TỔNG QUAN
G IớI T HIệU T ÌNH H ÌNH N GHIÊN C ứU H IệN N AY
Phòng cháy chữa cháy ngày càng trở thành mối quan tâm hàng đầu tại Việt Nam và nhiều quốc gia khác, đồng thời trở thành nghĩa vụ của mỗi công dân Các phương tiện truyền thông thường xuyên tuyên truyền và giáo dục người dân về ý thức phòng cháy chữa cháy, nhằm giảm thiểu những vụ cháy đáng tiếc xảy ra.
Hệ thống phòng cháy chữa cháy là yếu tố thiết yếu trong bất kỳ chung cư hay tòa nhà cao tầng nào, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tài sản và tính mạng con người Do đó, việc đầu tư lắp đặt và bảo trì hệ thống phòng cháy chữa cháy luôn được ưu tiên hàng đầu.
Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, hệ thống phòng cháy chữa cháy đã được cải tiến đáng kể để nâng cao độ tin cậy và hiệu quả hoạt động Hệ thống này còn có khả năng tích hợp với các hệ thống khác như chữa cháy tự động tại chỗ và hệ thống thông tin truyền thông (điện thoại, Internet), giúp thông báo kịp thời đến các trung tâm phòng cháy chữa cháy, từ đó đảm bảo an toàn cho tính mạng và tài sản.
T ÍNH CấP THIếT CủA Đề TÀI
Để nâng cao hiệu quả phòng cháy chữa cháy, cần thiết kế hệ thống thông minh nhằm giảm thiểu báo động giả do bụi hoặc khói thuốc lá, đồng thời khắc phục sự cố từ nút nhấn hỏng Hệ thống này cũng phải cung cấp hướng dẫn thoát hiểm an toàn và khả năng cung cấp nước nhanh chóng đến khu vực cháy Việc xây dựng một hệ thống phòng cháy chữa cháy thông minh là điều vô cùng quan trọng.
M ụC TIÊU THIếT Kế
Hệ thống phòng cháy, chữa cháy thông minh được thiết kế với khả năng giao tiếp và điều khiển qua giao diện máy tính, giúp người dùng dễ dàng quản lý Khi có sự cố xảy ra, hệ thống sẽ tự động thông báo qua điện thoại đến người có trách nhiệm, đảm bảo phản ứng kịp thời và hiệu quả trong việc xử lý tình huống khẩn cấp.
G IớI HạN Đề TÀI
Bài viết trình bày một mô hình chung cư nhỏ gồm hai tầng và bốn phòng, trong đó các cảm biến được sử dụng có phạm vi đo hạn chế Hệ thống chữa cháy được thiết kế với bồn chứa nước chữa cháy nhỏ và áp lực nước chữa cháy thấp.
Việc gia tăng số lượng tầng hoặc phòng, kết hợp với các tính năng khác, mở ra cơ hội phát triển phần cứng hệ thống và cải tiến thuật toán phức tạp hơn.
Đ ốI TƢợNG PHạM VI NGHIÊN CứU
Đề tài “Thiết kế hệ thống PCCCcho chung cƣ” đƣợc thực hiện với các đối tƣợng nghiên cứu sau:
Hoạt động của cảm biến LM35, LCD, IC74HC595.
Các module: MQ-2, HC-SR04, SIM900A mini V4, chuyển giao tiếp LCD sang I2C, relay.
Lập trình ngôn ngữ C#, giao tiếp Arduino và C#.
P HƯƠNG PHÁP TIếP CậN
Nhóm sinh viên tiến hành nghiên cứu và thực hiện báo cáo dựa trên tài liệu giáo trình điện tử cơ bản về vi xử lý và kỹ thuật số Đồng thời, nhóm khảo sát các hệ thống phòng cháy chữa cháy tại các tòa nhà chung cư như LOTTERY TOWER và chung cư The Eastern, từ đó hình thành ý tưởng thiết kế hệ thống hiệu quả.
N ộI DUNG Đồ ÁN
Xây dựng sơ đồ khối hệ thống.
Tính toán thiết kế hệ thống.
Thi công hệ thống, chạy thử và kiểm tra lỗi.
B ố CụC CủA Đồ ÁN
Đồ án này được trình bày trong 6 chương:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết liên quan.
Chương 3: Thiết kế mô hình.
Chương 4: Xây dựng và thiết kế hệ thống.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
T ổNG QUAN PCCC BÊN NGOÀI
2.1.1 Mô tả chung về hệ thống báo cháy
Hệ thống phòng cháy chữa cháy là một tập hợp các thiết bị hữu hạn, hoạt động đồng bộ để phát hiện, cảnh báo và xử lý các sự cố cháy nổ Hệ thống này sử dụng các thiết bị cảnh báo như âm thanh và hình ảnh khi có sự xuất hiện của lửa, khói, khí CO hoặc các tình huống khẩn cấp khác Khi xảy ra sự cố, hệ thống sẽ tự động phát hiện thông qua các đầu dò như đầu dò khói, đầu dò nhiệt, đầu dò ánh sáng và đầu dò hỗn hợp, gửi tín hiệu về trung tâm báo cháy để thực hiện các biện pháp báo động và dập tắt cháy.
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống phòng cháy chữa cháy căn bản.
