Báo cáo BTL: Hệ thống Cảnh báo Rò rỉ Khí Gas | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN -----🙞🙜🕮🙞🙜----- BÁO CÁO
Môn học: IOT và ứng dụng
Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas
Giảng viên: Trần Thị Thanh Thủy
Mã lớp học: INT14149 nhóm 04 Nhóm BTL: 04
Thành viên: Đỗ Nhật Minh - B21DCCN521
Nguyễn Mạnh Hùng – B21DCCN413
Đào Hải Đăng – B21DCCN197 Hà Nội – 2024 Mục lục
Giới thiệu........................................................................................................................... 3
Nội dung nghiên cứu......................................................................................................... 4
Chương 1: Tổng quan................................................................................................... 4 1.
Tên đề tài............................................................................................................4 2.
Mục tiêu..............................................................................................................4 3.
Phạm vi...............................................................................................................4
Chương 2: Cơ sở lý thuyết............................................................................................5 1.
Thiết bị phần cứng.............................................................................................5 2.
Phần mềm.........................................................................................................10 3.
Mô phỏng hệ thống...........................................................................................10
Chương 3: Thực nghiệm và kết quả...........................................................................13 1.
Giao diện Blynk................................................................................................13 2.
Code................................................................................................................... 15
Tài liệu tham khảo..........................................................................................................28 Giới thiệu
Trong bối cảnh hiện đại, công nghệ không ngừng phát triển và đóng vai trò ngày càng
quan trọng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Một trong những khái niệm công nghệ đã
và đang định hình sự thay đổi mạnh mẽ về cách chúng ta sống và làm việc là Internet of
Things (IoT). IoT đề cập đến mạng lưới các thiết bị vật lý có khả năng kết nối với
internet và trao đổi dữ liệu với nhau mà không cần sự can thiệp trực tiếp từ con người.
Những thiết bị này có thể bao gồm các thiết bị gia đình thông minh, cảm biến công
nghiệp, xe tự lái, và thậm chí cả các hệ thống tự động trong lĩnh vực y tế hay nông nghiệp.
Sự phát triển của IoT mang đến nhiều lợi ích vượt trội, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất,
nâng cao hiệu suất công việc, và cải thiện chất lượng cuộc sống. Các ứng dụng của IoT
trải rộng từ những tiện ích nhỏ như điều khiển đèn và nhiệt độ trong nhà cho đến những
hệ thống phức tạp hơn như quản lý thành phố thông minh, sản xuất tự động và theo dõi
sức khỏe cá nhân. Không chỉ dừng lại ở việc kết nối các thiết bị đơn lẻ, IoT còn mở ra cơ
hội cho việc phân tích dữ liệu lớn, cung cấp thông tin chi tiết và dự báo cho các doanh
nghiệp và chính phủ trong việc đưa ra quyết định.
Mặc dù tiềm năng của IoT là rất lớn, nhưng nó cũng đặt ra nhiều thách thức. Các vấn đề
về bảo mật thông tin và quyền riêng tư là những mối quan tâm hàng đầu. Khi ngày càng
nhiều thiết bị được kết nối với nhau, nguy cơ bị tấn công mạng và mất kiểm soát dữ liệu
cũng tăng lên. Do đó, việc phát triển các hệ thống bảo mật mạnh mẽ và các khung pháp lý
phù hợp là điều cần thiết để đảm bảo rằng IoT được áp dụng một cách an toàn và hiệu quả.
Internet of Things đang và sẽ tiếp tục thay đổi cách chúng ta sống, làm việc và tương tác
với thế giới xung quanh. Với khả năng kết nối và tự động hóa mạnh mẽ, IoT mang lại
những tiềm năng to lớn cho các ngành công nghiệp, chính phủ, và cuộc sống hàng ngày.
Tuy nhiên, để khai thác tối đa lợi ích của IoT, cần có sự đầu tư nghiêm túc vào nghiên
cứu, phát triển và bảo mật để đảm bảo rằng chúng ta có thể tận dụng những cơ hội mà IoT
mang lại một cách an toàn và bền vững.
Nội dung nghiên cứu Chương 1: Tổng quan 1. Tên đề tài
Xây dựng hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas 2. Mục tiêu
Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas sử dụng cảm biến để phát hiện nồng độ khí gas trong
không khí, cảnh báo người dùng khi vượt ngưỡng an toàn. Hệ thống giúp hạn chế hiện
tượng cháy nổ, rò rỉ khí gas, đảm bảo an toàn về tính mạng cũng như tài sản cho người sử dụng. 3. Phạm vi
Phạm vi của hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas bao gồm: 
Khu vực nhà ở và bếp: Giám sát an toàn trong không gian sinh hoạt hằng ngày. 
Khu công nghiệp: Đảm bảo an toàn trong các nhà máy, xưởng sản xuất sử dụng khí gas. 
