TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Khí gas hiện nay đã trở thành một phần quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày, từ việc nấu nướng trong gia đình cho đến ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp Tuy nhiên, việc sử dụng khí gas cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ, như rò rỉ khí mà chúng ta không phát hiện kịp thời, có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe và tính mạng Đặc biệt, sự hiện diện của tia lửa trong không gian có khí gas có thể dẫn đến cháy nổ nguy hiểm.
Để đối phó với những rủi ro nguy hiểm từ rò rỉ khí gas, chúng tôi đã phát triển giải pháp "Hệ thống giám sát và báo động khí gas" thông minh Hệ thống này sử dụng nhiều cảm biến khí gas được lắp đặt ở các vị trí có nguy cơ cao để theo dõi tình trạng rò rỉ Khi phát hiện nguy hiểm, tín hiệu sẽ được gửi qua sóng vô tuyến đến bộ xử lý trung tâm, từ đó gửi tin nhắn và gọi điện thông báo cho chủ nhà hoặc phòng bảo vệ về vị trí rò rỉ Hệ thống còi báo động sẽ vang lên và thông tin về vị trí rò rỉ sẽ được hiển thị trên màn hình LCD, giúp mọi người tránh xa khu vực nguy hiểm Thêm vào đó, hệ thống còn được kết nối với internet, cho phép giám sát từ xa và truy cập dữ liệu qua web.
MỤC TIÊU
- Thu thập dữ liệu nồng độ khí gas hiển thị lên LCD.
Khi một khu vực trong hệ thống gặp nguy hiểm, toàn bộ hệ thống sẽ phát tín hiệu báo động và xác định chính xác khu vực đó để hiển thị thông tin lên màn hình LCD.
- Kết nối wi-fi cho hệ thống và đưa dữ liệu lên web thingspeak.com.
- Điều khiển mở loa báo động khi phát hiện rò rỉ khí gas nguy hiểm.
- Báo nguy hiểm thông qua gọi điện và tin nhắn điện thoại.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài.
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết.
Thiết kế hệ thống bao gồm khối cảm biến, khối hiển thị, khối báo động tại chỗ, khối truyền dữ liệu lên web, khối thông báo qua tin nhắn, và khối truyền nhận dữ liệu bằng sóng RF.
- Thiết kế và thi công bộ xử lí thứ cấp, bộ xử lí trung tâm.
- Thiết kế và thi công mạch nguồn.
- Viết code cho Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3.
- Viết code cho ESP8266 NodeMCU.
- Tạo tài khoản trên web thingspeak.com để liên kết và đưa dữ liệu lên.
- Thiết kế hộp bảo vệ cho board mạch.
- Lắp ráp các board mạch, cảm biến vào hộp bảo vệ.
- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị.
- Chạy thử nghiệm hệ thống.
- Báo cáo đề tài tốt nghiệp.
GIỚI HẠN
- Số lượng trạm thu cảm biến: 2.
- 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.
- Sử dụng module sim900A mini gọi điện và gửi tin nhắn cho 1 thuê bao lập trình trước.
- Giám sát dữ liệu từ xa qua biểu đồ được thingspeak.com vẽ sẵn ở những nơi có kết nối internet hoặc 3G, 4G.
- Đề tài được thiết kế hộp bảo vệ với chất liệu: bìa cứng.
BỐ CỤC
Với đề tài: “Hệ thống giám sát và báo động khí gas” thì bố cục đồ án như sau:
Chương này giới thiệu lý do chọn đề tài, xác định mục tiêu nghiên cứu, nội dung chính của đề tài, đồng thời nêu rõ các giới hạn về thông số và cấu trúc của 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 mô tả phương pháp tính toán, sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của các board mạnh trong hệ thống, bao gồm mạch điều khiển trung tâm, mạch điều khiển thứ cấp và mạch nguồn cung cấp điện áp, dòng điện cho từng bộ xử lý trong hệ thống.
• Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
Chương này giới thiệu sơ đồ mạch in PCB, hướng dẫn lập trình và kiểm tra các mạch trong toàn bộ hệ thống Ngoài ra, bài viết còn cung cấp hình ảnh thực tế và kết quả hệ thống tính đến thời điểm hiện tại.
• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này tổng hợp kiến thức và kỹ năng mà nhóm đã thu được từ đề tài, bao gồm việc sử dụng cảm biến, truyền và nhận thông tin qua wifi hoặc sóng RF, điều khiển thiết bị bằng board Arduino Mega 2560 và Arduino Uno R3, cũng như đưa dữ liệu lên web thông qua ESP8266 NodeMCU.
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Chương này trình bày kết quả đạt được từ đề tài, đồng thời đề xuất hướng phát triển nhằm hoàn thiện đề tài, đáp ứng nhu cầu của cuộc sống hiện đại ngày nay.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU
Trong chương này là các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.
GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
- Thiết bị đầu vào: Module cảm biến khí MQ-2.
- Thiết bị đầu ra: LCD 16x2, Kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU, Còi báo động
- Thiết bị vừa là thiết bị đầu vào vừa là thiết bị đầu ra: Module Sim900a mini, Module thu phát sóng RF nRF24L01.
- Thiết bị điều khiển trung tâm: Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560.
- Chuẩn truyền thông: SPI, UART.
- Thiết bị giám sát: Laptop, điện thoại có kết nối internet.
2.2.1 Bộ điều khiển trung tâm
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại vi điều khiển phổ biến được sử dụng trong xử lý hệ thống, bao gồm vi điều khiển Microchip như PIC 16F887 và 18F4550, vi điều khiển ATMEL như AT89C52, cùng với các nền tảng như RASPBERRY PI và ARDUINO.
Với đề tài này nhóm đang thực hiện chúng em lựa chọn bộ điều khiển trung tâm là Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560 R3.
❖ Giới thiệu về Arduino Uno R3
Arduino Uno R3 là board điều khiển lý tưởng cho người mới bắt đầu với vi xử lý ATmega328 Board này có 14 chân vào/ra số, bao gồm 6 chân hỗ trợ đầu ra PWM, cùng với 6 chân vào analog và một thạch anh.
Bảng mạch 16 MHz đi kèm với kết nối USB, jack cắm điện, đầu ICSP và nút reset, cung cấp đầy đủ các thành phần cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển Bạn chỉ cần kết nối nó với máy tính qua cáp USB hoặc sử dụng bộ chuyển đổi AC sang DC hoặc pin để bắt đầu Với UNO, bạn có thể thoải mái làm việc mà không cần lo lắng quá nhiều về các lỗi có thể xảy ra.
Hình 2.1 Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3
❖ Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3
▪ Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V
▪ Chân vào/ra (I/O) số: 14 (6 chân có thể cho đầu ra PWM)
▪ Dòng điện trong mỗi chân I/O: 20mA
▪ Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA
▪ Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5 KB sử dụng cho trình nạp khởi động.
Arduino Mega 2560 R3 là một trong những sản phẩm nổi bật của dòng mạch Mega, sở hữu 54 chân digital IO và 16 chân analog IO, mang lại nhiều cải tiến so với Arduino Uno Bộ nhớ flash của Mega đã được nâng cấp đáng kể, gấp 4 lần so với phiên bản UNO R3 trước đó, giúp mở rộng khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu.
Bảng mạch Mega được trang bị timer và 6 cổng interrupt, cho phép giải quyết hiệu quả nhiều bài toán phức tạp, điều khiển đa dạng các loại động cơ và xử lý đồng thời nhiều luồng dữ liệu số cũng như tương tự.
Việc kế thừa trong phát triển Arduino Mega được chú trọng, với các chân digital từ 0-13, chân analog từ 0-5 và chân nguồn tương tự như thiết kế của Arduino UNO Điều này giúp người dùng dễ dàng chuyển đổi và phát triển các module từ Arduino UNO sang Arduino Mega một cách thuận tiện.
Hình 2.2 Hình ảnh thực tế Arduino Mega 2560 R3
❖ Thông số kỹ thuật 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 chân (trong đó có 15 chân PWM)
▪ Số lượng chân Input Analog: 16
▪ Dòng điện DC mỗi I/O: 20 mA
▪ Dòng điện DC với chân 3.3V: 50 mA
▪ Bộ nhớ Flash: 256KB trong đó có 8KB sử dụng cho trình nạp khởi động.
❖ Các thành phần chức năng chính của Arduino Uno R3, Mega2560
Hình 2.3 Các thành phần chức năng của Arduino Uno R3
Hình 2.4 Các thành phần chức năng của Arduino Mega 2560
Arduino giao tiếp với máy tính thông qua cáp USB, cho phép người dùng tải chương trình lên để điều khiển Arduino Bên cạnh đó, cáp USB cũng cung cấp nguồn điện cho thiết bị này.
Khi không sử dụng USB làm nguồn cho Arduino, bạn có thể cấp nguồn từ bên ngoài qua jack cắm 2.1mm (với cực dương ở giữa) hoặc thông qua hai chân V in và GND.
Board mạch hoạt động với nguồn điện ngoài từ 5 đến 12 volt Việc cung cấp điện áp lớn hơn 12 volt có thể gây nóng và hư hỏng board mạch Do đó, khuyến cáo nên sử dụng nguồn ổn định từ 5 đến dưới 12 volt để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của board mạch.
Chân 5V và chân 3.3V trên Arduino được sử dụng để lấy nguồn ra từ nguồn cung cấp Cần lưu ý rằng không được cấp nguồn vào các chân này, vì điều đó có thể gây hư hỏng cho Arduino.
