Hệ thống giám sát nhiệt độ,độ ẩm và khí gas qua internet

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn vi điều khiển em sau một thời gian học tập được các thầy, cô giáo trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên nghành, đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy em đã “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ẨM VÀ KHÍ GAS CỦA PHÒNG QUA APP Blynk”.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA: CƠ KHÍ -

BÁO CÁO MÔN: ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ẨM VÀ KHÍ

GAS CỦA PHÒNG QUA APP BLYNK

GVHD : TS Nguyễn Văn Trường Sinh viên: Nguyễn Minh Trường 2019606048

Hà Nội–Năm 2021

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Các yêu cầu cơ bản 4

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 4

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 5

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 5

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 5

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 5

2.2.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 5

2.2.2 Cảm biến khí gas 8

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 10

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 13

2.5 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có) 13

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 14

3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí 14

3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử 15

3.3 Thiết kế giao diện 16

3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 20

3.4.1 Phần code 22

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Đặc biệt góp phần vào sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước Trong đó môn kỹ thuật

vi điều khiển được phát triển mạnh dựa trên những tiến bộ của công nghệ tích hợp các linh kiện bán dẫn và hệ lập trình có bộ nhớ kết hợp với máy tính điện

tử Từ những thời gian đầu phát triển đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn vi điều khiển em sau một thời gian học tập được các thầy, cô giáo trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên nghành, đồng thời được sự giúp đỡ

nhiệt tình của thầy em đã “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ẨM VÀ KHÍ GAS CỦA PHÒNG QUA APP BLYNK”

Cùng với sự nỗ lực của em và sự chỉ bảo tận tình của thầy, cô giáo hướng dẫn nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của em còn có hạn nên sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy, cô và các bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu chung

Như thầy cô và mọi người đã biết trong cuộc sống xã hội hiện đại ngày nay vấn đề sử dụng khí đốt (ở đây chúng ta đang nói đến là khí Gas) trong việc nấu ăn hàng ngày và hay cả sử dụng khí đốt cho các ngành công nghiệp đang rất phổ biết Như ngày xưa khoảng 15 năm về trước thì chỉ có thành phố mới sử dụng khí đốt cho nấu ăn hay nhưng cho nhưng ngành công nghiệp Còn nông thôn thường sử dụng bếp rạ và củi cho việc đun lấu thì nay gần như

từ quê lên phố thì 99% sử dụng khí đốt cho bếp lúc đun lấu Nên khi khí gas

bị rò rỉ ra ngoài khả năng cháy nổ là rất cao vì chỉ cần có tia nửa điện từ các ổ cắm hay thiết bị điện hay một đoạn dây bị hở sỉnh ra tia lửa điện là khả năng hỏa hoạn cho ngồi nhà là rất cao ảnh hưởng đến tài sản và tính mạng con người.Vì thế đề tài nghiên cứu của chúng em nhằm phần nào đó việc phát hiện hiện khí gas, nhiệt độ, độ ẩm và ngăn chặn hỏa hoạn cho cho người và tài sản Với nội dung chính của đề đó là khi phát hiện có khí gas bị rò rỉ và nhiệt

độ, độ ẩm tăng 1 cách bất thường thì thiết bị sẽ bật còi báo cho người trong nhà biết được khí gas đang biết

1.2 Các yêu cầu cơ bản

+ Hoạt động ổn định trong môi trường cho phép và đáp ứng được yêu cầu đặt ra

+ Có khả năng nhận biết và thông báo cho người dùng biết các sự cố như:rò

rỉ khí gas,nhiệt độ và độ ẩm tăng đột ngột…

+ Tốc độ xử lý nhanh

+ An toàn ,dễ sử dụng,phù hợp với túi tiền và đạt hiệu quả cao

+ Có thể cải thiện và nâng cấp để phù hợp với môi trường lắp đặt

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

+ Phương pháp nghiên cứu:

- Tìm hiểu thu thập thông tin thực tế liên quan đến hệ thống

- Phân tích, thiết kế và lập trình cho hệ thống

- Thử nghiệm và vận hành cho hệ thống

+ Phạm vi và giới hạn nghiên cứu:

- Hệ thống chỉ ở mức độ giám sát và cảnh báo từ xa

- Chưa kiểm tra giá trị cảm biến offline bằng điện thoại được

- Giám sát dữ liệu thông qua app blynk

- Chất liệu hộp bảo vệ là nhựa cứng

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

+ Giải quyết vấn đề an toàn trong không gian hẹp như khu bếp trong các hộ gia đình hay các nơi kinh doanh, sử dụng nhiều về khí gas

+ Giảm bớt chi phí lắp đặt hệ thống an toàn khác mà vẫn đảm bảo độ hiệu quả

+ Có thể lắp đặt trong các cơ sở nhà kính nuôi trồng rau sạch để điều khiển nhiệt độ và độ ẩm từ xa thông qua thiết bị có kết nối internet

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.2.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

