Thiết kế và thi công hệ thống thu thập dữ liệu môi trường, hiển thị thông tin trên website và cảnh báo hỏa hoạn qua SMS

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 KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:

Thiết kế và thi công hệ thống thu thập
dữ liệu môi trường, hiển thị thông tin
trên web và cảnh báo hỏa hoạn qua SMS
GVHD: ThS. Võ Đức Dũng
SVTH: Lâm Đường Nguyên
Nguyễn Quốc Trọng Nhân

Tp. Hồ Chí Minh – 8/2020

15141224
15141228


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

CỘNG HỊA 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 8 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Lâm Đường Nguyên
Nguyễn Quốc Trọng Nhân

MSSV: 15141224
MSSV: 15141228

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Điện - Điện tử

Mã ngành: 141

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ: 1

Khóa:

2015

Lớp: 15141DT

I. TÊN ĐỀ TÀI: “Thiết kế và thi công hệ thống thu thập dữ liệu môi trường, hiển
thị thông tin trên web và cảnh báo hỏa hoạn qua SMS”
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas được thực hiện với các số liệu ban
đầu như sau:
-

Hệ thống thu thập dữ liệu từ cảm biến lửa, nhiệt đợ, khí gas,quang trở.

-

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

dõi nờng đợ khí gas, nhiệt đợ trong phòng.
-

Nếu phát hiện có gas, lửa hay nhiệt độ quá cao sẽ báo động bằng cách gọi, gửi tin

nhắn cho người sử dụng và mở quạt thông gió nhằm làm giảm nờng đợ khí gas trong

khơng khí, kích hoạt máy bơm hoạt động dập tắt lửa.
2. Nội dung thực hiện:
-

Lên ý tưởng đồ án

-

Tìm hiểu về linh kiện sử dụng

-

Thiết kế, thi công khối cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến phát hiện lửa, cảm biến
rò rỉ khí gas.

i


-

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

-

Vẽ lưu đồ giải thuật.

-

Thiết kế và thi công Thiết kế và thi công hệ thống thu thập dữ liệu môi trường,
hiển thị thông tin trên web và cảnh báo hỏa hoạn qua SMS

-

Lắp ráp các khối vào mô hình.

-

Chạy thử nghiệm hệ thống.

-

Cân chỉnh hệ thống.

-

Viết luận văn

-

Báo cáo đề tài tốt nghiệp

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

07/03/2020

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

04/08/2020

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

Thầy Võ Đức Dũng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM
Khoa Điện - Điện Tử
Bộ Môn Điện Tử Cơng Nghiệp

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 03 năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Bản lịch trình này được đóng vào cuốn báo cáo)
Họ tên sinh viên: Nguyễn Quốc Trọng Nhân
MSSV:15141228
Lớp :15141DT1B
Họ tên sinh viên: Lâm Đường Nguyên
MSSV: 15141224
Lớp: 15141DT2A
Tên đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống thu thập dữ liệu môi trường, hiển thị
thông tin trên web và cảnh báo hỏa hoạn qua SMS”
Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 1

Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm

(7/3 – 14/3)

Tuần 2
(14/3 – 21/3)

Xác nhận GVHD

đồ án, tiến hành chọn đồ án.
Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ
án tốt nghiệp.
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan tới đề

Tuần 3
(21/3 – 28/3)

tài: cảm biến khí gas MQ2, cảm biến phát
hiện lửa flame sensor, cảm biến nhiệt độ
DHT-22, Arduino Nano, động cơ bơm
P385, ESP8266 Node MCU, LCD 16X2.

Tuần 4
(28/3 – 4/4)

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 ng̀n, khối xử
lí, khối hiển thị, khối cảm biến, khối
truyền dữ liệu).

Tuần 5

(4/4 – 11/4)
Tuần 6
(11/3 – 18/4)
Tuần 7
(18/4 – 25/4)

Tính toán thiết kế khối nguồn, thiết kế sơ
đồ toàn mạch và giải thích ngun lý hoạt
đợng của mạch.
Tính toán thiết kế khối ng̀n, thiết kế sơ
đờ toàn mạch và giải thích nguyên lý hoạt
động của mạch.
iii


Tuần 8

Vẽ PCB.

(25/4 – 2/5)

Vẽ lưu đồ giải thuật.

