BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TÊN DỰ ÁN: “THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA HỖ TRỢ DÒ TÌM NGƯỜI KHI GẶP NẠN’’ (Cuộc thi khoa học học kỹ thuật) PHẦN I. MỤC LỤC Trang Phần I: MỤC LỤC Lời cảm ơn.....................................................................1 2 Phần II: PHẦN CHUNG2 1. Lý do chọn đề tài..........................................................................3 2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của dự án……………...3 3. Mục tiêu nghiên cứu…………………………………………….4 4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu…………………………………...4 5. Phương pháp nghiên cứu……………………………………….4 6. Nội dung nghiên cứu……………………………………………5 7. Những điểm mới của dự án. …………………………………… Phần III . TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tìm hiểu về các thiết bị cần dùng để lắp đặt…………………..5 5 2. Viết chương trình nạp cho Arduino: ……………………… 3. Sơ đồ nguyên lí của cảm biến………………………………….. Phần IV. TÌM THIẾT BỊ VÀ CHẾ TẠO SẢN PHẨM CỦA DỰ ÁN ……………………………10 11 12 Phần V: KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM…………… 17 Phần VI: KẾT LUẬN KHOA HỌC………………………….. 19 LỜI CẢM ƠN Để hưởng ứng cuộc thi “Sáng tạo khoa học kĩ thuật dành cho học sinh THCS, THPT” do cấp trên tổ chức. Đồng thời áp dụng những điều đã học vào thực tế cuộc sống, em đã nghiên cứu sản phẩm “Thiết bị điều khiển từ xa hỗ trợ rò tìm người khi gặp nạn”. Trong quá trình thực hiện dự án, em đã nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn của nhiều thầy cô giáo trong nhà trường. Em cũng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo và lãnh đạo Trường, đã tạo ra sân chơi lành mạnh này. Chúng em, có thể phát huy hết khả năng vận dụng kiến thức lí thuyết đã học vào sáng tạo các ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống. Em xin chân thành cảm ơn! DỰ ÁN “THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA HỖ TRỢ DÒ TÌM NGƯỜI KHI GẶP NẠN’’ PHẦN II. PHẦN CHUNG 1. Lý do chọn đề tài. Hiện nay trên một số nước ở một số nơi xảy ra vụ động, đất sóng thần, đặc biệt là nước Nhật Bản do biến động khí hậu nhiều nhà cửa của người dân bị sập và nhiều nạn nhân bị mắc kẹt trong đống đổ nát trong nhà bị sập làm khó khăn cho ......................
Trang 1BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
DÒ TÌM NGƯỜI KHI GẶP NẠN’’
(Cuộc thi khoa học học kỹ thuật)
PHẦN I MỤC LỤC Trang Phần I: MỤC LỤC Lời cảm ơn
1 2 Phần II: PHẦN CHUNG 2 1 Lý do chọn đề tài 3
2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của dự án……… 3
3 Mục tiêu nghiên cứu……… 4
4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu……… 4
5 Phương pháp nghiên cứu……… 4
6 Nội dung nghiên cứu……… 5
7 Những điểm mới của dự án ………
Phần III TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1 Tìm hiểu về các thiết bị cần dùng để lắp đặt………
5 5 2 Viết chương trình nạp cho Arduino: ………
3 Sơ đồ nguyên lí của cảm biến………
Phần IV TÌM THIẾT BỊ VÀ CHẾ TẠO SẢN PHẨM CỦA DỰ ÁN ………
10 11 12 Phần V: KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM……… 17
Phần VI: KẾT LUẬN KHOA HỌC……… 19
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Để hưởng ứng cuộc thi “Sáng tạo khoa học kĩ thuật dành cho học sinh THCS,THPT” do cấp trên tổ chức Đồng thời áp dụng những điều đã học vào thực tế cuộc
sống, em đã nghiên cứu sản phẩm “Thiết bị điều khiển từ xa hỗ trợ rò tìm người
khi gặp nạn” Trong quá trình thực hiện dự án, em đã nhận được nhiều sự quan tâm,
giúp đỡ, hướng dẫn của nhiều thầy cô giáo trong nhà trường
Em cũng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo và lãnh đạo Trường, đã tạo
ra sân chơi lành mạnh này Chúng em, có thể phát huy hết khả năng vận dụng kiếnthức lí thuyết đã học vào sáng tạo các ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống
Em xin chân thành cảm ơn!
