TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY
Tổng quan các phương pháp cảnh báo hoả hoạn
1.1 Tìm hiểu chung về Cảnh báo cháy.
Hỏa hoạn gây ra những hậu quả nghiêm trọng, vì vậy việc phát triển hệ thống giám sát và cảnh báo tự động là rất cần thiết trong cuộc sống Nhiều nguyên nhân có thể dẫn đến hỏa hoạn, bao gồm chập điện, rò rỉ từ máy móc và ngọn lửa do các chất hóa học.
Tình trạng hỏa hoạn ở Việt Nam và trên toàn thế giới đang diễn ra phức tạp, với nhiều vụ cháy nổ tại nhà máy, kho bãi và chung cư gây thiệt hại nghiêm trọng về tài sản và tính mạng Do đó, việc phát hiện hỏa hoạn và hệ thống cảnh báo cháy trở thành nhu cầu thiết yếu để nâng cao khả năng phòng chống cháy nổ cho doanh nghiệp, công ty và hộ gia đình, nhằm đảm bảo an toàn cho tài sản và con người.
Hiện nay, có rất nhiều công nghệ, kỹ thuật được dùng để phòng chống và chữa cháy như: dùng các thiết bị cảm biến khói, cảm
1.2 Tổng quan về các phương pháp cảnh báo hoả hoạn.
Khoa học và công nghệ đang tiến bộ nhanh chóng, đặc biệt trong lĩnh vực cảnh báo hỏa hoạn Hiện nay, có hai phương pháp chính được sử dụng trên toàn cầu: cảm biến cháy nổ và công nghệ thị giác máy tính Các cảm biến nhiệt độ và khói ngày càng được tối ưu hóa để phát hiện hỏa hoạn một cách chính xác hơn Đồng thời, việc nghiên cứu và phát triển camera phát hiện đám cháy cũng đang được tiến hành nhằm cải thiện hệ thống cảnh báo hỏa hoạn tự động.
Cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong các môi trường có nguy cơ cháy nổ, như khu vực gas, kho chứa dầu, xăng, siêu thị, hầm xe và các tòa cao ốc Chúng được sử dụng để đo nhiệt độ môi trường và có nhiều loại cảm biến khác nhau tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ cụ thể Một số loại cảm biến nhiệt độ phổ biến bao gồm PT100 và cảm biến can nhiệt loại T, giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc giám sát nhiệt độ.
Hình 1.1: Cảm biến nhiệt độ PT100
Cảm biến khói là thiết bị quan trọng giúp phát hiện khói và gửi tín hiệu đến trung tâm báo cháy, với hai loại phổ biến là quang điện và ion hóa Đầu báo khói ion hóa sử dụng đồng vị phóng xạ Americium 241 để tạo ra ion hóa trong không khí, nhạy cảm cao với các đám cháy rực Khi khói xâm nhập vào buồng ion hóa, mạch phát hiện sự suy giảm dòng điện và phát tín hiệu cảnh báo Mặc dù đầu báo khói ion hóa có giá thành rẻ hơn, nhưng dễ gây ra báo động giả và chỉ hiệu quả với những đám cháy không nhìn thấy được.
Hình 1.2: Đầu báo khói ion SIJ- 24
Đầu báo khói quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch tán và hấp thụ ánh sáng bởi các hạt khói trong không khí Khi có khói từ đám cháy, nó sẽ làm ảnh hưởng đến dòng ánh sáng, giúp phát hiện nhanh chóng các đám cháy âm ỉ Với khả năng phát hiện đa dạng các loại đám cháy và tuổi thọ cao, đầu báo khói quang điện ngày càng được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi trong đời sống.
Hình 1.3: Đầu báo khói quang điện OT706
Phương pháp sử dụng cảm biến khói và nhiệt độ không ghi lại hình ảnh tại hiện trường, gây khó khăn trong việc điều tra nguyên nhân cháy nổ Hệ thống chỉ báo động khi có ngọn lửa gần cảm biến, dẫn đến vấn đề trong việc phát hiện và phòng ngừa, từ đó không thể giảm thiểu hậu quả một cách tối đa.
Thị giác máy tính là lĩnh vực nghiên cứu các phương pháp thu nhận, xử lý và phân tích hình ảnh tự động, liên quan đến lý thuyết của các hệ thống nhân tạo trong việc trích xuất thông tin từ hình ảnh Dữ liệu hình ảnh có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau như video, camera hoặc dữ liệu đa chiều từ máy quét y học Với sự phát triển công nghệ hiện nay, thị giác máy tính ngày càng được nghiên cứu để giải quyết các vấn đề trong đời sống Một ứng dụng nổi bật là xử lý ảnh nhận dạng đám cháy, giúp cảnh báo hỏa hoạn và giảm thiểu thiệt hại về tài sản cũng như tính mạng con người.
