nộp quyển báo cáo và báo cáo đề tài.
Làm slide (6-10 cái), báo cáo với GVHD

Tuần 14

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

v


LỜI CAM ĐOAN
Nhóm sinh viên – Đỗ Thị Huê và Trần Minh Tâm xin cam đoan đây là đồ án do
nhóm tự thực hiên dưới sự hướng dẫn của thầy Hà A Thồi. Nhóm chỉ tham khảo các tài
liêu trước đó và các nghiên cứu trên mạng online. Kết quả công bố trong khóa luận tốt
nghiêp là trung thực không sao chép từ tài liêu hay công trình đã có trước đó.

Tp.HCM, ngày 10 tháng 06 năm 2019

SV thực hiên đồ án
( Ký và ghi rõ họ tên)
Trần Minh Tâm

Đỗ Thị Huê

vi


LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiên đồ án xin được gửi lời cảm ơn đặc biêt đến giảng viên
hướng dẫn thầy Hà A Thồi vì đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiên đồ án,
người đã đưa ra hướng nghiên cứu, giải đáp thắc mắc, cũng như tận tình quan sát
nhóm làm viêc. Trong quá trình thực hiên nhóm đã tiếp thu được những kiến thức
thực tế và cách làm viêc nghiêm túc, hiêu quả từ thầy.
Nhóm em xin gửi lời tri ân thành nhất đến các quý thầy cô trong khoa Điên điên tử đã hỗ trợ chúng em về những kiến thức nền tảng vững vàng, tạo điều kiên
tốt nhất cho sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Sự hỗ trợ thầm lặng và vô cùng quan trọng từ gia đình và bạn bè luôn là động
lực để nhóm có thể làm viêc hết khả năng và hoàn thành đồ án một cách tốt nhất.
Một lần nữa nhóm vô cùng hân hạnh khi được làm sinh viên tại trường ĐH Sư
Phạm Kỹ Thuật TPHCM, là học trò của những giảng viên đầy tâm huyết, lời cảm ơn
này cũng là sự ghi nhận sâu sắc mà nhóm muốn gửi đến thầy cô, gia đình và bạn bè.

vii


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP......................................................................... ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP................................................ iv
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................... vi

LỜI CẢM ƠN......................................................................................................... vii
MỤC LỤC............................................................................................................. viii
DANH SÁCH HÌNH ẢNH..................................................................................... xii
DANH SÁCH BẢNG VE....................................................................................... xv
TÓM TẮT.............................................................................................................. xvi
Chương 1. TỔNG QUAN......................................................................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................. 1
1.2 MỤC TIÊU...................................................................................................... 1
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU............................................................................ 2
1.4 GIỚI HẠN....................................................................................................... 2
1.5 BỐ CỤC.......................................................................................................... 3
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................................................. 4
2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG CÔNG NGHIỆP.....................4
2.1.1 Khái niêm................................................................................................. 4
2.1.2 Ứng dụng của khí gas trong công nhiêp................................................... 4
2.1.2.1 Ứng dụng trong ngành thực phẩm..................................................... 4
2.1.2.2 Ứng dụng trong thiết bị gia dụng....................................................... 4
2.1.2.3 Ứng dụng làm nhiên liêu khí đốt....................................................... 6
2.1.3 Tính chất nguy hiểm cháy, nổ của gas...................................................... 7
2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ...................................................... 7
2.2.1 Khái niêm................................................................................................. 7
2.2.2 Phân loại cảm biến nhiêt độ...................................................................... 8
2.3 GIỚI THIỆU TIA LỬA ĐIỆN......................................................................... 8
2.3.1 Khái niêm................................................................................................. 8
2.3.2 Điều kiên tạo ra tia lửa điên...................................................................... 9
2.3.3 Ứng dụng.................................................................................................. 9
2.4 GIỚI THIỆU MẠNG DI ĐỘNG GSM........................................................... 9
2.5 CÁC LOẠI MODULE SIM TRÊN THỊ TRƯỜNG...................................... 11
2.5.1 Nguyên lý hoạt động.............................................................................. 12
2.5.1.1 Giao tiếp UART với vi điều khiển................................................... 12

