Điều khiển thiết bị điện trong nhà thông minh bằng giọng nói

Với mục đích xây dựng hệ thống bao gồm phần cứng và phần mềm, ứng dụng về kết nối các thiết bị điện, điện tử dân dụng.Thông qua mạng internet, dựa trên công nghệ mạng di động chúng ta có

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

BÙI PHƯỚC KHÁNH

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG MINH BẰNG GIỌNG NÓI

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 848.01.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

ĐÀ NẴNG - 2018

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ninh Khánh Duy

Phản biện 1: TS Đặng Hoài Phương

Phản biện 2: TS Nguyễn Quang Thanh

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ Khoa học máy tính họp tại Trường Đại học Bách khoa

vào ngày 07 tháng 7 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

 Thư viện Khoa CNTT, Trường ĐH Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc cách mạng

về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn Đi đôi với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v.v Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành công nghệ thông tin và điện tử viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người Công nghệ tiên tiến nói chung trong đó công nghệ nhận dạng giọng nói cũng được áp dụng vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau

Đề tài “Điều khiển thiết bị điện trong nhà thông minh bằng giọng nói” Với mục đích xây dựng hệ thống bao gồm phần cứng và phần mềm, ứng dụng về kết nối các thiết bị điện, điện tử dân dụng.Thông qua mạng internet, dựa trên công nghệ mạng di động chúng

ta có thể điều khiển các thiết bị như mong muốn bằng giọng nói

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ IOT

Trong chương này, luận văn sẽ trình bày tổng quan về IOT, ứng dụng của IOT

Chương 2 CÁC GIAO THỨC KẾT NỐI PHẦN CỨNG VÀ THƯ VIỆN PHẦN MỀM

Trong chương này tôi sẽ trình bày các kiến thức về một số giao thức kết nối điều khiển, module điều khiển và tìm hiểu ngôn ngữ lập trình điều khiển

Chương 3 THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

Trong chương này, tôi sẽ trình bày về mô hình xây dựng hệ thống smarthome điều khiển bằng giọng nói

Chương 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Trong chương này, trên cơ sở nghiên cứu cơ bản về IoT, mạng cảm biến không dây, nhận dạng giọng nói, một số thiết bị cảm biến thông dụng, tôi xây dựng một chương trình thực nghiệm (trên các thiết bị thật) để điều khiển các thiết bị đó Sau đó, tôi chạy thử nghiệm chương trình, đánh giá các kết quả đạt được và so sánh với mục tiêu, yêu cầu đặt ra đối với luận văn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT

CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC KẾT NỐI PHẦN CỨNG VÀ THƯ VIỆN PHẦN MỀM

2.1 Các giao thức

2.1.1 Giao thức HTTP

2.1.2 Giao thức MQTT

2.1.3 Giao thức IFTTT

2.2 Giới thiệu về thiết bị Raspberry Pi

2.2.1 Giới thiệu chung

Cấu tạo

Cấu trúc phần mềm

2.2.2 Hệ điều hành của Raspberry Pi

2.2.3 Các ứng dụng từ Raspberry Pi

2.3 Module ESP8266

2.4 Phần mềm Openhab

2.5 Mô hình hoạt động của chương trình

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG

3.1 Xây dựng chương trình:

Chúng ta sẽ xây dựng một ứng dụng để điều khiển các thiết bị đèn, quạt, tivi thông qua giọng nói Ngoài ra chúng ta cũng sẽ dùng ngôn ngữ lập trình Python và các thư viện dùng riêng cho các sensor cảm biến (thư viện adafruit) để viết chương trình dùng Raspberry Pi

để đọc các thông số của các Sensor

3.2 Mô hình hoạt động của chương trình:

Hệ thống gồm 2 phần xử lý chính:

Phần 1: Xử lý tương tác giữa người dùng với hệ thống

Trong đề tài sử dụng 1 ứng dụng mã nguồn mở hỗ trợ trên nền tảng thiết bị di động giúp cho người dùng tương tác với hệ thống một cách dễ dàng ở mọi lúc mọi nơi một cách dễ dàng

Hình 3.1 Sơ đồ người dùng tương tác với hệ thống

- (1) Người dùng tương tác điều khiển bằng giọng nói với hệ thống thông qua giao thức IFTTT và bằng giao diện ứng dụng Openhab

* Lúc này giọng nói được chuyển từ dạng tín hiệu âm thanh sang dạng văn bản, văn bản này sẽ tiếp tục được truyền đến bộ xử lý trung tâm

* Bộ xử lý trung tâm sẽ kiểm tra văn bản nhận được so sánh với văn bản lưu trong cơ sở dữ liệu: nếu đúng thì cho thực hiện, sai thì không thực hiện

