Thiết kế và thi công hệ thống báo cháy sử dụng công nghệ iot

Các số liệu ban đầu: Hệ thống giám sát và báo động khi phát hiện lửa ,khí gas hoặc nhấn nút cảnh báo được thực hiện với các số liệu ban đầu như sau: - Hệ thống thu thập dữ liệu về nồng đ

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Tp HCM, ngày tháng năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Bùi Nguyễn Nhật Tân MSSV: 16141270

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 41

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG BÁO CHÁY

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

Hệ thống giám sát và báo động khi phát hiện lửa ,khí gas hoặc nhấn nút cảnh báo được thực hiện với các số liệu ban đầu như sau:

- Hệ thống thu thập dữ liệu về nồng độ khí gas theo giá trị % để giám sát nồng độ khígas có ở trong không khí, phát hiện có lửa hay không, đồng thời đo nhiệt độ và độ ẩm khôngkhí

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết.

- Thiết kế và thi công mạch nguồn

- Thiết kế khối cảm biến, khối hiển thị, khối báo động tại chỗ, khối up dữ liệu lên

web, khối báo động qua tin nhắn

- Thiết kế và thi công bộ xử lí thứ cấp, bộ xử lí trung tâm

- Viết code cho Arduino Mega 2560, nodeMCU ESP8266

- Tạo tài khoản trên web 000webhost để liên kết và đưa dữ liệu lên

- Thiết kế hộp bảo vệ cho board mạch

- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị

- Chạy thử nghiệm hệ thống

- Cân chỉnh hệ thống

- Viết luận văn

- Báo cáo đề tài tốt nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 9/3/2020

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/8/2020

V HỌ VÀ TÊN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp

Tp Hồ Chí Minh, ngàythángnăm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Bùi Nguyễn Nhật Tân MSSV: 16141270

Họ tên sinh viên: Mai Trọng Khánh MSSV:16141180

Lớp: 16141DT2

Tên đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Báo Cháy Sử Dụng Công Nghệ IOT

- Gặp GVHD để phổ biến quy định: thực hiệTuần 1 chọn đề tài, tên đề tài, thời gian làm việc

(9/3 – 18/3) - Duyệt đề tài

- Viết đề cương cho đề tài

- Tìm kiếm các kiến thức, thông tin về đặctính nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khTuần 2 của căn phòng mong muốn

(23/3 – 29/3) - Tìm hiểu các cảm biến sử dụng trong đề tài

- Tìm hiểu về cách thức lập trình ứng dụnthiết kế Web Server

- Thiết kế Web Server.

Tuần 6 - Thi công mạch, xây dựng mô hình

- Lập trình hệ thống

(20/4 – 26/4)

- Thiết kế Web Server

Tuần 7 - Thi công mạch, xây dựng mô hình

(27/4 – 3/5) - Lập trình hệ thống

- Thiết kế Web Server

Tuần 8 - Thi công mạch, xây dựng mô hình

- Lập trình hệ thống

(4/5 – 10/5)

- Thiết kế Web Server

Tuần 8 - Thi công mạch, xây dựng mô hình

- Lập trình hệ thống

(11/5 – 17/5) - Thiết kế Web Server.

Tuần 12 - Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và

sửa lỗi

(8/6 – 14/6) - Viết báo cáo.

Tuần 13 - Hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi

(15/6 – 21/6) - Viết báo cáo

Tuần 15 -Hoàn thiện, chỉnh sửa báo cáo gửi ch

GVHD để xem xét góp ý lần cuối trước kh(22/6 – 28/6) in báo cáo.

Tuần 16 -Làm slide, báo cáo với GVHD

(29/7 – 5/7)

GV HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ và tên)

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài

Mai Trọng KhánhBùi Nguyễn Nhật Tân

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Minh Tâm đã trực tiếp hướng dẫn,góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện để chúng emhoàn thành tốt đề tài.

Nhóm em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Điện - Điện Tử

đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài

Nhóm cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 1614DT2 đã chia sẻ trao đổikiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài

Cảm ơn đến cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất về kinh tế và tinh thần để con hoànthành tốt đề tài này

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Mai Trọng KhánhBùi Nguyễn Nhật Tân

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Nhiệm vụ đồ án……… ……… ….i

Lịch trình ………iii

Cam đoan ……….………v

Lời cảm ơn……… ……vi

Mục lục………vii

Liệt kê hình vẽ………x

Liệt kê bảng vẽ ………xiii

Tóm tắt ……….xiv

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 đề tài……… …… ….3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT……….… 4

