BÁO cáo đồ án tốt NGHIỆP đề tài xây DỰNG mô HÌNH NHÀ THÔNG MINH điều KHIỂN BẰNG GIỌNG nói

Tên đồ án: Xây dựng mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém 1; Kém 2; Đạt 3; Giỏi 4; Xuất s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH ĐIỀU KHIỂN BẰNG GIỌNG NÓI

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Văn

Sinh viên thực hiện:

Hà Nội, 7-2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH ĐIỀU KHIỂN BẰNG GIỌNG NÓI

Sinh viên thực hiện:

Hà Nội, 7-2020

ĐÁNH GIÁ QUYỂN THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)Tên giảng viên đánh giá: TS Nguyễn Ngọc Văn

Họ và tên Sinh viên: Ngô Đức Hiển MSSV:20158140

Tên đồ án: Xây dựng mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:

Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các

1 giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi 1 2 3 4 5ứng dụng của đồ án

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt 1 2 3 4 5được

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực 1 2 3 4 5hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả

1 2 3 4 5đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết

7 quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập 1 2 3 4 5luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai

Kỹ năng viết quyển đồ án (10)

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic

và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số

8 thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu 1 2 3 4 5cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận

chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, 1 2 3 4 5lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

10a SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học

5(quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh

sáng chế

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

10b nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt

2giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về

chuyên ngành như TI contest

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0

Điểm tổng quy đổi về thang 10

Nhận xét khác (về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

Ngày: … / … / 20…

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐÁNH GIÁ QUYỂN BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

(Dùng cho cán bộ phản biện)

Giảng viên đánh giá:

Tên đồ án: Xây dựng mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:

Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả

1 thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng 1 2 3 4 5 của đồ án

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt được 1 2 3 4 5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực hiện 1 2 3 4 5 dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống

6

Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều

được phân tích và đánh giá thỏa đáng.

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả đạt

7 được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất 1 2 3 4 5 hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai.

Kỹ năng viết quyển đồ án (10)

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và đẹp

mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và được

8 giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, 1 2 3 4 5 dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu

tham khảo và có trích dẫn đúng quy định

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận 1 2 3 4 5 logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải SVNC

10a khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học (quốc tế/trong 5

nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh sáng chế

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên nghiên cứu

10b khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích 2

trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành như TI

contest.

Điểm tổng quy đổi về thang 10

Nhận xét khác của cán bộ phản biện

Ngày: … / … / 20…

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Thế giới đang bước vào cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 với cả cơ hội và tháchthức, đòi hỏi thế hệ trẻ phải có những sự thay đổi phù hợp để thích ứng và thành công.Trong lịch sử, nhân loại đã trải qua ba cuộc cách mạng công nghiệp, đem tới sự thayđổi toàn diện cho cuộc sống của con người Không phải ngoại lệ, cuộc cách mạng 4.0với nền tảng là vạn vật kết nối, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo được dự đoán sẽ tạo ra

bộ mặt hoàn toàn mới cho thế giới Những công việc nặng nhọc và đòi hỏi tính sángtạo sẽ được thay thế bằng robot, Internet với tốc độ siêu nhanh phủ sóng khắp mọi nơicũng thay đổi cách ta làm việc và giao tiếp Đồng thời, những cỗ máy với khả năngtính toán và xử lý siêu việt sẽ xuất hiện nhiều hơn ở các cơ quan, viện nghiên cứu.Những thành tựu về công nghệ đã xuất hiện ngày càng nhiều, tiêu biểu là Alpha Gocủa Google đã dành chiến thắng tuyệt đối trước nhà vô địch cờ vây thế giới, một công

ty Nhật Bản đang bắt đầu thử nghiệm Robot thay cho nhân viên văn phòng và ô tô tựhành cũng xuất hiện ngày càng nhiều trên đường phố…

Internet of Things – IoT hay còn gọi là vạn vật kết nối, trong đó vạn vật ở đây đó

là mọi vật, mọi vật thể, mọi thiết bị Mỗi một vật thể đều có một ID (định danh riêng),tất cả kết nối với nhau thông qua môi trường mạng Internet Từ đó tạo ra một mạnglưới thông minh, có khả năng truyền tải, trao đổi các dữ liệu, thông tin qua lại Tất cảdưới sự điều khiển từ xa của con người mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp với mỗithiết bị Cụ thể con người có thể điều khiển các thiết bị trọng nhà như: máy giặt, tủlạnh, tivi, đèn, máy lạnh,… Hoạt động từ trình điều khiển trên Smartphone máy tínhbảng hay laptop Công nghệ IoT phát triển dựa trên sự kết hợp công nghệ mạngInternet (mạng không dây như Wifi, mạng viễn thông băng rộng 4G, 5G) và công nghệ

cơ – điện tử Sự kết hợp từ các công nghệ hiện đại mang đến nhiều ứng dụng, đáp ứngnhững nhu cầu Từ đó giúp tăng trưởng hiệu quả chất lượng công việc hơn

Một trong những thành tựu của vạn vật kết nối vài năm trở lại đây đó là “NhàThông Minh” hay Smart Home Ở Việt Nam, rất nhiều mô hình nhà thông minh đãđược áp dụng vào thực tế và đã mang lại cho con người một cuộc sống tiện nghi hơn.Nhận thấy nhu cầu phát triển và sự thực tiễn của Smart Home tại Việt Nam, chúng em

đã chọn đề tài: “Xây dựng mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói”

nhắm hướng tới việc xây dựng một mô hình giám sát và điều khiển thông quaSmartphone và mạng Internet

Trong quá trình thực hiện đề tài thực tập này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tớiThầy Nguyễn Ngọc Văn, Viện Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa HàNội, đã hướng dẫn tận tình và chỉ dẫn các bước, cung cấp những tài liệu nghiên cứuquý báu, hướng nghiên cứu để em có thể thực hiện được các yêu cầu của thực tập.Trong quá trình thực hiện đề tài, dựa theo những kết quả đạt được bước đầu, dù đãrất cố gắng tuy nhiên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế nhất định Vì vậy,

bọn em rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của các thầy cô để đề tài được tối ưu vàhoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Ngô Đức Hiển

LỜI CAM ĐOAN

Em là Ngô Đức Hiển, mã số sinh viên 20158140, sinh viên lớp LUH14, khóa 60,trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn đồ án tốt nghiệp là TS NguyễnNgọc Văn Em xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong đồ án là kết quảquá trình tìm hiểu và nghiên cứu của em Các dữ liệu được nêu trong đồ án “Xây dựng

mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói” là hoàn toàn trung thực, phản ánhđúng kết quả đo đạc thực tế Mọi thông tin trích dẫn đều tuân thủ các quy định về sởhữu trí tuệ Các tài liệu tham khảo được liệt kê rõ ràng

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với nội dung được viết trong đồ án này