2.5.1.2 Tập lênh AT..................................................................................... 12
viii


2.6 BỘ THU PHÁT SÓNG VÔ TUYẾN (RF) ...................................................13
2.6.1 Sóng vô tuyến ( RF ) ................................................................................13
2.6.2 Bộ thu phát sóng vô tuyến (RF) ............................................................... 15
2.7 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT SÓNG RF .............................................17
2.7.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 17
2.7.2 Giao tiếp SPI với vi điều khiển ................................................................18
2.8 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG INTERNET .........................................................18
2.8.1 Cấu trúc của mạng Internet ...................................................................... 18
2.8.2 Các mạng truy nhập không dây ................................................................18
2.9 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT WIFI .....................................................19
2.10 NGUỒN CUNG CẤP ...................................................................................20
2.10.1 Bộ chuyển đổi nguồn AC – DC .............................................................20
2.10.1.1 Bộ chuyển đổi Adapter ...................................................................20
2.10.1.2 Nguồn tổ ong ...................................................................................21
2.10.2 Bộ chuyển đổi nguồn DC- DC ...............................................................22
2.10.2.1 Mạch tăng áp BOOST .....................................................................22
2.10.2.2 Mạch hạ áp BUCK ..........................................................................24
2.11 ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ................................................................25
2.11.1 Động cơ điên 1 pha ................................................................................ 25
2.11.2 Động cơ điên 3 pha ................................................................................ 26
2.12 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO .................................................26
2.12.1 Phần cứng ............................................................................................... 26
2.12.2 Phần mềm ...............................................................................................27
2.12.3 Các loại Arduino .................................................................................... 28
2.12.3.1 Arduino Uno R3 ..............................................................................28
2.12.3.2 Arduino Nano ..................................................................................29

2.12.3.3 Arduino Mega 2560 R3 ...................................................................30
2.13 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU .............................................................31
2.13.1 Giao tiếp SPI .......................................................................................... 31
2.13.2 Giao tiếp UART ..................................................................................... 32
2.13.3 Giao tiếp I2C .......................................................................................... 33
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................38
3.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG .....................................................38
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG ..................................38
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hê thống ....................................................................38
3.2.1 Tính toán và thiết kế mạch .......................................................................40
ix


3.2.1.1 Cảm biến khí gas............................................................................. 40
3.2.1.2 Cảm biến lửa................................................................................... 42
3.2.1.3 Cảm biến nhiêt độ............................................................................ 43
3.2.1.4 Cảm biến siêu âm HC-SR04............................................................ 45
3.2.1.5 Chuông báo động............................................................................. 46
3.2.1.6 Khối hiển thị.................................................................................... 46
3.2.1.7 Module Wifi ESP8266..................................................................... 48
3.2.1.8 Mạch thu phát RF NRF24L01+....................................................... 50
3.2.1.9 Module SIM 800A MINI................................................................. 51
3.2.1.10 Khối xử lý trung tâm Arduino........................................................ 52
3.2.1.11 Khối nguồn.................................................................................... 54
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của hê thống................................................................. 55
3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của khối thu thập dữ liêu....................................... 55
3.2.3.2 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm.............................................. 57
3.2.3.3 Sơ đồ nguyên lý khối máy bơm....................................................... 58
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG....................................................................... 60
4.1 GIỚI THIỆU................................................................................................. 60

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG............................................................................... 60
4.2.1 Thi công khối thu thập dữ liêu................................................................ 60
4.2.2 Khối xử lý trung tâm.............................................................................. 62
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH....................................................... 64
4.3.1 Thi công hộp bảo vê mạch...................................................................... 64
4.3.2 Thi công mô hình.................................................................................... 64
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG............................................................................. 64
4.4.1 Lưu đồ giải thuật.................................................................................... 64
4.4.1.1 Khối thu thập dữ liêu....................................................................... 64
4.4.1.2 Khối xử lý trung tâm....................................................................... 69
4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển.................................................... 69
4.4.2.1 Giới thiêu phần mềm lập trình......................................................... 69
4.4.2.2 Giới thiêu về Web Thingspeak......................................................... 73
4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG VÀ THAO TÁC...............................75
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ.................................................. 76
5.1 GIỚI THIỆU................................................................................................. 76
5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC................................................................................ 76
5.2.1 Sử dụng Arduino Nano........................................................................... 76
5.2.3 Sử dụng module NRF24L01................................................................... 76
x