Phương pháp sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh để nhận dạng đám cháy giúp cơ quan chức năng xác định hiện trường và nguyên nhân gây ra các vụ cháy nổ Bên cạnh đó, phương pháp này còn mang lại hiệu quả quan sát vượt trội so với việc sử dụng các loại cảm biến và đầu báo truyền thống.
Kết luận chương
Trong CHƯƠNG 1, đồ án đã khảo sát tình hình cảnh báo cháy hiện nay và phân tích các hệ thống liên quan trong nước, từ đó chỉ ra ưu, nhược điểm của chúng để đề xuất giải pháp tổng thể cho hệ thống thiết kế Tiếp theo, các yêu cầu cụ thể cho từng phần của hệ thống được xác định nhằm đảm bảo hiệu quả sau khi hoàn thành đồ án Dựa trên những yêu cầu này, CHƯƠNG 2 sẽ tìm kiếm các lựa chọn thiết kế phù hợp với bài toán và điều kiện hiện tại.
THIẾT KẾ TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG
Lựa chọn phần cứng
-Chúng em sử dụng máy tính để lập trình và thực hiện chương trình xử lí ảnh ngay trên máy.
- Do chưa có điều kiện nên chúng em đã dùng webcam của máy tính làm camera.
Arduino có nhiều phiên bản khác nhau như Arduino Mega và Arduino LilyPad, phục vụ cho các mục đích sử dụng đa dạng Trong số đó, Arduino Uno R3 nổi bật với chi phí hợp lý và tính linh động cao, là một trong những phiên bản phổ biến nhất.
Một số thông số Module Adruno Uno R3:
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V
Điện áp vào giới hạn 6-20V
Digital I/O pin 14 (trong đó 6 pin có khả năng băm xung)
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA
Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA
0.5 KB được sử dụng bởi bootloader
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168 và ATmega328 là những vi điều khiển mạnh mẽ, có khả năng thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và tạo ra trạm đo nhiệt độ - độ ẩm với khả năng hiển thị thông tin trên màn hình LCD.
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V qua cổng USB hoặc nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng từ 7-12V DC, giới hạn từ 6-20V Sử dụng pin vuông 9V là lựa chọn hợp lý khi không có nguồn từ cổng USB Lưu ý, việc cấp nguồn vượt quá giới hạn có thể gây hỏng Arduino UNO.
GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị với nguồn điện riêng biệt, các chân GND này cần phải được kết nối với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Vi điều khiển sở hữu 32KB bộ nhớ Flash, nơi lưu trữ các đoạn lệnh lập trình Trong số này, khoảng vài KB thường được dành cho bootloader, và thông thường, không cần quá 20KB cho việc lưu trữ lệnh lập trình chính.
SRAM (Static Random Access Memory) có dung lượng 2KB, nơi lưu trữ giá trị của các biến được khai báo trong lập trình Số lượng biến khai báo càng nhiều thì yêu cầu bộ nhớ RAM càng lớn Tuy nhiên, trong thực tế, bộ nhớ RAM hiếm khi là vấn đề đáng lo ngại Lưu ý rằng khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Bộ nhớ giống như một ổ cứng mini, cho phép bạn đọc và ghi dữ liệu mà không lo mất mát khi mất điện, khác với dữ liệu trên SRAM.
Arduino UNO có 14 chân digital cho phép đọc và xuất tín hiệu với hai mức điện áp là 0V và 5V Mỗi chân có dòng vào/ra tối đa là 40mA, và được trang bị các điện trở pull-up được cài đặt trong vi điều khiển ATmega328, mặc dù các điện trở này không được kết nối mặc định.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
Chân Serial 0 (RX) và 1 (TX) trên Arduino Uno được sử dụng để gửi và nhận dữ liệu TTL Serial, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác Kết nối Bluetooth thường được xem là một dạng kết nối Serial không dây Nếu không cần thiết phải giao tiếp Serial, bạn nên tránh sử dụng hai chân này để tiết kiệm tài nguyên.
Chân PWM (3, 5, 6, 9, 10, và 11) cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8 bit, giúp điều chỉnh điện áp đầu ra từ 0V đến 5V thông qua hàm analogWrite() Điều này mang lại khả năng linh hoạt hơn so với các chân khác, chỉ có thể ở mức 0V hoặc 5V.
Chân giao tiếp SPI bao gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) Ngoài các chức năng cơ bản, bốn chân này còn được sử dụng để truyền tải dữ liệu qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
Trên bo mạch Arduino UNO, có một đèn LED màu cam được ký hiệu là L, nằm ở chân số 13 Khi nhấn nút Reset, đèn LED này sẽ nhấp nháy để báo hiệu hoạt động Nếu người dùng kết nối chân số 13, LED sẽ sáng lên khi có tín hiệu.
Module Sim900A là module GSM, hoạt động ở 2 băng tần 900/1900 MHz, xây dựng dựa trên Sim900A của hãng SIMCOM.