- (2) Hệ thống tác động ngược lại ứng dụng Openhab thông qua giao thức MQTT Từ đây người dùng có thể nhìn thấy được trạng thái của các thiết bị

Phần 2: Xử lý chức năng hệ thống điều khiển các thiết bị điện

Chức năng điều khiển thiết bị điện được xử lý bởi bo mạch Raspberry Pi tương tác điều khiển thiết bị thông qua module ESP8266 với giao thức MQTT Đó cũng là nơi lưu trữ thông tin người dùng, lưu trữ các thiết lập của người dùng vào cơ sở dữ liệu

Bộ điều khiển trung tâm sẽ điều khiển các thiết bị được gắn kết trong

hệ thống và dễ dàng xem trạng thái, điều khiển, tương tác đến từng thiết bị trong hệ thống

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống xử lý trung tâm điều khiển trực tiếp

thiết bị

- (1) Bộ xử lý trung tâm Raspberry pi sẽ xử lý tín hiệu mà người dùng gửi xuống sau đó điều khiển thiết bị thông qua module ESP8266 sử dụng giao thức MQTT

3.3 Thiết lập các mức độ điều khiển của hệ thống

3.3.1 Cấp độ 1 - Hệ thống điều khiển bật/tắt các thiết bị điện cơ bản

Cấp độ đầu tiên này, hệ thống sẽ cung cấp giải pháp nhằm đáp ứng nhu cầu cơ bản trong việc tắt/mở các thiết bị điện trong phòng

khách Mức độ này có thể xem như điều khiển cơ bản nhất

* Chức năng hệ thống:

1 Điều khiển bằng giọng nói bật, tắt thiết bị điện trong phòng khách

Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Bật/ tắt – đèn – phòng khách

2 Điều khiển thông qua chương trình bật tắt từ xa

* Sơ đồ hệ thống:

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống hệ thống ở cấp độ 1

* Mô tả hệ thống:

(1): Người dùng thao tác trên điện thoại bằng giọng nói hoặc cách nhấn các nút On/Off tương ứng với các thiết bị trên ứng dụng điện thoại Yêu cầu sẽ được gửi đến hệ thống xử lý trung tâm

(2): Hệ thống xử lý trung tâm sẽ xử lý yêu cầu và phân luồng

dữ liệu xử lý Sau đó sẽ gửi đến các module điều khiển thiết bị (3),(4): Hệ thống điều khiển thiết bị gồm ESP8266 và module Relay sẽ thực hiện chức năng tắt/mở

3.3.2 Cấp độ 2 - Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ

Ở cấp độ 2, ngoài việc bật/tắt thiết bị hệ thống còn trang bị chức năng điều khiển tốc độ động cơ Người sử dụng có thể điều khiển tốc độ quạt quay nhanh hoặc chậm thông qua giọng nói hoặc điều khiển bằng nút ấn trên điện thoại

* Chức năng hệ thống:

1 Điều khiển bật/tắt

Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Bật/ tắt – máy quạt – phòng ăn

2 Điều khiển tốc độ nhanh/chậm

Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Quạt – chạy – nhanh / chậm

* Sơ đồ hệ thống:

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống hệ thống ở cấp độ 2

* Mô tả hệ thống:

(1): Người dùng thao tác trên điện thoại bằng giọng nói hoặc cách nhấn các nút On/Off, nhanh/chậm tương ứng với các thiết bị trên ứng dụng điện thoại Yêu cầu sẽ được gửi đến hệ thống xử lý trung tâm

(2): Hệ thống xử lý trung tâm sẽ xử lý yêu cầu và phân luồng

dữ liệu xử lý Sau đó sẽ gửi đến các module điều khiển thiết bị (3),(4): Hệ thống điều khiển thiết bị gồm ESP8266 và module điều khiển động cơ sẽ thực hiện chức năng tắt/mở, nhanh/chậm

3.3.3 Cấp độ 3 - Hệ thống điều khiển hồng ngoại

Ở cấp độ này, người dùng có thể không cần sử dụng Remote (tivi, điều hòa v.v ) để điều khiển các thiết bị điện tử trong nhà Hệ thống sẽ tích hợp tất cả vào trong bộ điều khiển Từ đó người dùng

sẽ tương tác, điều khiển một cách dễ dàng

* Chức năng hệ thống:

1 Điều khiển bật/tắt bằng hồng ngoại

Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Bật/ tắt – tivi

2 Điều khiển kênh

Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Số 1(kênh 1); Số 2(kênh 2); Số 3(kênh 3)