Hà Nội, ngày 20/6/2020Sinh viên thực hiệnNgô Đức Hiển

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 6

LỜI CAM ĐOAN 8

MỤC LỤC 9

DANH MỤC HÌNH VẼ 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 6

ABSTRACT 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHÀ THÔNG MINH TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 8

1.1 Lí do chọn đề tài 8

1.2 Mô hình nhà thông minh 8

1.2.1 Nhà thông minh là gì 8

1.2.2 Các thành phần của nhà thông minh 9

1.3 Hai chức năng cơ bản của nhà thông minh 11

1.3.1 Điều khiển thông thường 11

1.3.2 Điều khiển bằng giọng nói 11

1.4 Tổng quan về kiến trúc và công nghệ căn hộ nhà thông minh trên thế giới 11

1.4.1 Nhà thông minh ở các nước phát triển 11

1.4.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ nhà thông minh ở Việt Nam 14

1.5 Mục tiêu phát triển đề tài 19

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20

2.1 Hệ sinh thái Internet of Things - IoT 20

2.1.1 Khái niệm Internet of Things 20

2.1.2 Kiến trúc Internet of Things 21

2.1.3 Đặc tính cơ bản của Internet of Things 22

2.1.4 Ứng dụng của Internet of Things 22

2.2 Lý thuyết điều khiển bằng giọng nói 23

2.2.1 Khái niệm âm thanh 23

2.2.2 Các hiệu ứng âm thanh 24

2.2.3 Khái niệm nhận diện giọng nói 25

2.2.4 Cách chuyển đổi giọng nói 25

2.2.4.1 Nguyên lý chuyển đổi A/D 25

2.2.4.2 Điều chế xung biên 26

2.2.5 Tác dụng của nhận diên giọng nói 27

2.2.6 Ưu và nhược điểm của nhận diện giọng nói 27

2.2.6.1 Ưu điểm 27

2.2.6.2 Nhược điểm 27

2.3 Cơ sở dữ liệu và máy chủ 28

2.4 Thành phần truyền thông trong thiết bị thông minh 29

2.4.1 Chip đơn Bluetooth BC417 29

2.4.2 Wifi SoC 31

2.5 Kết luận 32

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 33

3.1 Tổng quan hệ thống 33

3.2 Xây dựng mô hình 34

3.2.1 Sơ đồ khối chức năng 34

3.2.2 Thiết kế chi tiết từng khối chức năng 35

3.2.2.1 Khối nguồn 35

3.2.2.2 Khối xử lí trung tâm 37

3.2.2.3 Khối cảm biến 43

3.2.2.4 Khối thiết bị 48

3.3 Thiết kế app điều khiển 52

3.3.1 Tổng quan về App Inventer 52

3.3.1.1 Sơ lược về App Inventer 52

3.3.1.2 Truy cập và tạo Project trong App Inventer 53

3.3.2 Xây dựng ứng dụng Smarthome 56

3.3.2.1 Các chức năng chính 56

3.3.2.2 Giao diện ứng dụng 56

3.3.2.3 Lập trình chức năng cho ứng dụng 58

3.4 Xây dựng cơ sở dữ liệu 60

3.4.1 Firebase Cloud 60

3.4.1.1 Firebase là gì? 60

3.4.1.2 Cách thức hoạt động của Firebase 61

3.4.1.3 Ưu điểm khi sử dụng Firebase 63

3.4.2 Thiết lập cấu hình cho Firebase Cloud 64

3.4.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu cho ngôi nhà 71

3.4.4 Xây dựng cơ sở dữ liệu người dùng 72

3.5 Một số kịch bản thử nghiệm 73

3.6 Đánh giá độ chính xác 73

3.7 Kết luận 74

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thông minh 7

Hình 1 2: Mô hình nhà Lumi 14

Y Hình 2 1: IoT giúp cho mọi thứ giờ đây thông minh, tự động, mọi nơi và mọi lúc 18

Hình 2 2: Sơ đồ tổng quát của nhận diện giọng nói 23

Hình 2 3: Sơ đồ khối của xử lí tín hiệu 24

Hình 2 4: Quá trình biến đổi tín hiệu 24

Hình 2 5: Hệ thống máy chủ của Google 26

Hình 2 6: Kiến trúc hệ thống của BC417 27

Hình 2 7: Module Bluetooth HC05 28

Hình 2 8: Sơ đồ khối của một SoC Wifi ESP 29

Hình 2 9: Kit ESP8266 NodeMCU 29

YHình 3 1: Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3 2: Sơ đồ khối chức năng của mô hình 34

Hình 3 3: Sơ đồ nguyên lí khối nguồn 34

Hình 3 4: IC ổn áp LM7805 với hai loại: chân cắm và chân dán 35

Hình 3 5: Header 2P XH2 và nút nhấn 6 chân 8x8mm (switch) 36

Hình 3 6: Jack DC và Adapter 36

Hình 3 7: Sơ đồ nguyên lí khối xử lí trung tâm (MCU) 37

Hình 3 8: Datasheet của kit ESP-WROOM-32 37

Hình 3 9: Trình biên dịch Arduino IDE 39

Hình 3 10: Module ESP32 sử dụng cho mô hình nhà thông minh 41

Hình 3 11: Sơ đồ nguyên lí khối cảm biến 42

Hình 3 12: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 và DHT22 42

Hình 3 13: DHT22 sử dụng cảm biến độ ẩm và nhiệt điện trở để đo 43

Hình 3 14: Cấu tạo của thành phần cảm biến độ ẩm 43

Hình 3 15: Cảm biến nhiệt độ NTC và đường đặc tuyến giá trị của điện trở và nhiệt độ 44

Hình 3 16: Module cảm biến DHT22 44

Hình 3 17: Module cảm biến MQ2 và MQ135 45

Hình 3 18: Cảm biếm mực chất lỏng 46

Hình 3 19: Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển quạt 47

Hình 3 20: Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển đèn 48

Hình 3 21: Sơ đồ nguyên lí khối các chức năng cho mô hình 48

Hình 3 22: Layout 2D Bottom layer của mạch phần cứng 49

Hình 3 23: Layout 2D Top layer của mạch phần cứng 49

Hình 3 24: Bản vẽ mô hình nhà 50

Hình 3 25: Mô hình nhà bằng nhựa mica 50

Hình 3 26: Giao diện Mit App Inventer 51

Hình 3 27: Mục My Projects 52

Hình 3 28: Mục connect 52

Hình 3 29: Mục Builds 53

Hình 3 30: Giao diện thiết kế ứng dụng 53

Hình 3 31: màn hình đăng nhập 54

Hình 3 32: Thông số cảm biến 55

Hình 3 33: Điều khiển thiết bị thủ công 55

Hình 3 34: Điều khiển thiết bị bằng giọng nói 55

Hình 3 35: Khối chức năng đăng nhập 56

Hình 3 36: Khối chức năng điều khiển thiết bị thủ công 56

Hình 3 37: Khối chức năng điều khiển thiết bị bằng giọng nói 57

Hình 3 38: Khối chức năng cập nhật và hiển thị thông số cảm biến 57

Hình 3 39: Dữ liệu thời gian thực là cách thức hoạt động của Firebase 58

Hình 3 40: Firebase xây dựng hành động tự động đăng nhập cho ứng dụng bằng cách xác thực danh tính 59