Các cơ sở thương mại: Nhà hàng, khách sạn, nơi có hệ thống gas quy mô lớn. 
Tòa nhà thông minh: Tích hợp với hệ thống giám sát và tự động hóa.
Hệ thống có thể được triển khai ở nhiều quy mô khác nhau, từ gia đình đến công nghiệp.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
1. Thiết bị phần cứng
- Kit wifi nodemcu ESP8266 cp2102: Đóng vai trò là bộ vi xử lý trung tâm, kết nối
cảm biến và gửi dữ liệu lên hệ thống giám sát từ xa.
Chi tiết các chân như sau:
3V3: Chân cung cấp nguồn 3.3V cho module GND: Chân nối đất
VIN: Chân này cung cấp nguồn 5V để chuyển sang 3.3V thông qua bộ chuyển đổi điện áp trên board
EN: Chân Enable, khi được kéo cao, nó sẽ bật module
RST: Chân reset, khi được kéo xuống thấp sẽ reset module
TXD0/TXD1: Chân truyền dữ liệu (TX)
RXD0/RXD1: Chân nhận dữ liệu (RX)
GPIO: Chân I/O đa năng của module 
GPIO0: Chân đa năng, thường dùng để khởi động chế độ Flash. 
GPIO1 (TX): Dùng làm chân TX cho UART. 
GPIO2: Chân đa năng, thường sử dụng để điều khiển đèn LED trên board. 
GPIO3 (RX): Dùng làm chân RX cho UART. 
GPIO4, GPIO5: Các chân I/O thông dụng. 
GPIO9, GPIO10: Thường được dùng trong giao tiếp với bộ nhớ flash SPI. 
GPIO12, GPIO13, GPIO14: Các chân giao tiếp SPI (MOSI, MISO, SCLK). 
GPIO15: Chân giao tiếp SPI hoặc làm đầu ra thông thường. 
GPIO16: Thường dùng để đánh thức module từ chế độ ngủ (wake-up).
MOSI, MISO, SCLK, CS: Các chân này dùng để giao tiếp với thiết bị ngoại vi thông
qua giao thức SPI (Serial Peripheral Interface): 
MOSI (Master Out Slave In): Dữ liệu từ Master đến Slave. 
MISO (Master In Slave Out): Dữ liệu từ Slave đến Master. 
SCLK (Serial Clock): Đồng hồ SPI. 
CS (Chip Select): Chọn thiết bị SPI.
ADCO (ADC0): Chân đọc giá trị tương tự (analog), có thể đọc các tín hiệu điện áp
analog với mức điện áp từ 0 đến 1V. Chức năng: 
Nhận tín hiệu từ cảm biến MQ-2: Khi nồng độ khí gas vượt quá ngưỡng, ESP8266
nhận tín hiệu HIGH từ chân OUT của MQ-2. 
Kích hoạt các thiết bị báo động: Sau khi nhận tín hiệu từ MQ-2, ESP8266 sẽ kích
hoạt chân GPIO tương ứng để điều khiển rơ le, còi và đèn LED. 
Tích hợp Wi-Fi: ESP8266 cũng có thể được lập trình để gửi cảnh báo qua internet,
ví dụ như thông báo đến điện thoại thông qua ứng dụng Blynk.
-Module relay 5V 1 kênh kích mức HIGH/LOW: Điều khiển bật/tắt hệ thống cảnh báo 
Chân điều khiển (IN): Chân này nhận tín hiệu từ một chân GPIO của ESP8266
(chẳng hạn như D6) để đóng/ngắt mạch. Khi chân này được điều khiển ở mức logic
HIGH, cuộn dây trong rơ le sẽ được cấp nguồn và đóng mạch. 
Chân NC (Normally Closed): Mặc định, khi rơ le không được kích hoạt, chân NC
sẽ nối với chân COM (common), cho phép dòng điện chạy qua. 
Chân NO (Normally Open): Khi rơ le được kích hoạt, chân NO sẽ nối với chân
COM, cho phép dòng điện đi qua và bật thiết bị kết nối với nó.
Chức năng: Khi phát hiện khí gas, ESP8266 sẽ kích hoạt rơ le để đóng mạch và có thể
điều khiển một thiết bị điện cao hơn như quạt hoặc hệ thống thông gió để đẩy khí gas ra ngoài. -
Cảm biến khí gas MQ2: Phát hiện nồng độ khí gas trong không khí
 Chân Vcc: Nối với nguồn 5V để cấp nguồn cho cảm biến.
 Chân GND: Nối với chân GND (mass) của ESP8266 để hoàn thành mạch điện.