Tuần 9
(2/5 – 9/5)

Lập trình code cho VDK và tiến hành thi

Tuần 10

Lập trình code cho VDK và tiến hành thi

(9/5 – 16/5)
Tuần 11
(16/5 – 23/5)
Tuần 12
(23/5 – 30/5)
Tuần 13
(30/5 – 6/6)

công mạch.

công mạch.
Kiểm tra , cân chỉnh mạch thi công
Viết báo cáo nội dung đã làm.
Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để
xem xét góp ý lần cuối trước khi in và báo
cáo.
Làm slide, báo cáo với GVHD.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iv


LỜI CAM ĐOAN
Nhóm sinh viên – Lâm Đường Nguyên và Nguyễn Quốc Trọng Nhân xin cam
đoan đây là đồ án do nhóm tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Võ Đức Dũng.
Nhóm chỉ tham khảo các tài liệu trước đó và các nghiên cứu trên mạng online. Kết
quả công bố trong khóa luận tốt nghiệp là trung thực không sao chép từ tài liệu hay

công trình đã có trước đó.

Tp.HCM, ngày 4 tháng 08 năm 2020
SV thực hiện đồ án
( Ký và ghi rõ họ tên)
Lâm Đường Nguyên

Nguyễn Quốc Trọng Nhân

v


LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện đồ án xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt đến giảng viên hướng
dẫn thầy Võ Đức Dũng vì đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện đồ án, người đã
đưa ra hướng nghiên cứu, giải đáp thắc mắc, cũng như tận tình quan sát nhóm làm
việc. Trong quá trình thực hiện nhóm đã tiếp thu được những kiến thức thực tế và cách
làm việc nghiêm túc, hiệu quả từ thầy.
Nhóm em xin gửi lời tri ân thành nhất đến các quý thầy cô trong khoa Điện điện tử đã hỗ trợ chúng em về những kiến thức nền tảng vững vàng, tạo điều kiện 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 việc 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.

vi


MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... v
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ vi
MỤC LỤC .................................................................................................................... vii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ ....................................................................................................... ix
DANH SÁCH BẢN VẼ ................................................................................................ xi
TÓM TẮT ..................................................................................................................... xii
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 QUY TRÌNH GIÁM SÁT CỦA HỆ THỐNG .................................................. 4
2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ............................................................................. 4
2.2.1 Khối cảm biến ............................................................................................ 4
2.2.2 Khối vi điều khiển ...................................................................................... 9
2.2.3 Khối hiển thị ............................................................................................. 10

2.2.4 Mạch chuyển đổi I2C cho LCD ............................................................... 12
2.2.5 Khối nhận tín hiệu .................................................................................... 13
2.2.6 Module Sim 800L .................................................................................... 15
2.2.7 Module L298 ............................................................................................ 17
2.2.8 Mạch thu phát RF NRF24L01+ ............................................................... 18
2.2.9 Khối nguồn ............................................................................................... 19
2.3 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU ............................................................... 20
2.3.1 Giao tiếp SPI ............................................................................................ 20
2.3.2 Giao tiếp UART ....................................................................................... 21
2.3.3 Giao tiếp I2C ............................................................................................ 22
Chương 3

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ .................................................................. 27
vii


3.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................... 27
3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................................... 28
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .................................................................... 28
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ....................................................................... 32
Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG ......................................................................... 48
4.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................... 48
4.2 THI CƠNG HỆ THỐNG .................................................................................... 48
4.2.1 Thi cơng khối thu thập dữ liệu .................................................................... 48
4.2.2 Khối xử lý trung tâm ................................................................................... 51
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ........................................................... 54
4.3.1 Thi cơng hợp bảo vệ mạch ........................................................................... 54
4.3.2 Thi cơng mơ hình ......................................................................................... 55
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .................................................................................. 55
4.4.1 Lưu đồ giải thuật.......................................................................................... 55

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ......................................................... 60
4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG VÀ THAO TÁC ................................... 68
Chương 5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ............................... 70
5.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN .................................................................................... 70
5.2 ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ................................................. 84
Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................... 85
6.1 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 85
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................................................... 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 86
1.

Trích dẫn ......................................................................................................... 86
2.Tài liệu tham khảo........................................................................................... 86
3.Trang web tham khảo ...................................................................................... 86

PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 87
1.Code điều khiển NodeMCU ESP8266 ............................................................ 87
2.Code điều khiển Arduino thu thập dữ liệu ...................................................... 90
3.Code điều khiển Arduino xử lý trung tâm ...................................................... 95

viii


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình 2-1: Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2.......................................6
Hình 2-2: Module cảm biến phát hiện lửa....................................................................6
Hình 2-3: Cảm biến DHT22.........................................................................................7
Hình 2-4: Quang trở......................................................................................................8
Hình 2-5:Sơ đồ chân Arduino Nano............................................................................ 10
Hình 2-6: Hình ảnh LCD 16x2................................................................................... 10

