Xây dựng mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói

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.........................................................................

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:

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:

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)

1

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

giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi

ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

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

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 dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5

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 1 2 3 4 57

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

quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập

luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết quyển đồ án (10)

8

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 giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu

cách 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

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học,

lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

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

10a

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

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

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

sáng chế

5

10b

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

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

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

chuyên ngành như TI contest

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:

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)

1

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

thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng 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 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

dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5

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

7

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

được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất

hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai.

Kỹ năng viết quyển đồ án (10)

8

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 giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu cách 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

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

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

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

5

10b

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

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

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

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 thay đổitoàn diện cho cuộc sống của con người Không phải ngoại lệ, cuộc cách mạng 4.0 với nềntảng là vạn vật kết nối, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo được dự đoán sẽ tạo ra bộ mặt hoàntoàn mới cho thế giới Những công việc nặng nhọc và đòi hỏi tính sáng tạo sẽ được thaythế bằng robot, Internet với tốc độ siêu nhanh phủ sóng khắp mọi nơi cũng thay đổi cách

ta làm việc và giao tiếp Đồng thời, những cỗ máy với khả năng tính toán và xử lý siêuviệt sẽ xuất hiện nhiều hơn ở các cơ quan, viện nghiên cứu Những thành tựu về côngnghệ đã xuất hiện ngày càng nhiều, tiêu biểu là Alpha Go của Google đã dành chiến thắngtuyệt đối trước nhà vô địch cờ vây thế giới, một công ty Nhật Bản đang bắt đầu thửnghiệm Robot thay cho nhân viên văn phòng và ô tô tự hành cũng xuất hiện ngày càngnhiều trên đường phố…

Internet of Things – IoT hay còn gọi là vạn vật kết nối, trong đó vạn vật ở đây đó làmọi vật, mọi vật thể, mọi thiết bị Mỗi một vật thể đều có một ID (định danh riêng), tất cảkết nối với nhau thông qua môi trường mạng Internet Từ đó tạo ra một mạng lưới thôngminh, có khả năng truyền tải, trao đổi các dữ liệu, thông tin qua lại Tất cả dưới sự điềukhiển từ xa của con người mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp với mỗi thiết bị Cụ thểcon người có thể điều khiển các thiết bị trọng nhà như: máy giặt, tủ lạnh, tivi, đèn, máylạnh,… Hoạt động từ trình điều khiển trên Smartphone máy tính bảng hay laptop Côngnghệ IoT phát triển dựa trên sự kết hợp công nghệ mạng Internet (mạng không dây nhưWifi, mạng viễn thông băng rộng 4G, 5G) và công nghệ cơ – điện tử Sự kết hợp từ cáccông nghệ hiện đại mang đến nhiều ứng dụng, đáp ứng những nhu cầu Từ đó giúp tăngtrưởng hiệu quả chất lượng công việc hơn

Một trong những thành tựu của vạn vật kết nối vài năm trở lại đây đó là “Nhà ThôngMinh” hay Smart Home Ở Việt Nam, rất nhiều mô hình nhà thông minh đã được áp dụngvào 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 qua Smartphone 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 Hà Nội,

đã hướng dẫn tận tình và chỉ dẫn các bước, cung cấp những tài liệu nghiên cứu quý 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 đã rất

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 và hoànthiện 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 quả quátrình tìm hiểu và nghiên cứu của em Các dữ liệu được nêu trong đồ án “Xây dựng môhình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói” là hoàn toàn trung thực, phản ánh đúngkết quả đo đạc thực tế Mọi thông tin trích dẫn đều tuân thủ các quy định về sở hữu 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 hiện

