Tài liệu Xây dựng dựng hệ thống cảnh báo cháy dùng công nghệ cảm biến không dây

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 2 1. Tóm tắt nội dung dự án. .................................................................................. 3 2. Giới thiệu và tổng quan về vấn đề nghiên cứu ............................................... 4 3. Giả thuyết khoa học và phát biểu mục đích nghiên cứu. ................................ 5 3.1. Giả thuyết khoa học .................................................................................. 5 3.2. Mục đích nghiên cứu. ............................................................................... 5 4. Phương pháp nghiên cứu (tài liệu và thực nghiệm) ........................................ 6 4.1. Xây dựng mô hình kiến trúc hệ thống ...................................................... 6 4.1.1. Khối cảm biến. .................................................................................... 7 4.1.2. Khối chuyến đổi dữ liệu ADC. ........................................................... 8 4.1.3. Bộ vi điều khiển. ................................................................................. 9 4.1.4. Khối thu/phát vô tuyến RF (Radio Frequency): ............................... 10 4.2. Lắp ghép các thiết bị thành nút mạng cảm biến không dây.................... 11 4.3. Lắp ghép các thiết bị thành bộ thu sóng RF ........................................... 12 4.4. Thuật toán điều khiển hệ thống ............................................................... 13 4.4.1. Thuật toán bộ phát ............................................................................ 13 4.4.2. Thuật toán điều khiển bộ thu ............................................................ 15 4.5. Phần mềm điều khiển .............................................................................. 16 4.6. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm ........................................................ 17 5. Số liệu - kết quả nghiên cứu .......................................................................... 18 6. Phân tích số liệu/ kết quả và thảo luận .......................................................... 21 7. Kết luận ......................................................................................................... 22 8. Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 22 1 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá nghiên cứu để hoàn thành dự án khoa học này, nhóm học sinh chúng em đã nhận được sự quan tâm, hướng dẫn, động viên của thầy giáo Phạm Chí Minh và ban giám hiệu trường THPT Quốc Tuấn, các bạn bè trong trường đã nhiệt tình giúp đỡ chúng em. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, chúng em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu trường THPT Quốc Tuấn, các thầy cô và các bạn học sinh trong trường đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ chúng em trong quá trình nghiên cứu khoa học kỹ thuật. Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn các anh, chị và các bạn đi trước, đã nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, nhờ đó mà chúng em đã có được thông tin bổ sung hữu ích cần thiết trong công việc của mình. Hải Phòng, ngày 20 tháng 10 năm 2016 HỌC SINH Bùi Duy Sơn Đào Thị Yến 2 1. Tóm tắt nội dung dự án. Hỏa hoạn luôn là một nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày. Mặc dù đã có nhiều biện pháp và hệ thống được đưa ra để phát hiện và cảnh báo cháy nhưng nhiều thảm họa do cháy vẫn xảy ra, gây nhiều thiệt hại về người và của. Trong phòng chống cháy hiện nay, chưa có một hệ thống cảnh báo cháy tự động nào được triển khai. Do đó, nếu để xảy ra cháy thì thiệt hại là vô cùng lớn, thời gian để khắc phục hậu quả mất nhiều thời gian và tiền của. Hiện nay chúng ta đang sống trong thời kì phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành Điện tử Viễn thông nói riêng, mạng cảm biến không dây ra đời là một trong những thành tựu cao của Khoa học Công nghệ. Một trong các lĩnh vực của mạng cảm biến không dây là sự kết hợp của việc cảm biến, tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người cũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi ích của con người, làm cho con người không mất quá nhiều sức lực, nhân công nhưng hiệu quả công việc vẫn cao. Với khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả, mô hình trao đổi thông tin cậy, công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network) đang ngày càng chứng tỏ được ưu điểm của nó trong các hệ thống quan trắc và giám sát môi trường tự động. Từ thực những yêu cầu thực tế đó, nhóm nghiên cứu chúng em đã chọn đề tài: “Xây dựng dựng hệ thống cảnh báo cháy dùng công nghệ cảm biến không dây”, với mong muốn xây dựng nên một hệ thống có khả năng giám sát liên tục và cảnh báo sớm nguy cơ cháy, giúp hạn chế tối đa hậu quả do hỏa hoạn gây ra . Sức mạnh của WSN ở khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình, tính linh hoạt và hoạt động theo cơ chế thời gian thực…, trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung xây dựng hệ thống cảnh báo cháy tích hợp phần cứng và phần mềm quản lí dùng công nghệ cảm biến không dây. 3 2. Giới thiệu và tổng quan về vấn đề nghiên cứu Sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ vi điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông đã tạo xu hướng hội tụ công nghệ nhằm xây dựng các hệ thống tích hợp thông minh, với nhiều khả năng và ứng dụng. Dựa vào những thông tin thu được từ môi trường, hệ thống có thể đưa ra những đáp ứng phù hợp. Bởi vậy, việc phát triển công nghệ cảm biến, đặc biệt là cảm biến không dây cho phép thu nhận thông tin môi trường là rất cần thiết. Bên cạnh đó, các công nghệ tiên tiến như IoT (Internet of Things), WoT (Web of Things),.. đã tạo ra những cơ hội lớn cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai các hệ thống thông minh trên toàn cầu. Điều này đã đặt ra yêu cầu cần phải liên kết các hệ thống cảm biến với nhau để tạo ra các mạng cảm biến nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng, chia sẻ dữ liệu, nâng cao khả năng và hiệu quả kinh tế. Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là sự liên kết hay kết nối không dây giữa các nút cảm biến với nhau, nhằm trao đổi thông tin và đáp ứng yêu cầu cầu người dùng [1]. Mỗi nút cảm biến bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, bộ vi xử lý và các cảm biến. Chúng có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, thu thập thông tin,.. hoặc đáp ứng các yêu cầu của người dùng như theo dõi, chụp ảnh, bật tắt thiết bị hay hệ thống. Sự liên kết của các nút cho phép chúng phối hợp thực hiện nhiệm vụ trên các thông tin và dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Với mục tiêu nghiên cứu, thử nghiệm công nghệ cảm biến không dây trong các ứng dụng thực tế, nhóm tác giả tập trung xây dựng một hệ thống cảnh báo cháy tích hợp phần cứng và phần mềm quản lí dùng công nghệ cảm biến không dây. Hệ thống bao gồm một nút Master kết nối trực tiếp với máy tính cho phép quản lí, theo dõi tình trạng của các nút Slave trong hệ thống với giao diện thân thiện. 4 3. Giả thuyết khoa học và phát biểu mục đích nghiên cứu. 3.1. Giả thuyết khoa học Hệ thống cảnh báo cháy hiện nay rất phổ biến trên thị trường, của các hãng điện tử lớn chế tạo như Hochiki –Mỹ; Woosung – Hàn Quốc… chúng đều có chức năng là cảnh báo cháy được các hộ gia đình và các khu công nghiệp sử dụng. Đặc điểm của các thiết bị đó là lắp đặt phức tạp, hoạt động độc lập vì chúng không tự kết nối với nhau được. Không quản lý tập trung được, không lưu được các thông số theo thời gian thực. Từ những tực tế đó nhóm nghiên cứu chúng em muốn có một hệ thống cảnh báo cháy tự động