Đề tài Hệ thống giám sát và báo động khí gas

i BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ BÁO ĐỘNG KHÍ GAS GVHD: Hà A Thồi SVTH: Đoàn Thanh Đủ MSSV: 14141068 Tp. Hồ Chí Minh – 07/2018 ii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 20 tháng 7 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Đoàn Thanh Đủ MSSV: 14141068 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 1414DT2 I. TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ BÁO ĐỘNG KHÍ GAS. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Hệ thống giám sát và báo động khí gas được thực hiện với các số liệu ban đầu như sau: - Hệ thống thu thập dữ liệu về nồng độ khí gas theo giá trị % để giám sát nồng độ khí gas có ở trong không khí. - Hiển thị giá trị thu thập được trên LCD và trên trang web Thingspeak.com để theo dõi tình trạng nồng độ khí gas trong không khí. - Nếu phát hiện nồng độ khí gas trong không khí tăng lên, có rò rỉ khí gas nguy hiểm sẽ báo động thông qua còi báo động, tin nhắn sms và gọi điện. 2. Nội dung thực hiện - Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài. - Tìm hiểu cơ sở lý thuyết. - Thiết kế và thi công mạch nguồn. - Thiết kế khối cảm biến, khối hiển thị, khối báo động tại chỗ, khối up dữ liệu lên web, khối báo động qua tin nhắn, khối truyền nhận dữ liệu bằng sóng RF. - Thiết kế và thi công bộ xử lí thứ cấp, bộ xử lí trung tâm. - 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. iii - 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. - Cân chỉnh hệ thống. - Viết luận văn. - Báo cáo đề tài tốt nghiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/3/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/6/2018 V. HỌ VÀ TÊN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Hà A Thồi GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP iv TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 20 tháng 7 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Đoàn Thanh Đủ Lớp: 1414DT2C MSSV:14141068 Tên đề tài: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ BÁO ĐỘNG KHÍ GAS Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (19/3 –25/3) - Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án, tiến hành chọn đồ án. - GVHD tiến hành xét duyệt đề tài. Tuần 2 (26/3 – 1/4) - Viết đề cương - Viết lịch trình làm đề tài. Tuần 3 (2/4 – 8/4) -Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan với đề tài: Cảm biến khí gas MQ2, Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560, ESP8266 NodeMCU, LCD 16x2, Module NRF24L01 thu phát sóng vô tuyến, Module Sim 900a mini. Tuần 4 (9/4 – 15/4) - Tìm hiểu về giao tiếp giữa cảm biến, các module và thiết bị cảnh báo với Arduino ở bộ điều khiển thứ cấp. Tuần 5 (16/4 – 22/4) - Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module và thiết bị cảnh báo với Arduino ở bộ điều khiển trung tâm. - Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng các khối. - Tính toán thiết kế khối nguồn. Tuần 6 (23/4 – 29/4) - Kết nối tất cả các khối lại và thiết kế sơ đồ toàn mạch, giải thích nguyên lý hoạt động của mạch. - Vẽ PCB. Tuần 7 (30/4 – 6/5) - Lập trình code cho VDK và tiến hành thi công mạch v Tuần 8 (7/5 – 13/5) - Lập trình code cho VDK và tiến hành thi công mạch Tuần 9 (14/5 –20/5) - Lập trình code cho VDK và tiến hành thi công mạch Tuần 10 (21/5 – 27/5) - Kiểm tra mạch thi công. - Viết báo cáo những nội dung đã làm. Tuần 11 (28/5 – 3/6) - Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem xét góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo. - Nộp quyển báo cáo và báo cáo đề tài. Tuần 12 (4/6 – 10/6) - Làm slide (6-10 slide), báo cáo với GVHD. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) vi LỜI CAM ĐOAN Đề tài này nhóm chúng tôi thực hiện dựa trên sách vở và nghiên cứu từ tài liệu online để hoàn thiện đề tài, không sao chép từ bất cứ công trình nào đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Đoàn Thanh Đủ vii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Hà A Thồi đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài. Em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Điện - Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 1414DT2 đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Cảm ơn đến cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất về kinh tế và tinh thần để con hoàn thành tốt đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Đoàn Thanh Đủ viii MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bìa ............................................................................................................... i Nhiệm vụ đồ án ...........................................................................................................ii Lịch trình .................................................................................................................... iv Lời cam đoan .............................................................................................................. vi Lời cảm ơn ................................................................................................................vii Mục lục .................................................................................................................... viii Liệt kê hình ảnh .......................................................................................................... xi Liệt kê bảng ............................................................................................................... xv Tóm tắt ..................................................................................................................... xvi Chương 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU ........................................................................................................ 1 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................. 2 1.4 GIỚI HẠN ......................................................................................................... 2 1.5 BỐ CỤC ............................................................................................................ 3 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 4 2.1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 4 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ............................................................................. 