2.1.2 Chức năng các thiết bị trong hệ thống báo cháy
Bảng 2.1: Mô tả các thiết bị trong hệ thống phòng cháy chữa cháy
8 Van điều khiển Đầu phun tự động
C ÁC CHUẩN GIAO TIếP
UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter, là một mạch tích hợp quan trọng trong việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi Nhiều vi điều khiển hiện đại đã tích hợp sẵn UART, cho phép sử dụng trong các ứng dụng như máy tính công nghiệp, truyền thông và các thiết bị truyền tin khác Chức năng chính của UART là truyền tín hiệu qua lại giữa các thiết bị, chẳng hạn như từ laptop vào modem hoặc từ vi điều khiển này sang vi điều khiển khác Trong kiểu truyền này, có một đường phát dữ liệu và một đường nhận dữ liệu, với tín hiệu xung clock có cùng tần số, thường được gọi là tốc độ truyền dữ liệu (baud).
Sơ đồ kết nối hình 2.2:
Hình 2.2: Sơ đồ kết nối UART.
I2C, viết tắt của "Inter-Integrated Circuit", là một loại bus nối tiếp được phát triển bởi Philips Ban đầu, I2C chỉ được sử dụng trong các linh kiện của hãng này, nhưng nhờ vào tính ưu việt và sự đơn giản, nó đã được chuẩn hóa và hiện nay được áp dụng rộng rãi trong các module truyền thông nối tiếp của vi mạch tích hợp.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:
Một đường xung nhịp đồng hồ (SCL) chỉ do Master phát đi (thông thường ở 100kHz và 400kHz Mức cao nhất là 1MHz và 3.4MHz).
Một đường dữ liệu (SDA) theo hai hướng.
Sơ đồ kết nối nhƣ hình 2.3:
Hình 2.3: Sơ đồ kết nối I2C.
GSM là một tiêu chuẩn quốc tế cho điện thoại di động, là từ viết tắt của
“Global System for Mobile Communications” Nó cũng đôi khi đƣợc gọi là 2G, vì nó là một mạng di động thế hệ thứ hai.
Trong số những thứ khác, GSM hỗ trợ các cuộc gọi đi và đến giọng nói, SMS (Simple Message System), và truyền dữ liệu (thông qua GPRS).
Một thiết bị sử dụng dữ liệu GPRS hoặc GSM có khả năng nhận và truyền tải nhiều luồng dữ liệu đồng thời, bao gồm lệnh AT, dữ liệu GPRS và GSM.
Dữ liệu cơ bản là độc lập, không thể đáp ứng với một loại tín hiệu duy nhất trên một kênh trong một khoảng thời gian nhất định Do đó, SIMCOM đã được phát triển để khắc phục vấn đề này.
5 thiết kế theo tiêu chuẩn GSM0710 để có thể truyền dẫn đồng thời nhiều luồng dữ liệu.
Cấu trúc khung truyền dữ liệu SIMCOM:
Bảng 2.2: Cấu trung khung truyền dữ liệu
Opening Flag và Closing Flag: mỗi khung bắt đầu và kết thúc với một chuỗi bit không đổi 0xF9.
Address Field: chứa các kết nối định dạnh liên kết dữ liệu (DLCI), bit C/R và bit mở rộng trường địa chỉ (EA).
Bảng 2.3: Cấu trúc Address Field
Control Field: đƣợc xác định trong bảng sau Bảng 2.4: Cấu trúc Control Field
SABM: thiết lập DLC giữa TE và MS.
UA: khung trả lời khung SABM hoặc khung DISC.
DM: khung báo cáo tình trạng kết nối dữ liệu.
UIH: gửi dữ liệu người dùng.
Length Field: trường này chỉ xuất hiện khi đã kích hoạt các lựa chọn cơ bản.
Bảng 2.5: Cấu trúc Length Field
Information Field: trường mang thông tin dữ liệu người dùng.
Module SIM được thiết kế để người dùng dễ dàng nghiên cứu và triển khai các ứng dụng GSM, GPRS như điều khiển, giám sát và truyền nhận dữ liệu Nhiều loại module SIM còn tích hợp hệ thống định vị GPS, nâng cao khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
Có rất nhiều loại module SIM có trên thị trường như module SIM300,module SIM900, module SIM900a, module SIM908
P HầN CứNG
2.3.1.Khối xử lý trung tâm Arduino Mega 2560
Arduino là một board mạch vi xử lý giúp xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau và môi trường xung quanh Phần cứng của Arduino bao gồm một board mạch nguồn mở dựa trên vi xử lý AVR Atmel 8bit hoặc ARM Atmel 32-bit, cùng với các kết nối ngoại vi và giao tiếp USB với máy tính.
Arduino đƣợc sử dụng trong đồ án là Arduino Mega 2560, có nhiều chân dễ dàng mở rộng đề tài và với nhiều tính năng mạnh mẽ.
Một mạch Arduino được cấu thành từ vi điều khiển AVR, đi kèm với nhiều linh kiện bổ sung, giúp việc lập trình trở nên dễ dàng và cho phép mở rộng kết nối với các mạch khác.
Sử dụng ngôn ngữ C với môi trường Arduino IDE tích hợp sẵn.
Cộng đồng phát triển rộng lớn.
Mã nguồn mở cho phép nhóm thực hiện báo cáo mở rộng cũng nhƣ học hỏi dễ dàng hơn.
Hệ thống module tiêu chuẩn với mỗi module là một chức năng (việc thiết kế chính là kết hợp các chức năng đã chuẩn hoá).
