1. Giới thiệu (Introduction)

Dự án kết thúc học phần Nhập môn hệ thống nhúng.

Mục tiêu của dự án: Vận dụng các kiến thức, kỹ năng đã được học để thiết kế và thực thi một hệ thống nhúng phát hiện và cảnh báo rò rỉ khí gas cho nhà thông minh. Hệ thống được thiết kế để có thể:

• Giám sát nồng độ khí gas dễ cháy (LPG, methane, butane, propane…).
• Cảnh báo khi khí vượt ngưỡng an toàn.
• Ngắt nguồn cấp gas tự động (nếu có).
• Gửi cảnh báo cho người dùng (âm thanh, đèn, hoặc qua Internet).

 Hệ thống được thực hiện bằng bo mạch STM32 Nucleo-F401RE và các mô-đun cảm biến như cảm biến đo nồng độ khí gas (LPG, methane), cùng với các thiết bị đầu ra để cảnh báo như màn hình LCD/OLED, còi Buzzer, LED, Rơ-le, …. Sinh viên cũng có thể sử dụng một bo mạch tương đương (dùng vi xử lý ARM) để thực hiện dự án.

2. Yêu cầu đối với thiết kế (Requirements)

Yêu cầu chức năng:

• Đọc dữ liệu cảm biến MQ-2 liên tục
  • Chuyển đổi ADC từ tín hiệu tương tự
  • Tính toán nồng độ khí gas (ppm) và hiển thị trên LCD
• So sánh với ngưỡng nguy hiểm
  • Ngưỡng nguy hiểm thường được thiết lập khoảng 300–500 ppm tùy cảm biến
• Cảnh báo tức thời
  • Kích hoạt còi (Buzzer) và đèn báo (LED)
  • Hiển thị cảnh báo trên màn hình LCD
• Tự động ngắt van gas
  • Gửi tín hiệu điều khiển relay để ngắt van điện từ
• Gửi dữ liệu từ xa (nâng cao)
  • Đăng dữ liệu lên nền tảng IoT như Firebase, Thingspeak
  • Gửi cảnh báo qua điện thoại (qua Telegram/Email/Push Notification)
• Lưu log vào EEPROM hoặc thẻ nhớ (tuỳ chọn)
  • Ghi nhận thời gian và giá trị khí gas vượt ngưỡng

Yêu cầu về phần cứng:

Hình 1. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống.

• CPU: vi điều khiển sử dụng vi xử lý ARM-Cortex-M (ví dụ STM32 Nucleo-F401re) thực hiện đọc cảm biến, xử lý ngưỡng và điều khiển các thiết bị cảnh báo.
• Các đầu vào:
  • Hệ thống sử dụng cảm biến gas như MQ-2/MQ-5 để phát hiện nồng độ khí gas (LPG, methane).
  • SW1 để chuyển đổi hệ thống giữa trạng thái hoạt động và trạng thái dừng. Khi hệ thống dừng hoạt động, nếu bấm SW1 bộ đếm chuyển sang trạng thái hoạt động, và ngược lại. Khi chuyển từ trạng thái dừng sang trạng thái hoạt động, hệ thống tiếp tục giám sát trạng thái của cảm biến đo khí gas và hiển thị trên LCD.
  • SW2 để xóa (reset) trạng thái hệ thống về trạng thái ban đầu.
• Các đầu ra:
  • LED ba màu hiển thị 5 trạng thái:
    • LED xanh dương khi không có khí gas;
    • LED vàng khi nồng độ khí gas thấp
    • LED đỏ nhấp nháy với tần số 1Hz khi nồng độ khí gas cao
    • LED đỏ nháy ở tần số 2Hz-10Hz khi nồng độ khí cao trên mức nguy hiểm – tần số nháy càng cao khi nồng độ khí gas càng cao
    • LED xanh lá cây khi hệ thống ở trạng thái dừng hoạt động.
  • Màn hình OLED/LCD: Hiển thị nồng độ gas, trạng thái hệ thống.
    • Hiện thị trạng thái của hệ thống: 0 – Không hoạt động, 1 – hoạt động
    • Trạng thái cảnh báo: 0 – không có khí gas, 1 – nồng độ khí gas thấp, 2- nồng độ khí gas cao, 3 – nồng độ khí gas cao trên mức nguy hiểm
  • Buzzer: còi hú khi nồng độ khí gas vượt mức nguy hiểm
  • Rơ-le: điều khiển ngắt nguồn cung cấp gas khi phát hiện rò rỉ.
  • Sử dụng các timer để xác định thời gian nhấp nháy các LED.
  • Khuyến khích SV thêm các tính năng nâng cao như
    • Gửi cảnh báo qua Internet (MQTT, Firebase, hoặc Telegram API).
    • Nguồn dự phòng (pin Li-ion + sạc) đảm bảo hệ thống hoạt động khi mất điện.

2. Một số bài làm tốt của Sinh viên