5.2.4 Đưa thông tin lên Web Thingspeak......................................................... 77
5.2.5 Sử dụng module SIM 800A gọi và nhắn tin............................................ 77
5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM......................................................................... 77
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................. 81
6.1 KẾT LUẬN................................................................................................... 81
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 82
PHỤ LỤC................................................................................................................ 83

xi


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Chương 2
Hình 2. 1: Sự nguy hiểm khi gas phát nổ................................................................... 7
Hình 2. 2: Tia lửa điên............................................................................................... 8
Hình 2. 3: Cấu trúc cơ bản của mạng di động......................................................... 10
Hình 2. 4: Module SIM 800A mini......................................................................... 11
Hình 2. 5: Module SIM 800l................................................................................... 11
Hình 2. 6: Module SIM 900A................................................................................. 11
Hình 2. 7: Giao tiếp UART giữa Module SIM và vi Arduino.................................. 12
Hình 2. 8: Sơ đồ mạch tạo sóng RF đơn giản.......................................................... 16
Hình 2. 9: Sơ đồ mạch thu sóng đơn giản................................................................ 16
Hình 2. 10: Mạch thu phát 6 kênh 2.4 GHZ L24YK-RX4...................................... 17
Hình 2. 11: Mạch thu phát sóng RF NRF24L01+................................................... 17
Hình 2. 12: Mạch thu phát RF UART LC12S 2.4Ghz............................................. 17
Hình 2. 13: Giao tiếp SPI giữa thiết bị đầu và thiết bị cuối.....................................18
Hình 2. 14: Mạng LAN không dây.......................................................................... 19
Hình 2. 15: Mạng không dây diên rộng................................................................... 19
Hình 2. 16: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA CP2102...................19
Hình 2. 17: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA V3 CH340..............20
Hình 2. 18: Mạch thu phát Wifi ESP8266 UART ESP-01....................................... 20
Hình 2. 19: Adapter 12V-1.5A................................................................................. 21
Hình 2. 20: Nguồn tổ ong 12V-10A........................................................................ 22
Hình 2. 21: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp....................................... 23
Hình 2. 22: Mạch tăng áp XL6009 4A.................................................................... 24
Hình 2. 23: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch hạ áp................................................ 24
Hình 2. 24: Mạch hạ áp DC-DC LM2596............................................................... 25

Hình 2. 25: Động cơ xoay chiều một pha................................................................ 25
Hình 2. 26: Hình ảnh Arduino Uno R3.................................................................... 28
Hình 2. 27: Arduino Nano....................................................................................... 29
Hình 2. 28: Arduino Mega 2560 R3........................................................................ 30
Hình 2. 29: Kết nối 1 thiết bị với Arduino theo chuẩn giao tiếp SPI.......................31
Hình 2. 30: Cấu trúc của một Frame dữ liêu........................................................... 33
Hình 2. 31: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi............................................................ 34
Hình 2. 32: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn và chế độ nhanh..............34
Hình 2. 33: Hướng đi của xung Clock và hướng đi của đường dữ liêu...................35
Hình 2. 34: Trình tự truyền bit................................................................................. 36
Hình 2. 35: Start bit và Stop bit............................................................................... 37
Chương 3
Hình 3. 1: Sơ đồ khối thu thập dữ liêu.................................................................... 38
Hình 3. 2: Sơ đồ khối xử lý trung tâm..................................................................... 39
Hình 3. 3: Hình ảnh khối máy bơm......................................................................... 40
Hình 3. 4: Hình ảnh thực tế của cảm biến MQ-2..................................................... 40
Hình 3. 6: Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2................................. 42
Hình 3. 7: Module cảm biến phát hiên lửa.............................................................. 42
Hình 3. 8: Sơ đồ nguyên lý cảm biến phát hiên lửa................................................. 43
xii


Hình 3. 9: Cảm biến DHT22................................................................................... 44
Hình 3. 10: Hình cảm biến siêu âm......................................................................... 45
Hình 3. 11: Giản đồ thời gian của cảm biến HC- SR04........................................... 45
Hình 3. 12: Hình ảnh còi báo động.......................................................................... 46
Hình 3. 13: Hình ảnh LCD 16x2............................................................................. 47
Hình 3. 14: Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102.......................................... 48
Hình 3. 15: Sơ đồ chân Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102........................49
Hình 3. 16: Mạch Thu Phát RF NRF24L01+.......................................................... 50