2.3.1.3 Các thông số kĩ thuật Arduino Mega 2560
Bảng 2.6: Thông số kĩ thuật Arduino Mega 2560.
1 Vi điều khiển Điện áp hoạt động
2 Điện áp vào (đề nghị) Điện áp vào (giới hạn)
6 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
7 Cường độ dòng điện trên mỗi
8 Cường độ dòng điện trên mỗi
2.3.1.4 Các chân vào ra Arduino Mega 2560
Hình 2.5: Chip Mega 2560 tương ứng với chân Arduino Mega 2560.
Hình 2.6: Các chân Arduino Mega 2560.
2.3.2 Module giảm áp DC-DC
Mạch giảm áp có khả năng hạ áp từ 30V xuống 1.5V với hiệu suất cao, được ứng dụng rộng rãi trong các mạch chia nguồn và hạ áp, cung cấp điện cho các thiết bị như camera, motor và robot.
Hình 2.7: Module giảm áp DC LM2596 3A.
Bảng 2.7: Thông số kĩ thuật LM2596
3 Dòng đáp ứng tối đa
2.3.3.Module cảm biến khí gas MQ-2
MQ-2 là một cảm biến khí đƣợc dùng để phát hiện các khí gây cháy, nó đƣợc cấu tạo từ chất bán dẫn Sn02.
Hình 2.8: Cảm biến MQ-2 Hình 2.9: Sơ đồ chân MQ-2.
SnO2 có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch, nhưng khi có mặt khí dễ cháy, độ dẫn điện của nó tăng lên Càng nhiều khí dễ cháy tồn tại, độ dẫn điện của SnO2 càng cao, và điều này được chuyển đổi thành tín hiệu điện, giúp phát hiện các loại khí như LPG (chủ yếu là Propane (C3H8) và Butane (C4H10)), propan (C3H8), và khói.
Cảm biến xuất ra hai dạng tín hiệu là digital và analog.
Bảng 2.8: Thông số kĩ thuật của MQ-2.
2 Dòng tiêu thụ khi nóng
Bảng 2.9: Độ nhạy điển hình của MQ-2 trong điều kiện tiêu chuẩn
Rs/ Ro : tỷ lệ kháng của cảm biến.
Rs: điện trở trong các loại khí khác nhau
Ro: điện trở của cảm biến ở 1000ppm Hydrogen
2.3.4 Module cảm biến siêu âm HC-SR04
Cảm biến siêu âm HC-SR04 là thiết bị phổ biến trong việc đo khoảng cách, có khả năng xác định khoảng cách từ 2 đến 300 cm với độ chính xác cao Hoạt động của cảm biến dựa trên việc phát tín hiệu siêu âm và đo thời gian để nhận tín hiệu phản hồi.
Bảng 2.10: Thông tin các chân HC-SR04
Bảng 2.11: Thông số kĩ thuật HC-SR04
3 Tín hiệu đầu ra xung
Cảm biến nhiệt độ LM35 là một thiết bị cảm biến tương tự được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực Với độ chính xác cao và sai số nhỏ, cùng kích thước gọn nhẹ và giá thành hợp lý, LM35 là lựa chọn lý tưởng cho nhiều dự án.
Cảm biến LM35 cung cấp giá trị hiệu điện thế tại chân Vout (chân OUT) tương ứng với từng mức nhiệt độ Độ chính xác của cảm biến này là 0.25°C ở nhiệt độ phòng và 0.75°C trong khoảng từ 2°C đến 150°C.
Bảng 2.12: Thông số kĩ thuật LM35
4 Độ phân giải điện áp ra
Module SIM900A mini V4 là giải pháp lý tưởng cho các dự án điều khiển từ xa, cho phép gửi và nhận dữ liệu từ các cảm biến với độ chính xác cao và khoảng cách truyền tải xa.
Bảng 2.13: Thông số kĩ thuật module SIM900A mini v4
2 Dòng khi chờ hoạt động
Bảng 2.14: Chức năng các chân module SIM900A mini v4
Một module relay bao gồm hai linh kiện thụ động chính là relay và transistor Có hai loại module relay: loại đóng ở mức thấp, khi nối cực âm vào chân tín hiệu relay sẽ kích hoạt, và loại đóng ở mức cao, khi nối cực dương vào chân tín hiệu relay sẽ hoạt động.
Bảng 2.15: Chi tiết các chân một module relay
Hình 2.14: Cấu tạo bên trong module relay.
Giải thích nguyên lý module relay:
Khi áp điện áp 5V (relay kích mức cao) hoặc 0V (relay kích mức thấp) vào chân IN, LED D1 sẽ sáng Áp suất truyền vào opto làm cho LED trong opto phát sáng, nhờ vào hiệu ứng quang điện, chân opto thông mạch Transistor PNP (kích mức cao) hoặc NPN (kích mức thấp) sẽ dẫn, khiến relay hút Diode D2 được sử dụng để ngăn dòng ngược và bảo vệ module.
Module có chức năng chuyển đổi giao tiếp LCD sang dạng I2C, tiết kiệm chân kết nối I/O cho vi điều khiển.
Bảng 2.16: Chân kết nối module LCD I2C với vi điều khiển
Van điện từ Solenoid là thiết bị cơ điện điều khiển chất lỏng hoặc khí bằng điện áp 220V hoặc 12V thông qua cuộn dây Khi cuộn dây được cấp điện, từ trường được tạo ra, tác động lên piston bên trong và khiến piston di chuyển.
