TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu đề tài
Để quản lý hiệu quả hệ thống thông tin, việc lắp đặt phòng máy chủ (server) là rất quan trọng, trong đó an toàn phòng máy là yếu tố then chốt Để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, cần theo dõi nhiệt độ và độ ẩm bằng các thiết bị cảm biến tự động như quạt và điều hòa Trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay, nguy cơ hỏa hoạn là rất cao, do đó cần có các biện pháp phòng chống cháy đặc biệt Việc lắp đặt cảm biến khí CO và hệ thống cảnh báo nhiệt độ sẽ giúp phát hiện sớm các sự cố, từ đó giảm thiểu thiệt hại cho phòng máy chủ.
Hiện nay, việc sử dụng thiết bị cảm biến đã trở nên phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như gia đình, khu chung cư, khu công nghiệp, và những nơi có nguy cơ cháy nổ cao Đặc biệt, trong phòng máy server, việc kiểm soát các thông số như nhiệt độ, độ ẩm và khí CO là rất quan trọng Lắp đặt các thiết bị cảm biến không chỉ giúp theo dõi các chỉ số này mà còn nâng cao mức độ an toàn cho các phòng máy.
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ thông tin đã tạo ra một hệ thống kết nối mạng giữa các thiết bị máy móc thông qua máy chủ, thay vì hoạt động rời rạc như trước Việc đảm bảo các thiết bị không gặp sự cố là rất cần thiết, bởi lẽ thiếu cảnh báo có thể gây thiệt hại lớn cho toàn bộ hệ thống và dẫn đến tổn thất không nhỏ cho người sử dụng, đặc biệt là với các thiết bị có giá thành cao.
Nhóm em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài “Hệ thống quan trắc môi trường phòng máy server” nhằm ứng dụng những kiến thức đã học vào thực tế Hệ thống này không chỉ mang lại những ưu điểm nổi bật mà còn có khả năng ứng dụng hiệu quả trong thi công thực tế.
Đề tài này đánh dấu bước khởi đầu cho việc em nghiên cứu một ngành khoa học công nghệ tiềm năng, có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống, đồng thời giúp em tích lũy kiến thức và kinh nghiệm quý báu.
Mục tiêu chon đề tài
a, Kiến thức và kĩ năng:
+ Hiểu được nguyên lý hoạt động của vi điều khiển và các module cảm biến( nhiệt độ, độ ẩm, khí CO…).
+ Hiểu được vai trò nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử.
+ Tạo ra một hệ thống thông minh, giúp con người giảm đi những sự cố không mong muốn.
+ Khai thác tối đa hiệu năng của thiết bị, đảm bảo tuổi thọ và sự an toàn cho thiết bị cũng như con người.
+ Thiết kế mạch, lập trình thiết bị.
+ Sử dụng thành thạo các phần mềm ứng dụng, thiết bị chuyên dụng. +Đọc hiểu, phân tích các thông số các phần của hệ thống. b, Thái độ:
+ Rèn luyện kỹ năng làm báo cáo và báo cáo.
+ Tăng cường kỹ năng tư duy vận dụng những bài toán đơn giản vào thực tế.
+ Rèn luyện khả năng làm việc độc lập cũng như làm việc nhóm, tinh thần.
+Trách nhiệm khi gặp khó khăn, khắc phục sự cố và đưa ra kế hoạch bảo trì bảo dưỡng.
CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG
Vi điều khiển ATmega328P-PU
ATmega328P-PU là vi điều khiển 8 bit mạnh mẽ hơn ATmega8, được sản xuất bởi Atmel trong dòng MegaAVR Chip này sử dụng kiến trúc RISC với 32KB bộ nhớ chương trình ISP flash có khả năng ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM và 2KB SRAM, mang lại hiệu suất vượt trội trong thế giới vi xử lý 8 bit.
Hình 1: Vi điều khiển ATmega328P-PU
Hình 2: Sơ đồ chân vi điều khiển ATmega328P-PU
+ Xung nhịp lớn nhất: 20MHz.