 Chân OUT: Đây là chân tín hiệu số. Khi nồng độ khí gas vượt ngưỡng, chân này sẽ
chuyển từ mức logic LOW (0) sang HIGH (1). Tín hiệu từ chân OUT được kết nối với
một trong các chân GPIO (General Purpose Input/Output) của ESP8266, ví dụ như chân D5 (trong hình). Hoạt động của MQ2:
 MQ-2 là loại cảm biến phát hiện khí gas như LPG, propan, methane, hydrogen,
khói, và cồn. Cảm biến này hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở của một vật liệu khi
nó tiếp xúc với khí gas.
 Khi nồng độ khí gas vượt ngưỡng an toàn, cảm biến sẽ phát hiện và gửi tín hiệu
HIGH đến bộ điều khiển ESP8266.
-Buzzer 3V: Cảnh báo bằng âm thanh khi phát hiện nồng độ khí gas vượt ngưỡng cho phép
 Chân điều khiển: Được nối với một chân GPIO của ESP8266, ví dụ như D7.
 Khi chân này được đặt mức logic HIGH, còi sẽ kêu để phát tín hiệu cảnh báo âm thanh
Chức năng: Còi kêu lên khi có rò rỉ khí gas để cảnh báo trực tiếp cho người dùng.
ESP8266 sẽ điều khiển việc tắt/bật còi dựa trên tình trạng rò rỉ khí.
- 1 Button để bật/tắt hệ thống
- 1 đèn led trạng thái: cho biết hệ thống đang khởi động hay đang tắt
 Chân điều khiển: Được nối với một chân GPIO khác của ESP8266, chẳng hạn như D8.
Chức năng: Đèn LED sáng khi phát hiện rò rỉ khí gas, cung cấp cảnh báo trực quan bên
cạnh cảnh báo âm thanh từ còi. 2. Phần mềm -
Blynk: Blynk được cấu hình để nhận thông báo từ ESP8266 khi có sự cố, cho phép
người dùng theo dõi và tắt mở hệ thống từ xa. -
Arduino IDE: Chương trình điều khiển được lập trình trên Arduino IDE, trong đó
ESP8266 nhận dữ liệu từ cảm biến và điều khiển relay, buzzer. 3.
Mô phỏng hệ thống
Nguyên lý hoạt động tổng quát của mạch:
1) Khởi động hệ thống
- Khi cấp nguồn cho hệ thống (thông qua ESP8266 và cảm biến MQ-2), toàn bộ các
thiết bị ngoại vi như cảm biến, rơ le, đèn LED, còi (buzzer) được khởi động và sẵn sàng hoạt động.
- ESP8266 sẽ thiết lập các chân GPIO để sẵn sàng nhận tín hiệu từ cảm biến và điều
khiển các thiết bị đầu ra.
- Cảm biến MQ-2 sẽ bắt đầu quá trình khởi động ban đầu (warming-up). Quá trình
này mất khoảng vài giây đến vài phút để cảm biến ổn định và bắt đầu phát hiện nồng độ khí gas chính xác.
2) Quá trình giám sát khí gas
- Cảm biến MQ-2 liên tục đo đạc nồng độ khí gas trong không khí. Cảm biến này
hoạt động bằng cách sử dụng một vật liệu bán dẫn, khi tiếp xúc với khí gas, điện trở của
vật liệu thay đổi. Thay đổi điện trở này được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp tại chân OUT của cảm biến.
- Chân OUT của MQ-2 kết nối với một chân GPIO của ESP8266 (ví dụ như D5).
- Trong trường hợp bình thường (nồng độ khí gas ở mức an toàn), chân OUT của
MQ-2 sẽ ở mức logic LOW (tương đương 0V). ESP8266 đọc giá trị này và không thực
hiện bất kỳ hành động nào, các thiết bị báo động (còi, đèn LED, rơ le) sẽ tắt.
3) Phát hiện rò rỉ khí gas
- Khi có rò rỉ khí gas (LPG, methane, propan, v.v.) và nồng độ khí gas trong môi
trường vượt quá ngưỡng an toàn mà cảm biến đã được cài đặt, điện trở của MQ-2 thay
đổi, làm thay đổi điện áp tại chân OUT của cảm biến.
- Lúc này, chân OUT của MQ-2 sẽ chuyển sang mức logic HIGH (thường là 3.3V
hoặc 5V, tùy theo nguồn cấp), điều này báo hiệu cho ESP8266 rằng có sự hiện diện của
khí gas ở mức nguy hiểm.
- ESP8266 đọc tín hiệu mức HIGH từ MQ-2 qua chân GPIO (ví dụ D5) và ngay lập
tức xử lý tín hiệu này để kích hoạt hệ thống báo động.
4) Kích hoạt hệ thống báo động
- Bật còi báo động (Buzzer): ESP8266 sẽ đặt mức logic HIGH trên chân GPIO kết
nối với còi (ví dụ như D7). Khi chân này được kích hoạt, còi sẽ phát ra âm thanh lớn để
cảnh báo người dùng về sự cố.