Hình 2-7: Module I2C chuyển đổi LCD..................................................................... 12
Hình 2-8: Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102................................................. 13
Hình 2-9: Sơ đồ chân Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102..............................14
Hình 2-10: Module SIM 800L.................................................................................... 15
Hình 2-11: Module L298............................................................................................ 17
Hình 2-12: Mạch Thu Phát RF NRF24L01+............................................................... 18
Hình 2-13: Sơ đồ chân Mạch Thu Phát RF NRF24L01+............................................ 19
Hình 2-14: Kết nối 1 thiết bị với Arduino theo chuẩn giao tiếp SPI............................ 20
Hình 2-15: Cấu trúc của một Frame dữ liệu................................................................ 21
Hình 2-16: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi................................................................ 23
Hình 2-17: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn và chế độ nhanh.................. 23
Hình 2-18: Hướng đi của xung Clock và hướng đi của đường dữ liệu........................ 24
Hình 2-19: Trình tự truyền bit..................................................................................... 24
Hình 2-20: Start bit và Stop bit................................................................................... 25
Hình 3-1: Sơ đồ khối thu thập dữ liệu......................................................................... 28
Hình 3-2: Sơ đồ khối thu thập dữ liệu thực tế............................................................. 29
Hình 3-3: Sơ đồ khối xử lý trung tâm......................................................................... 30
Hình 3-4: Sơ đồ khối xử lý trung tâm thực tế............................................................. 31
Hình 3-5: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến................................................................... 33
Hình 3-6: sơ đồ khối của khối nguồn.......................................................................... 34
Hình 3-7: Adapter 12v/3A.......................................................................................... 34
Hình 3-8: Module hạ áp LM2596............................................................................... 35
Hình 3-9: sơ đồ chân của NRF24L01......................................................................... 35
Hình 3-10: Sơ đồ nguyên lý khối thu thập dữ liệu giao tiếp với NRF24L01..............36
Hình 3-11: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm giao tiếp với NRF24L01...............36
Hình 3-12:Chi tiết các chân L298............................................................................... 37
Hình 3-13: sơ đồ nguyên lý kết nối với L298............................................................. 38
Hình 3-14: Các chân của LCD.................................................................................... 39
Hình 3-15:Module I2C chuyển đổi LCD.................................................................... 39
Hình 3-16: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với LCD.................................................. 40

Hình 3-17: Sơ đồ chân của Esp8266........................................................................... 41
Hình 3-18: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với Esp8266............................................ 41
Hình 3-19: Sơ đồ chân module Sim 800L................................................................... 42
Hình 3-20: sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với module sim........................................43
Hình 3-21: Sơ đồ nguyên lý khối thu thập dữ liệu...................................................... 45
Hình 3-22: Sơ đồ khối xử lý trung tâm....................................................................... 47
Hình 4-1: PCB mặt sau khối thu thập......................................................................... 48
Hình 4-2: PCB mặt trước khối thu thập...................................................................... 49
ix


Hình 4-3: Khối thu thập sau khi đã lắp linh kiện........................................................ 50
Hình 4-4: PCB mặt sau của khối trung tâm................................................................. 51
Hình 4-5: PCB mặt trước của khối trung tâm............................................................. 52
Hình 4-6: Khối trung tâm sau khi đã kết nối linh kiện................................................ 53
Hình 4-7: Hình ảnh hệ thống sau khi hoàn thiện hộp bảo vệ...................................... 54
Hình 4-8: Hình ảnh mô hình đề tài.............................................................................. 55
Hình 4-9: Lưu đồ khối thu thập dữ liệu....................................................................... 56
Hình 4-10: Lưu đồ truyền dữ liệu qua Module NRF24L01........................................57
Hình 4-11: Lưu đồ chương trình truyền dữ liệu UART sang NodeMCU....................57
Hình 4-12: Lưu đồ NodeMCU.................................................................................... 58
Hình 4-13: Lưu đồ khối xử lý trung tâm..................................................................... 59
Hình 4-14: Giao diện Arduino IDE............................................................................. 60
Hình 4-15: Chọn Arduino sử dụng.............................................................................. 61
Hình 4-16: Chọn cổng COM kết nối với Arduino....................................................... 62
Hình 4-17: Trình duyệt truy cập vào ThingSpeak....................................................... 64
Hình 4-18: Giao diện ban đầu của Thingspeak........................................................... 64
Hình 4-19: Giao diện khởi tạo tài khoản ThingSpeaks............................................... 65
Hình 4-20: Giao diện cài đặt một số thông số của Web.............................................. 65
Hình 4-21: Giao diện điểm thể hiện giá trị cảm biến đo được tại các khoảng thời gian