DÒ TÌM NGƯỜI KHI GẶP NẠN’’
PHẦN II PHẦN CHUNG
Trang 31 Lý do chọn đề tài.
Hiện nay trên một số nước ở một số nơi xảy ra vụ động, đất sóng thần, đặc biệt là nước Nhật Bản do biến động khí hậu nhiều nhà cửa của người dân bị sập và nhiều nạn nhân bị mắc kẹt trong đống đổ nát trong nhà bị sập làm khó khăn cho người đi cứu hộ cứu nạn
2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của dự án.
Dự án “THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA HỖ TRỢ DÒ TÌM NGƯỜI KHI GẶP
NẠN” thực hiện thành công có thể giúp cho cứu người cứu hộ ở những nơi gặp thiên
tai động đát sóng thần gây sập nhà cửa nhanh chóng tìm ra nạn nhân trong đống đổnát ở trong các ngôi nhà
Chức năng: Bánh xích giúp đi được trên nhiều địa hình phức tạp, chức năng điềukhiển từ xa giúp xe linh hoạt đi vào những ngóc ngách xa xôi, chức năng truyền hìnhảnh trực tiếp từ camera về màn hình điện thoại giúp dẫn đường đi cho xe và pháthiện người gặp nạn, chức năng nhận biết khí độc trong nhà và nhận biết được nhiệt
độ cao báo hiệu cho còi giúp cho người cứu hộ lập kế hoạch cứu nạn 1 cách an toànnhất cho cả người cứu hộ và cứu nạn
Nhóm nghiên cứu đề tài mong muốn góp một phần nhỏ cho công việc cứu nạn, cứu
hộ ở những nơi gặp thiên tai
3 Mục tiêu nghiên cứu.
Dự án được nghiên cứu nhằm tạo ra một hệ thống giúp người cứu hộ có thể vàođược những nơi bị sập và khó có thể vào được
Trang 4Cụ thể đề tài có thể giải quyết các vấn đề đã đặt ra là:
- Vấn đề 1:
+ Xe có thể di chuyển trên mọi địa hình gồ ghề phức tạp
+ Truyền hình ảnh trực tiếp thông qua sóng 4G, 3G tùy nơi,
+ Cảm biến nhạy với khí độc và nhiệt độ
+ Còi báo khí độc và nhiệt độ báo hiệu lớn cho người đứng ngoài và cứu hộ dễ nhậnbiết
Mục tiêu lớn nhất của dự án là giá thành sản phẩm hợp lí nhất có thể, nhằm nângcao trình độ hiểu biết của bản thân về chuyên ngành kĩ thuật- điện tử– công nghệthông tin, tự tạo cho bản thân các thử thách khó đặt ra và tự bản thân vượt qua đểhoàn thiện mình
4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu.
Dự án “THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA HỖ TRỢ DÒ TÌM NGƯỜI KHI GẶP
NẠN” với các thiết bị hỗ trợ an toàn , cảnh báo có thể sử dụng được trong các khu