Hình 3 41: Firebase cung cấp các Hosting theo tiêu chuẩn SSL 60 Hình 3 42: Firebase hoạt động trên nền tảng điện toán đám mây, an toàn và bảo mật60

Hình 3 43: Các ứng dụng trên nền tảng Firbase có độ bảo mật thông tin cao 61

Hình 3 44: Các ứng dụng chạy trên nền tảng Firebase hoạt động khá ổn định 61

Hình 3 45: Sử dụng tài khoản Google để đăng nhập Firebase 62

Hình 3 46: Mỗi dự án khởi tạo sẽ được lưu trên server của Google, có thể phát triển dự án cũ hoặc tạo mới dự án 62

Hình 3 47: Mộ số ứng dụng mà Google Analytics mang lại 63

Hình 3 48: Các dịch vụ mà Firebase cung cấp bao gồm Authentication, Database, Storage, Hosting, Functions và Machine Learning 63

Hình 3 49: Cách lấy Web API Key, do liên quan đến vấn đề bảo mật nên API key sẽ được người dùng bảo mật và không nên chia sẻ cho ai 64

Hình 3 50: Cấu hình quản trị SDK là Node JS và vào thẻ Database secrets để lấy Firebase Token Key 64

Hình 3 51: Lấy mã Firebase Token 64

Hình 3 52: Khởi tạo Realtime Database 65

Hình 3 53: Cấu hình luồng dữ liệu cho Datsabase 65

Hình 3 54: Firebase host 66

Hình 3 55: Sử dụng Firebase DB để kết nối app và Firebase 67

Hình 3 56: Cấu hình Firebase cho app 68

DANH MỤC BẢNG BIỂ

Bảng 3 1: Kết nối của Kit ESP32 40Bảng 3 2: Kết nối module cảm biến DHT22 44

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

3 API Application Progmraming Interface

5 IDE Intergrated Development Environment

9 IEEE Institute of Electrical and Electronics

Engineers

10 TCP/IP Transport Control Protocol/Internet Protocol

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án bao gồm phần thiết kế hệ thống phần cứng, phần mềm và phần nghiên cứucác thuật toán học cho phép áp dụng các kiến thức trong lĩnh vực điện tử - truyềnthông vào việc thiết kế một ngôi nhà thông minh Hệ thống bao gồm bộ vi điều khiểntrung tâm, các cảm biến và cơ cấu chấp hành, phần mềm android và điều khiển từ xaqua kết nối internet Trong đó các module cảm biến, như cảm biến nhiệt độ, cường độsáng, khí gas giúp theo dõi các tham số môi trường Bộ xử lý trung tâm kết nối vớiứng dụng android cho phép thiết lập các kịch bản, điều khiển sử dụng để bước đầu tiếntới xây dựng một hệ thống nhà thông minh

The project includes designing hardware systems, software and studyingalgorithms to apply the knowledge in the field of electronics - communication to thedesign of a smart home The system consists of central microcontroller, sensors andactuators, android software and remote control via internet connection In particular,the sensor module, such as temperature sensor, light intensity, and gas helps monitorenvironmental parameters The central processor connected to the android applicationallows setting up scripts and controls to be used to initially build a smart home system

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHÀ THÔNG MINH TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Ngày nay các hệ thống thông minh đang ngày càng được ưa chuộng và sử dụngrộng rãi trong đời sống và sinh hoạt con người Một hệ thống thông minh đáp ứngnhững nhu cầu tối thiểu của con người trong lao động, sinh hoạt, giải trí mà còn tạo rakhông gian thoải mái, tiện nghi một cách tối đa trên cơ sở đáp ứng các yêu cầu về anninh, an toàn, đảm bảo khả năng chăm sóc sức khỏe và tiết kiệm năng lượng Vì vậytrước khi đi vào thiết kế một hệ thống thực, công việc của người kỹ sư là cần phải cócác khảo sát nhu cầu của người sử dụng, các hệ thống thực tế đã triển khai cũng như

bộ tiêu chuẩn, yêu cầu chức năng, phi chức năng của sản phẩm

1.1 Lí do chọn đề tài

Hệ thống nhà thông minh ra đời như là một nhu cầu tất yếu để thỏa mãn nhu cầukhông ngừng nâng cao của con người Hệ thống nhà thông minh không những giúpthay thế việc sử dụng sức lao động của con người trong việc tự phục vụ nhu cầu, qua

đó nó giúp cho con người nhanh chóng tái tạo sức lao động và nâng cao hiệu suất laođộng của con người Hơn nữa một ngôi nhà thông minh đưa ra các tính toán giúp tiếtkiệm năng lượng và hạn chế lãng phí tài nguyên thiên nhiên

Bên cạnh chuyển thành văn bản hoặc điều khiển máy là tác dụng phổ biến nhấtcủa nhận diện giọng nói, công nghệ này còn mang đến nhiều hứa hẹn cho ngườikhuyết tật Nhận diện giọng nói còn được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực trí tuệ nhântạo (Artificial Intelligence) Siri hay Google Assistant là những ví dụ điển hình

1.2 Mô hình nhà thông minh

1.2.1 Nhà thông minh là gì

Nhà thông minh (tiếng Anh: home automation, domotics, smart home hoặc

Intellihome) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển

hoặc tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một

số thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thôngqua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặcmột giao diện web

Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toiletđều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet và điện thoại di động, chophép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt độngtheo lịch Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có khảnăng tương tác với nhau

Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là một hệ thống kiểm soát mức

độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh, chẳnghạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối Hệ thống cũng có thể điều chỉnhrèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera giám sát, hệ thống khóacửa tự động, hệ thống phòng ngừa trộm Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứngdụng sáng tạo hơn, gồm hệ thống điều khiển giải trí tại gia – loa công suất khác nhau,

hệ thống điện thoại, liên lạc nội bộ, hệ thống tưới nước Các chức năng này có thểđược thực hiện nhờ các thiết bị trong nhà được kết nối với nhau để hệ thống máy tínhtrung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra các quyết định điều khiển phù hợp

Nhà thông minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng từ nhiềunăm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng rãi củađiện và những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông tin

1.2.2 Các thành phần của nhà thông minh

Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như cảm biếnnhiệt độ, cảm biến ánh sáng hoặc do cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy chủ và cácthiết bị chấp hành khác Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy chủ có thểtheo dõi các trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định điều khiển các thiết

bị chấp hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho conngười

Hình 1 1: Các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thông minh [3]

Về cơ bản các nhà thông minh có hệ thống sau:

Điều hòa thông gió (HVAC)

Chiếu sang (Lighting)