Chip ATmega328 có 32KB bộ nhớ flash trong đó 0.5 KB sử dụng cho trình nạp khởi động.
Chip ATmega2560 có 256KB bộ nhớ flash trong đó 8KB sử dụng cho trình nạp khởi động
Arduino UNO có 14 chân digital, Arduino Mega 2560 có 54 chân digital với chức năng input và output sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() để điều khiển các chân.
Trên Uno với 14 chân digital và Mega với 54 chân digital, chúng ta có hai chân chức năng quan trọng là Serial 0 và 1, dùng để truyền (Tx) và nhận (Rx) dữ liệu nối tiếp TTL Chúng cho phép giao tiếp với cổng COM của các thiết bị hoặc linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp.
PWM (modulation độ rộng xung) trên board mạch Uno có 6 chân, trong khi board mạch Mega sở hữu 16 chân PWM Những chân PWM này cho phép điều khiển tốc độ động cơ và điều chỉnh độ sáng của đèn hiệu quả.
Reset button: Dùng để reset Arduino.
❖ Một số ứng dụng cơ bản của Arduino
Arduino đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, được sử dụng làm bộ nhớ chính trong các hệ thống điều khiển tự động như băng chuyền, hệ thống đếm hàng và hệ thống tự động đóng chai tại các nhà máy nước ngọt.
Hình 2.5 Hệ thống đếm hàng tự động sử dụng Arduino
Arduino nhỏ gọn và đơn giản, nhưng có khả năng kết hợp để tạo ra các hệ thống lớn như nhà máy điện mặt trời và robot công nghiệp.
Hình 2.6 Máy in 3D sử dụng công nghệ Arduino Trong dân dụng
Arduino được biết đến như là một thiết bị nhỏ gọn, rẻ và dễ dàng tương tác nên được sử dụng rất nhiều trong dân dụng.
Các hệ thống điều khiển các thiết bị từ xa, hệ thống chống trộm, ngôi nhà thông minh… Tất cả đề thân thiện và dễ dàng sử dụng.
Với giá thành rẻ và dễ dàng lắp đặt, ngày càng có nhiều sản phẩm được hoàn thiện trong lĩnh vực này.
Hình 2.7 Hệ thống nhà thông minh sử dụng Arduino Trong học tập
Arduino, với giá thành hợp lý và mã nguồn mở, là lựa chọn lý tưởng cho sinh viên đam mê công nghệ Chỉ cần có một chút kiến thức về lập trình, bạn có thể dễ dàng tạo ra các sản phẩm sáng tạo như xe điều khiển từ xa, hệ thống đo nhiệt độ, và điều khiển thiết bị qua điện thoại.
CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU
UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, là một giao thức truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ, thường được tích hợp trong một mạch Chức năng chính của UART là truyền tín hiệu giữa các thiết bị, chẳng hạn như từ laptop đến modem hoặc giữa các vi điều khiển, giúp việc giao tiếp trở nên hiệu quả và linh hoạt.
Hình 2.24 Truyền dữ liệu qua lại giữa 2 vi điều khiển và giữa vi điều khiển với PC
SPI là giao thức truyền thông song công (full duplex) cho phép quá trình truyền và nhận dữ liệu diễn ra đồng thời Giao thức này thường được gọi là chuẩn "4 dây" vì sử dụng bốn đường giao tiếp chính: SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Output Slave Input) và SS (Slave Select).
SCK giữ vai trò quan trọng trong giao tiếp SPI, đóng vai trò là tín hiệu đồng bộ Vì SPI sử dụng chuẩn truyền đồng bộ, cần có một đường giữ nhịp để đảm bảo việc truyền tải dữ liệu Mỗi xung trên chân SCK tương ứng với việc gửi hoặc nhận 1-bit dữ liệu.
MISO, which stands for Master Input/Slave Output, functions differently depending on the chip type; for a Master chip, MISO serves as the input, while for a Slave chip, it acts as the output The MISO connections of the Master and Slave chips are directly linked to one another.
MOSI - Master Output / Slave Input là đường truyền dữ liệu giữa chip Master và Slave, trong đó chip Master sử dụng MOSI như một đường Output, trong khi chip Slave nhận dữ liệu qua MOSI như một đường Input Các MOSI của Master và các Slaves được kết nối trực tiếp với nhau.
▪ SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giao tiếp, trên các chip
Khi Slave đường SS không hoạt động, mức của nó sẽ cao Nếu chip Master làm giảm mức đường SS của một Slave, giao tiếp sẽ diễn ra giữa Master và Slave đó.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 33
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
GIỚI THIỆU
Trong chương này trình bày về cách tính toán, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý các board mạch của hệ thống.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Với các yêu cầu đưa ra nhóm thực hiện đã hình thành sơ đồ khối như sau:
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Khối nguồn: Cung cấp nguồn hoạt động cho hệ thống.