2.1 Tổng quan về hệ thống IOT……… …4

2.2 Giới thiệu các thiết bị vào ra sử dụng trong đề tài ………7

2.3 Giới thiệu phần cứng……… …7

2.3.1 Board Adruino Mega 2560……… …7

2.4 Chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp Uart……… …… 24

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ……… ….……28

3.1 Giới thiệu……….… 28

3.2 Tính toán 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 ……….… 29

3.2.3 Sơ đồ nguyên lí toàn hệ thống……….………….35

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG ……….…… …38

4.1 Giới thiệu……….……….…… … 38

4.2 Thi công hệ thống……… … 38

4.2.1 Thi công bo mạch……….…… ……38

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra……….41

4.3 Đóng gói và thi công mô hình……….… ……… …… 43

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển……….……… ….… 43

4.3.2 Thi công mô hình……….………… ……43

4.4 Lập trình hệ thống……… ….… 45

4.4.1 Lưu đồ giải thuật……… …… 45

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển……….…… ………52

4.4.3 Phần mềm lập trình cho Web……… ………… ….…55

4.4.4 Công cụ lập trình Web Server……… ….….56

4.5 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác……… ……… ……57

4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng……… ……57

4.5.2 Quy trình thao tác ……… ……58

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ……….….60

5.1 Giới thiệu……….… 60

5.2 Kết quả đạt được……… ……60

5.2.1 Biết cách sử dụng các cảm biến……… … 60

5.2.2 Biết cách lập trình Arduino Mega……….……60

5.2.3 Biết cách sử dụng modul wifi ESP8266……… ….…61

5.2.4 Biết cách sử dụng modul sim 900A……….……… ….61

5.3 Kết quả thực nghiệm……….….… 61

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN……… … 68

6.1 Kết luận……… …… … 68

6.2 Hướng phát triển đề tài……… … …68

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… … 69

PHU LỤC……… ……… …….……70

Hình 2.1: Các thành phần cơ bản trong IOT……… 4

Hình 2.2: Hình ảnh Arduino Mega 2560….………8

Hình 2.3: Sơ đồ chân của ATmega2560……….………10

Hình 2.4: Hình và chân LCD 16x2……… ……… 11

Hình 2.5: Sơ đồ chân LCD 16x2……….……12

Hình 2.6: Mô đun cảm biến khí gas MQ2……….………… 14

Hình 2.7: Hình ảnh ESP8266 ngoài thực tế……….…………15

Hình 2.8: Sơ đồ chân của ESP8266……….………… ….16

Hình 2.9: Hình ảnh DHT11 ngoài thực tế……… ……… 17

Hình 2.10: Thiết lập tín hiệu giữa MCU và DHT……… …….18

Hình 2.11: Đọc dữ liệu DHT……… … 19

Hình 2.12: Hình ảnh cảm biến lửa ngoài thực tế……….……….20

Hình 2.13: Sim 900A……… … 20

Hình 2.14: Thứ tự chân Sim 900A………21

Hình 2.15: Sơ đồ chân Relay……….…23

Hình 2.16: Sơ đồ chân của 2SC1815……… …… 24

Hình 2.17: Cấu trúc cơ bản của 1 frame dữ liệu………25

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống……… 28

Hình 3.2: Sơ đồ kết nối Arduino Mega với cảm biến lửa……… …… 30

Hình 3.3: Sơ đồ kết nối Arduino Mega với cảm biến gas MQ2………… …….30

Hình 3.4: Sơ đồ kết nối Arduino Mega với cảm biến DHT11……….…….31

Hình 3.5: Sơ đồ kết nối Arduino Mega với LCD 16x2……….32

Hình 3.6: Sơ đồ kết nối Arduino Mega với NodeMCU Esp8266……….32

Hình 3.7: Sơ đồ kết nối Arduino Mega với relay……… 33

Hình 3.8: Sơ đồ kết nối Arduino Mega với module Sim 900A……….……34

Hình 3.9: Khối báo nguồn……….35

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lí toàn hệ thống………36

Hình 4.1: Mạch PCB……… ……… 39

Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện……… …….40

Hình 4.3: Hình ảnh thực tế mặt trướt của mạch khi hoàn thành……….42

Hình 4.4: Hình ảnh thực tế mặt sau của mạch khi hoàn thành……… ….42

Hình 4.5: Đóng gói bộ điều khiển……… ….43

Hình 4.6: Mô hình sản phẩm……….….….44

Hình 4.7: Vị trí đặt các cảm biến trong mô hình……….……44

Hình 4.8: Hình ảnh toàn mô hình………45

Hình 4.9: Lưu đồ điều khiển chế độ hoạt động……… ……….46

Hình 4.10: Lưu đồ điều khiển chế độ Auto……… ……47

Hình 4.11:Lưu đồ điều khiển chế độ Manu……… … 48

Hình 4.12: Lưu đồ truyền nhận dữ liệu chế độ Auto……… ……49

Hình 4.13: Lưu đồ truyền nhận dữ liệu chế độ Manu……… 50

Hình 4.14: Lưu đồ điều khiển Web……… 51

Hình 4.15: Biểu tượng IDE……… 52

Hình 4.16: Quy trình làm việc của Arduino……….53

Hình 4.17: Giao diện IDE……….…53

Hình 4.18: Giao diện menu IDE……… ………….54

Hình 4.19: Giao diện Arduino Toolbar……… …….………54

Hình 4.20: Biểu tượng của phần mềm Dreamweaver……… ….…… 55

Hình 4.21: Biểu tượng của 000Webhost……….….…56

Hình 4.22: Sơ đồ vận hành hệ thống……… …….59

Hình 5.1: Hình ảnh ban đầu của LCD……….……….61

Hình 5.9: Web ở trạng thái lựa chọn chế độ manual……… … …66Hình 5.10: Cảnh báo được gửi về tin nhắn điện thoại……… ……66

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2.1: Thông số chính của board Arduino Mega 2560……….….….8

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của ESP8266……… 16

Bảng 2.3: Mô tả các chân giao tiếp của module Sim 900A……….…….21

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của Relay………23

Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của 2SC1815……… ……24

Bảng 3.1: Tính toán điện áp và dòng điện của khối nguồn……….…… 35

Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện……….…40

những ứng dụng tiên tiến, hiện đại làm thế giới đang thay đổi một cách nhanh chóng.