- Bật đèn LED (LED cảnh báo): Đồng thời, ESP8266 sẽ điều khiển một chân GPIO
khác (ví dụ D8) để cung cấp tín hiệu HIGH cho đèn LED. Đèn LED sẽ sáng để cung cấp
cảnh báo trực quan về rò rỉ khí gas. - Kích hoạt rơ le (Relay): o
ESP8266 cũng điều khiển chân GPIO nối với rơ le (ví dụ D6) để kích hoạt rơ le.
Khi rơ le được kích hoạt, nó sẽ đóng mạch và điều khiển các thiết bị lớn hơn như hệ thống
thông gió hoặc cắt điện cho các thiết bị nguy hiểm (như bếp gas, máy nước nóng). o
Rơ le có thể điều khiển dòng điện hoặc thiết bị có công suất cao hơn so với các
chân GPIO của ESP8266, bảo đảm sự an toàn khi vận hành các thiết bị công suất lớn. -
Thông báo từ xa (nếu có Wi-Fi): ESP8266 sẽ gửi thông báo qua internet đến Blynk
để cảnh báo người dùng về tình trạng rò rỉ khí gas thông qua điện thoại di động. Đây là
một tính năng giúp nâng cao tính tiện lợi và cảnh báo kịp thời khi không có người ở hiện trường.
5) Xử lý sau cảnh báo -
Sau khi cảnh báo được kích hoạt, mạch sẽ tiếp tục giám sát nồng độ khí gas trong không khí. -
Nếu khí gas giảm xuống dưới mức nguy hiểm, cảm biến MQ-2 sẽ đưa tín hiệu
LOW trở lại chân OUT, và ESP8266 sẽ: o
Ngắt còi báo động (bằng cách đặt mức logic LOW trên chân GPIO điều khiển còi). o Tắt đèn LED cảnh báo. o
Ngắt rơ le (mở mạch để tắt các thiết bị như hệ thống thông gió, bếp, v.v.). -
Hệ thống sau đó quay lại trạng thái giám sát bình thường và tiếp tục theo dõi môi trường.
6) Trường hợp hệ thống tiếp tục báo động -
Nếu nồng độ khí gas không giảm hoặc tiếp tục tăng, hệ thống sẽ duy trì trạng thái
cảnh báo. Còi và đèn LED sẽ tiếp tục hoạt động cho đến khi khí gas trở về mức an toàn
hoặc có người dùng can thiệp để tắt cảnh báo. -
Hệ thống có thể được lập trình thêm để gửi cảnh báo nhiều lần, thông báo qua Wi-
Fi cho đến khi tình trạng nguy hiểm được giải quyết.
Chương 3: Thực nghiệm và kết quả 1. Giao diện Blynk Các chức năng:
- Live status (Trạng thái trực tiếp)
o Thời gian giám sát (Live, 1h, 6h, 1d, 1w, v.v.): Đây là các tùy chọn để lựa chọn
khoảng thời gian bạn muốn giám sát nồng độ khí. - Connect (Kết nối)
Đây là chỉ báo kết nối của cảm biến với hệ thống Blynk. Màu sắc của chấm tròn thể
hiện trạng thái kết nối:
o Nếu cảm biến chưa được kết nối với mạng blynk thì sẽ có màu tím ở trạng thái tĩnh
o Nếu cảm biến đã được kết nối với mạng blynk thì màu tím sẽ chuyển sang trạng thái nhấp nháy
- Warning status (Trạng thái cảnh báo)
Đây là nơi sẽ kích hoạt cảnh báo và hiển thị màu đỏ khi nồng độ khí gas vượt quá ngưỡng đã thiết lập
- Gas concentration (Nồng độ khí gas)
Biểu đồ này thể hiện nồng độ khí hiện tại đo được bởi cảm biến MQ-2. Nồng độ này
được đo bằng ppm (parts per million), cho thấy nồng độ khí cụ thể trong không khí.
Kim chỉ báo hiển thị trực quan trên vòng cung từ 0 đến 1000 ppm. Các giá trị ppm
đại diện cho sự hiện diện của khí gas hoặc các chất gây cháy trong môi trường.
- Warning level (Mức độ cảnh báo)
Đây là thanh trượt cho phép điều chỉnh ngưỡng cảnh báo khi nồng độ khí vượt quá
giới hạn an toàn thiết lập.
- Operating mode (Chế độ hoạt động)
Đây là một công tắc bật/tắt để điều khiển chế độ hoạt động của cảm biến. Khi bật,
cảm biến sẽ hoạt động và gửi dữ liệu liên tục về mức khí phát hiện được. 2. Code o CANH_BAO_KHI_GAS_MQ2.ino o espConfig.h