khác nhau của ThingSpeaks........................................................................................ 66
Hình 4-22: Thông tin của cảm biến muốn hiển thị lên Server Web............................. 67
Hình 4-23: Giáo sát bằng giao diện đồng hồ của Thingspeaks...................................67
Hình 4-24: Thông tin của quang trở với giao diện đồng hồ........................................68
Hình 4-25: Quy trình thao tác sử dụng hệ thống......................................................... 69
Hình 5-1: Hình ảnh thực tế mặt trước của mô hình..................................................... 71
Hình 5-2: LCD hiển thị dữ liệu môi trường................................................................ 71
Hình 5-3: Mạch phát dữ liệu môi trường và gửi dữ liệu lên thinkspeak......................72
Hình 5-4: Mạch nhận dữ liệu môi trường và xử lý khi có hỏa hoạn............................ 73
Hình 5-5: Hình ảnh kết quả so cùng một thời điểm.................................................... 74
Hình 5-6: Hình ảnh test sự cố hỏa hoạn...................................................................... 75
Hình 5-7: LCD khi có sự cố hỏa hoạn........................................................................ 75
Hình 5-8: Hình ảnh test sự cố rò rỉ khí gas................................................................. 76
Hình 5-9: LCD khi có sự cố rò rỉ khí gas.................................................................... 76
Hình 5-10: Hình ảnh hệ thống gửi cảnh báo đến người dùng..................................... 77
Hình 5-11: Hình ảnh giao diện web biểu diễn nhiệt độ dạng máy đo.......................... 78
Hình 5-12: Hình ảnh giao diện web biểu diễn nhiệt độ dạng biểu đồ.........................78
Hình 5-13: Hình ảnh giao diện web biểu diễn độ ẩm dạng máy đo.............................79
Hình 5-14: Hình ảnh giao diện web biểu diễn độ ẩm dạng biểu đồ.............................79
Hình 5-15: Hình ảnh giao diện web biểu diễn khí gas dạng máy đo...........................80
Hình 5-16: Hình ảnh giao diện web biểu diễn khí gas dạng biểu đờ...........................80
Hình 5-17: Hình ảnh giao diện web biểu diễn trạng thái lửa dạng máy đo.................81
Hình 5-18: Hình ảnh giao diện web biểu diễn trạng thái lửa dạng biểu đồ.................81
Hình 5-19: Hình ảnh giao diện web biểu diễn ánh sáng dạng máy đo........................82
Hình 5-20: Hình ảnh giao diện web biểu diễn ánh sáng dạng biểu đồ........................82
Hình 5-21: Các trường hiển thị giá trị của các cảm biến tại cùng 1 thời điểm............83
x


DANH SÁCH BẢN VẼ

Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật cảm biến khí gas MQ-2..................................................5
Bảng 2-2: Thơng số kỹ thuật DHT22............................................................................7
Bảng 2-3: Chức năng các chân của LCD 16x2........................................................... 11
Bảng 3-1: Danh sách linh kiện sử dụng nguồn 5V...................................................... 44
Bảng 3-2: Danh sách linh kiện sử dụng nguồn 3.3V................................................... 44
Bảng 3-3: Danh sách linh kiện khối xử lý trung tâm................................................... 46
Bảng 4-1: Bảng thống kê linh kiện sử dụng cho khối thu dữ liệu...............................50
Bảng 4-2: Bảng thống kê linh kiện sử dụng cho khối trung tâm.................................52
Bảng 5-1: Bảng so sánh giá trị thu được so với nhiệt ẩm kế FY-11............................74

xi


TÓM TẮT
Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm cho đời sống con người
ngày càng được nâng cao. Khi mức sống con người được nâng cao thì đòi hỏi môi
trường sống của con người cần được cải thiện nhiều hơn. Sống trong một xã hội mà
các chỉ số môi trường an toàn với sức khỏe của con người là mục tiêu hướng tới của
cợng đờng. Chính vì lẽ đó con người cần phải biết được các chỉ số môi trường sống
hiện tại để từ đó có các biện pháp phòng tránh và cải thiện nó.
Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của IoT (Internet of Things) và giám sát dữ
liệu đã được mở rộng thông qua web và các thiết bị được kết nối Internet. Từ đó tạo
được sự thuận tiện và hiện đại trong cuộc sống của con người.
Nội dung của đề tài là áp dụng những kiến thức điện tử đã học để thiết kế mạch
đo các chỉ số môi trường. Mạch gồm các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh
sáng, lửa, gas giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm là Aduino Nano. Không chỉ hiển
thị các dữ liệu thông qua LCD 16x2, mạch còn giám sát dữ liệu qua Web nhờ module
ESP8266 và báo động nhờ module Sim800L.Bên cạnh đó mạch còn có hệ thống
phòng cháy và rò rỉ khí gas thơng qua máy bơm và quạt. Mơ hình cũng được thiết kế
dạng hình khối chứa đựng tất cả mạch và cảm biến sử dụng. Số liệu hiển thị trên trên