Sự phát triển của nghành điện tử đã tạo ra hàng loạt sản phẩm với đặc điểm nổi bật như

xử lí nhanh, gọn nhẹ, an toàn, chính xác… Một trong những ứng dụng quan trọng củanghành kỹ thuật là điều khiển và giám sát thiết bị từ xa Điều này giúp cho việc vậnhành các thiết bị trở nên dễ dàng, an toàn hơn khi các mối nguy hiểm được cảnh báotrước

Với mục tiêu thiết kế một hệ thống phát hiện được lửa và khí gas rò rỉ một cáchnhanh chóng và chính xác Người sử dụng có thể giám sát các chỉ số mối trường tại nơiđặt thiết bị thông qua internet Hệ thống sẽ phát ra các cảnh báo đơn giản như nhắn tin,bật chuông khi phát hiện sự cố Nhóm sẽ thiết kế một hệ thống dựa vào những kiếnthức đã học và quan sát thự tế Tất cả để có một hệ thống báo cháy dễ dàng lắp đặt và

sử dụng, mang lại cảm giác an toàn cho người sử dụng

nó gây ra cho chúng ta là rất lớn và khó có thể lường trước.

Ở Việt Nam hiện nay, tốc độ xây dựng cơ sở hạ tầng đang diễn ra một cách mạnh

mẽ Các tòa nhà cao tầng, trung tâm thương mại, trụ sở văn phòng… xuất hiện ngày mộtdày đặc, đặc biệt ở các thành phố lớn Các tòa nhà với tính chất kiến trúc rộng và đadạng, lại là nơi thường xuyên tập trung lượng lớn con người học tập, làm việc và đượctrang bị nhiều tài sản quý giá luôn tiềm ẩn những nguy cơ khác nhau dẫn tới hỏa hoạn.Mặc dù đã có nhiều biện pháp thông tin, tuyên truyền và sự nỗ lực của các cấp, cácngành để chỉ đạo thực hiện công tác phòng chống cháy nổ, cứu nạn cứu hộ nhưng các vụcháy nổ vẫn xảy ra[3]

Do đó, vấn đề đặt ra ở đây là chúng ta cần cảnh giác cao về phòng cháy chữa cháy.Chúng ta cần trang bị đầy đủ những phương tiện phòng cháy chữa cháy để kịp thời xử lýkhi có xự cố xảy ra Bên cạnh đó là một hệ thống phát hiện và báo động kịp thời cũng rấtquan trọng Chỉ có những hệ thống báo cháy, chữa cháy được thiết kế đúng đắn, đầy đủchức năng, ổn định và đạt tiêu chuẩn mới có thể đảm bảo cho cao ốc, nhà xưởng, căn hộcủa mình một cách chắc chắn khỏi những rủi ro do hoả hoạn gây ra Từ những lý do trên

em chọn đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống báo cháy sử dụng công nghệ IOT” làm đềtài cho đồ án tốt nghiệp của mình

1.2 MỤC TIÊU

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công hệ thống báo cháy, nhóm chúng em đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:

- Nội dung 1: Kết nối Arduino Mega 2560 với các Module: cảm biến khí gas, cảm

biến nhiệt độ, cảm biến lửa

- Nội dung 2: Kết nối NodeMCU ESP8266 với Internet để cập nhật dữ liệu dùng cho

việc hiển thị

- Nội dung 3: Nghiên cứu xây dựng Webserver điều khiển hệ thống

- Nội dung 4: Thiết kế mô hình hệ thống.

- Nội dung 5: Nguyên cứu lập trình để hiển thị dữ liệu lên LCD.

- Nội dung 6: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.

- Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện.

- Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.