Khối cảm biến khí gas có chức năng đo nồng độ khí gas và truyền dữ liệu về Arduino để xử lý Khối hiển thị LCD sẽ hiển thị nồng độ khí gas đã đo được cùng với trạng thái an toàn hoặc nguy hiểm.
Khối báo động tại chỗ: Phát ra tiếng báo động tại chỗ khi cảm biến ở bất cứ nơi đâu trong hệ thống phát hiện có nguy hiểm.
Khối thu phát sóng RF: Thu phát sóng RF để giao tiếp giữa khối xử lý thứ cấp và khối xử lý trung tâm.
Khối báo động qua tin nhắn: Gửi tin nhắn cho số điện thoại đã đặt trước khi phát hiện có khí gas rò rỉ quá chuẩn cho phép.
Khối đưa dữ liệu lên web: Thu thập dữ liệu cảm biến đưa lên trang web để tiện theo dõi.
Khối xử lý thứ cấp, đặt tại vị trí cảm biến, có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu từ cảm biến Khi dữ liệu vượt quá giới hạn cho phép, khối này sẽ gửi tín hiệu cảnh báo đến khối xử lý trung tâm để kịp thời xử lý tình huống nguy hiểm.
Khối xử lý trung tâm chịu trách nhiệm hiển thị vị trí rò rỉ khí trên màn hình LCD và gửi thông báo cảnh báo đến số điện thoại đã được cài đặt trước Đồng thời, nó cũng phát tín hiệu đến tất cả các khối xử lý thứ cấp để kích hoạt chuông báo động toàn hệ thống khi nhận được tín hiệu nguy hiểm từ bất kỳ khối xử lý thứ cấp nào.
3.2.2 Tính toán và thiết kế
❖ Tính toán khối cảm biến
Khối cảm biến đo đạc giá trị của khí gas rò rỉ. Điện áp hoạt động của cảm biến khí Gas MQ-2 là 5V.
Dòng tiêu thụ là 180mA.
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối cảm biến MQ-2 với Arduino UNO
❖ Tính toán khối hiển thị
LCD 26x2 được điều khiển bằng 4 đường dữ liệu D4 tới D7 và 2 chân điều khiển được nối với chân E và chân RS của LCD.
Sử dụng biến trở 10KΩ để điều chỉnh độ tương phản của màn hình LCD từ chân VE.
LCD 16x2 hoạt động với nguồn điện áp 5V, dòng hoạt động 160mA.
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với LCD
❖ Tính toán khối báo động tại chỗ
Module Relay 1 kênh 5V gồm 1 relay điện áp hoạt động ở mức 5VDC, đầu ra điều khiển hiệu điện tối đa ở mức 250V 10A đối với điện áp xoay chiều AC.
Dòng tiêu thụ của relay là 80mA.
Dùng chuông báo động điện áp hoạt động 12V để làm loa báo động.
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với Relay và loa
Hình 3.6 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với Relay và loa
❖ Tính toán khối đưa dữ liệu lên web
Khối đưa dữ liệu lên web dùng kit ESP8266 MCU Điện áp hoạt động của ESP8266 MCU là 5V và dòng hoạt động là 300mA.
❖ Khối thu phát sóng RF
Module nRF24L01 2.4GHz là thiết bị quan trọng trong việc truyền nhận dữ liệu giữa khối trung tâm và khối thu thập dữ liệu tại chỗ, giúp cải thiện hiệu quả giao tiếp trong hệ thống.
Module hoạt động với điện áp 3.3V, dòng hoạt đọng động là 45mA.
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với module thu phát sóng nRF24L01
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với module thu phát sóng nRF24L01
❖ Khối báo động qua tin nhắn
Dùng module sim 900A mini thực hiện gửi tin nhắn tới thuê bao đã lưu sẵn để báo động khi có nguy hiểm rò rỉ khí gas.
Module SIM 900A mini hoạt động với nguồn cấp từ 4.5-5V và có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mAh trở lên, chẳng hạn như cổng USB hoặc nguồn từ Board Arduino Để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu, nên sử dụng nguồn 2A cho module này.
Hình 3.10 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với module Sim900A mini.
❖ Tính toán điện áp và dòng điện và thiết kế khối nguồn
Khối nguồn cung cấp nguồn cho hệ thống bao gồm khối xử lý thứ cấp, khối xử lý trung tâm và các thiết bị đi kèm.
Bảng 3.1 Các linh kiện sử dụng nguồn 3.3V trong khối xử lí thứ cấp
Bảng 3.2 Các linh kiện sử dụng nguồn 3.3V trong khối xử lí trung tâm.
Bảng 3.3 Các linh kiện sử dụng nguồn 5V trong khối xử lí thứ cấp.