Van điện từ được chia thành hai loại chính: van thường đóng và van thường mở Van thường đóng sẽ giữ trạng thái đóng khi không có điện, và chỉ mở ra khi được cấp điện Ngược lại, van thường mở sẽ mở sẵn và chỉ đóng khi có điện.
Loại van sử dụng trong đồ án là loại van thường đóng với 1 ngõ vào và 4 ngõ ra đƣợc điều khiển với điện áp 12V.
Hình 2.16: Van điện từ 1 in 4 out 2.3.10 Bơm
Máy bơm mini DC 5V thường được dùng trong các mô hình yêu cầu máy bơm công suất nhỏ, lượng nước bơm không lớn.
Bảng 2.17: Thông số kĩ thuật bơm DC 5V.
Màn hình LCD được ứng dụng rộng rãi trong các vi điều khiển nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại hiển thị khác Nó có khả năng hiển thị đa dạng các ký tự như chữ, số và ký tự đồ họa, mang lại tính trực quan cao Hơn nữa, LCD dễ dàng tích hợp vào mạch ứng dụng thông qua nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, đồng thời tiêu tốn ít tài nguyên hệ thống và có giá thành phải chăng.
Hình 2.18: Hình dạng và tên các chân của LCD 16x2.
Bảng 2.18: Thông tin các chân LCD 16x02
Bảng 2.19: Thông số kĩ thuật LCD 16x02
3 Khoảng cách giữa các chân
IC74HC595 là một IC ghi dịch 8 bit với chức năng chốt dữ liệu, cho phép đầu vào nối tiếp và đầu ra song song IC này thường được sử dụng trong các mạch quét LED 7 đoạn và LED matrix, giúp tiết kiệm số chân kết nối chỉ với 3 chân và có khả năng mở rộng linh hoạt.
Hình 2.19: IC74HC595 Hình 2.20: Sơ đồ chân IC74HC595.
Bảng 2.20: Chức năng các chân IC74HC595
Bảng 2.21: Thông số kĩ thuật IC 74HC595
Hình 2.21: Sơ đồ thời gian 74HC595.
Còi buzzer là loại còi dễ sử dụng, chỉ cần cung cấp điện áp là còi sẽ phát ra âm thanh Còi buzzer 5V có tuổi thọ cao và hiệu suất ổn định, mang lại chất lượng tốt, rất thích hợp cho thiết kế các mạch báo động với kích thước nhỏ gọn.
Bảng 2.22 : Thông số kĩ thuật KBP310G.
P HầN MềM
Arduino IDE là một công cụ lập trình giúp người dùng viết mã để nạp vào bo mạch Arduino Khi sử dụng, người lập trình cần phải chọn cổng kết nối và loại bo mạch tương ứng để đảm bảo quá trình nạp mã diễn ra suôn sẻ.
Một trương trình viết bởi Arduino IDE được gọi là sketch, sketch được lưu dưới định dạng “.ino”.
Chức năng các phím trên Arduino IDE được mô tả trong bảng 2.23 dưới đây:
Bảng 2.23: Chức năng các phím trong Arduino IDE
Verify : Kiểm tra lỗi và biên dịch code Upload : Dịch và upload code vào bo mạch đã đƣợc cài đặt sẵn New : Tạo sketch mới
Open: Mở một sketch có sẵn Save: Lưu sketch
Serial Monitor: Mở serial monitor
Chọn board mạch Arduino đang sử dụng: vào menu Tools
Hình 2.23: Chọn board cho Arduino.
Chọn port đang kết nối với Arduino: menu Tools
Serial Port chọn cổng Arduino đang kết nối với máy tính.
Chọn ngôn ngữ lập trình: Tools
Hình 2.24: Chọn cổng Arduino Hình 2.25: Chọn Programmer 2.4.2 Microsoft Visual C#
Microsoft Visual C# là bản rút gọn của Microsoft Visual Studio Đây là công cụ chuyên để lập trình C# đƣợc tách từ Microsoft Visual Studio.
Microsoft Visual C# offers various project types, including Console Application for standard console programs, Windows Form Application for creating software with custom-designed interfaces, and Class Library for developing libraries.
In this project, the team will utilize a Windows Form Application due to its user-friendly interface and the ability to customize the display to facilitate communication with Arduino.
Để thiết kế giao diện ứng dụng Windows Form theo ý muốn, người dùng chỉ cần kéo các đối tượng như button, textbox, label từ hộp thoại Toolbox bên trái màn hình vào Form Sau khi thêm các đối tượng, có thể tùy chỉnh các thuộc tính và nội dung của chúng thông qua hộp thoại Properties.
THIếT Kế MÔ HÌNH
L ựA CHọN LINH KIệN
Bảng 3.1: Các linh kiện trong mô hình tương ứng với hệ thống cứu hỏa
9 Đầu phun tự động Sprinkler
Bảng 3.2: Các linh kiện khác trong mô hình
Chương 4: Xây dựng và thiết kế hệ thống
4.1 Sơ đồ khối của hệ thống
4.1.1 Yêu cầu của hệ thống
Từ mục đích của đề tài, nhóm xây dựng hệ thống với nhu cầu nhƣ sau:
Khi xảy ra cháy, hệ thống sẽ tự động ngắt nguồn đang sử dụng từ lưới điện 220V chuyển sang nguồn dự phòng (bình acquy).