LCD và Web trực quan, dễ nhìn. Người dùng có thể dựa vào những dữ liệu đó để có
các quyết định và biện pháp phòng tránh hiệu quả.

xii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Theo như số liệu thống kê 6 tháng đầu năm 2020, trên địa bàn cả nước xảy ra 1490
vụ cháy, nổ, làm 48 người chết và 111 người bị thương, thiệt hại ước tính gần 336,65 tỷ
đờng [1]. Số liệu trên là một con số đáng báo động về tình trạng phòng chống cháy nổ của
nhân dân cũng như chưa có đủ thiết bị an toàn để phòng chống hỏa hoạn. Trong đó yếu tố
môi trường ảnh hưởng rất lớn, vì thế với mục đích kiểm soát chỉ số mơi trường phòng
ngừa nguy cơ cháy nổ nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và

thi công hệ thống thu thập dữ liệu môi trường, hiển thị thông tin trên web và
cảnh báo hỏa hoạn qua SMS”.
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 hiện tượng cháy nổ và chưa hiệu quả. Vấn đề đặt ra là cần một hệ thống có thể
thu thập dữ liệu của môi trường hiển thị lên website, cảnh báo cho người dùng khi có hỏa
hoạn, rò rỉ khí gas và người dùng có thể giám sát trực tiếp số liệu trên internet thông qua
laptop hoặc là smart phone. Nhóm em đã vận dụng các kiến thức được học tại trường [2]
cũng như khảo sát thực tế để có thể hoàn thành được hệ thống như trên.

Hệ thống thu thập dữ liệu môi trường, hiển thị thông tin trên web và cảnh báo
hỏa hoạn qua SMS dựa trên nền tảng kiến thức về lĩnh vực điện tử, xã hội và môi
trường. Nhóm phát triển hệ thống dựa trên đồ án môn học trước là hệ thống báo quá

nhiệt độ qua SMS. Hệ thống sẽ được cải tiến thêm về khả năng phát hiện lửa, báo
cháy, rò rỉ khí gas, có cơ sở dữ liệu trực tuyến cho người dung.

1.2 MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công hệ thống thu thập dữ liệu môi trường, hiển thị thông tin trên
web và cảnh báo hỏa hoạn qua SMS để giúp người dùng hạn chế hiện tượng cháy nổ,
rò rỉ khí gas, đảm bảo an toàn về tính mạng cũng như tài sản. Sử dụng được vi điều
khiển Arduino Nano, module NodeMCU8266, các loại cảm biến,...

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Đối với đồ án: “Thiết kế và thi công hệ thống thu thập dữ liệu môi trường,
hiển thị thông tin trên web và cảnh báo hỏa hoạn qua SMS” thì nội dung
cần thực hiện bao gờm:
•

Nội dung 1: Lên ý tưởng thực hiện đờ án, tìm hiểu về linh kiện sử dụng.

•

Nội dung 2: Thiết kế, thi công khối cảm biến đo nhiệt đợ, cảm biến phát hiện
lửa, cảm biến rò rỉ khí gas,...

•

Nội dung 3: Thiết kế khối giao tiếp ngoại vi, lấy cơ sở dữ liệu trực tuyến thông
qua internet, truyền nhận thơng tin giữa trạm phụ và trạm trung tâm.

•

Nội dung 4: Vẽ lưu đờ giải thuật.

•

Nội dung 5: Thiết kế và tiến hành viết chương trình cho vi điều khiển.

•

Nội dung 6: Thiết kế và thi cơng hệ thống thu thập dữ liệu môi trường, hiển thị
thông tin trên web và cảnh báo hỏa hoạn qua SMS.

•

Nội dung 7: Lắp gáp các khối vào mơ hình.

•

Nội dung 8: Chạy thử nghiệm, cân chỉnh hệ thống.

•

Nội dung 9: Viết luận văn.

•

Nội dung 10: Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

1.4 GIỚI HẠN
Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:
- Hệ 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 nhiệt đợ, ánh sáng, phát hiện 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 trùn nhận thơng tin bằng sóng RF- khả năng truyền 100m
trong môi trường không có vật cản và hiển thị dữ liệu trên LCD 16X2 và trên cơ sở dữ
liệu trực tuyến.
- Sử dụng cảm biến phát hiện lửa flame sensor (3.3V-5VDC).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- Sử dụng cảm biến nhiệt độ DHT-22(5VDC), nhiệt độ hoạt động -40 oC ~ 80oC.
- Sử dụng cảm biến phát hiện khí gas MQ-2 (5VDC), chỉ phát hiện được các loại

khí như LPG, Metan, Hydrogen.