kết nối với nhau bằng sóng vô tuyến để hệ thống có thể quản lý theo dõi tập trung cho việc giáp sát, yêu cầu các thiết bị đó phải nhỏ gọn, lắp đặt đơn giản, thích nghi được mọi điều kiện thời thiết nguy hiểm mà con người không thể tiếp cận được. Hệ thống cảnh báo còn được xây dựng mô hình quản lý trên máy tính. Người dùng có thể dễ dàng sử dụng và quản lý theo dõi hệ thống. Với giả thuyết của chúng em đưa ra để xây dựng hệ thống, khi hoàn thành sẽ đem lại nhiểu lợi ích cho người sử dụng và hạn chế cháy, nổ. 3.2. Mục đích nghiên cứu. Hỏa hoạn luôn là một nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày. Mặc dù đã có nhiều biện pháp và hệ thống được đưa ra ra để phát hiện và cảnh báo cháy nhưng nhiều thảm họa do cháy vẫn xảy ra, gây nhiều thiệt hại về người và của. Trong phòng chống cháy hiện nay, chưa có một hệ thống cảnh báo cháy tự động nào được triển khai. Do đó, nếu để xảy ra cháy thì thiệt hại là vô cùng lớn, thời gian để khắc phục hậu quả mất nhiều thời gian và tiền của. Với khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả, mô hình trao đổi thông tin tin cậy, công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network) đang ngày càng chứng tỏ được ưu điểm của nó trong các hệ thống quan trắc và giám sát môi trường tự động. 5 4. Phương pháp nghiên cứu (tài liệu và thực nghiệm) 4.1. Xây dựng mô hình kiến trúc hệ thống Mô hình kiến trúc hệ thống bao gồm 02 phần chính như chỉ ra trong Hình 1. Các nút cảm biến đặt tại các điểm cần giám sát (Slave Node - SN). Nút Trung tâm (Master Node - MN) thu nhận tín hiệu từ nút cảm biến, kết nối với Trung tâm dữ liệu. Hình 1. Kiến trúc hệ thống Cấu trúc nút Master/Slave được chỉ ra trong hình 2. a b Hình 2. Cấu trúc nút Slave (a) và Master (b) 6 Các khối chính: Khối cảm biến: thu thập thông tin từ môi trường ngoài: nhiệt độ, khói Khối chuyển đổi tín hiệu: chuyển đổi tín hiệu tương tự - số và ngược lại Khối vi điều khiển: điều khiển hoạt động của nút, đóng gói và giải mã dữ liệu đến và đi trên mạng. Khối thu/phát vô tuyến RF (Radio Frequency): truyền/nhận tín hiệu RF từ các nút Slave tới Master. Máy tính cá nhân: tạo giao diện người dùng, điều khiển hệ thống. 4.1.1. Khối cảm biến.  Cảm biến khói MQ – 5 Cảm biến MQ-5 được ứng dụng trong các thiết bị phát hiện sự rò rỉ gas trong dân dụng và cả trong công nghiệp, cảm biến này có khả năng phát hiện khí LPG, khí thiên nhiên, khí than. Tránh các tác nhân gây nhiễu là rượu, khói nấu ăn và khói thuốc lá. Độ nhạy cảm biến có thể được điều chỉnh bằng biến trở tinh chỉnh. Thích hợp cho gia đình hoặc các khu công nghiệp có khí hóa lỏng công nghiệp, khí đốt, thiết bị giám sát không khí [2]. Hình 3. Cảm biến khói MQ-5 - Đặc điểm của cảm biến khói MQ -5. + Phát hiện khí: LPG, rượu, CO, khói... + Tốc độ phản hồi nhanh. + Hoạt động ổn định và bền bỉ. + Mạch đơn giản, dễ dàng sửa chữa. 7 + Có bốn lỗ vít để định vị dễ dàng. + Sản phẩm Kích thước: 32 (L) * 20 (W) * 22 (H).  Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là một cảm biến có độ phân giản từ 9 -12 bit. Cảm biến giao tiếp với vi điều khiển bằng giao thức 1- wire. Với 64 bit địa chỉ, một vi điều khiển có thể dễ dàng đọc dữ liệu từ một cảm biến DS18B20 thông qua giao thức 1- wire. Điều này rất có ý nghĩa đối với các dự án mà khoảng không gian rộng lớn [3]. Hình 4. Module cảm biến nhiệt độ DS18B20 4.1.2. Khối chuyến đổi dữ liệu ADC. Trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng vi điều khiển thì bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) là một thành phần rất quan trọng. Dữ liệu trong thế giới của chúng ta là các dữ liệu tương tự (analog). Ví dụ nhiệt độ không khí buổi sáng là 250C và buổi trưa là 320C, giữa hai mức giá trị này có vô số các giá trị liên tục mà nhiệt độ phải “đi qua” để có thể đạt mức 320C từ 250C, đại lượng nhiệt độ như thế gọi là một đại lượng analog. Trong khi