Đèn thoát hiểm thông minh là hệ thống chiếu sáng quan trọng, giúp hướng dẫn người sử dụng đến lối thoát an toàn, tránh xa khu vực có nguy cơ cháy nổ.
Nút nhấn khẩn cấp được trang bị trong mỗi phòng nhằm cung cấp sự hỗ trợ kịp thời khi có sự cố hoặc báo hiệu cháy Khi nút được nhấn, tín hiệu sẽ được gửi đến người quản lý, cho biết phòng nào cần trợ giúp Thông tin về căn phòng được hiển thị rõ ràng trên màn hình LCD thông qua giao diện C#.
Hệ thống âm thanh báo cháy: còi buzzer đƣợc đặt ở hai tầng mô hình và trong bảng điều khiển đƣợc đặt ở phòng quản lý.
Cảm biến khói và nhiệt độ có khả năng phát hiện các chất khí dễ cháy trong không khí và đo nhiệt độ Khi một trong hai yếu tố này vượt quá giới hạn cho phép, hệ thống sẽ gửi tín hiệu cảnh báo về khối xử lý trung tâm để kịp thời phát hiện đám cháy.
Bồn nước cần duy trì mức nước tối ưu để đảm bảo cung cấp đủ nước cho việc dập tắt đám cháy Việc sử dụng cảm biến siêu âm để theo dõi mức nước trong bồn là rất quan trọng; khi mức nước giảm xuống dưới ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ tự động điều khiển van bơm nước trở lại bồn.
Mô hình này bao gồm bốn phòng và yêu cầu một van điện từ với một ngõ vào cùng bốn ngõ ra Van sẽ được kích hoạt tương ứng với từng phòng để lấy nước từ bồn, phục vụ cho việc dập tắt đám cháy hiệu quả.
Hệ thống điện thoại: khi xảy ra cháy sẽ gọi đến người quản lý để báo hiệu có cháy đồng thời gửi tin nhắn phòng xảy ra cháy.
Bảng điều khiển các chế độ của hệ thống, xác nhận có xảy ra cháy.
Tạo giao diện điều khiển qua PC với ngôn ngữ C#.
Khối hướng dẫn thoát hiểm
Khối giao tiếp mạng di động
Khối xử lý trung tâm
Khối nút nhấn điều khiển
Hình 4.1: Sơ đồ khối tổng quát toàn hệ thống.
Khối phát hiện cháy bao gồm các cảm biến khói và cảm biến nhiệt độ, có chức năng đo lường tình trạng trong phòng và gửi tín hiệu đến khối xử lý trung tâm để kịp thời phát hiện các trường hợp cháy xảy ra.
Khối hiển thị sử dụng màn hình LCD để cung cấp thông tin quan trọng như chế độ hệ thống hiện tại, nhiệt độ, nồng độ khí gây cháy trong các phòng, lưu lượng nước, vị trí xảy ra cháy và khu vực cần hỗ trợ.
Khối hướng dẫn thoát hiểm: khối này gồm hệ thống đèn thoát hiểm thông minh chỉ dẫn lối thoát an toàn, hệ thống âm thanh báo cháy.
Khối điều khiển nước sử dụng cảm biến siêu âm để đo mức nước trong bồn, từ đó tự động điều khiển bơm nước Hệ thống này cho phép bơm tự động bật và tắt, đồng thời sử dụng các module relay để điều khiển bơm và van điện từ, với tín hiệu điều khiển được lấy từ khối xử lý trung tâm.
Khối nguồn dự phòng: khi xảy ra cháy, có nguy cơ cháy nổ với mạng điện chính, vì thế lúc này nguồn điện sẽ đƣợc chuyển tự động sang
29 nguồn dự phòng Nguồn dự phòng đồ án sử dụng là nguồn lấy từ acquy 12V 7.5Ah.
Khối giao tiếp mạng di động: gọi điện báo hiệu đến người quản lý và gửi tin nhắn nơi xảy ra cháy.
Khối nút nhấn điều khiển bao gồm hệ thống nút nhấn với chế độ auto/manual, cho phép người dùng dễ dàng chuyển đổi giữa hai chế độ này Hệ thống có nút nhấn khẩn cấp và trong chế độ manual, người dùng có thể kiểm tra đèn và bơm thông qua ba nút nhấn khác nhau Khi ở chế độ auto, nút nhấn "done" giúp quản lý và bảo vệ chung cư xác định chính xác có xảy ra cháy hay chỉ là báo động giả.
Khối xử lý trung tâm: đóng vai trò điều khiển toàn hệ thống, nhận dữ liệu từ các khối khác để thực hiện việc phòng cháy, chữa cháy.
PC: hiển thị dữ liệu các phòng và điều khiển hệ thống qua màn hình
PC bằng giao diện C# kết nối vi xử lý.
4.2 Tính toán thiết kế từng khối
Khối cảm biến bao gồm cảm biến khói và cảm biến nhiệt, có nhiệm vụ theo dõi nhiệt độ và nồng độ khí gây cháy tại bốn căn phòng trong mô hình Khi xảy ra cháy, nhiệt độ tăng cao và khói xuất hiện; nếu vượt quá ngưỡng giới hạn, khối sẽ gửi tín hiệu đến khối xử lý trung tâm, xác định căn phòng bị cháy thông qua cảm biến nhiệt và khói.