Hình 3. 17: Sơ đồ chân Mạch Thu Phát RF NRF24L01+........................................ 51
Hình 3. 18: Module SIM 800A Mini....................................................................... 51
Hình 3. 19: Arduino Nano....................................................................................... 52
Hình 3. 20: Sơ đồ chân Arduino Nano.................................................................... 53
Hình 3. 21: Sơ đồ khối của khối nguồn................................................................... 54
Hình 3. 22: Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp................................................................. 54
Hình 3. 23: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp.............................................................. 54
Hình 3. 24: Sơ đồ nguyên lý khối thu thập dữ liêu.................................................. 55
Hình 3. 25: Sơ đồ khối xử lý trung tâm................................................................... 57
Hình 3. 26: Sơ đồ nguyên lý khối máy bơm............................................................ 58
Chương 4
Hình 4. 1: PCB mặt sau khối thu thập..................................................................... 60
Hình 4. 2: PCB mặt trước khối thu thập.................................................................. 60
Hình 4. 3: Hình ảnh khối thu thập dữ liêu sau khi in............................................... 61
Hình 4. 4: Khối thu thập sau khi đã lắp linh kiên.................................................... 62
Hình 4. 5: PCB mặt sau của khối trung tâm............................................................ 62
Hình 4. 6: PCB mặt trước của khối trung tâm......................................................... 63
Hình 4. 7: Hình ảnh khối xử lý trung tâm sau khi in............................................... 63
Hình 4. 8: Hình ảnh hê thống sau khi hoàn thiên hộp bảo vê..................................64
Hình 4. 9: Hình ảnh mô hình đề tài......................................................................... 64
Hình 4. 10: Lưu đồ khối thu thập dữ liêu................................................................ 65
Hình 4. 11: Lưu đồ đọc giá trị cảm biến.................................................................. 66
Hình 4. 12: Lưu đồ truyền dữ liêu qua Module NRF24L01....................................67
Hình 4. 13: Lưu đồ chương trình truyền dữ liêu UART sang NodeMCU................67
Hình 4. 14: Lưu đồ gửi dữ liêu lên Thingspeak....................................................... 68
Hình 4. 15: Lưu đồ khối xử lý trung tâm................................................................. 69
Hình 4. 16: Giao diên Arduino IDE......................................................................... 70
Hình 4. 17: Chọn Arduino sử dụng.......................................................................... 71
Hình 4. 18: Chọn cổng COM kết nối với Arduino.................................................. 72
Hình 4. 19: Hình ảnh truy cập trang Web Thingspeak............................................. 73

Hình 4. 20: Đăng nhập tên tài khoản và mật khẩu................................................... 74
Hình 4. 21: Chọn kênh quan sát.............................................................................. 74
Hình 4. 22: Hình ảnh dữ liêu trên Thingspeak......................................................... 74
Hình 4. 23: Quy trình thao tác sử dụng hê thống..................................................... 75

xiii


Chương 5
Hình 5. 1: Hình ảnh ban đầu của khối thu thập dữ liêu........................................... 77
Hình 5. 2: Hình ảnh ban đầu của khối xử lý trung tâm............................................ 78
Hình 5. 3: Hê thống phát hiên có gas...................................................................... 78
Hình 5. 4: Hê thống nhắn tin cho người dùng......................................................... 79
Hình 5. 5: Hê thống phát hiên lửa........................................................................... 79
Hình 5. 6: Hê thống gọi điên thông báo phát hiên lửa............................................. 80
Hình 5. 7: Thông tin cảm biến được cập nhật trên Thingspeak...............................80

xiv


DANH SÁCH BẢNG VE
Chương 2
Bảng 2. 1: Phân loại tần số sóng vô tuyến............................................................... 15
Chương 3
Bảng 3. 1: Thông số kỹ thuật cảm biến khí gas MQ-2............................................ 42
Bảng 3. 2: Thông số kỹ thuật DHT22...................................................................... 44
Bảng 3. 3: Chức năng các chân của LCD 16x2....................................................... 48
Bảng 3. 4: Danh sách linh kiên sử dụng nguồn 5V................................................. 56
Bảng 3. 5: Danh sách linh kiên sử dụng nguồn 12V............................................... 56
Bảng 3. 6: Danh sách linh kiên sử dụng nguồn 3.3V.............................................. 56