1.4 GIỚI HẠN

- Sử dụng adruino mega làm trung tâm điều khiển

- Thiết bị đầu vào: nhận thông tin nơi xảy ra sự cháy và truyền tín hiệu đến trung tâm báo cháy

+ Cảm biến khí gas giám sát trực tiếp phát hiện ra dấu hiệu khí gas

+ Cảm biến nhiệt kiểm tra nhiệt độ của môi trường trong phạm vi được bảo vệ, khi nhiệt

độ của môi trường không thoả mãn những quy định thiết lập ban đầu, thì nó sẽ phát tínhiệu báo động gửi về trung tâm xử lý

+ Cảm biến lửa phát hiện tia cực tím phát ra từ ngọn lửa

- Thiết bị đầu ra: Nhận tín hiệu từ trung tâm báo cháy truyền đến

+ Chuông báo cháy: Được lắp đặt tại trung tâm xử lý, có chức năng phát tín hiệu báođộng bằng âm thanh trong trường hợp có sự cố xảy ra, nhằm thông báo cho những ngườixung quanh biết để có phương án xử lý, di tản kịp thời

+Quạt: Có chức năng đẩy khỏi và khí độc ra ngoài nhằm giãm thiếu nguy hiểm cho người ở trong

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

+Máy bơm: Có chứa năng chữa cháy trực tiếp khi có tín hiệu từ cảm biến

1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Với đề tài: “Hệ thống báo cháy sử dụng công nghệ IOT” thì bố cục đồ án như sau:

• Chương 1: Tổng Quan Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài,

mục tiêu của đề tài, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đề tài

• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương này trình bày giới thiệu phần cứng của hệ thống

điều khiển, các chuẩn giao tiếp trong quá trình truyền – nhận dữ liệu

• Chương 3: Tính Toàn Thiết Kế Chương này trình bày về cách tính toán, sơ đồ khối,

sơ đồ nguyên lý của các board mạnh của hệ thống: mạch điều khiển trung tâm, mạchđiều điều khiển thứ cấp, mạch nguồn cung cấp điện áp – dòng điện cho từng bộ xử lítrong hệ thống

• Chương 4: Thi Công Hệ Thống Chương này trình bày về sơ đồ mạch in PCB, cách

lập trình, cách kiểm tra các mạch của toàn bộ hệ thống Bên cạnh đó là hình ảnh thực tế,cũng như kết quả mà hệ thống có tính đến thời điểm hiện tại

• Chương 5: Kiểm tra và đánh giá kết quả thực hiện được Chương này sẽ trình bày kết

quả thực hiện được đồng thời đưa ra những nhật xét và đánh giá với lý thuyết đã trìnhbày ở Chương 2

• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Chương này trình bày những kết quả mà

đề tài đạt được, đồng thời đưa ra hướng phát triển để có được một đề tài hoàn thiện vàđáp ứng được nhu cầu cho cuộc sống hiện đại như ngày na

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IOT

Hình 2.1: Các thành phần cơ bản trong IOT

IOT là mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nốiInternet viết tắt là IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người đượccung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thôngtin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa ngườivới người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ khôngdây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khảnăng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việcnào đó

Internet of Things – IoT được đưa ra bởi các nhà sáng lập của MIT Auto-ID Centerđầu tiên, năm 1999 Kevin Ashton đã đưa ra cụm từ Internet of Things nhằm để chỉ cácđối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng Thuật ngữ Auto-ID chỉtới bất kỳ một lớp rộng của các kỹ thuật xác minh sử dụng trong công nghiệp để tự độnghóa, giảm các lỗi và tăng hiệu năng Các kỹ thuật đó bao gồm các mã vạch, thẻ thông

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

minh, cảm biến, nhận dạng tiếng nói, và sinh trắc học Từ năm 2003 Kỹ thuật Auto-IDtrong các hoạt động chính là Radio Frequency Identification – RFID

Ngày nay với khoảng 1,5 tỷ máy tính và trên 1 tỷ điện thoại có kết nối Internet

Sự hiện diện “Internet of PCs” sẽ được chuyển sang IoT trong đó 50-100 tỷ thiết bị kếtnối Internet trong năm 2020 Một vài nghiên cứu còn chỉ ra trong cùng năm đó, số lượngmáy móc di động sẽ tăng gấp 30 lần so với hiện nay Nếu không chỉ xem xét các kết nốimáy với máy mà là các kết nối giữa tất cả các vật thể thì số lượng kết nối có thể tăng lêntới 100.000 tỷ Trong một lý thuyết mới, các vật thể được kết nối là quá nhiều đến mức

có thể xóa nhòa ranh giới giữa mảnh và nguyên tử Một vài tác giả tạo ra các khái niệmmới để hiểu rõ hơn lý thuyết IoT VD: “blogjects” để mô tả vật thể blog, “sprimes” đểchỉ nhận thức vị trí, nhận thức môi trường, tự ghi log, tự tạo tài liệu, các vật thể duy nhất

mà cung cấp nhiều dữ liệu về bản thân chúng và môi trường của chúng, “informationalshadows” để chỉ các vật thể được kết nối

Một số ví dụ về các thiết bị IoT

Khá nhiều đối tượng vật lý có thể được chuyển đổi thành thiết bị IoT nếu nó cóthể được kết nối với internet và điều khiển theo cách đó

Một bóng đèn có thể được bật bằng ứng dụng điện thoại thông minh là một thiết

bị IoT, như một cảm biến chuyển động hoặc một bộ điều chỉnh nhiệt thông minh trongvăn phòng của bạn hoặc đèn đường được kết nối Một thiết bị IoT có thể đơn giản như

đồ chơi của trẻ em hoặc nghiêm trọng như một chiếc xe tải không người lái, hoặc phứctạp như một động cơ phản lực hiện chứa hàng ngàn cảm biến thu thập và truyền dữ liệutrở lại để đảm bảo nó hoạt động hiệu quả Ở quy mô lớn hơn, các dự án thành phố thông

quyền truy cập vào nhiều dữ liệu hơn về các sản phẩm của chính họ và hệ thống nội bộcủa riêng họ và khả năng thay đổi lớn hơn.