Phương án chọn phần cứng: Cảm biến khói:
- Module MQ – 2: module xác định các chất khí gây cháy.
- SLV – 24N: cảm biến khói dùng trong công nghiệp.
- Module MQ – 135: module cảm biến chất lƣợng không khí Cảm biến nhiệt:
- LM35: cảm biến tương tự analog.
- DS18B20: cảm biến nhiệt giao tiếp 1 dây.
Cảm biến khói MQ-2 được lựa chọn do giá thành rẻ hơn so với MQ-135, nhưng vẫn đáp ứng tốt yêu cầu thiết kế với hai mức đầu ra là digital và analog Tuy nhiên, việc sử dụng SLV-24N với nguồn 24V gây khó khăn trong việc cấp nguồn cho thiết bị.
Cảm biến nhiệt: sử dụng LM35 do độ chính xác khá cao, nhỏ gọn, không sử dụng thêm thƣ viện “onewire.h” tiết kiệm tài nguyên hơn DS18B20.
Lý do lựa chọn cảm biến khí gas MQ – 2 là cảm biến khói:
Cảm biến MQ-2 là thiết bị phổ biến trong việc phát hiện khí gas, đồng thời cũng có khả năng nhận diện các chất trong khói như khí CO và NO2.
SO2 biểu diễn với dạng đồ thị trong bảng độ nhạy điển hình được đề cập ở chương 2.
Kết nối với Arduino là bước quan trọng để đọc giá trị analog từ hai loại cảm biến, bao gồm cảm biến MQ-2 và LM35 Nhóm thực hiện đã báo cáo việc kết nối chân analog của cảm biến MQ-2 và chân OUT (chân 2) của LM35 với các chân analog của khối xử lý trung tâm, cho phép thu thập dữ liệu chính xác từ các cảm biến này.
Chọn port F của chip Mega 2560 để kết nối với 8 chân analog, từ chân analog pin 0 (PF0) đến chân analog pin 7 (PF7), nhằm kết nối khối báo hiệu cháy với Arduino.
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý khối phát hiện cháy.
Có 4 cảm biến khói MQ-2 gắn với bốn chân analog tương ứng của Arduino Mega 2560 là A0, A2, A4, A6, cảm biến MQ-2 sẽ đo nồng độ khói trong phòng và quy đổi thành mức điện áp tương ứng, sử dụng chân analog để có thể vừa có thể gửi tín hiệu báo cháy vừa thể hiện nồng độ chất khí gây cháy hiện có bên trong phòng, trái với chân digital chỉ hiển thị hai mức logic là 0 và 1.
XÂY DựNG VÀ THIếT Kế Hệ THốNG
S Ơ Đồ KHốI CủA Hệ THốNG
4.1.1 Yêu cầu của hệ thống
Từ mục đích của đề tài, nhóm xây dựng hệ thống với nhu cầu nhƣ sau:
Khi xảy ra cháy, hệ thống sẽ tự động ngắt nguồn đang sử dụng từ lưới điện 220V chuyển sang nguồn dự phòng (bình acquy).
Đèn thoát hiểm thông minh là hệ thống chiếu sáng giúp chỉ dẫn lối thoát an toàn, hướng dẫn người sử dụng tránh xa những khu vực có nguy cơ cháy nổ.
Nút nhấn khẩn cấp được lắp đặt trong mỗi phòng nhằm hỗ trợ khi xảy ra sự cố cần can thiệp từ bên ngoài, như báo hiệu cháy Khi nút được nhấn, tín hiệu sẽ được gửi đến người quản lý, cho biết phòng nào cần hỗ trợ, đồng thời hiển thị thông tin chi tiết trên màn hình LCD và giao diện C#.
Hệ thống âm thanh báo cháy: còi buzzer đƣợc đặt ở hai tầng mô hình và trong bảng điều khiển đƣợc đặt ở phòng quản lý.
Cảm biến khói và nhiệt có khả năng phát hiện các chất khí gây cháy và đo nhiệt độ trong không khí Khi một trong hai yếu tố này vượt quá giới hạn cho phép, hệ thống sẽ gửi tín hiệu cảnh báo về khối xử lý trung tâm để kịp thời xử lý tình huống cháy nổ.
Bồn nước cần duy trì mức nước tối thiểu để đảm bảo cung cấp đủ nước cho việc dập tắt đám cháy Việc sử dụng cảm biến siêu âm để theo dõi mức nước trong bồn là rất quan trọng Khi mức nước giảm xuống dưới ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ tự động điều khiển van bơm nước để bổ sung nước vào bồn, đảm bảo luôn có nguồn nước sẵn sàng khi cần thiết.
Mô hình này bao gồm 4 phòng và yêu cầu một van điện từ với một ngõ vào cùng bốn ngõ ra Van sẽ được kích hoạt tương ứng với từng phòng để lấy nước từ bồn nhằm dập tắt đám cháy hiệu quả.
Hệ thống điện thoại: khi xảy ra cháy sẽ gọi đến người quản lý để báo hiệu có cháy đồng thời gửi tin nhắn phòng xảy ra cháy.
Bảng điều khiển các chế độ của hệ thống, xác nhận có xảy ra cháy.
Tạo giao diện điều khiển qua PC với ngôn ngữ C#.