4 2.2.1 Bộ điều khiển trung tâm ............................................................................. 4 2.2.2 LCD 16x2 ................................................................................................. 11 2.2.3 Module cảm biến khí MQ-2 ..................................................................... 15 2.2.4 Kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU ................................................................. 17 2.2.5 Module thu phát sóng RF ......................................................................... 21 2.2.6 Module Sim900A mini ............................................................................. 25 2.2.7 Module Relay 1 kênh 5V .......................................................................... 29 2.2.8 Còi báo động 12V ..................................................................................... 31 2.3 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU................................................................ 32 2.3.1 Giao tiếp Serial – UART .......................................................................... 32 ix 2.3.2 Chuẩn truyền thông SPI ............................................................................ 33 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................. 34 3.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................... 34 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..................................................... 34 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .................................................................... 34 3.2.2 Tính toán và thiết kế ................................................................................. 35 3.2.3 Sơ đồ nguyên lí toàn hệ thống .................................................................. 43 3.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ............................................................................... 46 3.3.1 Lưu đồ giải thuật....................................................................................... 46 3.3.2 Phần mềm lập trình ................................................................................... 55 3.3.3 Trang Web ThingSpeak.com .................................................................... 64 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................... 67 4.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................... 67 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................. 67 4.2.1 Thi công board mạch ................................................................................ 67 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ................................................................................... 70 4.2.3 Thi công hộp bảo vệ ................................................................................. 71 4.2.4 Tài liệu hướng dẫn sử dụng thao tác ........................................................ 74 Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................................ 75 5.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................... 75 5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .................................................................................. 75 5.2.1 Sử dụng cảm biến ..................................................................................... 75 5.2.2 Sử dụng Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3 ...................................... 75 5.2.3 Đưa dữ liệu lên web Thingspeak.com dùng ESP8266 NodeMCU .......... 76 5.2.4 Truyền nhận thông tin qua lại dùng sóng vô tuyến (RF).......................... 76 5.2.5 Sử dụng module Sim thực hiện cuộc gọi và gửi tin nhắn ........................ 76 5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ........................................................................... 77 5.3.1 Hình ảnh hệ thống khi hoàn thành và đang hoạt động ............................. 77 5.3.2 Tình trạng hệ thống khi không có khí gas rò rỉ ........................................ 78 5.3.3 Tình trạng hệ thống khi rò rỉ khí gas khu vực 1 ....................................... 80 5.3.4 Tình trạng hệ thống khi rò rỉ khí gas khu vực 2 ....................................... 83 5.3.5 Tình trạng hệ thống khi rò rỉ khí gas khu vực 1 và 2 ............................... 86 5.4 NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ............................................................................... 88 x 5.4.1 Nhận xét .................................................................................................... 88 5.4.2 Đánh giá .................................................................................................... 89 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẾN .......................................... 90 6.1 KẾT LUẬN...................................................................................................... 90 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................. 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 91 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 92 xi LIỆT KÊ HÌNH ẢNH Hình Trang Chương 2 Hình 2.1 Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3 ............................................................... 5 Hình 2.2 Hình ảnh thực tế Arduino Mega 2560 R3 .................................................... 6 Hình 2.3 Các thành phần chức năng của Arduino Uno R3 ......................................... 7 Hình 2.4 Các thành phần chức năng của Arduino Mega 2560 R3 .............................. 7 Hình 2.5 Hệ thống đếm hàng tự động sử dụng Arduino ............................................. 9 Hình 2.6 Máy in 3D sử dụng công nghệ Arduino ....................................................... 9 Hình 2.7 Hệ thống nhà thông minh sử dụng Arduino ............................................... 10 Hình 2.8 Mô hình xe robot dò đường sử dụng Arduino ........................................... 10 Hình 2.9 Hình dáng của loại LCD 16x2 ................................................................... 11 Hình 2.10 Sơ đồ chân của LCD 16x2 ....................................................................... 