Bảng 3.4 Các linh kiện sử dụng nguồn 5V trong khối xử lí trung tâm.
Từ những tính toán trên, ta sẽ thiết kế 1 khối nguồn 5V 3A cho khối xử lí trung tâm và 1 khối nguồn 5V 1A cho khối xử lí thứ cấp.
Hình 3.11 Mạch nguồn 5V 1A cho khối xử lí thứ cấp
Hình 3.12 Mạch nguồn 5V 3A cho khối xử lí trung tâm
3.2.3 Sơ đồ nguyên lí toàn hệ thống
❖ Sơ đồ nguyên lí bộ xử lí thứ cấp
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý thứ cấp
❖ Sơ đồ nguyên lí bộ xử lí trung tâm
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm
❖ Sơ đồ nguyên lí toàn hệ thống
❖ Giải thích nguyên lí toàn hệ thống
Cảm biến khí gas MQ-2 liên tục thu thập dữ liệu khí gas từ môi trường và so sánh với ngưỡng cho phép do người dùng đặt Dữ liệu này được truyền tải lên website thingspeak.com thông qua module ESP8266 MCU và được hiển thị dưới dạng biểu đồ để dễ dàng theo dõi Khi nồng độ khí gas không vượt quá giới hạn cho phép, hệ thống cảnh báo sẽ không phát tín hiệu, và LCD sẽ hiển thị trạng thái an toàn.
Khi nồng độ khí gas vượt mức cho phép, khối xử lý thứ cấp sẽ gửi tín hiệu cảnh báo đến khối xử lý trung tâm qua Module thu phát sóng RF nRF24L01 2.4 GHz Tín hiệu này mang một mã riêng biệt, giúp khối xử lý trung tâm nhận diện chính xác nguồn rò rỉ Ngay khi nhận được tín hiệu, chuông tại khối xử lý trung tâm sẽ reo và thông báo qua tin nhắn, gọi điện đến số điện thoại đã cài đặt, cảnh báo về tình trạng khí gas Màn hình LCD tại khối xử lý trung tâm sẽ hiển thị khu vực có rò rỉ, đồng thời gửi tín hiệu đến các khối xử lý thứ cấp khác để kích hoạt chuông và hiển thị thông tin rò rỉ, nhằm đảm bảo biện pháp phòng chống kịp thời và hướng dẫn di chuyển an toàn tránh khu vực nguy hiểm.
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
Sau khi cấp nguồn 220V, hệ thống bắt đầu hoạt động với bộ xử lý khu vực đo nồng độ khí gas và gửi dữ liệu về bộ xử lý trung tâm Bộ xử lý trung tâm kiểm tra giá trị nhận được và gửi thông tin lên trang web thingspeak.com để theo dõi Khi phát hiện rò rỉ khí gas, hệ thống sẽ kích hoạt báo động tại chỗ và gửi tín hiệu tới các bộ xử lý khu vực để mở báo động Đồng thời, bộ xử lý trung tâm sẽ gửi tin nhắn SMS đến số thuê bao đã cài đặt trước và thực hiện cuộc gọi thông báo nguy hiểm.
❖ Lưu đồ chương trình chính trung tâm:
Khởi tạo LCD, UART, SPI
Khai báo các biến và các giá trị ban đầu
Nhận tín hiệu từ NRF 1
Nhận tín hiệu từ NRF 2
Gửi dữ liệu lên Web
Truyền tín hiệu đến NRF 1
Truyền tín hiệu đến NRF 2
Khi cấp nguồn 220V vào mạch trung tâm, bộ xử lý trung tâm khởi tạo các giá trị ban đầu và các lệnh cho các module Sau đó, nó nhận dữ liệu từ các cảm biến ở từng khu vực và hiển thị các giá trị đó trên màn hình LCD Cuối cùng, dữ liệu được gửi lên trang web thingspeak.com để theo dõi.
Bộ xử lý trung tâm sẽ kiểm tra dữ liệu từ các khu vực gửi về, xác định nếu nồng độ khí gas vượt quá 20% Nếu khu vực 1 có nồng độ khí gas lớn hơn 20%, hệ thống sẽ kích hoạt loa cảnh báo và hiển thị thông báo "KV1 NGUY HIỂM" trên dòng 1 của màn hình LCD Đồng thời, trung tâm sẽ gửi tín hiệu nguy hiểm đến các khu vực khác, gửi tin nhắn SMS cảnh báo nguy hiểm đến khu vực 1 và thực hiện cuộc gọi đến số điện thoại đã được cài đặt sẵn.