Khối hướng dẫn thoát hiểm
Khối giao tiếp mạng di động
Khối xử lý trung tâm
Khối nút nhấn điều khiển
Hình 4.1: Sơ đồ khối tổng quát toàn hệ thống.
Khối phát hiện cháy bao gồm cảm biến khói và cảm biến nhiệt độ, có chức năng đo lường tình trạng trong phòng và gửi tín hiệu về khối xử lý trung tâm để kịp thời phát hiện các trường hợp cháy xảy ra.
Khối hiển thị sử dụng màn hình LCD để cung cấp thông tin quan trọng, bao gồm chế độ hệ thống hiện tại, nhiệt độ, nồng độ khí gây cháy, lưu lượng nước, địa điểm xảy ra cháy và khu vực cần hỗ trợ.
Khối hướng dẫn thoát hiểm: khối này gồm hệ thống đèn thoát hiểm thông minh chỉ dẫn lối thoát an toàn, hệ thống âm thanh báo cháy.
Khối điều khiển nước sử dụng cảm biến siêu âm để đo mức nước trong bồn, từ đó tự động điều khiển bơm nước Hệ thống này bao gồm các module relay, cho phép bật tắt bơm và van điện từ dựa trên tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm.
Khối nguồn dự phòng: khi xảy ra cháy, có nguy cơ cháy nổ với mạng điện chính, vì thế lúc này nguồn điện sẽ đƣợc chuyển tự động sang
29 nguồn dự phòng Nguồn dự phòng đồ án sử dụng là nguồn lấy từ acquy 12V 7.5Ah.
Khối giao tiếp mạng di động: gọi điện báo hiệu đến người quản lý và gửi tin nhắn nơi xảy ra cháy.
Khối nút nhấn điều khiển bao gồm hệ thống nút nhấn với chế độ auto/manual, cho phép người dùng chuyển đổi giữa hai chế độ này Hệ thống có nút nhấn khẩn cấp và trong chế độ manual, có ba nút để kiểm tra đèn và bơm Khi ở chế độ auto, nút nhấn "done" giúp quản lý và bảo vệ chung cư xác định chính xác tình huống cháy hay báo động giả.
Khối xử lý trung tâm: đóng vai trò điều khiển toàn hệ thống, nhận dữ liệu từ các khối khác để thực hiện việc phòng cháy, chữa cháy.
PC: hiển thị dữ liệu các phòng và điều khiển hệ thống qua màn hình
PC bằng giao diện C# kết nối vi xử lý.
T ÍNH TOÁN THIếT Kế TừNG KHốI
Khối cảm biến bao gồm cảm biến khói và cảm biến nhiệt, có nhiệm vụ đo nhiệt độ và nồng độ khí cháy trong bốn căn phòng của mô hình Khi xảy ra cháy, nhiệt độ sẽ tăng và khói xuất hiện Nếu nhiệt độ hoặc nồng độ khói vượt quá ngưỡng giới hạn, khối sẽ gửi tín hiệu đến khối xử lý trung tâm, xác định căn phòng đang cháy dựa trên thông tin từ cảm biến nhiệt và khói.
Phương án chọn phần cứng: Cảm biến khói:
- Module MQ – 2: module xác định các chất khí gây cháy.
- SLV – 24N: cảm biến khói dùng trong công nghiệp.
- Module MQ – 135: module cảm biến chất lƣợng không khí Cảm biến nhiệt:
- LM35: cảm biến tương tự analog.
- DS18B20: cảm biến nhiệt giao tiếp 1 dây.
Cảm biến khói MQ-2 là lựa chọn kinh tế hơn so với MQ-135, nhưng vẫn đáp ứng đầy đủ yêu cầu thiết kế với hai mức đầu ra: digital và analog Tuy nhiên, đối với cảm biến SLV-24N sử dụng nguồn 24V, việc cấp nguồn có thể gặp khó khăn.
Cảm biến nhiệt: sử dụng LM35 do độ chính xác khá cao, nhỏ gọn, không sử dụng thêm thƣ viện “onewire.h” tiết kiệm tài nguyên hơn DS18B20.
Lý do lựa chọn cảm biến khí gas MQ – 2 là cảm biến khói:
Cảm biến MQ-2 là thiết bị phổ biến trong việc phát hiện khí gas, đồng thời cũng có khả năng nhận diện các chất trong khói như khí CO và NO2.
SO2 biểu diễn với dạng đồ thị trong bảng độ nhạy điển hình được đề cập ở chương 2.
Kết nối với Arduino là bước quan trọng để đọc giá trị analog từ hai cảm biến, bao gồm cảm biến MQ-2 và LM35 Nhóm thực hiện đã kết nối chân analog của cảm biến MQ-2 và chân OUT (chân 2) của LM35 với các chân analog của khối xử lý trung tâm, cho phép thu thập dữ liệu chính xác từ các cảm biến này.
Chọn port F của chip Mega 2560 để kết nối với 8 chân analog, từ analog pin 0 (PF0) đến analog pin 7 (PF7), nhằm kết nối khối báo hiệu cháy với Arduino.
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý khối phát hiện cháy.
Có 4 cảm biến khói MQ-2 gắn với bốn chân analog tương ứng của Arduino Mega 2560 là A0, A2, A4, A6, cảm biến MQ-2 sẽ đo nồng độ khói trong phòng và quy đổi thành mức điện áp tương ứng, sử dụng chân analog để có thể vừa có thể gửi tín hiệu báo cháy vừa thể hiện nồng độ chất khí gây cháy hiện có bên trong phòng, trái với chân digital chỉ hiển thị hai mức logic là 0 và 1.