vực gặp nạn
5 Phương pháp nghiên cứu.
Nhóm nghiên cứu theo phương pháp tư duy quy nạp: từ việc nghiên cứu các thiết bịriêng lẻ, tích hợp thành hệ thống điều khiển chung cho thiết bị
Nhóm sử dụng phương pháp thí nghiệm thực nghiệm để tiến hành lắp đặt thửnghiệm bộ điều khiển
Nhóm còn sử dụng phương pháp thu thập thông tin qua việc tìm hiểu về nhu cầuthực tế nhất là các dơn vị cứu hộ, các tai nạn lao dộng, thiên tai, thông qua hoạtđộng quan sát công việc hằng ngày của họ, hỏi về nhu cầu của thực tiển về vấn đề hổtrợ cứu hộ cứu nạn và xuất phát chính từ nhu cầu của bản thân ,gia đình và xã hội
Từ các thông tin thu thập, nhóm xác định các hạn chế, yêu cầu của vấn đề cần thiếttrong an toàn cứu hộ ,khảo sát sau đó đưa ra giải pháp để khắc phục các hạn chế và
Trang 56 Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu về an toàn cứu hộ
- Nghiên cứu, tìm hiểu các linh kiện điện tử, nguyên lí hoạt động của “THIẾT BỊ
ĐIỀU KHIỂN TỪ XA HỖ TRỢ DÒ TÌM CỨU NGƯỜI KHI GẶP NẠN” trong
thực tiễn và các thiết bị cảnh báo có thể sử dụng được trong các ngôi nhà khu dân cưgặp tai nạn - Xây dựng giải pháp tích hợp để điều khiển thiết bị điện tử và thiết bịcảnh báo
- Thiết kế mô hình không gian của dự án
- Thiết kế sơ đồ tổng thể của dự án
- Thiết kế, lắp ráp và kiểm tra từng hệ thống riêng lẻ
- Lập chương trình để điều khiển hoạt động của các “THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TỪ
XA HỖ TRỢ DÒ TÌM CỨU NGƯỜI KHI GẶP NẠN”
- Hoàn thiện, kiểm tra và chạy thử nghiệm
7 Những điểm mới của dự án
Tích hợp các chức năng điều khiển từ xa của các thiết bị điện (như: Bánh xe,Camera, Arduino, Tx Rx, ) đơn lẻ thành một bộ điều khiển chung Mặt khác còn
có thể điều khiển hệ thống cảnh báo về an ninh và môi trường của khu vực hoạtđộng Hệ thống các thiết bị điện và cảnh báo được điều khiển trên “THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA HỖ TRỢ DÒ TÌM CỨU NGƯỜI KHI GẶP NẠN”
Phần III TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1 Tìm hiểu về các thiết bị cần dùng để lắp đặt “Thiết bị điều khiển từ
xa hỗ trợ rò tìm người khi gặp nạn”
1.1/ Hệ thống bao gồm cảm biến khí ga và hệ thống chuông báo động.
Hệ thống cảnh báo khí ga rò rỉ
* Module cảm biến ga MQ5:
Trang 6- Module này đọc các thông số về lượng khí gas rò rỉ và nhiệt độ thay đổi rồi
gửi các thông số đó về Arduino để xử lí
- Hoạt động: dùng nguồn 5V và có thể xuất ra các giá trị analog hoặc điều chỉnhbiến trở trên module để xuất ra giá trị digital 5V Cảm biến này sử dụng ic chức năng
LM 395 để biến đổi và xử lí thông tin từ cảm biến ra 2 dạng analog và digital Nếumật độ ga biến đổi thì giá trị analog biến đổi theo, nếu mật độ ga tăng đến ngưỡngcao vượt ngưỡng điều chỉnh của biến trở thì nó sẽ xuất ra tín hiệu có giá trị analoghoặc giá trị digital Trong đề tài thì nhóm sử dụng giá trị analog