Quản lý điện năng/năng lượng (Electrical/Energy Management)

Hệ nan che nắng tự động quay theo hướng nắng nhờ các bộ phận cảm ứng (áp dụng ở những tòa nhà thông minh)

Hệ thống báo/Chữa cháy (Fire-Fighting

System) Tháng máy (Lift)

Hệ thống tổng đài nội bộ, thông báo

(PABX/PA) Hệ thống an ninh (Security/CCTV)

Hệ thống công nghệ thông tin, VOD, VoIP …

Và các hệ thống có đặc thù riêng cho những nhu cầu khác nhau

1.3 Hai chức năng cơ bản của nhà thông minh

1.3.1 Điều khiển thông thường

Thông thường để điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà, bạn cần tới hàng chục côngtắc, thậm chí với căn nhà lớn hàng trăm công tắc Với nhà thông minh, bạn có thể điềukhiển tất cả bằng một vài nút bấm trên màn hình cảm ứng của smartphone hay máytính bảng Bạn cũng có thể điều khiển và kiểm soát ngôi nhà thông qua giao diện trựcquan 3D, ở đó các thiết bị được mô phỏng giống như đang sử dụng thực tế, chỉ cầnchạm vào thiết bị tương ứng trong màn hình để điều khiển Ví dụ sau giúp bạn hìnhdung được phần nào hoạt động của hệ thống: Khi khách đến, bạn chỉ cần chạm vào

“Tiếp khách”, đèn phòng khách bật sáng rực rỡ, rèm kéo lên, điều hòa giảm xuống độmát sâu hơn, giảm âm lượng nhạc phát… thông thường để làm được việc này bạn phảichạy khắp căn phòng và bấm rất nhiều công tắc Thật tiện nghi khi chỉ cần chạm vàomột nút trên màn hình Một ví dụ khác khi đi ngủ, thay vì phải kéo rèm, đóng cửa, tắtđiện, mò mẫm đi lên giường, bạn chỉ việc chạm vào “Đi ngủ” trên điện thoại hoặc máytính bảng, hệ thống sẽ thực hiện giúp bạn những điều này, đồng thời kích hoạt hệthống an ninh, báo động khi phát hiện xâm nhập trái phép

1.3.2 Điều khiển bằng giọng nói

Không chỉ điều khiển trực tiếp trên smartphone, máy tính bảng, bạn có thể điều khiểnnhà mình bằng giọng nói của chính bạn thông qua một ứng dụng điện thoại hoặc thiết

bị hỗ trợ riêng Nhà thông minh được trang bị công nghệ trợ lý ảo, giúp giao tiếp với

hệ thống trở nên thân thiện, không cứng nhắc như một hệ thống điều khiển thôngthường

1.4 Tổng quan về kiến trúc và công nghệ căn hộ nhà thông minh trên thế giới

1.4.1 Nhà thông minh ở các nước phát triển

Các giải pháp công nghệ nhà thông minh đã được nhiều hãng Lagrand (Pháp), hãngComfort (Singapore), hãng Siemens (Đức) có những chi nhánh toàn cầu của mình vớinhững mẫu nhà đa dạng theo từng yêu cầu của khách hang với các loại công nghệthông minh như: X10 compatible, X10 Wireless, Insteon, ZigBee, HomePlug,Bluetooth …

Giải pháp công nghệ X10 (Mỹ), mô hình cho phép điều khiển dễ dàng 9 loại thiết bịnhư: bộ điều khiển trung tâm, thiết bị báo động mở cửa hoặc két sắt, thiết bị nhận diệnngười lạ xâm nhập, thiết bị điều khiển điện gia đình, thiết bị kết nối Internet….Vớinhững trang bị này, chủ nhà có thể kiểm soát và điều khiển từ xa mọi thiết bị điện,

điện tử trong gia đình để tăng cường hiệu quả sinh hoạt và bảo vệ gia đình từ Internet,điện thoại …

1.4.1.1 Công nghệ nhà thông minh ở Mỹ

Những phiên bản đầu tiên của hệ thống X10 được sáng chế tại Mỹ từ cuối những năm

1970 và là công nghệ nhà thông minh phổ biến nhất trên thế giới hiện nay Sau khi lắpđặt hệ thống X10, mỗi thứ đồ điện trong nhà, dù đó là đèn, quạt, bình nóng lạnh haymáy điều hòa, đều sẽ có một địa chỉ riêng Và chỉ cần một chiếc điều khiển từ xa,chúng ta có thể điều khiển tất cả, dù đang ở bất kỳ vị trí nào trong nhà Ví dụ, ngườiđiều khiển trên tầng 2, và muốn bật đèn ở cổng dưới tầng 1 để xem ai đang bấmchuông qua camera Hoặc ở tầng 1 và phát hiện đèn trên sân thượng vẫn quên chưa tắt.Hoặc đơn giản hơn, muốn cái đèn chum giữa phòng khách tối đi một nửa để xem phimcho có không khí Hệ thống X10 sẽ cho phép làm tất cả những việc đó chỉ với vài lầnbấm nút trên điều khiển từ xa Có thể lập chương trình hoạt động cho từng thiết bị saocho phù hợp với tập quan sinh hoạt của gia đình Giả sử, ngày thường dậy vào lúc6h30, ăn sáng lúc 7h và đi làm lúc 7h30

Với X10, có thể lập chương trình để mỗi sáng đèn trong phòng sẽ sáng dần từ 6h15,đèn phòng bếp sẽ sáng từ lúc 6h20 và bình nước nóng đã sẵng sang lúc 6h25 Tấtnhiên, sau khi ra khỏi nhà ít phút, đèn ở các phòng sẽ tự tắt Hệ thống X10 sẽ mang sựtiện nghi, hệ thống tự động hóa nhà ở và cả sự an toàn, tiết kiệm Khác với một số hệthống tự động hóa nhà ở đòi hỏi phải có dây dẫn riêng nối tới từng thiết bị phải điềukhiển X10 sử dụng chính mạng điện hiện có trong nhà để truyền dẫn tín hiệu điềukhiển Giả sử, muốn điều khiển 2 chiếc đèn trong phòng ngủ, thì chỉ cần lắp 1 moduleX10 vào phía sau công tắc của 2 chiếc đèn đó Sau đó, có thể điều khiển cả 2 chiếc đènbằng điều khiển từ xa, hoặc vẫn dùng chiếc công tắc cũ

Hệ thống X10 hoàn toàn không ảnh hưởng gì tới hệ thống điện đang dùng Do lợi thế

đó, X10 thích hợp với cả các công trình đang sử dụng hay công trình chưa hoàn thiện,miễn là số lượng thiết bị cần điều khiển nhỏ hơn 256 (số địa chỉ IP trong một dải địachỉ mạng chung, từ 0 đến 255) Có rất nhiều lựa chọn để điều khiển các thiết bị điệncủa mình: bằng điều khiển từ xa cầm tay, bằng máy vi tinh, thậm chí có thể dùng điệnthoại để điều khiển mọi thứ ở trong nhà dù đang ở nước ngoài