Nếu nồng độ khí gas tại khu vực 2 vượt quá 20%, trung tâm sẽ kích hoạt loa cảnh báo và hiển thị thông báo "KV2 NGUY HIỂM" trên màn hình LCD Đồng thời, trung tâm sẽ gửi tín hiệu cảnh báo đến các khu vực khác, gửi tin nhắn SMS thông báo nguy hiểm tại khu vực 2 và thực hiện cuộc gọi đến số thuê bao đã được cài đặt sẵn.
Khi nồng độ khí gas ở cả hai khu vực vượt quá 20%, hệ thống sẽ kích hoạt loa cảnh báo tại trung tâm, hiển thị thông báo KV1,2 NGUY HIỂM trên dòng đầu của màn hình LCD Đồng thời, trung tâm sẽ gửi tín hiệu nguy hiểm đến các khu vực liên quan, gửi tin nhắn SMS cảnh báo nguy hiểm đến khu vực 2 và thực hiện cuộc gọi đến số điện thoại đã được cài đặt sẵn.
Nếu nồng độ khí gas ở cả hai khu vực nhỏ hơn 20%, hãy tắt loa cảnh báo tại trung tâm và hiển thị chữ "AN TOÀN" trên dòng 1 của màn hình LCD Đồng thời, trung tâm sẽ gửi tín hiệu an toàn đến các khu vực liên quan.
❖ Lưu đồ giải thuật khu vực 1
Khởi tạo LCD, UART, SPI
Serial, nRF, IO Đọc giá trị cảm biến
Chuyển giá trị cảm biến theo %
Hiển thị giá trị KV1 ở dòng 2 LCD
Gửi dữ liệu cảm biến về trung tâm
Nhận dữ liệu trả về từ trung tâm
Hiển thị KV1 NGUY HIEM dòng 1 LCD sai KV2 nguy hiểm đúng
Mở chuông Hiển thị KV12 NGUY HIEM dòng 1 LCD sai KV1,2 nguy hiểm đúng
Mở chuông Hiển thị KV1,2 NGUY HIEM dòng 1 LCD
Tắt chuông Hiển thị AN TOAN dòng 1 LCD
Hình 3.17 Lưu đồ chương trình khu vực 1
❖ Giải thích lưu đồ chương trình khu vực 1
Khi cắm nguồn mạch khởi động và tiến hành khởi tạo các giá trị ban đầu, các tập dòng 2 LCD, gửi giá trị cảm biến dạng
Nhận tín hiệu từ trung tâm và kiểm tra Nếu tín hiệu bằng 100 thì mở loa báo nguy hiểm, hiển thị KV1 NGUY HIEM ở dòng 1 LCD
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Nếu tín hiệu bằng 110 thì mở loa báo nguy hiểm, hiển thị KV2 NGUY HIEM ở dòng 1 LCD.
Nếu tín hiệu bằng 111 thì mở loa báo nguy hiểm, hiển thị KV1,2 NGUY HIEM ở dòng 1 LCD.
Nếu tín hiệu khác 100,110,111 thì tắt loa báo nguy hiểm, hiển thị AN TOAN ở dòng 1 LCD.
❖ Lưu đồ chương trình khu vực 2
Khởi tạo LCD, UART, SPI
Serial, nRF, IO Đọc giá trị cảm biến
Chuyển giá trị cảm biến theo %
Hiển thị giá trị KV1 ở dòng 2 LCD
Gửi dữ liệu cảm biến về trung tâm
Nhận dữ liệu trả về từ trung tâm
Mở chuông Hiển thị KV1 NGUY HIEM dòng 1 LCD sai KV2 nguy hiểm đúng
Mở chuông Hiển thị KV21 NGUY HIEM dòng 1 LCD sai KV1,2 nguy hiểm đúng
Mở chuông Hiển thị KV1,2 NGUY HIEM dòng 1 LCD
Tắt chuông Hiển thị AN TOAN dòng 1 LCD
Hình 3.18 Lưu đồ chương trình khu vực 2
❖ Giải thích lưu đồ chương trình khu vực 2
Khi khởi động nguồn, các giá trị ban đầu được thiết lập và các module được khởi tạo Tiếp theo, giá trị cảm biến tại khu vực 2 được cập nhật và chuyển đổi sang dạng phần trăm Giá trị này sau đó được hiển thị trên dòng 2 của màn hình LCD và được gửi về trung tâm dưới dạng phần trăm.
Nhận tín hiệu từ trung tâm và kiểm tra Nếu tín hiệu bằng 100 thì mở loa báo nguy hiểm, hiển thị KV1 NGUY HIEM ở dòng 1 LCD.
Nếu tín hiệu bằng 110 thì mở loa báo nguy hiểm, hiển thị KV2 NGUY HIEM ở dòng 1 LCD.
Nếu tín hiệu bằng 111 thì mở loa báo nguy hiểm, hiển thị KV1,2 NGUY HIEM ở dòng 1 LCD.