- Nguyên lí làm việc: module MQ5 thu thập thông tin về khí ga rồi truyền tín
hiệu giá trị analog tới Arduino Sau đó, arduino xử lí các tín hiệu này theo lập trìnhnhư sau:
+ Với chế độ trong nhà: nếu tín hiệu vượt mức bình thường (quy định là 350/1023trong chương trình nạp cho arduino) thì xuất tín hiệu đến hệ thống chuông bào đểchuông báo hoạt động
* Hệ thống chuông báo động: tương tự như hệ thống chuông báo chống trộm
- Hệ thống cảnh báo nhiệt độ cao
Bao gồm các cảm biến nhiệt độ, hệ thống
chuông báo động và hệ thống tự động
ngắt nguồn điện tổng của thiết bị
Cách đấu nối chân A0 của khí gas đấu nối với chân A2 của Arduino: Nguồn VCC5V, chân GND nối tiếp với chân GND Arduin
1.2/ Cảm biến nhiệt
Trang 7Cảm biến nhiệt độ rất nhạy chạy với dòng nhỏ, có thể hoạt động ở mức
hiệu điện thế từ 5V hoặc hơn Trên xe được bố trí 1 cái, đặt ở 1 bên xe
- Hoạt động: cảm biến nhiệt độ cao thu thập thông tin về nhiệt độ môi trường với độchính xác và độ nhạy cao, sau đó gửi các tín hiệu dạng analog tới arduino Arduino
sẽ tính toán và đưa ra nhiệt độ chính xác để so sánh với giá trị nhiệt
độ mà chương trình nạp cho arduino đã đặt
Cách đấu nối: Chân A0 nhiệt độ nối tiếp với chân A3 Arduino, cực VCC 5V, cựcGND nối tiếp với GND Arduino
-Điện áp ra 1,5-3,3V điện áp hoạt động 4,5-20V DC
-Thời gian trễ 5-200s, thời gian khóa 2,5s
-Góc quét dưới 100 độ
1.4/ Mạch điều khiển joystick.
-Được thiết kế có thể giúp ta điều khiển được các thiết bị theo mong muốn giốngtương tự như các tay cầm chơi game, được sử dụng 2 biến trở trên 2 trục X và Y,nhờ đó suất mức điện áp đưa đến đầu vào Analog của các vi điều khiển nhờ đó dễdàng xử lí các dữ liệu điều khiển theo mong muốn
Trang 8-Gồm 5 chân kết nối
+ 1 nút nhấn
+ 2 hướng điều khiển X và Y
+ Điện áp vào 5V
1.4/ Mạch thu phát wifi Node MCU Esp8266
-Mạch thu phát wifi với thiết kế dễ sử dụng, đặc biết để lập trình và nạp code điều
này giúp việc sử dụng và điều khiển Esp8266 trở nên đơn giản
-Mạch thu phát wifi được dùng cho các ứng dựng cần kết nối, thu nhập dữ liệu vàđiều khiển qua sóng wifi đặc biệt là liên quan đến IOT
-IC chính Esp8266 Wifi SOC
-Phiên bản fimware NodeMCU Lua
-Chíp nạp và giao tiếp UART CP2102
-Cấp nguồn 5V DC Usb hoặc Vin
-GIPO giao tiếp mức 3,3V DC
-Tích hợp Led báo trạng thái nút Reset, Flash
-Nó tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino
Trang 91.5/ Mạch cầu H – BTS7960 40A
- Dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển với driver tích hợp sẵn trong IC đầy đủ
- Nguồn 6-27V
-Dòng mạch tải 40A
-Tín hiệu logic điều khiển 3,3-5V
-Tần số điều khiển tối đa 25KHz
-Dễ dàng đảo chiều động cơ motor DC
1.6/Bánh xe xích địa hình
Trang 10Hỗ trợ đi trên các địa hình gồ ghề phức tạp khác nhau, sử dụng nguồn 12V giúpđộng cơ hoạt động tốt hơn, có trọng tải từ 10-15kg.