Hệ thống tự động hóa nhà ở X10 không đòi hỏi phải thay đổi cấu trúc đường điện,cũng không cần thời giant hi công qua lâu nên giá thành rất hợp lý

1.4.1.2 Căn hộ nhà thông minh ở Châu Âu

Ở Châu Âu, công nghệ trang bị cho nhà với các thiết bị thông minh đang đượcphát triển như EIB, Instabus, SCS, phương thức điều khiển nhúng cho giao tiếp số giữacác thiết bị thông minh trên đường bus 2 dây được lắp đặt theo các hệ thống điện thường.Đường Instabus kết nối tất cả các ứng dụng tới một hệ thống giao tiếp phi tập

trung cho tất cả các thiết bị được điều khiển Hệ thống SCS cũng là một hệ thống cócấu trúc gần giống với hệ thống Instabus, các thiết bị điều khiển và các thiết bị chấphành có thể được nối theo kiểu vòng, sao, trên một đường bus 2 dây nhưng vẫn đảmbảo được việc truyền dữ liệu, và tăng khả năng mềm dẻo khi thi công, mở rộng mạng

và tiết kiệm được đường dây cho chủ đầu tư Một trong các hệ thống tiêu biểu cho hệSCS là hệ thống của Bticino, với hệ thống này toàn bộ các hệ thống HomeAutomation, Camera doorphone, Sound system, Security, được đi trên một đôi bus.Đây là một hệ thống có độ thích hợp công nghệ cao, có nhiều sản phẩm cho mọi ứngdụng của một ngôi nhà thông minh trên một hệ thống Đây là một hệ thống đang được

sử dụng rất nhiều trên thế giới vì ngoài khả năng công nghệ nêu trên chúng còn đượcthiết kế rất đẹp trên nhiều loại chất liệu đáp ứng được yêu cầu của khách hàng

Fibaro – Một thương hiệu nhà thông minh rất nổi tiếng thế giới của Ba Lan.Fibaro sử dụng chuẩn công nghệ sóng không dây Z-wave phổ biến trên thế giới.Fibaro có đầy đủ các sản phẩm tổng thể cho một ngôi nhà thông minh:

Hệ thống chiếu sáng: Điều khiển bật tắt đèn, điều chỉnh độ sáng tối, điều khiển màu đèn led

Hệ thống an ninh: Báo động khi có mở cửa, có di chuyển, báo gas, báo khói, báo nước tràn

Hệ thống điều khiển rèm tự động và chuông cửa, điều khiển tưới tự động …

Được thiết kế rất đẹp mắt và sang trọng, Fibaro là dòng nhà thông minh cao cấp, vớichất lượng và độ ổn định cao Giải pháp nhà thông minh Fibaro là một trong nhữnggiải pháp hàng đầu thế giới mang đến cho bạn sự thoải mái nhất

Ưu điểm của Fibaro:

Kết hợp được với các hang khác theo chuẩn Zwave nên hệ sinh thái sản phẩm rất phong phú

Sử dụng công nghệ không dây Zwave nên việc lắp đặt dễ dàng và nhanh chóng

Các thiết bị được nhập khẩu từ châu Âu, có thiết kế tinh xảo và sang

Hệ thống lắp đặt tòa nhà thông minh của ABB – ABB i-bus đã giúp một số tòa nhà lớn

ở Singapore cắt giảm năng lượng tiêu thụ và giành được những giải thưởng công nghiệp về hiệu suất năng lượng và ít tác động đến môi trường

ABB i-bus là hệ thống lắp đắt tòa nhà được sử dụng phổ biến nhất tại Singapore Nó

có nền tảng lắp đắt lớn nhất, từ văn phòng, nhà máy, khách sạn, nhà nghỉ, trường Đạihọc, các căn hộ, biệt thự, và nhà gỗ một tầng

Những tòa nhà giành giải thưởng bao gồm trụ sở Xilinx ở Châu Á Thái Bình Dương,nhà cung cấp các giải pháp logic lập trình số hàng đầu thế giới, trụ sở AppliedMaterials Inc, ở khu vực Đông Nam Á – nhà cung cấp thiết bị sản xuất tấm đệm chongành công nghệ bán dẫn lớn nhất thế giới và tòa nhà Thư viện quốc gia Singapore.Nổi bật nhất trong số những tính năng của ABB i-bus là cảm biến ánh sáng tự động tắtđèn trong phòng và những khu vực khác sau một giai đoạn kém hoạt động và cảm biếnsiêu ánh sáng có khả năng làm sáng hay làm mờ độ sáng theo lượng ánh sáng tự nhiêntrong tòa nhà

Các giải pháp của ABB được thiết kế với khả năng tự hoạt động và hầu như không cần

sự can thiệp của con người Nhân viên bảo dưỡng có thể giám sát, điều khiển và sửachữa toàn bộ hệ thống từ một vị trí duy nhất Cảm biến và phần mềm sẽ tiên đoán khinào cần thay thế hàng nghìn bóng đèn của tòa nhà

ABB i-bus dựa trên tiêu chuẩn quốc tế về điều khiển các tòa nhà thông minh sử dụnggiao thức KNX Nó kết hợp trong một hệ thống đơn phạm vi ứng dụng hoàn chỉnh baogồm điểu khiển chiếu sáng và là chắn sáng, nhiệt, thông gió và điều hòa nhiệt độ, anninh, giám sát và quản lý năng lượng

1.4.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ nhà thông minh ở Việt Nam

1.4.2.1 Nhà thông minh phát triển bởi công ty BKAV

Hệ thống rèm mành được việc điều khiển từ

xa Đóng mở theo các kịch bản đặt trước

Hệ thống hoạt động theo thói quen của người dung và nhu cầu ánh sáng theo mùa

 Hệ thống an ninh thông minh:

Kiểm soát các nguy cơ cháy nổ (do gas, điện), bị xâm nhập trái phép bằng

hệ thống cảm biến thông minh, hệ thống IP camera ghi hình, hàng rào điệntử

Hệ thống phát cảnh báo theo các cấp độ an ninh khác nhau như: Bật đèntại khu vực có đột nhập, báo động qua còi hú trong nhà, gửi tin nhắn hoặcgọi điện thoại

 Hệ thống kiểm soát môi trường:

Hệ thống kiểm soát môi trường với các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ oxy đặt ở khắp các vị trí thích hợp trong ngôi nhà

Các thông số được chuyển về hệ thống trung tâm để tính toán, đưa ra lệnhđiều khiển tới các thiết bị, tự học các kịch bản để duy trì phù hợp trạng tháimôi trường

 Hệ thống giải trí âm thanh đa vùng:

Phát nhạc tại khu vực của mình mà không ảnh hưởng tới khu vực

khác Lựa chọn các chế độ phát nhạc theo các khoảng thời gian trong ngày Trực quan với màn hình cảm ứng 3D:

Mô phỏng thiết bị và điều khiển trực quan trên smartphone và tablet

Ưu điểm của nhà thông minh Bkav

Lắp đặt và sử dụng đơn giản Các thiết bị trong giải pháp nhà thông minh Bkavđều được thiết kế không dây, nhờ thế giúp việc cấu hình và lắp đặt dễ dàng

Giá thành là khá rẻ

Nhược điểm của nhà thông minh Bkav

Điều khiển bằng giọng nói chỉ sử dụng được tiếng Anh.