+ Bộ nhớ chương trình( FLASH): 32KB.
+ Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V.
+ Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit.
+ Số kênh xung PWM: 6 kênh(1 timer 2 kênh).
Cảm biến nhiệt độ & độ ẩm - Dht11
Cảm biến DHT11 là một thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm phổ biến nhờ vào chi phí thấp và khả năng thu thập dữ liệu dễ dàng qua giao tiếp 1-wire Với bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp, DHT11 cung cấp dữ liệu chính xác mà không cần phải thực hiện bất kỳ phép tính bổ sung nào.
Hình 3: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Dht11
+ Điện áp hoạt động: 3V-5V (DC).
+ Dải độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5% RH.
+ Dải nhiệt độ hoạt động: 0˚C ~ 50˚C, sai số ±2˚C.
+ Khoảng cách truyền tối đa: 20m.
Cảm biến DHT11 sử dụng một dây tín hiệu DATA để gửi và nhận dữ liệu Để đảm bảo hoạt động ổn định, dây DATA cần ở mức cao trong chế độ chờ (idle), do đó, mạch sử dụng DHT11 phải được kết nối với một trở kéo bên ngoài, thường có giá trị 4.7kΩ.
DHT11 truyền tải dữ liệu dưới dạng 40 bit, bao gồm 8 bit cho phần nguyên độ ẩm, 8 bit cho phần thập phân độ ẩm, 8 bit cho phần nguyên nhiệt độ, 8 bit cho phần thập phân nhiệt độ và 8 bit kiểm tra (check sum).
Ví dụ: ta nhận được 40 bit dữ liệu như sau:
0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0000 = 0100 1101 Độ ẩm: 0011 0101 = 35H = 53% (ở đây do phần thập phân có giá trị 0000
0000, nên ta bỏ qua không tính phần thập phân).
Nhiệt độ: 0001 1000 = 18H = 24°C (ở đây do phần thập phân có giá trị 0000
0000, nên ta bỏ qua không tính phần thập phân).
Cảm biến nồng độ khí CO – MQ7
Cảm biến khí CO-MQ7 có khả năng phát hiện nồng độ khí CO trong khoảng từ 10-1000ppm, với độ nhạy cao và thời gian phản ứng nhanh Sản phẩm cung cấp tín hiệu đầu ra dạng analog và digital, hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ từ -10˚C đến 50˚C, và tiêu thụ dòng điện khoảng 150mA tại 5V.
Hình 4: Cảm biến khí CO-MQ7
+ Điện áp cung cấp: 3V – 5V (DC).
+ Sử dụng chip so sánh LM393 và MQ7.
+ Có 2 dạng tín hệu đầu ra là digital và analog.
+ Dải phát hiện từ 10 – 1000ppm.
+ Công suất tiêu thụ: khoảng 350mW.
+ Nhiệt độ hoạt động: -10˚C đến 50˚C.
Một số linh kiện khác
Ngoài những linh kiện trên, mạch còn có những linh kiện khác như: + Màn hình hiển thị LCD 16x2
+ Module thẻ nhớ mini micro SD
Hình 6: Module mini micro SD
MẠCH MÔ PHỎNG VÀ LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN
Sơ đồ khối
Mạch mô phỏng
Hình 7: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống b, Khối nguồn
Mạch nguồn ổn áp 5V làm nhiệm vụ tạo ra nguồn cung cấp 5V ổn định và cung cấp dòng điện lên đến 3A.
+ Mạch sử dụng một diode cầu chỉnh lưu dòng xoay chiều thành dòng một chiều
+ LM7805 có chức năng ổn định nguồn ra 5V từ nguồn 9V-15V
Chân 1 và 2 của LM7805 là chân cấp nguồn đầu vào, trong khi chân 3 cung cấp điện áp đầu ra ổn định 5V Điện áp đầu ra luôn duy trì trong khoảng từ 4.75V đến 5.25V để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Để lọc điện áp, chúng ta sử dụng các tụ hóa C1 và C2, giúp chuyển đổi nguồn điện thành điện áp một chiều ổn định Tụ C1 có nhiệm vụ lọc nguồn đầu vào cho LM7805, trong khi tụ C2 lọc nguồn đầu ra cho IC 7805.