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 các loại module, các thiết bị ngoại vi, vi điều khiển sử dụng trong hệ thống.
•

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

chi tiết về các loại linh kiện, giao thức giao tiếp giữa các module với nhau.
•

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

cho hệ 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 hiện so với mục tiêu ban

đầu, nhận xét hoạt đợng của hệ thống.
•

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

để có được mợt đề tài hoàn thiện.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 QUY TRÌNH GIÁM SÁT CỦA HỆ THỐNG
Hệ thống gờm 2 phần chính:
Phần thứ nhất là khối thu thập dữ liệu gờm các cảm biến phát hiện khí gas, cảm
biến phát hiện lửa và cảm biến nhiệt tương ứng với các cảm biến sau : cảm biến MQ-2,
Flame Sensor phát hiện lửa, cảm biến DHT22, cảm biến ánh sáng. Các cảm biến này
sẽ thu thập thông tin trong môi trường hiện tại sau đó sẽ gửi thông tin đến trung tâm xử
lý bằng công nghệ truyền dẫn không dây thông qua bộ phát sóng cao tần (RF).

Phần thứ hai là bợ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu gửi về từ các
khối thu thập dữ liệu thông qua bộ thu sóng cao tần để thực hiện bật quạt,máy bơm,
gửi tin nhắn và gọi thông báo nếu có sự cố xảy ra. Hiển thị các thông số môi trường
thu được lên giao diện giám sát.

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.2.1 Khối cảm biến
2.2.1.1 Cảm biến khí gas
Cảm biến khí ga MQ-2 là một trong những loại cảm biến được sử dụng để
nhận biết: LPG, i-butan, Propane, Methane , Alcohol, Hydrogen, Smoke và khí gas.
Được thiết kế với đợ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh. Giá trị đọc được từ cảm biến

sẽ được đọc về từ chân Analog của vi điều khiển.
Vật liệu nhạy cảm của cảm biến khí MQ-2 là SnO2, có đợ dẫn thấp hơn trong
khơng khí sạch. Khi phát hiện có khí đốt dễ cháy, đợ dẫn của cảm biến nhiệt độ cao
hơn cùng với nồng đợ khí tăng lên.
❖

Đặc tính của cảm biến

•

Đợ nhạy tốt với khí dễ cháy trong phạm vi rợng.

•

Đợ nhạy cao đối với LPG, Propane và Hydrogen.

•

Tuổi thọ cao và chi phí thấp.

•

Mạch đơn giản.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

❖

❖

Ứng dụng
•

Phát hiện rò rỉ gas trong nước.

•

Máy dò khí đốt trong cơng nghiệp.

• Máy dò khí cầm tay.
Thơng tin kỹ thuật
Mơ hình

MQ-2

Loại cảm biến

Bán dẫn

Tiêu chuẩn đóng gói

Bakelite (Black Bakelite)

Khí phát hiện

Khí đốt dễ cháy, khói thuốc

Nờng đợ

300-10000ppm (Nờng đợ khí gas)

Mạch điện

Đặc tính

Điều kiện

Điện áp mạch

≤ 24

Điện áp nhiệt

5.0V±0.2V ACorDC

Điện trở tải

Có thể điều chỉnh được

Điện trở nhiệt

31Ω±3Ω（Nhiệt độ phòng（

Công
suất
nhiệt tiêu thụ

≤ 900

Điện trở cảm
biến

2KΩ-20KΩ (trong 2000ppm

Đợ nhạy

S

(trong khơng khí)/(
≥5

Đợ dốc

Α

≤ 0.6(

Nhiệt đợ, độ ẩm

3 8)

10004)

5000/ 30004)

20℃±2℃（65%±5%RH

Kiểm tra mạch tiêu :5.0V±0.1V（
chuẩn
:5.0V±0.1V
Thời gian nóng sơ bộ Hơn 48 giờ
Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật cảm biến khí gas MQ-2

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2-1: Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2
Lý do sử dụng: Cảm biến khí gas MQ-2 có đợ nhạy cao, thời gian đáp ứng
nhanh, tuổi thọ cao, chi phí thấp, phù hợp với nhiều ứng dụng.
2.2.1.2 Cảm biến lửa
Ngọn lửa phát ra tia hồng ngoại ở dãy 760nm-1100nm. Dựa vào điều này, module
cảm biến phát hiện lửa dùng một diode hồng ngoại thu tín hiệu hờng ngoại ngọn lửa phát
ra. Thơng qua mạch tích hợp IC LM393 so sánh và đưa ra tín hiệu đầu ra.

