Cuộc thi TDC 2020 – Nhóm IRC-HAL – Hệ thống cảnh báo nguy cơ cháy rừng từ xa

Cuộc thi Thiết kế Kỹ thuật Technical Design Contest được tổ chức lần đầu tiên vào năm 2019 tại TP Hà Nội. Cuộc thi mang tên TDC2019, với chủ đề Môi trường không khí đã diễn ra rất thành công. Mang niềm yêu thích Kỹ thuật công nghệ đến gần hơn với các bạn học sinh, sinh viên. Tiếp nối với sự thành công đó, TDC2020 mở rộng hơn đến với các bạn miền Trung. Cuộc thi với chủ đề Giải pháp thông minh trong khoa học môi trường. TAPIT là đơn vị hướng dẫn các đội thi đến từ Đà Nẵng. Các bạn tìm hiểu thông tin cuộc thi tại đây. Chúng ta cùng đến với bài giới thiệu của nhóm dự thi còn lại nhé!

Chào các bạn, nhóm chúng mình là IRC-HAL. Trong cuộc thi TDC2020 vừa qua, nhóm chúng mình đã được TAPIT hỗ trợ trong quá trình hoàn thành sản phẩm dự thi. Thời gian qua, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu dẫn đến diễn biến thời tiết cực đoan đã khiến nhiều diện tích rừng Việt Nam bị thiêu rụi và đe dọa nghiêm trọng đến thảm thực vật rừng, cũng như ảnh hưởng tới phát triển kinh tế – xã hội, môi trường, khí hậu. Do đó, cháy rừng đang trở thành vấn đề nghiêm trọng của quốc gia, cần có sự chung tay vào cuộc mạnh mẽ hơn nữa của toàn bộ hệ thống chính trị và ý thức của người dân trong bảo vệ và phát triển rừng Việt Nam. Mục tiêu đề tài mà nhóm mình đặt ra là thiết kế một sản phẩm có thể cảnh báo cháy rừng từ xa thông qua các cảm biến để thu thập các thông tin như nhiệt độ, độ ẩm môi trường, cường độ ánh sáng, từ đó có thể phát hiện được những nơi có nguy cơ xảy ra cháy rừng cao để cảnh báo. Nhóm mình là một trong 6 đội thi danh dự nhận được giải thưởng Thiết kế xuất sắc nhất tại cuộc thi TDC2020.

A. Giới thiệu đội thi 

IRC-HAL gồm 3 thành viên:

🌿 Nguyễn Thanh Hải : Cựu sinh viên khoa Kỹ thuật điện tử, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Đà Nẵng
🌿 Nguyễn Hữu Hoàng Anh : Học sinh lớp 12, trường THPT Trần Phú
🌿 Phan Nguyễn Khánh Linh :  Sinh viên năm hai khoa Ngôn ngữ pháp, Trường Đại học Ngoại ngữ Đà Nẵng

Các thành viên nhóm IRC-HAL cùng Mentor hỗ trợ và Ban giám khảo cuộc thi

B. Giới thiệu đề tài

1. Vấn đề cấp thiết

Được xem là lá phổi xanh của toàn bộ các sinh vật sống trên Trái Đất, rừng đóng vai trò vô cùng quan trọng với cuộc sống của con người và hệ sinh thái của Trái Đất. Thế nhưng, rừng đang biến mất với tốc độ đáng báo động: 129 triệu hecta đã mất từ năm 1990 đến năm 2015. Đồng thời năm 2017 chúng ta đã chứng kiến sự tàn phá diện tích rừng lớn nhất trên toàn cầu trong hơn 15 năm, một phần là do ảnh hưởng của sự kiện El Nino diễn ra mạnh mẽ dẫn đến hạn hán chưa từng có nên xảy ra cháy rừng.

2. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu đề tài mà nhóm đặt ra là thiết kế một sản phẩm có thể cảnh báo cháy rừng từ xa thông qua các cảm biến để thu thập các thông tin như nhiệt độ, độ ẩm môi trường, cường độ ánh sáng, từ đó có thể phát hiện được những nơi có nguy cơ xảy ra cháy rừng cao để thực hiện cảnh báo.

3. Sơ đồ hệ thống 

“Hệ thống cảnh báo cháy rừng từ xa” bao gồm hai thành phần: Node và Gateway. Node sẽ được lắp đặt tại các vị trí cần đo đạc có nhiệm vụ thu thập các thông số: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng của môi trường để truyền về thiết bị trung tâm là Gateway. Lúc này Gateway có nhiệm vụ nhận các thông số đã đo được để xử lí, sau đó giao tiếp với server thông qua Internet để hiện thị các thông số đo được và đồng thời thiết lập cảnh báo. Ngoài ra, mô hình được sử dụng công nghệ Lora với công suất tiêu thụ thấp, tiết kiệm năng lượng; đồng thời độ tin cậy cao, chi phi thấp nên dễ dàng lắp đặt và ứng dụng tốt.