Bảng 3. 7: Danh sách linh kiên khối xử lý trung tâm.............................................. 58
Bảng 3. 8: Danh sách linh kiên khối máy bơm........................................................ 59
Chương 4
Bảng 4. 1: Bảng thống kê linh kiên sử dụng cho khối thu dữ liêu...........................62
Bảng 4. 2: Bảng thống kê linh kiên sử dụng cho khối trung tâm.............................63

xv


TÓM TẮT
Hậu quả của sự cố cháy nổ và hỏa hoạn gây ra rất nặng nề và đáng báo động. Theo
như số liêu của Tổng cục Thống Kê (Bộ Kế hoạch và Đầu tư ) tính đến 4 tháng đầu
năm 2019 cả nước thiêt hại hơn 458 tỷ đồng, làm 10 người chết và mất tích, 19
người bị thương. Nhằm nắm bắt được những số liêu trên và có thể hạn chế được
phần nào hậu quả mà hỏa hoạn và cháy nổ mang lại, nhóm em đã quyết định thiết
kế và thi công hê thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas.
Với mục tiêu là hê thống có thể phát hiên được lửa và khí gas rò rỉ một cách
nhanh chóng và chính xác. Người dùng có thể giám sát nhiêt độ của môi trường tại
nơi đặt thiết bị từ xa thông qua internet. Phương thức cảnh báo đơn giản và thông
dụng như là gọi điên hay nhắn tin sẽ phù hợp đối mọi loại điên thoại di động có mặt
trên thị trường hiên nay. Nhóm sẽ thực hiên hê thống thông qua viêc tích lũy kiến
thức được học tại trường cũng như quan sát và nghiên cứu thực tiễn. Tất cả vì mục
đích hoàn thành được mô hình dễ lắp dặt, dễ sử dụng, tiết kiêm điên, mang lại cho
người dùng cảm giác tin cậy và an toàn.

xvi


xvii

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Theo như số liêu thống kê về 9 tháng đầu năm 2018 có 2989 vụ cháy nổ, tổng
thiêt hại do hỏa hoạn gây ra là làm chết 73 người và bị thương 163 người, thiêt hại về
tài sản là 1589 tỷ đồng [1]. Số liêu trên là một con số đáng báo động về tình trạng
phòng chống cháy nổ của người dân cũng như chưa có đủ thiết bị an toàn để phòng
chống hỏa hoạn. Để đáp ứng được nhu cầu sử dụng thiêt bị phòng chống cháy nổ và
đảm bảo an toàn cho người dân nhóm em đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và thi
công hê thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas”. Hê thống này sử
dụng vi điều khiển trung tâm là module Arduino và module WiFi ESP8266 Node MCU,
các cảm biến nhiêt độ, khí gas và cảm biến phát hiên lửa.

Dựa trên thực tế là chỉ có những thiết bị phòng cháy đơn giản như là đầu báo
cháy, đầu báo khói, đầu báo xì gas, hay các bình chữa cháy di động vẫn chỉ giải
quyết được phần nào hiên tượng cháy nổ và chưa hiêu quả. Vấn đề đặt ra là cần một
thiết bị có tích hợp cả 3 khả năng báo cháy, báo nhiêt độ và rò rỉ khí gas và người
dùng có thể giám sát trực tiếp số liêu trên internet thông qua laptop hoặc là Smart
phone. Nhóm em đã vận dụng các kiến thức được học tại trường cũng như khảo sát
thực tế để có thể hoàn thành được hê thống như trên.
Hê thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas dựa trên nền tảng kiến thức về
lĩnh vực điên tử, xã hội và môi trường. Nhóm phát triển hê thống dựa trên đồ án
môn học trước là hê thống báo quá nhiêt độ qua SMS [2]. Hê thống sẽ được cải tiến
thêm về khả năng phát hiên lửa, báo cháy, rò rỉ khí gas, có cơ sở dữ liêu trực tuyến
cho người dùng.

1.2 MỤC TIÊU
Hê thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas là một hê thống thu thập các giá

trị của cảm biến, hiển thị dữ liêu lên LCD. Khi hê thống phát hiên gas sẽ mở quạt để
hút khí gas ra ngoài, nếu phát hiên lửa sẽ mở máy bơm dập tắt lửa. Các thông tin mà
cảm biến thu thập được sẽ được cập nhật lên Thingspeak.com và thông báo qua điên
thoại người dùng bằng cách gọi điên hoặc gửi tin nhắn. Hê thống cũng có khả năng
tự chuyển đổi nguồn cung cấp sang nguồn dự phòng khi có sự cố cúp điên.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Hê thống sẽ giúp hạn chế hiên tượng cháy nổ, rò rỉ khí gas, đảm bảo an toàn
về tính mạng cũng như tài sản cho người sử dụng.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Đối với đồ án: “Thiết kế và thi công hê thống cảnh báo, phòng chống hỏa
hoạn và rò rỉ khí gas” thì nội dung cần thực hiên bao gồm:
• NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về các nghiên cứu gần với đề tài đã có, những hạn
chế còn tồn tại từ đó đưa ra những giải pháp cho đề tài nhóm cần hướng tới.
• NỘI DUNG 2: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài: nguyên nhân
cháy nổ, rò rỉ khí gas,…
• NỘI DUNG 3: Tìm hiểu các giao thức truyền nhận giữa các module, truyền
nhận tín hiêu thông qua sóng cao tần.
• NỘI DUNG 4: Lựa chọn các cảm biến cũng như vi điều khiển phù hợp với hê
thống.
• NỘI DUNG 5: Tìm hiểu IDE – môi trường lập trình cho Arduino