1.4.2.2 Nhà thông minh của Lumi

Lumi Việt Nam là nhà sản xuất công tắc điện thông minh, cung cấp giải pháp và triểnkhai hệ thống nhà thông minh trong phân khúc hệ thống nhà thông minh trung và caocấp với tính tiện ích, đơn giản và dễ dàng trong sử dụng Lumi Việt Nam cung cấp giảipháp cho phép người dùng điều khiển, giám sát, đặt lịch hẹn giờ hoặc vận hành nhiềuthiết bị trong ngôi nhà cùng lúc theo cách đơn giản trên điện thoại di động hoặc máytính bảng Mô hình ngôi nhà thông minh của Lumi được cho bởi Hình bên dưới

Hình 1 2: Mô hình nhà Lumi [3]

Các kịch bản chiếu sáng được thiết lập sẵn cho từng hoạt cảnh cụ

thể Hiển thị tình trạng bật/tắt, cường độ sáng của đèn

Tự động chiếu sáng khi phát hiện có chuyển động và tự động tắt sau 1 khoảng thời gian khi không phát hiện có người di chuyển

Hẹn giờ chiếu sáng: Các thiết bị chiếu sáng có thể tự động bật, tắt theo giờ

 Hệ thống rèm cửa tự động:

Điều khiển nhiều rèm cửa cùng 1 lúc

Rèm tự động: Rèm đóng mở theo lịch đặt sẵn, tùy chỉnh thời gian đặt lịch

đóng

Điều khiển ở bất cứ nơi đâu

Tiết kiệm năng lượng bằng việc lựa chọn chế độ phù hợp của các thiết bị Điều khiển nhiệt độ: Bạn có thể điều chỉnh nhiệt độ của một hay nhiều điều hòa ở bất cứ khi nào có điện thoại hay máy tính bảng trên tay.

 Điều khiển bình nóng lạnh:

Sử dụng điều hòa bất cứ đâu thông qua điện thoại, máy tính bảng

Chế độ hẹn giờ tự bật và tự tắt trong vòng 15 phút trước khi tắm mà khôngcần lo lắng đã tắt thiết bị hay chưa

 Âm thanh đa vùng:

Chơi nhạc trực tiếp từ điện thoại, máy tính bảng sử dụng thư viện âm nhạc

từ thiết bị hay các trang web hay kênh video

 Hệ thống an ninh giám sát:

An ninh giám sát với hệ thống camera được lắp đặt tại các khu vực cầnthiết và hoạt động liên tục suốt ngày đêm ghi lại toàn bộ các hoạt động diễn

ra hàng ngày

Hệ thống cảm biến tham gia phát hiện sự đột nhập trái phép

 Kiểm soát môi trường:

Cảm biến môi trường sẽ đặt ở vị trí thích hợp trong nhà để đo thông số môitrường và gửi về bộ điều khiển trung tâm đồng thời hiện thị trên điện thoại diđộng

Hệ thống xử lý các dữ liệu thu thập được để điều khiển thiết bị điều hòanhiệt độ, máy hút ẩm, quạt thông gió hoặc bật tắt thiết bị chiếu sáng để đảmbảo môi trường sống hợp lý nhất

 Voice Control MILO của Lumi là một chiếc loa thông minh được điều khiểnthông qua giọng nói Tiếng Việt Bằng câu thoại tiếng Việt đơn giản, trợ lý ảo MILO sẽlắng nghe và thực hiện các yêu cầu của người dùng cho ngôi nhà thông minh Đặc biệt,với sản phẩm mới lần này, Lumi đã phát triển công nghệ nhận dạng giọng nói và tích hợp

để nó hiểu được giọng của nhiều vùng miền khác nhau

 Nhà thông minh Lumi là một ứng dụng của IoT, sử dụng công nghệ truyềnthông Zigbee của Mỹ, các sản phẩm của Lumi đạt chứng chỉ CE – tiêu chuẩn châu Âu và

UL – chứng nhận bo mạch đạt chuẩn quốc tế Với thiết kế sang trọng kiểu dáng châu Âu,nhà thông minh Lumi đã giúp cho căn nhà của bạn thêm đẹp và hết sức tinh tế

Ưu điểm của nhà thông minh Lumi:

10

 Dễ dàng thi công, lắp đặt và nâng cấp, server tại Việt Nam nên rất nhanh

và ổn định

 Giao diện phần mềm dễ sử dụng, ngôn ngữ bằng Tiếng Việt nên rất thân thiện, màn hình điều khiển trực quan, hiển thị đầy đủ, các kí hiệu rõ ràng

 Chi phí hợp lý, có thể nói là giá tốt so với các hãng của nước ngoài

Hạn chế của nhà thông minh Lumi:

 Khó kết nối với các hãng khác, đa phần chỉ dùng các sản phẩm do Lumi tự sản xuất nên hạn chế về sự đa dạng sản phẩm

 Chức năng điều khiển bằng giọng nói chỉ điều khiển được trong phạm vi

hẹp

1.4.2.3 Nhà thông minh GEEKLINK

 Geeklink – Một cái tên mới xuất hiện tại Việt Nam khoảng 1 năm trở lạiđây nhưng đã có những tiếng vang lớn trong lĩnh vực cung cấp giải pháp và lắp đặt nhàthông minh và tập trung vào phân khúc tầm trung

 Ưu điểm vượt trội của nhà thông minh Geeklink là khả năng điều khiển,thiết lập thời gian Bật/Tắt, chế độ làm việc… theo thói quen, theo ý muốn hoặc theo mụcđích sử dụng của bạn, giúp cuộc sống của bạn trở nên tiện nghi hơn

 Geeklink đã tạo ra một hệ thống các sản phẩm hiện đại phục vụ cho toàn

bộ các chức năng của một ngôi nhà thông minh Những sản phẩm của Geeklink cũngđược thiết kế với 2 mày Trắng và Đen chủ đạo

Một số sản phẩm cho giải pháp nhà thông minh Geeklink:

 Trung tâm điều khiển nhà thông minh Geeklink Thinker

 Các chiếc công tắc chạm cảm ứng (1 nút, 2 nút, 3 nút)

 Hồng ngoại không dây Geeklink

 Camera quan sát thông minh Geeklink

 Chuông báo động không dây Geeklink

Điểm mạnh của Geeklink:

 Lắp đặt và sử dụng đơn giản Các thiết bị trong giải pháp nhà thông minhGeeklink đều được thiết kế không dây, nhờ thế giúp việc cấu hình và lắp đặt dễ dàng

11

 Với chi phí được xem là rẻ, Geeklink được đánh giá là nhà thông minh có mức chi phí hợp lý và nhiều người sử dụng.