Nếu tín hiệu khác 100,110,111 thì tắt loa báo nguy hiểm, hiển thị AN TOAN ở dòng 1 LCD.
❖ Lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 1
Nhận giá trị khí gas từ khu vực 1
Hình 3.19 Lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 1
❖ Giải thích lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 1
Khi có kết nối RF với khu vực 1 thì nhận tín hiệu cảm biến khu vực 1 gửi về và lưu giá trị đó.
❖ Lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 2
Nhận giá trị khí gas từ khu vực 2
Hình 3.20 Lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 2
❖ Giải thích lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 2
Khi có kết nối RF với khu vực 2 thì nhận tín hiệu cảm biến khu vực 2 gửi về và lưu giá trị đó.
❖ Lưu đồ chương trình con hiển thị LCD
Trang thái an toàn đúng
Hiển thị giá trị ở hàng 2 LCD
Hiển thị AN TOÀN hàng 1 LCD sai KV1 nguy hiểm đúng
Hiển thị giá trị ở hàng 2 LCD
Hiển thị KV1 NGUY HIỂM hàng 1 LCD
Hiển thị giá trị ở hàng 2 LCD Hiển thị KV2 NGUY HIỂM hàng 1 LCD sai KV1,2 nguy hiểm đúng
Hiển thị giá trị ở hàng 2 LCD Hiển thị KV1,2 NGUY HIỂM hàng 1 LCD
Hình 3.21 Lưu đồ chương trình con hiển thị LCD
❖ Giải thích chương trình con hiển thị LCD
So sánh giá trị nồng độ khí gas khu vực 1 và giá trị nồng độ khí gas khu vực 2 với mức giới hạn bằng 20%.
Nếu nồng độ khí gas khu vực 1 và khu vực 2 cùng nhỏ hơn 20% thì hiển thị
AN TOAN ở dòng 1 LCD và giá trị nồng độ khí gas ở dòng 2 LCD.
Nếu nồng độ khí gas khu vực 1 vượt quá 20%, màn hình LCD sẽ hiển thị "KV1 NGUY HIEM" ở dòng 1 và hiển thị giá trị nồng độ khí gas của cả khu vực 1 và khu vực 2 ở dòng 2 Tương tự, nếu nồng độ khí gas khu vực 2 lớn hơn 20%, màn hình sẽ hiển thị "KV2 NGUY HIEM" ở dòng 1 cùng với giá trị nồng độ khí gas của cả hai khu vực ở dòng 2 Trong trường hợp nồng độ khí gas của cả khu vực 1 và khu vực 2 đều vượt quá 20%, màn hình sẽ hiển thị "KV1,2 NGUY HIEM" ở dòng 1 và giá trị nồng độ khí gas ở dòng 2.
❖ Lưu đồ chương trình con kiểm tra nguy hiểm
Trạng thái an toàn đúng tắt loa trang_thai_goi = 0; trang_thai_tn =0; sai KV1 nguy hiểm đúng mở loa trang_thai_goi = 1; trang_thai_tn =1;
KV2 nguy hiểm đúng mở loa trang_thai_goi =1; trang_thai_tn =2; sai
KV1,2 nguy hiểm đúng mở loa trang_thai_goi = 1; trang_thai_tn =3;
Hình 3.22 Lưu đồ chương trình con kiểm tra nguy hiểm
❖ Giải thích lưu đồ chương trình con kiểm tra nguy hiểm
So sánh giá trị nồng độ khí gas khu vực 1 và giá trị nồng độ khí gas khu vực 2 với mức giới hạn bằng 20%.
Nếu nồng độ khí gas ở khu vực 1 và khu vực 2 đều nhỏ hơn 20%, giá trị trung gian sẽ được đặt là 001, trong khi giá trị trang_thai_goi và trang_thai_tn sẽ là 0 Hệ thống sẽ tắt loa cảnh báo trong trường hợp này.
Nếu nồng độ khí gas khu vực 1 lớn hơn 20% thì cho giá trị trung gian bằng
Nếu nồng độ khí gas tại khu vực 2 vượt quá 20%, giá trị trung gian sẽ được xác định Đồng thời, giá trị trạng thái gói được thiết lập bằng 1 và giá trị trạng thái tn cũng được thiết lập bằng 1 Hệ thống sẽ mở loa cảnh báo để thông báo tình huống nguy hiểm này.
Khi giá trị trang_thai_goi là 1 và trang_thai_tn là 2, loa cảnh báo sẽ được mở nếu nồng độ khí gas ở khu vực 1 và khu vực 2 vượt quá 20% Trong trường hợp này, giá trị trung gian sẽ được thiết lập là 111, và giá trị trang_thai_tn sẽ được cập nhật thành 3.