Module Sim900A của MLAB được thiết kế với mục tiêu chính là đảm bảo sự ổn định trong hoạt động và dễ dàng sử dụng cho người dùng Sản phẩm này chủ yếu phục vụ cho việc điều khiển và giám sát thiết bị qua GSM/GPRS, đồng thời loại bỏ những tính năng không cần thiết để đáp ứng yêu cầu của khách hàng với chi phí thấp nhất.
Một số thông số của module:
Sử dụng nguồn ngoài: 4.3VDC - 4.8VDC/ 3A.
Trên mạch có phần bảo vệ ESD và chống cắm ngược nguồn
Giao tiếp UART, dùng được với cả MCU 5V và 3.3V, Baudrate từ 9600 –
115200, hỗ trợ chế độ AutoBaudrate
Có thể khởi động module sim bằng phím bấm hoặc khởi động mềm bằng cách điều khiển chân PWKEY
Do điều kiện chưa cho phép nên chúng em sử dụng led đơn để thay thế.
Thiết kế sơ đồ
Khi thiết kế hệ thống, tôi đã dựa trên điều kiện hiện tại của mình và tham khảo một số hệ thống trên internet Kết quả là hệ thống bao gồm những thiết bị phổ biến và dễ sử dụng.
Sơ đồ khối của hệ thống:
Hình2.3 Sơ đồi khối hệ thống
Chức năng của từng thiết bị được trình bày ngắn gọn như sau:
Máy tính thực hiện nhiệm vụ xử lý hình ảnh để phát hiện cháy thông qua hình ảnh nhận được từ webcam Đồng thời, máy còn cung cấp nguồn cho Arduino thông qua dây cắm truyền dữ liệu.
- Arduino: cấp nguồn cho chuông, module sim 900a và nhận tín hiệu thông báo từ máy tính thì sẽ điều khiển sim900a, chuông
- Sim900a : Nhiệm vụ là nhắn tin thông báo cho người quản lí
- Chuông: sẽ rung khi có tín hiệu báo cháy
Kết luận chương…
Chương 2 chúng em đã tìm hiểu các linh kiện, cách thức hoạt động và vẽ sơ đồ tổng quát, và tiếp theo chương 3 phần quan trọng nhất của đồ án là thiết kế phần mềm.
KẾ PHẦN MỀM
Lập trình Arduino
Hình 3.13 Sơ đồ nối dây
-Led được nối với chân GND và chân 13 sử dụng điện trở 220k để bảo vệ dông
-Khối sim 900a được nối nguồn chân 5V và chân GND 2 chân tín hiệu được nối vào chân
SoftwareSerial mySerial(10, 11); int led = 13;//chân kết nối với led void setup()
{ mySerial.begin(9600); // Setting the baud rate of GSM Module
Serial.begin(9600); // Setting the baud rate of Serial Monitor (Arduino) delay(100); pinMode(led, OUTPUT);//khai báo chân led là ngõ ra
{ if (Serial.available() > 0) switch (Serial.read())
To control an LED using an Arduino, set the LED to HIGH to turn it on, which applies a voltage of 5V After a delay of 1000 milliseconds (1 second), set the LED to LOW to turn it off, applying a voltage of 0V, followed by another 1000-millisecond delay.
To send an SMS using a GSM module, first set the module to text mode by sending the command "AT+CMGF=1" followed by a delay of 1000 milliseconds Next, specify the recipient's mobile number with "AT+CMGS=\"+84973328847\"\r", again allowing for a 1000-millisecond delay Then, input the desired message, such as "Alo chay nha roi, run run run!" with a brief delay of 100 milliseconds Finally, terminate the message transmission by sending the ASCII code for CTRL+Z, followed by another 1000-millisecond delay.
Kết luận chương
Trong Chương 3, chúng tôi đã giới thiệu thuật toán phát hiện đám cháy, lập trình cho Arduino và cách giao tiếp giữa máy tính và Arduino Tiếp theo, Chương 4 sẽ trình bày kết quả đạt được sau quá trình thử nghiệm hệ thống.
KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Hình ảnh của hệ thống
Hình 4.1 Hình ảnh thực tế
Kết quả thử nghiệm
4.2.1 Thử nghiệm hoạt động của thuật toán xử lí ảnh phát hiện đám cháy.
Kết quả ở điều kiện thường không có cháy
Hình 4.2 Kết quả không có cháy
Kết quả khi có cháy
Hình 4.3 Kêt quả khi có cháy
-Hệ thống sẽ xử lý bắt vùng khi có cháy.
4.2.2 Thử nghiệm chức năng thông báo người quản lí và đèn nháy.
Hình 4.4 Gửi tin nhắn báo cháy
Kết luận chương
Trong chương 4 của đồ án, chúng tôi đã trình bày các kết quả đạt được, kịch bản thử nghiệm và kết quả tương ứng Do hạn chế về điều kiện, chúng tôi đã thay chuông bằng đèn LED đơn nhấp nháy Ở chương cuối, chúng tôi sẽ tổng kết các kết quả và hạn chế của đồ án, đồng thời đề xuất các phương hướng phát triển trong tương lai.