3 Điều khiển âm lượng

Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Tăng/giảm – âm lượng

* Sơ đồ hệ thống:

Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống hệ thống ở cấp độ 3

* Mô tả hệ thống:

(1): Người dùng thao tác trên điện thoại bằng giọng nói hoặc cách nhấn các nút On/Off, chuyển kênh, tăng/giảm âm lượng v.v… tương ứng với các thiết bị trên ứng dụng điện thoại Yêu cầu sẽ được gửi đến hệ thống xử lý trung tâm

(2): Hệ thống xử lý trung tâm sẽ xử lý yêu cầu và phân luồng

dữ liệu xử lý Sau đó sẽ gửi đến các module điều khiển thiết bị (3),(4): Hệ thống điều khiển thiết bị gồm ESP8266 và module điều khiển hồng ngoại sẽ thực hiện chức năng theo yêu cầu

CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Một số hình ảnh chạy demo chương trình:

Hình 4.1: Khối điều khiển đèn

Hình 4.21:Khối điều khiển quạt

Hình 4.3: Khối điều khiển tivi

Hình 4.4: Khối điều khiển trung tâm

4.2 Đánh giá kết quả chạy thử nghiệm chương trình demo

- Qua nhiều lần thử nghiệm, chương trình demo chạy ổn định, đúng như thiết kế hệ thống

- Chương trình có giao diện dể sử dụng

- Hệ thống có tính dể mở rộng đối với các thiết bị và tập lệnh cần điều khiển

- Khả năng ứng dụng và phát triển chương trình thực nghiệm:

- Với chi phí hợp lý (Bộ Raspberry Pi và các sensor khá thông dụng và dễ dàng mua sắm với giá cả hợp lý), các công nghệ hỗ trợ sẵn

có và khá mạnh (ngôn ngữ lập trình Python và các thư viện hỗ trợ)

- Chạy thành công được hệ thống, điều khiển được các thiết bị điện

- Điều khiển được thiết bị qua mạng Internet

Ưu điểm:

- Mạch đơn giản, gọn nhẹ, hoạt động ổn định, chính xác, dễ lắp đặt và sửa chữa

- Dễ dàng giám sát và điều khiển hệ thống

Hạn chế:

- Hệ thống mới chỉ mới demo các thiết bị điện, điện tử có công suất thấp, điện áp nhỏ

4.3 Hướng phát triển

- Hoàn thiện hơn các khối điều khiển, ứng dụng trong từng tình huống cụ thể trong các hộ gia đình

- Hướng tới biến hệ thống thành sản phẩm có thể bán trên thị trường

KẾT LUẬN

Điều khiển các thiết bị điện, điện tử trong nhà thông minh nói riêng và công nghệ IoT, mạng cảm biến không dây nói chung hứa hẹn tạo ra những ứng dụng đầy tiềm năng, có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, mà đối với các công nghệ khác còn nhiều hạn chế

- Tuy nhiên để triển khai mạng, người thiết kế hệ thống yêu cầu phải nắm bắt được những nhân tố tác động đến mạng, các kết nối giữa các thiết bị điện, điện tử:

+ Tìm hiểu chi tiết các tính năng kỹ thuật của thiết bị Raspberry Pi và module wifi không dây 8266

+ Sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để điều khiển Sau

đó hiển thị trên giao diện web một cách trực quan và dễ hiểu

- Những nhược điểm của mạng cần phải được khắc phục, người thiết kế cần phải quan tâm đến các tham số mạng, ví dụ như tập các chất lượng dịch vụ QoS, cách kết nối các thiết bị điện tử

để điều khiển Nhờ quá trình mô phỏng mà người thiết kế hệ thống có thể đánh giá được chất lượng dịch vụ mạng cung cấp, độ

ổn định của các thiết bị …để từ đó có thể thiết kế hệ thống theo cách tối ưu nhất

- Trên cơ sở nghiên cứu tìm hiểu về Raspberry Pi, ESP8266, các Rơle tác động, cùng với tổng quan về IoT, công nghệ cảm biến không dây và các ứng dụng trong thực tiễn, em đã xây dựng thành công một chương trình thực nghiệm có tính khả

thi cao (như đã trình bày trong phần đánh giá kết quả chạy thử

nghiệm) Tuy nhiên, do thời gian hạn chế, chương trình chưa chạy thử nghiệm với một số lượng lớn các thiết bị, vì vậy chưa đánh giá hết được một số vấn đề như: việc truyền nhận dữ liệu từ thiết bị, vấn đề xung đột của các phần tử trong hệ thống… Đây cũng là một trong những hướng nghiên cứu, phát triển tiếp theo của luận văn