đó, vi điều khiển là một thiết bị số (digital), các giá trị mà một vi điều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực chất chúng được tạo thành từ sự kết hợp của hai mức 0 và 1. Ví dụ chúng ta muốn dùng một thanh ghi 8 bit trong vi điều khiển để lưu lại các giá trị nhiệt độ từ 00C đến 2550C, như chúng ta đã biết, một thanh ghi 8 bit có thể chứa tối đa 256 (28) giá trị nguyên từ 0 đến 255, như thế các mức nhiệt độ không nguyên như 28.1230C sẽ không được ghi lại. Nói cách khác, chúng ta đã “số hóa” (digitalize) một dữ liệu analog thành một dữ liệu digital. Quá trình “số 8 hóa” này thường được thực hiện bởi một thiết bị gọi là “bộ chuyển đổi tương tự - số hay đơn giản là ADC (Analog to Digital Converter).[4] 4.1.3. Bộ vi điều khiển. Arduino Nano V3 sử dụng vi điều khiển họ 8 bit là ATmega328P. Hình 5. ATmega328P và sơ đồ chân kết nối  Đặc điểm ATmega328P - Cấu tạo RISC với khoảng 133 lệnh ASM, hầu hết thực hiện trong một chu kỳ máy. - Có 32 thành nghi đa năng làm việc ở các vùng nhớ có tốc độ cao. - Tốc độ thực hiện lệnh tối đa 16 MIPS (với thạch anh 16MHz, không chia tần). - 1KBytes EEPROM, dùng để lưu các biến ngay cả khi không được cấp điện. - Giao diện JTAG, cho phép nạp xoá EEPROM 100.000 lần, Flash 10.000 lần, Fulse Bits, Lock Bits. - 32KB bộ nhớ Flash, dùng làm bộ nhớ chương trình, cho phép nạp xoá. - 2KB SRAM dùng để lưu kết quả trung gian, làm bộ nhớ vào ra và dùng cho stack. - 2 kênh điều chế độ rộng xung PWM có độ phân giải 8bit. - 4 kênh điều chế độ rộng xung PWM có độ phân giải 2 đến 16 bits. 9 - Các chức năng ngoại vi tích hợp sẵn: 2 bộ Timer 16 bits có bộ chia tần riêng, 2 bộ Timer 8 bits với nhiều chế độ hoạt động, các chế độ đếm, định thời, so sánh (compare mode) và bắt giữ (capture mode). - Bộ đồng hồ thời gian thực. - Bộ ADC 10bit. - Giao diện SPI master/slave. - Chuẩn giao tiếp TWI (I2C). - Chuẩn truyền thông USART.[5] 4.1.4. Khối thu/phát vô tuyến RF (Radio Frequency): Module NRF24L01 hoạt động ở tần số sóng ngắn 2.4GHz nên module này khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao và truyền nhận dữ liệu trong điều kiện môi trường có vật cản. NRF24L01 có 126 kênh truyền, điều này giúp ta có thể truyền nhận dữ liệu trên nhiều kênh khác nhau. Modul khả năng thay đổi công suất phát bằng chương trình, điều này giúp nó có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng. Chú ý: Điện áp cung cấp cho là 1.9 và 3.6V. Điện áp thường cung cấp là 3.3V. Nhưng các chân IO tương thích với chuẩn 5V. Điều này giúp nó giao tiếp rộng dãi với các dòng vi điều khiển [6]. Hình 6. Module thu phát RF NRF24L01  Đặc điểm kĩ thuật RF NRF24L01 - Hoạt động ở giải tần 2.4G 10 - Có 126 kênh - Truyền tốc độ cao 1Mbps hoặc 2Mbps. - Công suất phát: Có thể cài đặt được 4 công suất nguồn phát: 0,-6,-12,18dBm. - Có bộ lọc nhiễu tại đầu thu - Nguồn cấp: hoạt động từ 1.9-3.6V. - Giao tiếp: 4 pin SPI - Tốc độ tối đa 8Mbps - 3-32 bytes trên 1 khung truyền nhận 4.2. Lắp ghép các thiết bị thành nút mạng cảm biến không dây Sau khi đã lựa chọn xong các thiết bị lúc này chúng ta tiến hành lắp ghép các module lại thành nút mạng. Hình 7. Cảm biến khói MQ-5 Hình 8. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Hình 9. Bộ thu phát RF NRF24L01 Hình 10. Arduino Nano V3 11 Hình 11. Mạch được hàn các chân để kết nối các module Hình 12. Nút cảm biến không dây 4.3. Lắp ghép các thiết bị thành bộ thu sóng RF Sau khi đã chuẩn bị xong các thiết bị lúc này chúng ta tiến hành lắp ghép các module lại thành bộ thu sóng RF Hình 13. Arduino Nano V3 Hình 14. Bộ thu phát RF NRF24L01 12 Hình 15. Mạch được hàn các chân để kết nối các Module Hình 16. Bộ thu sóng RF 4.4. Thuật toán điều khiển hệ thống 4.4.1. Thuật toán bộ phát - Người dùng thiết lập hệ thống. - Kích hoạt hệ thống kết nối với máy tính. - Hệ thống đọc thông số từ cảm biến nhiệt - Hệ thống đọc thông số từ cảm biến