Các nhà sản xuất đang thêm các cảm biến vào các thành phần của sản phẩm để họ

có thể truyền lại dữ liệu về cách chúng hoạt động Điều này có thể giúp các công ty pháthiện ra khi một thành phần có khả năng lỗi và trao đổi nó trước khi nó gây ra thiệt hại.Các công ty cũng có thể sử dụng dữ liệu do các cảm biến này tạo ra để làm cho hệ thống

và chuỗi cung ứng của họ hiệu quả hơn, bởi vì họ sẽ có dữ liệu chính xác hơn nhiều vềnhững gì đang thực sự xảy ra

IoT và big data

IoT tạo ra lượng dữ liệu khổng lồ: từ các cảm biến được gắn vào các bộ phận củamáy hoặc cảm biến môi trường hoặc các từ chúng ta hét vào loa thông minh của mình.Điều đó có nghĩa là IoT là một trình điều khiển quan trọng của các dự án phân tích dữliệu lớn vì nó cho phép các công ty tạo ra các tập dữ liệu lớn và phân tích chúng Cungcấp cho nhà sản xuất một lượng lớn dữ liệu về cách các thành phần của nó hoạt độngtrong các tình huống trong thế giới thực có thể giúp họ cải thiện nhanh hơn nhiều, trongkhi dữ liệu được loại bỏ từ các cảm biến xung quanh thành phố có thể giúp các nhà quyhoạch thực hiện lưu lượng giao thông hiệu quả hơn

IoT và thành phố thông minh

Bằng cách truyền bá một số lượng lớn các cảm biến trên một thị trấn hoặc thànhphố, các nhà hoạch định có thể hiểu rõ hơn về những gì đang thực sự xảy ra, trong thờigian thực Do đó, các dự án thành phố thông minh là một tính năng chính của IoT Cácthành phố đã tạo ra một lượng lớn dữ liệu (từ camera an ninh và cảm biến môi trường)

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

và đã chứa các mạng cơ sở hạ tầng lớn (như các mạng điều khiển đèn giao thông) Các

dự án IoT nhằm mục đích kết nối những thứ này, và sau đó bổ sung thêm trí thông minhvào hệ thống

Sự phát triển của IoT

Khi giá của các cảm biến tiếp tục giảm, việc thêm nhiều thiết bị vào IoT sẽ trởnên hiệu quả về mặt chi phí – ngay cả trong một số trường hợp có rất ít lợi ích rõ ràngcho người tiêu dùng Khi số lượng thiết bị được kết nối tiếp tục tăng lên, môi trườngsống và làm việc của chúng ta sẽ trở nên đầy ắp các sản phẩm thông minh – giả sửchúng ta sẵn sàng chấp nhận sự đánh đổi bảo mật và quyền riêng tư Một số sẽ chào đón

kỷ nguyên mới của những điều thông minh Những người khác sẽ không thích điều này,

họ muốn một chiếc ghế chỉ đơn giản là một chiếc ghế

2.2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ VÀO RA SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

- Thiết bị đầu vào: Cảm biến nhiệt độ DHT11, cảm biến khí gas, cảm biến lửa

- Thiết bị đầu ra: Bơm nước, quạt

- Thiết bị hiển thị: LCD 16x2

- Thiết bị điều khiển trung tâm: Arduino Mega

- Module wifi: Esp8266

- Module Sim 900A

- Thiết bị giao diện điều khiển: Laptop

Ngoài việc phát triển được ưu tiên, việc kế thừa cũng được đặc biệt lưu ý Trênmạch Mega các chân digital vẫn từ 0-13, analog từ 0-5 và các chân nguồn tương tự thiết

kế của Uno Do vậy việc phát triển, nghiên cứu Arduino Mega tương tự như ArduinoUno Ngoài ra, ở phiên bản này, các nhà thiết kế đã mạnh dạn thay đổi thiết kế Để cóthêm được nhiều vùng nhớ và nhiều chân I/O hơn, một vi điều khiển khác đã thay thếcho Atmega1280 Theo dòng phát triển của vi điều khiển nhúng, những dự án lớn cầnnhiều dung lượng flash hơn Do vậy, Arduino Mega 2560 ra đời với sứ mệnh giải nhữngbài toán như thế[5]

b Board Adruino Mega 2560

Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển, xây dựng dựa trên vi điều khiểnAtmega 2560 Cấu tạo gồm các thành phần sau:

-1 cổng USB: đây là cổng giao tiếp giữa arduino với máy tính dùng để nạp code, truyền

dữ liệu hoặc cấp nguồn cho arduino hoạt động

-54 chân I/O được đánh số từ 0 – 53 có chức năng xuất nhập dữ liệu số (trong đó có 15chân có thể sử dụng làm chân ouput với chức năng PWM)