1.4 GIỚI HẠN
- Hê thống chỉ sử dụng ở những phòng nhỏ phòng bếp: 3x3m, phòng khách:

5x5m, garage 5x5m
- Sử dụng động cơ bơm P385 12VDC, kích thước: 86x46x46 mm để phun
nước xử lí hỏa hoạn.
- Giám sát nhiêt độ, phát hiên lửa, rò rỉ khí gas bằng cảm biến và sử dụng vi
điều khiển Arduino Nano (5VDC) làm khối xử lí trung tâm.
- Các trạm giám sát truyền nhận thông tin bằng sóng RF- khả năng truyền
100m trong môi trường không có vật cản và hiển thị dữ liêu trên LCD 16X2 và trên
cơ sở dữ liêu trực tuyến.
- Sử dụng cảm biến phát hiên lửa flame sensor (3.3V-5VDC)
- Sử dụng cảm biến nhiêt độ DHT-22(5VDC), nhiêt độ hoạt động -40 oC ~ 80oC
- Sử dụng cảm biến phát hiên khí gas MQ-2 (5VDC), phát hiên được các loại
khí như LPG, Metan, Hydrogen.
- Kích thước mô hình 30x60x30 cm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.5 BỐ CỤC
• Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày đặt vấn đề lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên
cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
•

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương này tập trung vào các lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm các kiến

thức về khí gas, các loại module, các thiết bị ngoại vi, vi điều khiển sử dụng trong
hê thống.
•

Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Chương này trình bày về sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của hê thống, trình

bày chi tiết về các loại linh kiên, giao thức giao tiếp giữa các module với nhau.

•

Chương 4: Thi Công Hê Thống
Dựa trên sơ dồ nguyên lý tiến hành thi công phần cứng là lập trình phầm mềm

cho hê thống đáp ứng được các yêu cầu đã định ra.
•

Chương 5: Kết Qủa, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này sẽ trình bày kết quả mà nhóm đã thực hiên so với mục tiêu ban

đầu, nhận xét hoạt động của hê thống
•

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Tóm lược lại những điều nhóm đã thực hiên, đồng thời đưa ra hướng phát

triển để có được một đề tài hoàn thiên.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG CÔNG NGHIỆP
2.1.1 Khái niêm
Hiên nay, với đặc tính là nguồn nhiên liêu sạch và thân thiên với môi trường
thì khí gas dần khẳng định được vị trí quan trọng trong đời sống của chúng ta và đã
góp phần tạo nên sự văn minh của xã hội. Lợi ích của gas là rất tích cực, được sử
dụng rộng rãi trong dân dụng, thương mại, vận tải và các ứng dụng công nghiêp.
Gas là hỗn hợp của các chất Hydrocacbon, trong đó thành phần chủ yếu là
khí Propane (C3H8), Butane (C4H10) và một số thành phần khác.
2.1.2 Ứng dụng của khí gas trong công nhiêp
Khí công nghiêp là loại nguyên liêu khí được sản xuât để sử dụng trong công
nghiêp. Các khí trong công nhiêp được sửu dụng nhiều nhất như: nitrogen, oxy,
caarbon dioxide, hydro, acetylen,…
Các loại khí công nghiêp được sử dụng trong nhiều ngành công nghiêp khác
nhau. Bao gồm các ngành công nghiêp nặng như dầu khí, hoá dầu, hóa chất, điên,
khai thác mỏ, luyên kim, kim loại. Và cũng được sử dụng trong các ngành dược
phẩm, công nghê sinh học, thực phẩm, nước, phân bón, điên hạt nhân, điên tử, hàng
không vũ trụ, phân tích thí nghiêm, kiểm nghiêm môi trường…
2.1.2.1 Ứng dụng trong ngành thực phẩm
Nước ngọt có gas đã trở thành loại nước giải khát quá quen thuộc trong cuộc
sống hàng ngày của chúng ta. Nước có gas chiếm đến 94% thành phần của nước ngọt,
có tên gọi hóa học là: Carbon dioxide (CO2) - có vai trò như một chất bảo quản nhẹ.
Khí CO2 được sử dụng nhiều trong ngành sản xuất nước giải khát và bia rượu.