Hình 2-2: Module cảm biến phát hiện lửa
Module này nhạy cảm với ngọn lửa và bức xạ. Nó cũng có thể phát hiện nguồn
sáng thông thường trong phạm vi bước sóng 760nm - 1100nm. Các khoảng cách phát
hiện từ 20cm đến 100cm.
Flame sensor có thể xuất tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự.
Lý do sử dụng: Cảm biến có độ nhạy với ngọn lửa và bức xạ nhiệt. Cảm biến
có thể phát hiện được lửa có dãi bước sóng từ 760nm - 1100nm. Có thể chỉnh lại đợ
nhạy, kích thước nhỏ gọn phù hợp với mơ hình.

❖

Thơng số kỹ thuật

•

Khoảng cách phát hiện 20cm- 100cm

•

Điện áp hoạt đợng : 3,3 – 5VDC

•

Dòng tiêu thụ: 15mA

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
•

Góc qt 60 đợ

•

Tín hiệu ra Digital 3,3- 5VDC tùy ng̀n cấp hoặc Analog

•

Kích thước: 3.2 X 1.4 cm
2.2.1.3 Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến DHT22 là cảm biến dùng để xác định độ ẩm, nhiệt độ của môi

trường xung quanh thông qua chuẩn One-Wire.
Nó sử dụng kỹ thuật thu thập tín hiệu kỹ thuật số độc quyền và độ ẩm công
nghệ cảm biến, đảm bảo đợ tin cậy và tính ổn định cao. Khoảng cách đường truyền
dài ( 20m) và tiêu thụ điện năng ít chính là những điểm nổi bật của loại cảm biến này.
Lý do sử dụng: Đảm bảo độ tin cậy và tính ổn định cao, dãi đo nhiệt đợ rợng từ
-40° C đến 80°C, tiêu thụ điện năng ít chính là những điểm nổi bật của loại cảm biến
này.

Hình 2-3: Cảm biến DHT22
❖

Thông số kỹ thuật

Tên linh kiện

DHT22

Điện áp hoạt động

3.3 – 6VDC

Dòng hoạt đợng

2.5mA

Tín hiệu ngõ ra

Tín hiệu số trùn theo chuẩn One-Wire

Yếu tố cảm biến

Tụ Polymer

Phạm vi hoạt động

Nhiệt độ: -40 ~ 80 C
Độ ẩm : 0~100%RH

Sai số

Nhiệt độ: < ± 0.5 C, Độ ẩm : ± 2%RH
Trung bình 2s

Chu kì

o

o

Bảng 2-2: Thơng số kỹ thuật DHT22

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Dữ liệu single - bus được sử dụng để liên lạc giữa MCU và DHT22, nó tốn
5mS cho một lần giao tiếp. Dữ liệu bao gồm phần nguyên và phần thập phân.
DATA = Dữ liệu RH nguyên 8 bit + Dữ liệu RH thập phân 8 bit + Dữ liệu T nguyên 8
bit + Dữ liệu T thập phân 8 bit + Tổng kiểm tra 8 bit.
Nếu việc truyền dữ liệu là đúng, tổng kiểm tra phải là 8 bit cuối cùng của "Dữ
liệu RH nguyên 8 bit + Dữ liệu thập phân RH 8 bit + Dữ liệu T nguyên 8 bit + Dữ liệu
T thập phân 8 bit ".
Khi MCU gửi tín hiệu bắt đầu, DHT22 thay đổi từ chế độ tiêu thụ điện năng
thấp sang chế độ chạy. Khi MCU kết thúc việc gửi tín hiệu bắt đầu, DHT22 sẽ gửi tín
hiệu phản hồi của dữ liệu 40 bit phản ánh nhiệt độ, độ ẩm tương đối.
2.2.1.4 Quang trở
Quang trở còn được gọi là điện trở quang là một trong những linh kiện được
tạo bằng một chất đặc biệt có thể thay đổi điện trở khi ánh sáng chiếu vào. Về cơ bản,
bạn có thể hiểu nó là một tế bào quang điện được hoạt động dựa theo nguyên lý
quang dẫn. Hay có thể hiểu nó là một điện trở có thể thay đổi được giá trị theo cường
độ ánh sáng.

Hình 2-4: Quang trở
❖

Thơng số kỹ thuật:

•

Điện áp tối đa: 150Vdc.

•

Cơng śt tiêu thụ tối đa: 100mW.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
•

Nhiệt đợ hoạt đợng: -30ºC đến +70ºC.

•

Đợ rọi: 20-45 K(ohm).

•

Thời gian đáp ứng: 20ms.
2.2.2 Khối vi điều khiển
Arduino là một board mạch vi xử lý nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác

với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board
mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM
Atmel 32-bit. Những model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân
đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rợng khác
nhau. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy
tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino
bằng ngôn ngữ C hoặc C++.