1.7/ Mạch chính Arduino R3:
Arduino Uno R3 được xây dựng với phân nhân là vi điều khiển ATmega328P sửdụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz Với vi điều khiển này, ta có tổngcộng 14 pin (ngõ) ra / vào được đánh số từ 0 tới 13 (trong đó có 6 pin PWM, đượcđánh dấu ~ trước mã số của pin) Song song đó, ta có thêm 6 pin nhận tín hiệu
analog được đánh kí hiệu từ A0 - A5, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như các
pin ra / vào bình thường (như pin 0 - 13) Ở các pin được đề cập, pin 13 là pin đặc
biệt vì nối trực tiếp với LED trạng thái trên board
Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõcấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter haythông qua ắc-quy nguồn
1.8/ Relay đóng ngắt cảm biến:
Trang 11Rơle (relay) là một chuyển mạch hoạt động bằng điện Dòng điện chạy qua cuộndây của rơle tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch.Dòng điện qua cuộn dây có thể được bật hoặc tắt vì thế rơle có hai vị trí chuyểnmạch qua lại.Các chân đấu nối và chân chuyển mạch của rơle thường được ký hiệu
là COM (POLE), NC và NO: COM/POLE = là chân chung, là nơi kết nối đường cấpnguồn chờ NC và NO là 2 chân chuyển đổi Trong đó: NC là điểm thường đóng,chân COM/POLE được kết nối với NC khi cuộn dây rơle không nhiễm từ (khi 2 đầucuộn dây không được cấp điện).NO = là điểm thường mở, COM/POLE được kết nốivới NO khi cuộn dây rơle được từ hóa (được cấp điện)
Dây COM được nối tiếp làm dây cực âm cho nguồn và dây NO được nối tiếp tạo
ra chân cực âm cho còi báo Chân GND được nối tiếp vào mạch chính arduino, chânVCC được nối tiếp vào đầu 5V của mạch chính, chân S ở cảm biến gas được nối tiếpvào chân 11của adruino, chân S ở cảm biến nhiệt độ cao được mắc nối tiếp vào chân
12 của adruino, giúp phát hiện khi có khí gas hoặc nhiệt độ cao , sẽ tự động ngắt khikhí gas không còn
2 Viết chương trình nạp cho Arduino:
Các hệ thống trên chạy được nhờ vào việc xử lí của Arduino qua chương trình nạpcho nó Để nạp chương trình cho Arduino, trước tiên ta phải tải phần mềm về máytính và cài đặt vào máy tính Có thể tải phần mềm cho Aduino bằng cách sau: Truycập địa chỉ htpp://www.arduino.cc/en/Main/software
Trang 12Giao diện của Arduino IDE như sau:
-Vùng lệnh: Bao gồm các nút lệnh menu (File, Edit, Skech, Tools, Help)
-Vùng viết chương trình: Các chương trình nạp cho Arduino được viết tại đây
-Vùng thông báo(debug): Những thông báo từ IED sẽ được hiển thị tại đây
Kết quả lập trình code của dự án xem đầy đủ ở phần phụ lục.
3 Sơ đồ nguyên lí của cảm biến.
Trang 13PHẦN IV: TÌM THIẾT BỊ VÀ CHẾ TẠO SẢN PHẨM CỦA DỰ ÁN
1 Tạo ra khung xe
( Hình 1: Khung xe vừa hàn xong )
( Hình 2: Khung xe vừa hoàn thiện )
2 Lắp bánh xe vào khung và các thiết bị điện tử.
3 Lắp camera và mạch camera.
Trang 14( Hình 5 Lắp cáp camera vào mạch nhận)
4 Lắp khung bảo vệ xe và camera.
( Hình 6 Lắp khung chứa camera)
Trang 155 Lắp pin, cảm biến và còi.
Trang 16( Hình 10 Lắp cảm biến hồng ngoại và loa cho hồng ngoại)
6 Nạp Code cho Arduino (Nhiệt độ và khí Gas).
7 Lắp các thiết bị vào bộ điều khiển qua sóng wifi.
(Hình 11.Mạch nodemcuesp8266) (Hình 12.Mạch cầu h-bts7960 43A)
(Hình 13.Mạch joystick) (Hình 14.Mạch relay 5v10a)
Trang 17(Hình 15.Mạch tay cầm điều khiển)
6 Hoàn thành sản phẩm và thử nghiệm sản phẩm.
( Hình 8 Hoàn thành thiết bị )
Trang 18Bảng giá thành các linh kiện tạo nên sản phẩm điều khiển từ xa.