Hạn chế của Geeklink:

Các sản phẩm thương hiệu Geeklink có thiết kế chưa đẹp

Ngoài ra ở Việt Nam còn có rất nhiều công ty khác như Ecozy, Broadlink…

1.5 Mục tiêu phát triển đề tài

Trong lĩnh vực nhà thông minh, các kỹ sư vẫn đang tiếp tục sáng tạo để tạo ranhiều tiện ích hơn nữa cho ngôi nhà cũng như tối ưu hoá về việc triển khai lắp đặt mộtngôi nhà thông minh Công nghệ mới ra đời cho phép ngôi nhà ngập tràn các thiết bịcông nghệ cao nhưng không đồng nghĩa với việc các giải pháp công nghệ được tíchhợp một cách đồng bộ và hoạt động dựa trên các cơ chế khoa học và đảm bảo hiệu quảtối đa cung cấp các đáp ứng cần thiết cho người sử dụng Vì vậy, đề tài của em hướngđến việc xây dựng một hệ thống nhà thông minh hoàn chỉnh với các kịch bản cụ thể,khoa học

Hiện nay, các nhà cung cấp nhà thông minh ở nước ta đa phần chỉ dừng lại ở việcđiều khiển thiết bị bằng tay Tại thị trường Việt Nam, bản điều khiển ngôi nhà bằngngôn ngữ tiếng Anh vẫn chưa thật sự tiện lợi Thay vào đó, người dùng cần có sảnphẩm dành riêng cho người Việt, sử dụng giọng nói tiếng Việt để thuận tiện hơn VàLumi là công ty đầu tiên ở Việt Nam đã sử dụng tiếng Việt để điều khiển ngôi nhà tíchhợp trợ lý ảo Alexa Tuy nhiên, việc điều khiển sử dụng giọng nói chỉ làm việc được ởtrong ngôi nhà của mình với phạm vi khá hẹp

Vì thế, mục tiêu của đề tài của em hướng tới như sau:

Khả năng thu thập dữ liệu, giám sát các thay đổi về thông số của môi trường

Cho phép hiển thị trực quan một cách trực tiếp

Khả năng bảo vệ ngôi nhà khi gặp các sự cố như cháy, rò rỉ khí gas, …

Khả năng điều khiển bằng giọng nói qua smartphone với phạm vi rộng hơn, có thể điều khiển từ vị trí xa ngôi nhà

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sau khi tìm hiểu rõ các chức năng cần có của ngôi nhà thông minh, chúng em cầntrang bị cho mình cơ sở lý thuyết nhất định để thực hiện Chúng em sẽ tìm hiểu nhữngkiến thức cần thiết để thực hiện đề tài Trong chương này bọn em sẽ giới thiệu về các

lý thuyết âm thanh để điều khiển giọng nói, cơ sở phần cứng, và các cơ sở phần mềm

2.1 Hệ sinh thái Internet of Things - IoT

2.1.1 Khái niệm Internet of Things

Internet of Things (IoT) dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như chỉ

sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc tổng hòa mang tính kết nối: Mạng lưới vạn

vất kết nối internet hay gọi đơn giản là Things.

IoT có thể là bộ cảm ứng được lắp ráp trong một thiết bị nào đó để ghi lại thông số, nó

có thể giúp mọi vật giờ đây có thể giao tiếp với nhau dễ dàng và ưu điểm lớn nhất củaIoT là “tự động, thông minh, mọi nơi, mọi lúc”

Cụm từ Internet of Things được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Ban đầu IoTkhông mang ý nghĩa tự động và thông minh Về sau, người ta nghĩ đến sự kết hợp giữahai khái niệm IoT – Autonomous control lại với nhau Nó có thể “quan sát” sự thayđổi và phản hồi với môi trường xung quanh, cũng có thể tự điều khiển mà không cầnkết nối mạng Việc tích hợp trí thông minh vào IoT còn có thể giúp các thiết bị, máymóc, phần mềm thu thập và phân tích các dữ liệu điện tử của con người khi chúng tatương tác với chúng Xu hướng tất yếu trong tương lai, con người có thể giao tiếp vớimáy móc chỉ thông qua mạng internet không dây mà không cần thêm bất cứ hình thứctrung gian nào khác

Hình 2 1: IoT giúp cho mọi thứ giờ đây thông minh, tự động, mọi nơi và mọi lúc

Điều giúp IoT “thông minh” và “hiểu” con người ngoài giao tiếp M2M (các thiết bịkết nối với nhau thông qua thiết bị khác điều khiển) còn có các cảm biến (sensor).Sensor tương tự như đôi mắt và đôi tai của con người với sự ghi nhận liên tục những

đo lường, định lượng, thu nhập dữ liệu từ thế giới bên ngoài Suy cho cùng, IoT đemđến sự kết nối giữa máy móc và cảm biến, và nhờ đến dữ liệu điện toán đám mây làmắt xích quan trọng giúp cho IoT có thể hoạt động giúp cho IoT có thể hoạt động nhờphân tích, xử lí và sử dụng dữ liệu mà các cảm biến thu thập được

2.1.2 Kiến trúc Internet of Things

Kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần: vạn vật (Things), trạm kết nối(Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo

và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers)

Vạn vật (Things): ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường gia

dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng Chẳng hạn như xe hơi,thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thôngqua băng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet Giải pháp IoT giúp các thiết

bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết

bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối

Trạm kết nối (Gateways): một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các vật

dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ dữ liệuvới điện toán đám mây Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trò làmột trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đámmây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý

Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud):

Cơ sở hạ tầng kết nối: internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IPđược kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạngnày bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp vànhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng đượckết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấpdịch vụ

Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: các trung tâm dữ liệu và hạtầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưutrữ và mạng ảo hóa được kết nối

Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers):

Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming Interface) là Mashery và Aepona để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị

trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ

hệ thống và tài sản đang có sẵn

2.1.3 Đặc tính cơ bản của Internet of Things

Tính kết nối liên thông (interconnectivity): với IoT, bất cứ điều gì cũng cóthể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạctổng thể

Những dịch vụ liên quan đến “Things”: hệ thống IoT có khả năng cung cấpcác dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư và nhấtquán giữa Physical Thing và Virtual Thing Để cung cấp được dịch vụ này, cảcông nghệ phần cứng và công nghệ thông tin (phần mềm) sẽ phải thay đổi.Tính không đồng nhất: các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó cóphần cứng khác nhau, và network khác nhau Các thiết bị giữa các network cóthể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các network

Thay đổi linh hoạt: status của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ, ngủ vàthức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi, và tốc độ đã thay đổi…Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi

Quy mô lớn: sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giaotiếp với nhau Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nốiInternet hiện nay Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơnnhiều so với được truyền bởi con người