❖ Lưu đồ chương trình con truyền nRF 1
Gửi tín hiệu giao tiếp về khu vực 1
Hình 3.23 Lưu đồ chương trình con Truyền nRF 1
❖ Giải thích lưu đồ chương trình con truyền nRF 1
Sau khi kết nối với RF của khu vực 1 thì gửi giá trị tín hiệu trung gian giao tiếp về khu vực 1.
❖ Lưu đồ chương trình con truyền nRF 2
Gửi tín hiệu giao tiếp về khu vực 2
Hình 3.24 Lưu đồ chương trình con Truyền nRF 2
❖ Giải thích lưu đồ chương trình con truyền nRF 2
Sau khi kết nối với RF của khu vực 2 thì gửi giá trị tín hiệu trung gian giao tiếp về khu vực 2.
❖ Lưu đồ chương trình con gửi tin nhắn báo nguy hiểm
Begin trang_thai_tn = 0 đúng
Không gửi tin sai trang_thai_tn = 1 đúng
KHU VUC 1 NGUY HIEM trang_thai_tn = 2 đúng
Gửi tin nhắn sms KHU VUC 2 NGUY HIEM trang_thai_tn = 3 đúng
Gửi tin nhắn sms KHU VUC 1,2 NGUY HIEM
Hình 3.25 Lưu đồ chương trình con gửi tin nhắn báo nguy hiểm
❖ Giải thích lưu đồ chương trình con gửi tin nhắn báo nguy hiểm
Nếu giá trị trang_thai_tn bằng 0 thì không gửi tin nhắn sms.
Nếu giá trị trang_thai_tn bằng 1 thì gửi tin nhắn sms với nội dung KHU VUC
Nếu giá trị trang_thai_tn bằng 2 thì gửi tin nhắn sms với nội dung KHU VUC
Nếu giá trị trang_thai_tn bằng 3 thì gửi tin nhắn sms với nội dung “KHU VUC 1,2 NGUY HIEM”.
❖ Lưu đồ chương trình con gọi điện báo nguy hiểm
Hình 3.26 Lưu đồ chương trình con gọi điện thoại báo nguy hiểm
❖ Giải thích lưu đồ chương trình con gọi điện thoại báo nguy hiểm
Nếu giá trị trang_thai_goi bằng 1 thì gọi điện thoại tới thuê bao cài đặt sẵn. Nếu giá trị trang_thai_goi bằng 0 thì không gọi điện.
❖ Phần mềm lập trình Arduino – giao diện Arduino IDE
IDE, viết tắt của Integrated Development Environment, là phần mềm cung cấp cho lập trình viên một môi trường tích hợp với nhiều công cụ hữu ích như trình viết mã (code editor), chương trình sửa lỗi (debugger) và mô phỏng ứng dụng (simulator) Nói tóm lại, IDE là một giải pháp toàn diện giúp phát triển ứng dụng phần mềm hiệu quả.
Arduino IDE là một trình soạn thảo văn bản, giúp bạn viết code để nạp vào bo mạch arduino.
Một trương trình viết bởi Arduino IDE được gọi là sketch, sketch được lưu dưới định dạng ino.
Môi trường lập trình thân thiện và dễ sử dụng với ngôn ngữ C hoặc C++ là lựa chọn phổ biến cho các kỹ sư Cộng đồng mã nguồn mở cung cấp một lượng lớn thư viện code viết sẵn, giúp tăng cường hiệu quả phát triển phần mềm.
To begin, visit the official Arduino website at http://arduino.cc/en/Main/Software/ to access and update the Arduino IDE Click on the "Windows ZIP file for non-admin install" option as shown in the illustration.
Hình 3.27 Nhấp vào Windows Zip file for non admin install.
Bạn sẽ được chuyển đến một trang mời quyền góp tiền để phát triển phần mềm cho Arduino, tiếp tục bấm JUST DOWNLOAD để bắt đầu tải.
Hình 3.28 Nhấp vào JUST OWNLO để tải phần mềm.
Hình 3.29 Chọn nơi lưu file và bấm Start Download.
Bước 2: Sau khi download xong, các bạn bấm chuột phải vào file vừa download arduino-1.6.4-windows.zip và chọn “Extract here” để giải nén.
Bước 3: Copy thư mục arduino-1.6.4 vừa giải nén đến nơi lưu trữ.
Bước 4: Chạy file trong thư mục arduino-1.6.4\ để khởi động Arduino IDE
Hình 3.31 Giao diện của Arduino IDE.
❖ Cài đặt Driver Để máy tính của bạn và board Arduino giao tiếp được với nhau, chúng ta cần phải cài đặt driver trước tiên.
If you are using Windows 8, you may encounter issues installing the Arduino driver because it is not signed with a valid digital signature To successfully install the driver, you need to boot Windows in Disable Driver Signature Enforcement mode.
Xem hướng dẫn thực hiện tại bài viết Disabling Driver Signature on Windows