Trong công nghiêp khí CO2 được điều chế từ các khí sinh ra khi lên men

rượu bia, phân hủy chất béo, từ các khí thu được trong sản xuất hóa chất, như sản
xuất amoniac hoặc tổng hợp methanol, từ khói các nhà máy công nghiêp đốt than.
2.1.2.2 Ứng dụng trong thiết bị gia dụng
a. Máy điều hòa
Gas điều hòa là môi chất được sử dụng trong hê thống làm hạnh hấp thụ nhiêt,
có nhiêm vụ mang nhiêt từ nơi có nhiêt độ thấp thải ra nơi có nhiêt độ cao hơn. Đây

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
chính là thành phần không thể thiếu trong quá trình làm lạnh của hê thống điều hòa
nói chung và các hê thống làm lạnh nói riêng.
Các loại gas được sử dụng trong máy điều hóa không khí như gas R22, gas
R410A, gas R32 . . . nhưng được sử dụng nhiều nhất vẫn là gas R22 và Gas R410A.
❖

Gas điều hòa R22

Gas R22 là loại gas được sử dụng đầu tiên trên các máy lạnh, chiếm hơn
70% trên thị trường điều hòa hiên nay, được sủ dụng cho máy điều hòa không khí
loại thường (không sử dụng công nghê Inverter).
❖

Gas điều hòa R410A

Gas R410A có độ bay hơi cao hơn, và khi môi trường ở tầm thấp sẽ gây thiếu
oxi chính vì vậy mà phòng của bạn phải được thoáng khí nếu không sẽ rất nguy

hiểm khi có hiên tượng rò rỉ khí gas.
❖

Gas điều hòa R410A

Loại Gas R32 là loại gas mới nhất hiên nay, được ứng dụng sử dụng nhiều
nhất tại Nhật Bản. Loại gas này được phát minh ra nhằm thay thế cho loại gas R22
và loại R410A.
b. Tủ lạnh
Gas tủ lạnh được nằm trong các dây đồng có tác dụng chuyển tải nhiêt từ dàn
lạnh tới dàn nóng. Khí gas khi đi qua dàn lạnh sẽ hấp thụ nhiêt xung quanh dàn lạnh
để chuyển tới dàn nóng. Tại đây, khí gas sẽ được làm mát thông qua viêc tản nhiêt
ra môi trường.
❖

Gas R12

Gas R12 là loại gas lâu đời nhất, được sử dụng phổ biến trong các tủ lạnh đời
cũ. Gas R12 bình thường có mùi hôi, khi đốt có màu xanh lá và mùi hắc, có thể gây
choáng và nhức đầu khi hít nhiều.
❖

Gas R134A
Do tính chất độc hại và gây nguy hiểm cho tầng Ozon của gas R12 nên gas

R134A được tạo ra để thay thế cho gas R12. Loại gas này được sử dụng phổ biến
cho nhiều loại tủ lạnh dân dụng hiên nay.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
❖

Gas R404
Gas R404 là loại gas chuyên dùng cho các tủ cấp đông. Loại gas này được
thiết kế dành riêng cho nhu cầu làm đông ở nhiêt độ sâu hơn đồng thời đảm bảo
tuổi thọ cho máy nén, các chi tiết và dầu bôi trơn cao hơn.

❖

Gas R600

Gas R600 được ứng dụng trong các dòng tủ lạnh cao cấp. Gas R600 là Gas
Hidrocacbon (HC gas) nhằm bảo vê môi trường và an toàn với tầng ozon, tránh hiên
tượng biến đổi toàn cầu.
2.1.2.3 Ứng dụng làm nhiên liêu khí đốt
a. Khí đốt hóa lỏng (Liquefied Petrolium Gas - LPG)
LPG là khí không màu, không mùi (được thêm mùi để dễ phát hiên khi bị rò
rỉ), nhiêt độ ngọn lửa từ 1890ºC đến 1935ºC, nhẹ hơn nước nhưng nặng hơn không
khí, dễ cháy, không chứa chất độc nhưng có thể gây ngạt thở.
Khí đốt ( Petrolium gas) là sản phẩm phụ thu được trong quá trình chế
biến dầu, Khí đốt được hóa lỏng để tạo thành LPG. Thành phần hóa học chủ yếu
gồm propan, butan và một lượng nhỏ propylen, butylen và các khí khác.
b. Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas - LNG )
LNG là khí không màu, không mùi, không vị, không độc hại và không có
o