-16 chân đầu vào Analog được đánh số từ A0 – A15 có chức năng nhận tín hiệu tương

tự từ bên ngoài vào

-Ngoài ra Arduino Mega 2560 còn có 5 chân GND, 3 chân 5V, 1 chân 3.3V, 1 nút reset,

4 chân lập trình SPI (chân 50-53), 4 UART, 1 thạch anh 16MHz, 1 jack nguồn, 1header[5]

Hình 2.2: Hình ảnh Arduino Mega 2560

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bảng 2.1: Thông số chính của board Arduino Mega 2560

Điện áp đầu vào (được đề nghị) 7-12V

Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V

Số lượng chân I/O 54 (trong đó có 15 chân PWM)

Số lượng chân input Analog 16

Dòng điện DC với chân 3.3V 50 mA

256 kB trong đó có 8 kB sử dụng bởi

Bộ nhớ flash

bộ nạp khởi động

Khối lượng 37g

c Vi điều khiển ATmega 2560

Được chế tạo theo kiến trúc RISC tiên tiến nên hiệu suất làm việc cao, điện năng tiêu thụ thấp

Hình 2.3: Sơ đồ chân của ATmega2560 Thông số kỹ thuật:

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

-ADC 16 kênh 10 bit

-Giao tiếp: TWI (I2C), SPI, USART

Hình 2.4: Hình và chân LCD 16x2

LCD hiển thị được 2 hàng mỗi hàng hiển thị được 16 kí tự Hình 2.8 mô tả sơ đồcác chân của LCD 16x2

Thông số :

Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780) bên tronglớp vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết Các chân này được đánh số thứ tự và đặttên như hình:

Hình 2.5: Sơ đồ chân LCD 16x2

Chức năng các chân:

-VSS: Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế ta nối chân này với GND của vi điều khiển.-VDD: Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế ta nối chân này với VCC= 5V của mạchđiều khiển

-Vee: Dùng để điều chỉnh độ tương phản cho LCD

-RS: Chân chọn thanh ghi (register seclect) Nối chân RS xuống mức logic ‘0’ (GND)hay ‘1’ (VDD) để chọn thanh ghi

-E: Chân cho phép (Enable)

-D0 -> D7: Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MCU

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

* Ghi chú: Ở chế độ “đọc”, nghĩa là MPU sẽ đọc thông tin từ LCD thông qua các chânDBx Còn khi ở chế độ “ghi”, nghĩa là MPU xuất thông tin điều khiển cho LCD thôngqua các chân DBx

Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:

+ Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7

+ Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7

❖ Các thanh ghi

Chíp HD44780 có 2 thanh ghi 8-bit quan trọng: Thanh ghi lệnh IR (InstructorRegister) và thanh ghi dữ liệu DR (Data Register)

Thanh ghi IR:

Để điều khiển LCD, người dùng phải “ra lệnh” thông qua tám đường bus DB7 Mỗi lệnh được nhà sản xuất LCD đánh địa chỉ rõ ràng Người dùng chỉ việc cungcấp địa chỉ lệnh bằng cách nạp vào thanh ghi IR

DB0-Nghĩa là, khi ta nạp vào thanh ghi IR một chuỗi 8 bit, chíp HD44780 sẽ tra bảng mã lệnhtại địa chỉ mà IR cung cấp và thực hiện lệnh đó

VD:

Lệnh “hiển thị màn hình” có địa chỉ lệnh là 00001100 (DB7…DB0)

Lệnh “hiển thị màn hình và con trỏ” có mã lệnh là 00001110

Thanh ghi DR:

=> Bằng cách điều khiển chân RS và R/W chúng ta có thể chuyển qua lại giữ 2 thanhghi này khi giao tiếp với MCU.

2.3.3 Mô đun cảm biến khí gas MQ2

Cảm biến khí ga MQ2 là một trong những loại cảm biến được sử dụng để nhậnbiết nhiều loại khí như: butan, Propane, Methane, Alcohol, khói và khí ga Được thiết kếvới độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh Bộ phận cảm nhận của cảm biến khí MQ2 làSnO2, có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch Khi phát hiện các khí dễ cháy, độ dẫnđiện của cảm biến sẽ tăng khi nồng độ khí tăng Chính nhờ đặc điểm này người ta biếnđổi sự thay đổi này thành điện áp

Module MQ2 bao gồm cảm biến khí gas MQ2, một chiết áp điều chỉnh độ nhạy,LM393, đèn LED báo hiệu Hình 2.3 là hình ảnh của mô đun cảm biến khí gas MQ2

Hình 2.6: Mô đun cảm biến khí gas MQ2 Đặc điểm:

-Nguồn cung cấp: 4.5V đến 5V DC

-Độ nhạy cao với khí Propane, khói và Butan

-Tuổi thọ cao, giá thành thấp

-Hỗ trợ đầu ra analog và digital

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

-Tích hợp LED báo động trên mođun

-Giao tiếp đơn giản với 4 chân VCC GND Analog và Digital.[8]

Tổng quan về cảm biến khí MQ-2

Đặc tính:

- Độ nhạy tốt với khí đốt trong phạm vi rộng

- Độ nhạy cao đối với LPG, Propane và Hydrogen

-Tuổi thọ cao và chi phí thấp

-Mạch đơn giản

Ứng dụng:

-Máy dò rò rỉ gas trong nước

-Máy dò khí đốt công nghiệp

-Máy dò khí xsch tay

2.3.4 Module giao tiếp Wifi ESP8266 node MCU

Các modem Wi-Fi hiện tại đều hỗ trợ chuẩn IEEE 802.11n và hoạt động ở tần số2.4GHz ESP8226 nodeMCU là một trong những module hỗ trợ chuẩn Wi-Fi này Đượcphát triển trên chip Wi-Fi ESP8266, nodeMCU được dùng cho các ứng dụng kết nối, thuthập dữ liệu và điều khiển thông qua sóng Wi-Fi NodeMCU có kích thước nhỏ gọn, hỗtrợ chuẩn giao tiếp UART, hỗ trợ kết nối Wi-Fi với nhiều giao thức mạng Hơn nữa bảnthân nodeMCU là một phiên bản đặc biệt của dòng vi điều khiển Arduino nên nó có thể

sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp mã Điều này khiến tiến

độ xây dựng mô hình hệ thống càng được đẩy nhanh

Hình 2.8: Sơ đồ chân của

ESP8266 Thông số kỹ thuật của ESP8266:

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của ESP8266

2.3.5 Module cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11

Module cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là module cảm biến dùng để đo nhiệt

độ, độ ẩm và các ứng dụng đo nhiệt độ, độ ẩm khác rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ

và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

duy nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào

Thông số kỹ thuật:

-Nguồn: 3 -> 5 VDC

-Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 wire

-Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)

-Đo tốt ở độ ẩm 20-80%RH với sai số 5%

-Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C

-Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)

-Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm

4 chân, khoảng cách chân 0.1''.[8]

Bước 1: Tín hiệu start

Hình 2.10: Thiết lập tín hiệu giữa MCU và DHT

MCU thiết lập chân data là output, kéo chân data xuống 0 trong khoảng

>18ms Trong code ta sẽ để là 25ms thì khi đó DHT11 sẽ hiểu là MCU muốn đo nhiệt độ.

MCU đưa chân data lên 1, sau đó thiết lập là chân đầu vào Sau khoảng 20-40ms DHT11 là kéo sẽ kéo chân data xuống mức thấp Nếu >40ms mà chân data chưa được kéo xuống mức thấp nghĩ là không giao tiếp được với DHT11.

Chân data sẽ ở mức thấp trong 80ms sau đó sẽ lên mức cao trong 80ms Bằng việc giám sát chân data, MCU có thể biết có giao tiếp vs DHT11 được không Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao nghĩa là quá trình giao tiếp được hoàn thiện.

Bước 2: Đọc giá trị đo nhiệt độ

DHT11 sễ trả về giá trị đo nhiệt độ và đọ ẩm dưới dạng 5 byte Trong đó:

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Byte 1 giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)

Byte 1 giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)

Byte 3 giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)

Byte 4 giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)

Byte 5 kiểm tra

Nếu byte 5 = (8bit) (byte1+ byte2+byte3 +byte4) thì giá trị nhiệt độ và

độ ẩm chính xác, nếu sai thì giá trị đo không có nghĩa.

Để tạo ra lửa cần có đủ 3 yếu tố đó là: chất cháy, oxy và nguồn nhiệt Thiếu mộttrong 3 yếu tố trên hoặc là hàm lượng của 3 yếu tố không đủ thì sẽ không gây ra được sựcháy, không tạo ra lửa.

b Cảm biến lửa

Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0°K đều phát ra tia hồng ngoại nhưng tuỳ vào nhiệt

độ mà những tia hồng ngoại này chúng có bước sóng khác nhau Ví dụ như hồng ngoại

ở remote điều khiển chúng có bước sóng 0,75µm -1,4µm và ở ngọn lửa thường là760nm -1100nm Vì thế trong cảm biến lửa, nhà sản xuất sẽ sử dụng một led thu hồngngoại để bắt hồng ngoại từ ngọn lửa phát ra, một dấu hiệu rõ ràng của sự cháy

Dưới đây là một số loại cảm biến lửa thông dụng:

Hình 2.12: Hình ảnh cảm biến lửa ngoài thực tế Thông số kỹ thuật

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

+ Có Serial port và Debug port giúp dễ dàng hơn trong việc phát triển ứng dụng

+ Một kênh audio bao gồm Input của Microphone và Ouput của Speaker

+ Có thể dễ dàng được cấu hình bằng lệnh AT qua cổng giao tiếp nối tiếp

+ Giao tiếp với simcard giống như điện thoại di động

SIM900A hỗ trợ giao thức TCP/IP, rất hữu ích cho việc truyền dữ liệu trênInternet SIM900A được thiết kế với công nghệ tiết kiệm năng lượng vì vậy mức tiêu thụchỉ ở mức 1.5mA ở trong chế độ SLEEP Để hiện thực việc nhắn tin qua sim900A thìchỉ cần Serial port của Sim900A để gửi, nhận các AT command