KHỐI CẢM BIẾN

 Dải đo: 0~100%RH / -40~80°C

 Dữ liệu chính xác, ổn định

 Giá thành cao

 Sai số lớn

 Trọng lượng khá lớn

 Tốc độ lấy mẫu chậm

 Có khả năng

tự bù sai số nhiệt độ

Thích hợp các ứng dụng cần đo lâu dài trong môi trường

độ ẩm

 Giá thành cao

 Sai số lớn

 Trọng lượng khá lớn

 Giới hạn

đo khá thấp

 Sai số độ

ẩm khá cao

DHT21

AMT1001

DHT11

 Khoảng nhiệt độ đo:

* Cảm biến DHT11:

Bây giờ hãy xem những cảm biến này thực sự hoạt động như thế nào Chúng bao gồm một linh kiện cảm biến độ ẩm, cảm biến nhiệt độ NTC (hoặc nhiệt điện trở) và một IC ở phía sau của cảm biến

Để đo độ ẩm, họ sử dụng thành phần cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất giữ ẩm giữa chúng.Vì vậy, khi độ ẩm thay đổi, độ dẫn của chất nền thay đổi hoặc điện trở giữa các điện cực này thay đổi Sự thay đổi điện trở này được đo và xử lý bởi IC khiến cho vi điều khiển luôn sẵn sàng để đọc

Mặt khác, để đo nhiệt độ, các cảm biến này sử dụng cảm biến nhiệt độ NTC hoặc nhiệt điện trở

Một nhiệt điện trở thực sự là một điện trở thay đổi điện trở của nó với sự thay đổi của nhiệt độ Những cảm biến này được chế tạo bằng cách thiêu kết các vật liệu bán dẫn như gốm hoặc polyme để cung cấp những thay đổi lớn hơn trong điện trở chỉ với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ Thuật ngữ có tên là

“NTC” có nghĩa là hệ số nhiệt độ âm, có nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng

 Độ nhạy thấp với hơi cồn, khói thuốc lá ,gas

 Đáp ứng nhanh

 Cảm biến hoạt động ổn định

và bền

 Sử dụng đơn giản

 Kích thước:

 Có độ nhạy cao với một số khí, khả năng phản hồi nhanh, độ nhạy có thể điều chỉnh được bằng biến trở

 Cảm biến MQ5 có thể phát hiện khí gas, LPG

 Độ nhạy thấp với cồn và khói thuốc lá

và khí gas MQ-5

40x20mm

 Điện áp hoạt động: 3.3V-5V

 Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm

 VCC: 5V GND: 0V

3.3V- DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

 AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2,

và các chất khí gây cháy khác

 Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng

do mạch đơn giản và chi phí thấp



* Cảm biến khí gas MQ-2

MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch Nhưng khi trong môi trường có chất ngây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi

từ độ nhạy này sang điện áp Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp

Khi cảm biến hoạt động nó sẽ truyền tín hiệu từ các chân DOUT và AOUT của mình về vi điều khiển

+ Tín hiệu DOUT:

+ Tín hiệu thấp: có khí gas

+ Tín hiệu cao: không có khí gas

MQ-2

+ Tín hiệu AOUT: cho tín hiệu tương tự

Và khi có khí gas nó sẽ gửi tín hiệu về bộ điều khiển

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

Tên bộ điều khiển Thông số kĩ thuật Ưu điểm Nhược

điểm

 Bộ vi xử lý LX6 32-bit lõi đơn hoặc lõi kép với xung nhịp lên đến 240 MHz

 34 GPIO có thể lập trình

 18 kênh SAR ADC 12 bit và 2 kênh DAC 8 bit

 Kết nối nối tiếp bao gồm

4 x SPI, 2 x I2C, 2 x I2S,

 Khởi động an toàn và mã hóa Flash

 Là các thành phần RF tích hợp của nó như bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, công tắc ăng-ten,

 Thiết kế các ứng dụng hoạt động bằng pin như thiết

bị đeo, thiết bị

âm thanh, đồng hồ thông minh, ,

sử dụng ESP32 sẽ rất dễ

dàng

thành cao



ESP32

o

 32-pin QFN ( Chip esp8266)

 Tích hợp RF switch, balun, 24dBm PA, DCXO, and PMU

 Tích hợp bộ xử lý RISC, trên chip bộ nhớ và giao diện bộ nhớ bên ngoài

 Tích hợp WEP, TKIP, AES, và các công cụ WAPI

 Wifi 802.11 b/g/n

 Wi-Fi Direct (P2P),

soft-AP

 Tích hợp giao thức TCP / IP stack

 Tích hợp TR chuyển đổi, balun, LNA, bộ khuếch đại quyền lực và phù

hợp với mạng

 PLLs tích hợp, quản lý, DCXO và các đơn vị quản lý điện năng

 Công suất đầu ra 19.5dBm ở chế độ 802.11b

 Tích hợp công suất thấp 32-bit CPU có thể được

sử dụng như là bộ vi xử lý ứng dụng

 Thức dậy và truyền tải các gói dữ liệu trong

<2ms

 Chế độ chờ tiêu thụ điện năng <1.0mW (DTIM3)