tính chất ăn mòn, có nhiêt độ ngọn lửa khoảng 2440 C và nhẹ hơn không khí.
Khí thiên nhiên (Natural gas) được hóa lỏng ở -120ºC đến -170ºC (tùy vào tỷ
lê thành phần hỗn hợp trong chất khí), giúp dễ dàng bảo quản và vận chuyển.
c. Khí nén thiên nhiên( Compressed Natural Gas - CNG)
CNG là khí không màu, không mùi, có nhiêt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC và
nhẹ hơn không khí. Thành phần chủ yếu của CNG gồm các hydrocarbon, trong đó
metan có thể chiếm đến 95%, etan chiếm 5% đến 10% cùng một lượng nhỏ propan,
butan và các khí khác.
Thông thường, hương lưu huỳnh được thêm vào giúp dễ phát hiên khi bị rò
rỉ. Do nhẹ hơn không khí nên trong trường hợp rò rỉ, khí thiên nhiên (cả CNG và
LNG) không gây thiêt hại nghiêm trọng như xăng hoặc LPG.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.3 Tính chất nguy hiểm cháy, nổ của gas
Khi thoát ra khỏi thiết bị chứa, gas chuyển thành thể khí nên rất khó bảo
quản. Mặt khác, do không có mùi, không có màu nên gas thoát ra thiết bị chứa rất
khó phát hiên, do đó nhà sản xuất phải đưa thêm vào hỗn hợp gas chất tạo ra mùi
bắp cải thối để dễ phát hiên gas bị rò rỉ.
Tỷ trọng của gas nặng hơn không khí (Propan gấp 1,55 lần; Butan gấp 2,07
lần) nên khi thoát khỏi thiết bị chứa, gas tích tụ ở những chỗ trũng trên mặt đất và
tạo thành hỗn hợp nguy hiểm cháy nổ.
o

o

Do nhiêt độ ngọn lửa của gas khi bị cháy rất cao (1900 C đến 1950 C) nên
dễ gây bỏng cho người và gia súc đồng thời gây cháy lan, khó khăn cho viêc chữa
cháy (vận tốc cháy lan của Butan là 0,38m/s của Propan là 0,46m/s)

Hình 2. 1: Sự nguy hiểm khi gas phát nổ

2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
2.2.1 Khái niêm
Cảm biến là thiết bị dùng cảm nhận sự biến đổi của các đại lượng vật lý
không có tính chất điên (nhiêt độ, áp suất, lưu lượng…) cần đo thành các đại lượng
(thường mang tính chất điên) có thể đo và xử lý được. Sau đó các bộ phận xử lí
trung tâm sẽ thu nhận dạng tín hiêu điên trở hay điên áp đó để xử lí.
Nhiêt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiêt của vật chất ảnh
hưởng rất lớn đến nhiều tính chất của vật, viêc đo nhiêt độ đóng vai trò quan trọng
trong sản xuất công nghiêp và nhiều lĩnh vực khác.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cảm biến nhiêt độ là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi về nhiêt độ của
đại lượng cần đo.
Đối với các loại cảm biến nhiêt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ
chính xác đó là “Nhiêt độ môi trường cần đo” và “Nhiêt độ cảm nhận của cảm
biến”. Điều đó nghĩa là viêc truyền nhiêt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến
nhiêt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác
2.2.2 Phân loại cảm biến nhiêt độ
Hiên nay cảm biến nhiêt độ được chia ra làm các loại sau:

•

Cặp nhiêt điên ( Thermocouple ).

•

Nhiêt điên trở ( RTD-resitance temperature detector ).

•

Thermistor.

•

Bán dẫn ( Diode, IC ,….).

•

Ngoài ra còn có loại đo nhiêt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ).Dùng
hồng ngoại hay lazer.

2.3 GIỚI THIỆU TIA LỬA ĐIỆN
2.3.1 Khái niêm
Tia lửa điên là quá trình phóng điên tự lực trong chất khí đặt giữa hai điên
cực khi điên trường đủ mạnh để biến phân tử khhis trung hòa thành ion dương và
electron tự do

Hình 2. 2: Tia lửa điên

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8