11 Hình 2.11 Hình ảnh thực tế cảm biến khí MQ-2....................................................... 15 Hình 2.12 Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2 .................................. 17 Hình 2.13 Mạch nguyên lý đầy đủ cho ESP8266 ..................................................... 18 Hình 2.14 Sơ đồ chân kit Wifi ESP8266 NodeMCU................................................ 21 Hình 2.15 Module thu phát sóng RF nRF24L01 ...................................................... 22 Hình 2.16 Kích thước và vị trí các chân của module nRF24L01 ............................. 22 Hình 2.17 Sơ đồ chân nRF24L01 cho 1 khối QDN20 4x4 ....................................... 23 Hình 2.18 Sim900A .................................................................................................. 25 Hình 2.19 Phần giao tiếp simcard ............................................................................. 26 Hình 2.20 Mạch kiểm tra trạng thái kết nối của sim900A ........................................ 27 Hình 2.21 Module GSM GPRS Sim 900A Mini ...................................................... 29 Hình 2.22 Module relay 1 kênh 5V ........................................................................... 30 Hình 2.23 Còi báo động 12V .................................................................................... 31 Hình 2.24 Truyền dữ liệu qua lại giữa 2 VDK và VDK với PC ............................... 32 Chương 3 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................... 34 Hình 3.2 Sơ đồ kết nối cảm biến MQ-2 với Arduino UNO ...................................... 36 Hình 3.3 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với LCD ....................................................... 36 xii Hình 3.4 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với LCD .................................................... 37 Hình 3.5 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với Relay và loa ........................................... 37 Hình 3.6 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với Relay và loa ........................................ 38 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối Arduino Mega 2560 với ESP8266 MCU ............................. 38 Hình 3.8 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với module thu phát sóng nRF24L01 .......... 39 Hình 3.9 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với module thu phát sóng nRF24L01 ....... 39 Hình 3.10 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với module Sim900A mini. .................... 40 Hình 3.11 Mạch nguồn 5V 1A cho khối xử lí thứ cấp ......................................... 42 Hình 3.12 Mạch nguồn 5V 3A cho khối xử lí trung tâm ...................................... 42 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khố xử lý thứ cấp .......................................................... 43 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm ...................................................... 44 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ...................................................................... 44 Hình 3.16 Lưu đồ chương trình chính trung tâm ...................................................... 46 Hình 3.17 Lưu đồ chương trình khu vực 1................................................................ 48 Hình 3.18 Lưu đồ chương trình khu vực 2................................................................ 49 Hình 3.19 Lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 1 ............................ 50 Hình 3.20 Lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 2 ............................ 51 Hình 3.21 Lưu đồ chương trình con hiển thị LCD.................................................... 51 Hình 3.22 Lưu đồ chương trình con kiểm tra nguy hiểm ......................................... 52 Hình 3.23 Lưu đồ chương trình con Truyền nRF 1 .................................................. 53 Hình 3.24 Lưu đồ chương trình con Truyền nRF 2 .................................................. 54 Hình 3.25 Lưu đồ chương trình con gửi tin nhắn báo nguy hiểm............................. 54 Hình 3.26 Lưu đồ chương trình con gọi điện thoại báo nguy hiểm .......................... 55 Hình 3.27 Nhấp vào Windows Zip file for non admin install. ................................. 56 Hình 3.28 Nhấp vào JUST OWNLO để tải phần mềm. ............................................ 57 Hình 3.29 Chọn nơi lưu file và bấm Start Download. .............................................. 57 Hình 3.30 Giải nén file vừa tải. ................................................................................. 57 Hình 3.31 Giao diện của Arduino IDE. .................................................................... 58 Hình 3.32 Chạy file exe, sau đó nhấn Next. ............................................................. 59 Hình 3.33 Nhấn Install khi có yêu cầu xác nhận. ..................................................... 59 Hình 3.34 Quá trình cài đặt diễn ra. .......................................................................... 60 Hình 3.35 Nhấn Finish để kết thúc quá trình cài đặt................................................. 60 Hình 3.36 Vị trí các chức năng cơ bản ...................................................................... 61 xiii Hình 3.37 Mở ví dụ trong Arduino IDE ................................................................... 62 Hình 3.38 Chọn Board để kết nối board thực tế với phần mềm ............................... 63 Hình 3.39 Chọn cỗng COM board thực tế liên kết với máy tính .............................. 64 Hình 3.40 Đăng ký một tài khoản miễn phí .............................................................. 65 Hình 3.41 Tạo Data Channel ..................................................................................... 65 Hình 3.42 Lấy URL cần thiết để upload dữ liệu ....................................................... 66 Hình 3.43 Xem các dữ liệu này trong channel .......................................................... 66 Chương 4 Hình 4.1 Mạch PCB bộ xử lí trung tâm .................................................................... 68 Hình 4.2 Mạch PCB trạm thu khu vực 1 và 2 ..................