+ Sử dụng LED1 để báo nguồn. c, Khối vi điều khiển
Khối vi điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của hệ thống Để thực hiện các câu lệnh trong IC vi điều khiển, cần tạo ra xung nhịp, mà tần số xung nhịp này phụ thuộc vào mạch dao động thạch anh được gắn trên chân 9 và 10 của IC ATmega328P-PU Để nâng cao độ ổn định của tần số, hai tụ nhỏ C3 và C4 (22pF x2) được sử dụng làm tụ bù nhiệt ổn tần.
Khối đầu vào bao gồm các cảm biến và nút bấm
Khối cảm biến bao gồm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 cùng với cảm biến nồng độ khí CO MQ7 Vi điều khiển sẽ thu thập các thông số từ cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ khí CO để điều chỉnh các thiết bị đầu ra phù hợp.
Hình 11: Khối nút bấm điều khiển
Khối nút bấm điều khiển gồm 3 nút bấm để điều chỉnh các thông số bằng tay:
+ Nút bấm 1 để chọn cảm biến muốn thay đổi thông số.
+ Nút bấm 2 để tăng giá trị thông số cảm biến đã chọn.
+ Nút bấm 3 để giảm giá trị thông số cảm biến đã chọn. e, Khối hiển thị
Hình 12: Khối hiển thị LCD
Hiển thị giá trị thông số nhiệt độ, độ ẩm đo được từ cảm biến lên màn hình LCD. f, Khối đầu ra.
Môi trường lý tưởng cho phòng máy chủ cần duy trì nhiệt độ từ 20˚C đến 22˚C và độ ẩm từ 50% đến 55% Khi các chỉ số này vượt quá mức cho phép, hệ thống sẽ tự động kích hoạt quạt Để kiểm soát tốt hơn nhiệt độ và độ ẩm, phòng máy chủ thường được trang bị hệ thống máy lạnh chính xác Tuy nhiên, do hạn chế về ngân sách, nhóm chúng tôi sẽ sử dụng quạt để mô phỏng và thay thế cho hệ thống máy lạnh.
Khi nồng độ khí CO vượt quá 200ppm, hệ thống sẽ báo còi.
Các thiết bị quạt và còi được kết nối với Header 3, trong khi khối vi điều khiển sẽ điều khiển khối Relay để bật tắt các thiết bị này dựa trên các giá trị từ cảm biến Hệ thống ghi lại các thông số từ cảm biến vào thẻ nhớ SD để theo dõi và kiểm soát môi trường trong phòng máy.
Chương trình Code của hệ thống
#include //khai báo thư viện Wire
#include //khai báo thư viện cho lcd
#include //khai báo thư viện cho epprom
#include "DHT.h" //khai báo thư viện cho DHt11
#define DHTPIN 2 //khai báo chân cảm biến nhiệt độ độ ẩm
#define DHTTYPE DHT11 //kiểu cảm biến DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
// khai báo chân chức năng
#define mq_7 A0 int dem,ndo,doam,co;
In the setup function, the LiquidCrystal_I2C library is initialized with the address 0x3f for a 16x2 LCD display, while the Serial communication begins at a baud rate of 9600 Various pins are configured as inputs for buttons (nut1, nut2, nut3) and outputs for a relay and a device (coi) The program reads data from EEPROM using ndoROM, doamROM, and coROM, and initializes the DHT11 sensor The LCD is set up with a backlight, displaying the message "Do an dien tu" on the first line and "nhom 17" on the second line for two seconds before clearing the display.