STT Tên linh kiện Đơn giá (đ) Số lượng Tổng tiền
Trang 1911 Mica & Khung bảo vệ 200.000 đ 1 200.000 đ
TỔNG 3.830.000 đ
I KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
- Xe chạy trên địa hình gồ ghề, di chuyển dễ dàng với tốc độ 50 mét/1 phút
- Trọng tải 50kg
- Thời gian hoạt động 60 phút
- Nhiệt độ cảm biến nhận diện được là 60 độ trở lên
-Cảm biến khí ga hoạt động bán kính 5-10 cm
- Nhiệt độ cơ thể người cảm biến hồng ngoại nhận diện được là 5 mét
- Camera hoạt động tốt trong bóng tối
II KẾT QUẢ THẢO LUẬN
1 Ưu điểm
- Sau thời gian dài tìm kiếm các bo mạch tích hợp, loại sóng mà điện thoại có thểphát ra, các loại công tắc đặc biệt và cuối cùng nhóm đã tìm ra giải pháp đó là kếthợp bo mạch arduino Giải pháp mới mà nhóm tìm ra đó là sử dụng cảm biến củathiết bị để phát báo động bằng còi
- Bằng tay điều khiển và camera thì ta có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị điện tạimột vị trí cố định bằng sóng không dây mà không phải di chuyển tới tận chỗ các
Trang 20công tắc để bật tắt Đồng thời nhóm còn lắp thêm các thiết bị có chức năng sát vớinhu cầu thực tế như: báo khí ga rò rỉ, báo cháy,… Khi có các hiện tượng đó xảy rathì hệ thống sẽ tự động cảnh báo và phát thanh tiếng còi
- Hệ thống hỗ trợ chức năng điều khiển trên điện thoại, với hệ thống điều khiển thiếtbị điện trên, có thể điều khiển dễ dàng các thiết bị điện bằng điện thoại cá nhân vớimức giá thành cho một bộ không quá cao: giá thành một bộ không quá 1.000.000đ,mức giá hợp lí so với các thiết bị thông minh bán lẻ
- Các thiết bị điện khi lắp vào hệ thống có thể chạy nguồn điện một chiều thôngdụng và với dòng một chiều Hệ thống có thể điều khiển được những thiết bị điện cócông suất lớn hơn Việc điều khiển bằng camera cho phép khoảng cách vô tuyếnnhưng phải có sóng 3G, 4G v v vvv
- Trọng lượng cuả xe là 3 Kg và kích thước nhỏ gọn nên dễ dàng di chuyển tới nơi
cần cứu hộ
2 Ứng dụng
- Chức năng chính, dùng để đi vào những nơi có thể nguy hiểm cho tính mạngcủa nhân viên cứu hộ
- Phát hiện ra người gặp nạn dễ dàng và truyền hình ảnh và âm thanh ra ngoài để
nhân viên cứu hộ tìm phương án tối ưu để giải cứu
3 Hạn chế
- Pin hoạt động còn chưa được lâu
- Không thể đi vào nơi ngập nước, vì dễ gây ảnh hưởng đến thiết bị vi mạch
4 Hướng phát triển
Tương lai, sản phẩm sẽ dần được cải tiến :
- Nâng cấp pin hoạt động lâu hơn và thời gian sạc nhanh hơn
- Nâng cấp cảm biến hoạt động xa, nhạy hơn và nhận diện được nhiều khí khác
- Đặc biệt với sản phẩm dễ làm nhưng mang lại hiệu quả cao Vì vậy có thể phát
triển sản phẩm rộng rãi để đưa vào sản xuất hàng loạt