khói. - Phân tích và ghép nối dữ liệu. - Gửi dữ liệu về hệ thống (thời gian liên tục tính bằng 1s) 13 Hình 17. Lưu đồ thuật toán bộ phát  Hoạt động bộ phát - Bước 1: Khởi tạo phiên làm việc, kết nối các thiết bị. - Bước 2: Khởi tạo các chuỗi, các biến đếm, thiết lập các cổng ra với các giá trị mặc định sẵn. - Bước 3: Đọc thông số từ cảm biến nhiệt độ. - Bước 4: Đọc thông số từ cảm biến khói. - Bước 5: Phân tích và ghép nối dữ liệu. - Bước 6: Lặp lại cho đến khi có lệnh kết thúc với thời gian trễ là 1 giây. - Bước 7: Kết thúc. 14 4.4.2. Thuật toán điều khiển bộ thu T>700C hoặc có khói T>700C hoặc có khói Hình 18. Lưu đồ thuật toán bộ thu  Hoạt động của bộ thu - Bước 1: Khởi tạo phiên làm việc, các thiết bị, các kết nối - Bước 2: Khởi tạo các chuỗi, các biến đếm, thiết lập các cổng ra với các giá trị mặc định sẵn. - Bước 3: Nhận dữ liệu từ bộ phát 1. - Bước 4: Nếu nhiệt độ trên 700 C hoặc có phát hiện khói, đèn LED sẽ sáng và loa sẽ kêu trong 1s. 15 - Bước 5: Nhận dữ liệu từ bộ phát 2. - Bước 6: Nếu nhiệt độ trên 700C hoặc có phát hiện khói, đèn LED sẽ sáng và loa sẽ kêu trong 1s. - Bước 7: Phân tích và ghép nối dữ liệu. - Bước 8: Gửi dữ liệu lên máy tính. - Bước 9: Lặp lại cho đến khi có lệnh kết thúc với thời gian trễ là 1 giây. - Bước 10: Kết thúc. 4.5. Phần mềm điều khiển Với mô hình kiến trúc như nêu trên, thuật toán điều khiển được đề xuất: Bước 1: Khởi tạo phiên làm việc, các thiết bị và kết nối Bước 2: Khởi tạo giá trị mặc định các tham số, thiết lập cơ chế làm việc cho các cổng. Bước 3: Đọc các thông số môi trường và thực thi các lệnh điều khiển (t > 700C hoặc phát hiện có khói). Bước 4: Đóng gói dữ liệu và truyền về nút trung tâm theo phương thức RF. Bước 5: Giải mã tín hiệu, phát tín hiệu cảnh báo Bước 6: Kết thúc khi có yêu cầu từ người dùng. Ngoài thuật toán điều khiển chung cho hệ, các thuật toán điều khiển cho các nút cảm biến cũng được xây dựng. 16 Hình 19. Lưu đồ thuật toán hệ thống 4.6. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Sau lựa chọn các thiết bị phù hợp và tiến hành lắp ghép thành các module cho hệ thống. Lúc này chúng ta tiến hành chọn phần mềm Visual Studio 2013 viết chương trình quản lý hệ thống trên máy tính. 17 Hình 20. Giao diện lập trình Visual Studio 2013 5. Số liệu/ kết quả nghiên cứu Sau khi phân tích và lựa chọn các thiết bị phù hợp cho hệ thống và tiến hành lập chương trình quản lý trên máy tính qua ngôn ngữ lập trình C++ trên Visual Studio 2013.  Kết nối hệ thống Sau khi viết chương trình điều khiển xong, chúng ta tiến hành việc kết nối thiết bị vào máy qua cổng USB 18 Hình 21. Kết nối bộ thu vào máy tính Máy tính tự động nhận thiết bị, lúc này người sử dụng chạy chương trình quản lý hệ thống và chọn cổng COM4 và kết nối, máy tính sẽ tự nhận tín hiệu và hiện thị nhiệt độ thực nhận từ bộ cảm biến nhiệt. Hình 22. Giao diện bắt đầu chạy chương trình Hoạt động của chương trình điều khiển là luôn hiển thị nhiệt độ môi trường tại vị trí cảm lắp đặt vị trí cảm biến, người điều khiển quan sát trên giao diện của màn hình. Khi phát hiện nhiệt độ ở môi trường cao hơn 700C hệ thống cảnh phát tín hiệu cảnh báo và đèn LED bật sáng. Hệ thống cảm biến khói khi phát hiện có khói hoặc khí ga hệ thống tự động phát tín hiệu cảnh báo và đèn LED bật sáng, trên giao diện màn hình hệ thống báo có khói chuyển màu đỏ. 19 Tất cả sử thay đổi về nhiệt độ và cảnh báo có khói đều được lưu vào hệ thống File log theo thời gian thực, tên File được đặt theo năm, tháng, ngày hiện tại. (Hình 23) Hình 23. Nhiệt độ được lưu vào file Notepad Hình 24. Giao diện quản lý trên Windows Hình 24 là giao diện quản lý chạy trên Windows gồm 2 Module thể hiện nhiệt độ được cập nhật liện tục qua hệ thống thu phát tín hiệu. Bộ phận cảm biến khói khi phát hiện có khí ga hoặc khói được thể hiện trên hai hình vuông chuyển sang màu đỏ và có tiếng còi kêu cảnh báo. 20