 Là các thành phần RF tích hợp của nó như bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, công tắc ăng-ten,

bộ lọc và Balun

RF

 Ít chân

 Ko kết nối được bluetoot

h

 Tốc độ

xử lý hơi chậm ESP8266

* Bộ điều khiển ESP8266:

Nếu ta để ý đến cấu hình của các smart phone hiện nay thì hẳn ai cũng nghe rất nhiều về những con chip sử dụng trong đó như SnapDragon của Qualcomm hay Exynos của Samsung hay các chip Apple A6, A7… Những chip đó không chỉ là 1 CPU như trong máy tính mà là tích hợp cả 1 hệ thống

từ bộ xử lý, bộ nhớ Ram, bộ nhớ Flash, chip Wifi, LTE hay GPS… nên được gọi là SoC (System on Chip)

Esp8266 bản thân cũng là SoC tích hợp giao thức TCP/IP kết nối vào mạng WiFi của bạn Các module esp8266 này có sức mạnh thua kém hơn các SoC vừa kể trên rất là nhiều nhưng đủ mạnh để chúng ta lập trình cho chúng giao tiếp với các loại cảm biến và các thiết bị chấp hành thông qua các cổng GPIO (General Purpose Input Output)

Về nguồn gốc của con chip này thì ESP8266 được sản xuất bởi nhà sản xuất Espressif, ở Thượng Hải Lần đầu tiên con chip đã gây sự chú ý đến các nhà sản xuất phương Tây trong tháng 8 năm 2014 với module ESP-01, được sản xuất bởi một nhà sản xuất bên thứ ba, AI-thinker Module nhỏ gọ này cho phép vi điều khiển thực hiện kết nối Wi-Fi và thực hiện các kết nối TCP / IP đơn giản sử dụng lệnh Hayes-style Tuy nhiên, vào thời điểm đó gần như

không có tài liệu tiếng Anh cho con chip và các lệnh bằng tiếng anh mà nó được chấp nhận Nó có một mức giá rất thấp, do thực tế là có rất ít thành phần ngoại vitrên module, do vậy nó cũng rất nhỏ gọn Chính vì lý do này nó đã thu hút được nhiều hacker khám phá, tìm hiểu về con chip, và các phần mềm trên đó, cũng như là dịch các tài liệu tiếng Trung Quốc sang tiếng Anh

Do vậy môi trường lập trình cho con chip này cũng khá nhiều chẳng hạn như: Nodemcu, Arduino IDE, Python hay môi trường lập trình khá nổi tiếng

và được cho là hoàn hảo cho các thiết bị IOT là Node.js Trong đề tài này nhóm em sẽ dùng Arduino IDE cho module này

Theo datasheet của nhà sản xuất cung cấp thì con chip này có chuẩn WIFI

LÀ 802.11 b/g/n với dải tần từ 2.4 đến 2.5 Ghz Trong thực tế khi bọn em đo thì với điều kiện trong nhà thì khoảng cách xa nhất wifi nhận là khoảng 25m, còn ở ngoài trời là 80m

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

2.5 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có)

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG

3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí

Hình 3: Sản phẩm hoàn thiện Hình 1: Chế tạo thân mô hình bằng solidwork

Hình 2: Chế tạo thân mô hình thủ công

3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử

STT Tên thiết bị, vật

Vật tư

Số lượng

Mục đích

sử dụng

Thông số kỹ thuật Đơn

Giá (VNĐ)

Nguồn: 3 -> 5 VDC

Dòng sử dụng:

2.5mA max (khi truyền dữ liệu)

Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm

Chip: ESP8266EX

WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n

Điện áp hoạt động:

3.3V

Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB

Điện áp MAX : 7V Điện áp MIN : - 0,3V

Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V

Dòng điện cấp nguồn : 350uA - 600uA

Điện áp hoạt động:

3 - 6V Giao tiếp: I2C Kích thước: 41.5 x

mạch

8 Dây cắm (Đực –

Đực) 15 Kết nối các linh kiện

40000

3.3 Thiết kế giao diện

Thiết lập chân ảo Virtual pin

Thiết lập chân ảo cho nhiệt độ,độ ẩm,khí gas

Thiết lập web dashboard

Thiết lập giao diện cho nhiệt độ

Thiết lập giao diện cho độ ẩm

Thiết lập giao diện cho khí gas

3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống

Sản phẩm hoàn thiện

Bảng khảo sát sai số của DHT11

Thời gian Nhiệt độ

Theo dõi lịch sử , trạng thái hoạt động trên máy tính

Theo dõi thông số trên app Blynk

3.4.1 Phần code

#define BLYNK_TEMPLATE_ID "TMPLMLAQXSPu"

#define BLYNK_DEVICE_NAME "Giám sát "

#define BLYNK_PRINT Serial