Bài viết mô tả việc lắp đặt bốn cảm biến nhiệt LM35 vào các chân analog A1, A3, A5, và A7 Để thuận tiện cho việc đi dây, cảm biến khói và nhiệt cho mỗi phòng sẽ được bố trí cạnh nhau: A0 - A1 cho phòng A, A2 - A3 cho phòng B, A4 - A5 cho phòng C, và A6 - A7 cho phòng D.
Nhiệt độ báo cháy được thiết lập ở mức 65°C, gần với nhiệt độ hoạt động của hệ thống Sprinkler thực tế là 68°C, nhằm đảm bảo hiệu quả cấp nước thoát hiểm Mức khói báo động được đặt ở ngưỡng 300 Cả hai loại cảm biến này đều sử dụng nguồn điện 5V.
Nguyên lý tính toán nhiệt độ LM35 với Arduino:
- Hàm “analogRead” có độ phân giải ADC mặc định là 10 bit đối với board Mega 2560, 12 bit với board Arduino Due và Zero.
- Điện áp cung cấp cho LM35 trong hệ thốnglà 5V.
Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cung cấp một giá trị điện áp tại chân Vout (chân 2) tương ứng với mỗi mức nhiệt độ Độ phân giải của cảm biến này là 10mV, tương đương với 1 độ C.
- Công thức tính giá trị hiệu điện thế từ cảm biến: á ị ×5
- Quy đổi ra nhiệt độ với 10mV = 1 o C, do ở trên đơn vị là Volt nên nhân lên 100 sẽ được nhiệt độ tương ứng.
Khối này cung cấp thông tin về hoạt động của hệ thống, bao gồm chế độ hoạt động hiện tại, tình trạng nhiệt độ và nồng độ khí gây cháy trong từng căn phòng Nó cũng hiển thị mức nước chữa cháy trong bồn, đồng thời cảnh báo về căn phòng đang cháy và những khu vực cần hỗ trợ.
Màn hình hiển thị LCD 16x2 là lựa chọn phổ biến, với điện áp sử dụng phù hợp và khả năng hiển thị đầy đủ các ký tự cần thiết để truyền đạt thông tin một cách hiệu quả.
Để kết nối LCD với Arduino Mega 2560, cần sử dụng khoảng 8 chân, gây tốn nhiều chân kết nối và khó khăn khi sử dụng nhiều thiết bị Do đó, nhóm thực hiện đã áp dụng module chuyển đổi giao tiếp sang I2C cho LCD, giúp giảm thiểu chỉ còn 2 dây kết nối với khối xử lý trung tâm.
Khối hiển thị kết nối với Arduino Mega 2560 thông qua hai chân SDA và SCL, cùng với một chân digital để điều khiển nút nhấn chuyển đổi giữa các trạng thái hiển thị Sử dụng port D và port L của chip Mega 2560 để thực hiện kết nối này.
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị.
Để kết nối module LCD với Arduino Mega 2560 qua giao tiếp I2C, bạn cần kết nối chân SDA của module với chân digital 20 (SDA) và chân SCL với chân digital 21 (SCL) của Arduino Mega 2560.
Nút nhấn cần sử dụng điện trở để xác định trạng thái HIGH (5V) hoặc LOW (0V), đồng thời bảo vệ Arduino khỏi hư hỏng do dòng điện Đối với Arduino Mega 2560, dòng vào tối đa cho phép là 30mA.
Nhóm thực hiện báo cáo chọn điện trở 1000Ω để làm điện trở kéo cho nút nhấn, khi đó dòng điện vào chân I/O khi nhấn là:
L ậP TRÌNH PHầN MềM
4.3.1 Lập trình khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm đƣợc lập trình phải đáp ứng yêu cầu hệ thống:
Hệ thống hoạt động với hai chế độ chính: chế độ auto và chế độ manual Chế độ manual cho phép người dùng kiểm tra các thành phần của hệ thống, trong khi chế độ auto giúp vận hành hệ thống một cách tự động.
Đảm bảo hoạt động bơm nước chữa cháy lên bồn hợp lý, luôn đảm bảo lượng nước chữa cháy.
Khi nhận được tín hiệu báo cháy, nhân viên bảo vệ hoặc kỹ thuật sẽ có thời gian để xác minh tính xác thực của tín hiệu này Dựa vào kết quả kiểm tra, họ sẽ quyết định có nên bỏ qua tín hiệu hoặc tiến hành các biện pháp chữa cháy cần thiết.
Có nút nhấn yêu cầu giúp đỡ trong chung cƣ lúc xảy ra cháy mà người dân không thoát ra được khu vực cháy.
Kịp thời liên hệ tự động với quản lý tòa nhà hoặc bộ phân chữa cháy khi xảy ra cháy.
4.3.1.2 Lựa chọn công cụ lập trình
Hệ thống lựa chọn sử dụng Arduino Mega 2560 làm khối xử lý trung tâm, trong khi phần mềm Arduino IDE được chọn làm công cụ lập trình nhờ tính tiện lợi và hỗ trợ chuyên biệt cho các dòng Arduino.
CHƯƠNG TRÌNH ĐỌC CẢM BIẾN