Board Arduino Nano là một trong những phiên bản nhỏ gọn của board Arduino.
Arduino Nano có đầy đủ các chức năng và chương trình có trên Arduino Uno do cùng sử
dụng MCU ATmega328P. Nhờ việc sử dụng IC dán của ATmega328P thay vì IC chân
cắm nên Arduino Nano có thêm 2 chân Analog so với Arduino Uno.
❖

Thơng số kỹ thuật :

•

Thiết kế theo đúng chuẩn chân, kích thước của Arduino Nano chính hãng.

•

IC chính: ATmega328P-AU.

•

IC nạp và giao tiếp UART: CH340.

•

Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw.

•

Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC.

•

Dòng GPIO: 40mA.

•

Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM.

•

Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân).

•

Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader).

•

SRAM: 2KB.

•

EEPROM: 1KB.

•

Clock Speed: 16Mhz.

•

Tích hợp Led báo ng̀n, led chân D13, LED RX, TX.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
•

Tích hợp IC chủn điện áp 5V LM1117.

•

Kích thước: 18.542 x 43.18mm.

Hình 2-5:Sơ đờ chân Arduino Nano
2.2.3 Khối hiển thị
Thiết bị LCD 20X4 là loại LCD hiển thị được tất cả các kí tự trong bảng mã
ASCII và 8 kí tự đặc biệt do người dùng tạo ra, với khả năng hiển thị 4 dòng với 20 ký
tự. Điện áp hoạt động 5VDC, dòng hoạt dợng 160mA.

Hình 2-6: Hình ảnh LCD 16x2
Hàng 1: Kí tự tận cùng bên trái có địa chỉ là 0X80,kế là 0x80, cuối cùng là 0X8F.
Hàng 2: Kí tự tận cùng bên trái có địa chỉ là 0xC0, cuối cùng là 0XCF.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

❖

Sơ đồ chân

Thứ
tự chân

Tên chân

Chức năng

1

VSS

GND của LCD

2

VCC

Nguồn cấp cho LCD

3

VEE

Điều chỉnh độ tương phản( cần được gắn với biến trở)

4

RS

Chọn thanh ghi
RS=0:Đưa LCD vào chế độ ghi lệnh
RS=1:Đưa LCD vào chế độ ghi dữ liệu( xuất dữ liệu lên màn hình)

5

RW

Chọn chế độ đọc/ghi cho LCD
RW=0:Vi điều khiển truyền dữ liệu vào LCD
RW=1:Vi điều khiển đọc dữ liệu từ LCD

6

E

E=0: vô hiệu hóa việc đọc/ghi
E=1: cho phép LCD đọc/ghi
E chuyển từ 1 về 0: bắt đầu đọc/ghi LCD

7

D0

Dữ liệu bit thứ 0

8

D1

Dữ liệu bit thứ 1

9

D2

Dữ liệu bit thứ 2

10

D3

Dữ liệu bit thứ 3

11

D4

Dữ liệu bit thứ 4

12

D5

Dữ liệu bit thứ 5

13

D6

Dữ liệu bit thứ 6

14

D7

Dữ liệu bit thứ 7

15

LED+

Nguồn dương cấp cho led nên

16

LED-

GND
Bảng 2-3: Chức năng các chân của LCD 16x2

Lý do sử dụng: LCD 16x2 hiển thị được đầy đủ các thơng số của cảm biến phù
hợp với mục đích sử dụng của hệ thống gồm có giá trị của cám biến nhiệt đợ đợ ẩm,
cảm biến lửa, cám biến khí gas. Tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ...

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.4 Mạch chuyển đổi I2C cho LCD
LCD thường có nhiều chân nên khó khăn trong quá trình kết nối. Thay vì sử
dụng tối thiểu sáu chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và
D4) thì với module chuyển đổi chỉ cần sử dụng hai chân (SCL, SDA) để kết nối.
Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780 kết nối với vi
điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển.

Hình 2-7: Module I2C chuyển đổi LCD
❖

Ưu điểm
•

❖

Tiết kiệm chân cho vi điều khiển.

• Dễ dàng kết nối với LCD.
Thơng số kỹ thuật
•

Điện áp hoạt đợng: 2.5 - 6V DC.

•

Hỗ trợ màn hình: LCD1602, 1604, 2004 (driver HD44780).

•

Giao tiếp: I2C.

•

Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)

•

Kích thước: 41.5mm (L) x 19mm (W) x 15.3mm (H).

•

Trọng lượng: 5g.

•

Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.

•

Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh đợ tương phản cho LCD.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12