Bảng 2.3 : Mô tả các chân giao tiếp của module Sim 900A

Tên chân Kí hiệu Chức năng

Chân 1 Vcc Cung cấp nguồn cho module Sim

Chân 2 DTR Chân chức năng, có thể không sử dụng

Chân 3 TX Chân truyền Uart Tx

Chân 4 RX Chân truyền Uart Rx

Chân 5 SPK Chân này cần kết nối nếu bạn muốn xuất âm thanh r

Thông số kỹ thuật:

+ IC chính: Sim900A

+ Nguồn cấp: 4.5-5V, có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mAh trở lên (như cổngUSB, nguồn từ Board Arduino) Nên dùng nguồn 2A để đảm bảo hiệu suất hoạt độngcủa SIM

+Tích hợp khe Sim kích thước chuẩn

+ Tích hợp led báo trạng thái Sim900A

+ Tích hợp tụ bù điện dung cao và Diod giảm áp để có thể cấp 5VDC và nguồn dòng thấp

+Dòng khi ở chế độ chờ: 10 mA

+ Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 2A

+ Kích thước: 2.5 cm x 3.1 cm

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3.8 Khối ngõ ra công suất

+Relay

Hình 2.15: Sơ đồ chân Relay

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của Relay

Hình 2.16: Sơ đồ chân của 2SC1815

Transistor 2SC1815 có đặc tính dòng DC ổn định, hệ số khuếch đại tuyến tính, một

trong những transistor thông dụng, đươc sử dụng nhiều trong các mạch điện tử Bảng

2.5: Thông số kỹ thuật của 2SC1815

VCEO = 50V VEBO = 5V

IB = 50mA

2.4 CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU NỐI TIẾP UART

UART – là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter có nghĩa

là truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Đặc điểm: Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ có 1 đường phát dữ liệu (Tx) và 1đường nhận dữ liệu (Rx), do không có tín hiệu xung clock nên gọi là bất đồng bộ Đểtruyền được dữ liệu thì cả bên phát và bên nhận phải tự tạo xung clock có cùng tần số vàthường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 2400 baud, 4800 baud, 9600 baud

Ưu điểm: Đơn giản, hiệu quả tương đối cao

Khuyết điểm: Do tồn tại các bit start và bit stop, khoảng trống dẫn đến thời gian truyềnchậm

* Quá trình truyền dữ liệu UART

Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi, sau

đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit

Khi ở trạng thái chờ (idle) mức điện thế ở mức 1 (high) Khi bắt đầu truyềnSTART bit sẽ chuyển từ 1 xuống 0 để báo hiệu cho bộ nhận là quá trình truyền dữ liệusắp xảy ra Sau START bit là đến các bit dữ liệu D0 - D7 (các bit này có thể ở mức Highhoặc Low tùy theo dữ liệu, theo hình ví dụ như trên byte dữ liệu là LSB – 11010010 –MSB) Sau khi truyền hết dữ liệu thì đến bit kiểm tra Parity Cuối cùng là STOP bit là 1báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khungtruyền nhằm đảm báo tính đúng đắn của dữ liệu [6]

* Thông số chuẩn truyền UART

Tốc độ truyền (baud rate)

Như trong ví dụ trên về việc truyền 1 bit trong 1ms, để việc truyền và nhận bấtđồng bộ xảy ra thành công thì các thiết bị tham gia phải thống nhất nhau về khoảng thờigian dành cho 1 bit truyền, hay nói cách khác tốc độ truyền phải được cài đặt như nhautrước, tốc độ này gọi là tốc độ baud Theo định nghĩa, tốc độ baud là số bit truyền trong

1 giây Ví dụ nếu tốc độ baud được đặt là 19200 thì thời gian dành cho 1 bit truyền là1/19200 ~ 52.083us.[6]

Khung dữ liệu (frame)

Do truyền thông nối tiếp và nhất là nối tiếp bất đồng bộ nên rất dễ mất hoặc sailệch dữ liệu, quá trình truyền theo kiểu này phải tuân theo một số quy cách nhất định.Bên cạnh tốc độ baud, khung truyền là một yếu tố quan trọng tạo nên sự thành công khitruyền và nhận Khung truyền bao gồm các quy định về số bit trong mỗi lần truyền, cácbit “báo” như bit Start và bit Stop, các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bittrong một data cũng được quy định bởi khung truyền.[6]

Start bit

Start là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền, bit này có chức năng báocho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới Start bit là bit bắtbuộc phải có trong khung truyền Đối với chuẩn truyền UART Start bit luôn luôn là mứcthấp (0V)

Data

Data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gởi và nhận Datakhông nhất thiết phải là gói 8 bit Trong truyền nối tiếp UART, bit có ảnh hưởng nhỏnhất (Least Significant Bit, bit bên phải) của data sẽ được truyền trước và cuối cùng làbit có ảnh hưởng lớn nhất (Most Significant Bit, bit bên trái)

Parity bit

Parity là bit dùng kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền (một cách tương đối)

Có 2 loại parity là parity chẵn (even parity) và parity lẻ (odd parity) Parity chẵn nghĩa là