3.1. Sơ đồ Node hệ thống

Sơ đồ Node của hệ thống

Sơ đồ khối Node hệ thồng gồm có các phần :

  • Khối nguồn : Gồm có tấm pin năng lượng mặt trời dùng đề chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện thông qua mạch sạc để sạc cho pin.
  • Module Lora : Dùng để truyền nhận dữ liệu từ xa.
  • Arduino Nano: Có chức năng đọc, xuất tín hiệu xử lý, giao tiếp ngoại vi.
  • Khối cảm biến : Dùng để đo đạc các thông số từ môi trường.

3.2. Sơ đồ Gateway của hệ thống

Sơ đồ Gateway của hệ thống

Sơ đồ Gateway của hệ thồng gồm có các phần :

  • Khối nguồn : gồm có adapter và module hạ áp. Khi adapter được cấp nguồn thì thông qua module hạ áp sẽ tạo ra nguồn điện 5V để làm nguồn nuôi hệ thống.
  • Module LoRa : Dùng để truyền nhận dữ liệu từ xa.
  • Node MCU ESP8266 : Có chức năng đọc, xuất tín hiệu xử lý, giao tiếp ngoại vi.
  • MQTT Broker : Đóng vai trò xác thực và duy trì kết nối, nhận, lưu trữ và phân phối các thông điệp từ client và đến client.

4. Các linh kiện sử dụng

1. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

DHT11 (Temperature Humidity Sensor) gửi dữ liệu thông qua giao tiếp One Wire (giao tiếp 1 dây) đến vi điều khiển. Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào. Module được thiết kế hoạt động ở mức điện áp 5VDC.

2. Cảm biến khí CO MQ-7

Cảm biến khí CO MQ-7

MQ-7 là cảm biến bán dẫn có giá rẻ có khả năng phát hiện khí Carbon Monoxide có nồng độ từ 10 đến 1000 ppm. Vật liệu tạo ra cảm biến là từ chất SnO2, có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch. Cảm biến khí CO MQ7 có độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh. Có 2 dạng tín hiệu ngõ ra là analog và digital. Cảm biến có thể hoạt động được ở nhiệt độ từ: -20oC đến 50oC và tiêu thụ dòng khoảng 150mA tại 5V. Tuổi thọ cao, chi phí thấp.

3. Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750

Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750

BH1750 (Digital Light Sensor) được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, cảm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua giao tiếp I2C.

4. LCD 4×20

LCD 4×20

LCD 4×20 (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của Vi Điều Khiển. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác. Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ…

5. Arduino Nano CH340

Arduino Nano CH340

Module có kích thước nhỏ gọn, có thiết kế và chuẩn chân giao tiếp tương đương với Arduino Nano chính hãng, tuy nhiên mạch sử dụng chip nạp chương trình và giao tiếp UART CH340 giá rẻ để tiết kiệm chi phí. Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno R3 sử dụng MCU ATmega328P-AU dán, vì cùng MCU nên mọi tính năng hay chương trình chạy trên Arduino Uno đều có thể sử dụng trên Arduino Nano, một ưu điểm của Arduino Nano là vì sử dụng phiên bản IC dán nên sẽ có thêm 2 chân Analog A6, A7 so với Arduino Uno.

6. Mạch thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU

Wifi ESP8266 NodeMCU

Kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản.

7. Mạch thu phát RF LoRa SX1278 433MHz Ra-02

Mạch thu phát RF Lora SX1278 433MHz Ra-02

Mạch sử dụng chip SX1278 của nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LORA (Long Range), chuẩn LORA mang đến hai yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa (Ultimate long range wireless solution), ngoài ra nó còn có khả năng cấu hình để tạo thành mạng truyền nhận nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IoT.

5. Giao diện phần mềm

Giao diện theo dõi các thông số môi trường qua biểu đồ

Tin nhắn cảnh báo từ thiết bị

Video giới thiệu về đề tài “Hệ thống cảnh báo cháy rừng từ xa”

Nếu bạn quan tâm đến các chủ đề liên quan, hãy nhấn like 👍 và subcribe 👇 tại kênh youtube của Cộng đồng kỹ thuật TAPIT để nhận thông báo về những video với các nội dung liên quan nhé!

 

Tìm hiểu thêm:
Fanpage Cộng đồng Kỹ thuật TAPIT: TAPIT – Learning, Research and Sharing Community