2.1.4 Ứng dụng của Internet of Things

IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thứ như sau:

Quản lý chất thải

Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô

thị Quản lý môi trường

Phản hồi trong các tình huống khẩn

cấp Mua sắm thông minh

Quản lý các thiết bị cá nhân

Đồng hồ đo thông minh

Tự động hóa ngôi nhà

Từ những ứng dụng chung bên trên, hiện nay trên thế giới đã có nhiều sản phẩm đượcgọi là thông minh, là những thiết bị đầu cuối của hệ thống mạng lưới IoT Dưới đây làmột số sản phẩm:

Quản lý năng lượng thông minh: quản lý năng lượng là một trong các mụctiêu đầu tiên khi phát triển IoT Các bộ ổn nhiệt thông minh như Google Nest,Hive, Tado và Honeywell đang cung cấp các hệ thống cho phép chủ nhà điềuchỉnh nhiệt độ và nước nóng ngay từ điện thoại Một số còn “học” thói quencủa người dùng và tự động điều chỉnh phù hợp với sở thích của họ.

Đèn thông minh: các hệ thống đèn điện thông minh như Phillips Hue chophép người dùng điều chỉnh màu sắc và độ sáng của đèn trong nhà từ điệnthoại Một số hệ thống đèn khác từ những công ty như LG có thể được lập trình

để hoạt động như đồng hồ báo thức, chẳng hạn dần dần sáng lên vào buổi sánghoặc nhấp nháy khi có cuộc gọi đến

Xe hơi tự hành: IoT không chỉ biến mọi thứ trong nhà trở nên thông minhhơn mà còn cho cả chiếc xe hơi của bạn Google đã khơi dậy sự quan tâm củacông chúng vào xe hơi tự lái khi bắt đầu thử nghiệm phương tiện đặc biệt nàytại thung lũng Silicon Kể từ đó, Mercedes, Audi và BMW cũng giới thiệunguyên mẫu xe hơi tự hành, một số được điều khiển bằng smartphone vàsmartwatch

2.2 Lý thuyết điều khiển bằng giọng nói

2.2.1 Khái niệm âm thanh

Âm thanh được phát ra từ sự rung động của các vật thể trong không khí, sóng âm lantruyền do sự dao động của không khí, năng lượng sóng âm cũng bị hấp thu và phản xạtrên các vật cản và dĩ nhiên sóng cũng đi vòng qua các vật cản nhỏ (hiện tượng nhiễuxạ) và bị làm lệch đi khi vận tốc truyền âm qua các môi trường bị thay đổi Ví dụ: môitrường không khí, môi trường nước (hiện tượng khúc xạ) …Đặc tính vật lý của âm là:tần số, chu kỳ và biên độ

Trước tiên chúng ta đi vào một số khái niệm cơ bản:

 Tần số: số dao động trong thời gian một giây

 Chu kỳ: thời gian hoàn thành một dao động

 Áp lực âm học: các dao động của vật thể tùy theo hướng dịch chuyển gây ratác động nén hoặc giãn lên một vật thể khác (có thể là vật thể dùng để đo), đơn vị tính làPascal, N/m2

 Biên độ: giá trị cực đại của áp lực âm học

 Cường độ: chỉ công suất âm thanh tác dụng lên bề mặt là 1 cm2, cường độ tỷ

lệ với bình phương áp lực âm học Đơn vị tính của cường độ là W/cm2

 Bước sóng là đoạn đường truyền sóng đi được trong một chu kỳ

 Tần số riêng: khi ta đặt tay vào một vật và vật đó rung lên và sẽ phát ra cácsóng âm, ở sóng âm nghe được rõ nhất ứng với một tần số xác định thì được gọi là tần sốriêng của vật Tần số riêng thay đổi tùy theo kích thước hình học, bản chất của vật bị kíchthích

 Tần số cộng hưởng: dao động với biến độ mạnh nhất của một vật thể, lúc

đó các dao động ở dạng tích lũy năng lượng Kích thích và dạng năng lượng ở dạng tổnhao ít nhất

2.2.2 Các hiệu ứng âm thanh

Âm thanh được cảm nhận qua tai và được phân tích hình dạng của thần kinh thị giác.Bản chất của các âm thanh là các dao động vật chất, nó chịu nhiều ảnh hưởng củanhiều yêu tố khách quan và chủ quan Đặc tính cảm thụ của ta với các tác động củanguồn âm như sau:

 Nghe âm thanh: các chấn động của không khí tạo các tác động nén và dãnlên màng nhĩ, sự rung động của màng nhĩ được thần kinh thính giác truyền về đại não,các trung khu thần kinh nghe sẽ giải mã và tạo ra các cảm giác nhận dạng để biết nộidung của các âm vừa đến kích thích màng nhĩ

 Phổ âm thanh: tai người cảm nhận được các rung động có tần số từ 20hzđến 20khz Các âm thanh quá thấp tai người không nghe được, đó là phần ngoại âm,những âm lớn hơn 20khz gọi là siêu âm Tiêng nói của người chiếm dãy tần số từ 80hztới 1,2khz khoảng 4 bát độ, độ nhạy của tai tốt thì mức nghe thấy là 1 dB Thực tế khinghe có sự khác biệt 3 dB thì nhận biết rõ ràng Các nghiên cứu cho thấy tai người khôngthể phân biệt sự khác nhau của mức âm thanh nhỏ hơn 1 dB Trong không gian yên tĩnhngười ta đo được áp lực âm thanh của các nguồn như sau:

0dB: ngưỡng nghe thấu được im lặng thuyết đối

100dB: tiếng động tàu

110dB: cưa máy

120dB: động cơ máy bay

130dB: ngưỡng đau tai

140dB: còi xe cứu hỏa, tiếng pháo cối

2.2.3 Khái niệm nhận diện giọng nói

Dialog and program control

Interface

Devices: telephone, TV,

Hình 2 2: Sơ đồ tổng quát của nhận diện giọng nói

Là một bộ máy hoặc hệ thống có khả năng nhận và viết (hoặc hiểu và thực hiện) cáclệnh từ giọng nói con người Nhận dạng giọng nói có 2 thuật ngữ khác nhau: Voicerecognition và Speech recognition

 Voice recognition liên quan đến việc xác định một giọng nói chính xác của

một cá nhân nào đó, tương tự các phương pháp nhận diện sinh trắc học

 Speech recognition là việc xác định những từ ngữ trong câu nói rồi dịch

chúng sang ngôn ngữ máy tính

2.2.4 Cách chuyển đổi giọng nói

Để chuyển giọng nói sang văn bản hoặc câu lệnh máy tính, hệ thống phải thực hiệnmột quá trình gồm nhiều bước phức tạp Khi nói, bạn sẽ tạo ra những rung động trongkhông khí Bộ chuyển đổi analog sang digital (ADC) chuyển các sóng tương tự(analog) này thành dữ liệu số (digital data) mà máy tính có thể hiểu được