The code snippet reads humidity and temperature values using the DHT sensor, storing the humidity in variable 'h' and the temperature in variable 't' Additionally, it captures the analog reading from the MQ-7 sensor and assigns it to variable 'c' Finally, it prints the results to a file in the format "H:", followed by the humidity value, "T:", followed by the temperature value, and "co:", followed by the analog reading.
The code snippet initializes the LCD display by setting the cursor to the first line, where it prints the temperature (T) followed by the value and the degree symbol (°C) It then moves the cursor to the same line to display the humidity (H) along with the corresponding percentage (%) The function 'nutbam()' is called, and a condition checks if the variable 'dem' is equal to zero.
EEPROM.write(3,co); lcd.setCursor(0,1); // chọn dòng hiển thị trên lcd lcd.print("setup ."); lcd.print(" ");
{ lcd.setCursor(0,1); // chọn dòng hiển thị trên lcd lcd.print("ndo:"); lcd.print(ndo); lcd.print("'C"); lcd.print(" ");
{ lcd.setCursor(0,1); // chọn dòng hiển thị trên lcd lcd.print("doam:"); lcd.print(doam); lcd.print("%");
{ lcd.setCursor(0,1); // chọn dòng hiển thị trên lcd lcd.print("co:"); lcd.print(co); lcd.print("%"); lcd.print(" ");
{ digitalWrite(coi,LOW); digitalWrite(relay,LOW); delay(1000); digitalWrite(coi,HIGH);
{ digitalWrite(coi,LOW); digitalWrite(relay,LOW); delay(1000); digitalWrite(coi,HIGH);
THI CÔNG VÀ LẮP ĐẶT
Thiết kế mạch trên Altium
Trong bài viết này, chúng tôi trình bày sơ đồ nguyên lý trên Altium và thiết kế PCB sử dụng đi dây hai lớp Sau khi hoàn tất thiết kế và đi dây, chúng tôi đã tạo ra hình ảnh 3D của mạch để minh họa cho quá trình này.
Hoàn thiện mạch
a Mạch trước khi hàn linh kiện:
Hình 17: Mặt trên mạch Hình 18: Mặt dưới mạch b Mạch sau khi hàn linh kiện:
Thiết kế hộp đựng mạch
Đóng hộp và hoàn thiện sản phẩm
Hình 22: Đóng hộp sản phẩm
TỔNG KẾT VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM
Kết quả đạt được
Sản phẩm mô hình dự kiến:
Hình 23: Mô hình phòng máy chủ dự kiến
Đánh giá kết quả
+ Sản phẩm chạy ổn định.
+ Bật tắt được các thiết bị tự động
+ Là hệ thống nhỏ nên chưa áp dụng được vào trong phòng server quy mô lớn.
Kết luận và hướng phát triển
Sau hơn 4 tháng triển khai, nhóm 17 đã hoàn thành thiết kế và chế tạo mô hình "Hệ thống quan trắc môi trường phòng máy server" Mặc dù chưa đạt được toàn bộ mục tiêu đề ra, nhưng với những kết quả đạt được, hệ thống đã được chạy thử và hoạt động khá ổn định Hướng phát triển tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện và mở rộng tính năng của hệ thống.
Hướng phát triển tiếp theo của đồ án là mở rộng nghiên cứu và áp dụng các giải pháp nhằm ngăn chặn sự cố Hệ thống quan trắc sẽ được triển khai rộng rãi trên thị trường để đảm bảo hiệu quả và an toàn.
+ Tính toán và thiết kế để hệ thống có thể nhận biết được nhiều sự cố hơn.
+ Phát triển hệ thống với công suất lớn hơn phục vụ cho các doanh nghiệp các khu công nghiệp, khu chung cư…
Máy có công suất lớn thường được trang bị các tính năng bổ sung như hệ thống phun nước, chức năng tự động ngắt điện để ngăn ngừa chập cháy, và cảm biến nhận diện người trong khu vực xảy ra sự cố.
Trong quá trình thực hiện đồ án, không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ thầy cô và các bạn để có thể hoàn thiện đề tài một cách sâu sắc hơn.