Ngô Đức Hiển

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHÀ THÔNG MINH

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

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

2.2.4.1 Nguyên lý chuyển đổi A/D 25

2.4 Thành phần truyền thông trong thiết bị thông minh 29

3.3.1.2 Truy cập và tạo Project trong App Inventer 53

3.4.1.2 Cách thức hoạt động của Firebase 61

DANH MỤC HÌNH VẼ

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

Y

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

YHình 3 1: Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3 4: IC ổn áp LM7805 với hai loại: chân cắm và chân dán 35Hình 3 5: Header 2P XH2 và nút nhấn 6 chân 8x8mm (switch) 36

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

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

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

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

Hình 3 21: Sơ đồ nguyên lí khối các chức năng cho mô hình 48Hình 3 22: Layout 2D Bottom layer của mạch phần cứng 49

Hình 3 36: Khối chức năng điều khiển thiết bị thủ công 56Hình 3 37: Khối chức năng điều khiển thiết bị bằng giọng nói 57Hình 3 38: Khối chức năng cập nhật và hiển thị thông số cảm biến 57Hình 3 39: Dữ liệu thời gian thực là cách thức hoạt động của Firebase 58Hình 3 40: Firebase xây dựng hành động tự động đăng nhập cho ứng dụng bằng cách xác

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

Hình 3 43: Các ứng dụng trên nền tảng Firbase có độ bảo mật thông tin cao 61Hình 3 44: Các ứng dụng chạy trên nền tảng Firebase hoạt động khá ổn định 61Hình 3 45: Sử dụng tài khoản Google để đăng nhập Firebase 62Hình 3 46: Mỗi dự án khởi tạo sẽ được lưu trên server của Google, có thể phát triển dự án

Hình 3 47: Mộ số ứng dụng mà Google Analytics mang lại 63Hình 3 48: Các dịch vụ mà Firebase cung cấp bao gồm Authentication, Database,

Hình 3 49: Cách lấy Web API Key, do liên quan đến vấn đề bảo mật nên API key sẽ được

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

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

DANH MỤC BẢNG BIỂ

Bảng 3 1: Kết nối của Kit ESP32 40

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

9 IEEE Institute of Electrical andElectronics 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 cứu cácthuật toán học cho phép áp dụng các kiến thức trong lĩnh vực điện tử - truyền thông vàoviệc thiết kế một ngôi nhà thông minh Hệ thống bao gồm bộ vi điều khiển trung tâm, cáccảm biến và cơ cấu chấp hành, phần mềm android và điều khiển từ xa qua kết nốiinternet Trong đó các module cảm biến, như cảm biến nhiệt độ, cường độ sáng, khí gasgiúp theo dõi các tham số môi trường Bộ xử lý trung tâm kết nối với ứng dụng androidcho phép thiết lập các kịch bản, điều khiển sử dụng để bước đầu tiến tới xây dựng một hệthống nhà thông minh

The project includes designing hardware systems, software and studying algorithms toapply the knowledge in the field of electronics - communication to the design of a smarthome The system consists of central microcontroller, sensors and actuators, androidsoftware and remote control via internet connection In particular, the sensor module, such

as temperature sensor, light intensity, and gas helps monitor environmental parameters.The central processor connected to the android application allows setting up scripts andcontrols 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 ứng nhữngnhu cầu tối thiểu của con người trong lao động, sinh hoạt, giải trí mà còn tạo ra khônggian thoải mái, tiện nghi một cách tối đa trên cơ sở đáp ứng các yêu cầu về an ninh, antoàn, đảm bảo khả năng chăm sóc sức khỏe và tiết kiệm năng lượng Vì vậy trước khi đivào thiết kế một hệ thống thực, công việc của người kỹ sư là cần phải có các khảo sát nhucầu của người sử dụng, các hệ thống thực tế đã triển khai cũng như bộ tiêu chuẩn, yêu cầuchức năng, phi chức năng của sản phẩm

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 người khuyếttật Nhận diện giọng nói còn được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo(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 hoáhoặc 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 thông qua bảng điện tử đặttrong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web.Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đềugắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet và điện thoại di động, cho phépchủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch.Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có khả năng tươngtác với nhau

Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là một hệ thống kiểm soát mức độchiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh, chẳng hạnnhư cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối Hệ thống cũng có thể điều chỉnh rèmcửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera giám sát, hệ thống khóa cửa tựđộng, hệ thống phòng ngừa trộm Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sángtạo hơn, gồm hệ thống điều khiển giải trí tại gia – loa công suất khác nhau, hệ thống điệnthoại, liên lạc nội bộ, hệ thống tưới nước Các chức năng này có thể được thực hiện nhờcác thiết bị trong nhà được kết nối với nhau để hệ thống máy tính trung tâm có thể theodõi 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 nhiều nămnhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng rãi của điện vànhững 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 biến nhiệt

độ, cảm biến ánh sáng hoặc do cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy chủ và các thiết bịchấp hành khác Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy chủ có thể theo dõicác trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định điều khiển các thiết bị chấphành một cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho con người

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 công tắc,thậm chí với căn nhà lớn hàng trăm công tắc Với nhà thông minh, bạn có thể điều khiểntất cả bằng một vài nút bấm trên màn hình cảm ứng của smartphone hay máy tính bảng.Bạn cũng có thể điều khiển và kiểm soát ngôi nhà thông qua giao diện trực quan 3D, ở đócác thiết bị được mô phỏng giống như đang sử dụng thực tế, chỉ cần chạm vào thiết bịtương ứng trong màn hình để điều khiển Ví dụ sau giúp bạn hình dung được phần nàohoạt động của hệ thống: Khi khách đến, bạn chỉ cần chạm vào “Tiếp khách”, đèn phòngkhách bật sáng rực rỡ, rèm kéo lên, điều hòa giảm xuống độ mát sâu hơn, giảm âm lượngnhạc phát… thông thường để làm được việc này bạn phải chạy khắp căn phòng và bấm rấtnhiều công tắc Thật tiện nghi khi chỉ cần chạm vào một nút trên màn hình Một ví dụkhác khi đi ngủ, thay vì phải kéo rèm, đóng cửa, tắt điện, mò mẫm đi lên giường, bạn chỉviệc chạm vào “Đi ngủ” trên điện thoại hoặc máy tính bảng, hệ thống sẽ thực hiện giúpbạn những điều này, đồng thời kích hoạt hệ thống an ninh, báo động khi phát hiện xâmnhập 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 khiển nhàmình bằng giọng nói của chính bạn thông qua một ứng dụng điện thoại hoặc thiết bị hỗtrợ riêng Nhà thông minh được trang bị công nghệ trợ lý ảo, giúp giao tiếp với hệ thốngtrở nên thân thiện, không cứng nhắc như một hệ thống điều khiển thông thường

1.4Tổng 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 nghệ thôngminh 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 bị như:

bộ điều khiển trung tâm, thiết bị báo động mở cửa hoặc két sắt, thiết bị nhận diện người lạxâm nhập, thiết bị điều khiển điện gia đình, thiết bị kết nối Internet….Với những trang bịnày, 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 lắp đặt

hệ thống X10, mỗi thứ đồ điện trong nhà, dù đó là đèn, quạt, bình nóng lạnh hay máy điềuhòa, đều sẽ có một địa chỉ riêng Và chỉ cần một chiếc điều khiển từ xa, chúng ta có thểđiều khiển tất cả, dù đang ở bất kỳ vị trí nào trong nhà Ví dụ, người điều khiển trên tầng

2, và muốn bật đèn ở cổng dưới tầng 1 để xem ai đang bấm chuông qua camera Hoặc ởtầng 1 và phát hiện đèn trên sân thượng vẫn quên chưa tắt Hoặc đơn giản hơn, muốn cáiđèn chum giữa phòng khách tối đi một nửa để xem phim cho có không khí Hệ thống X10

sẽ cho phép làm tất cả những việc đó chỉ với vài lần bấm nút trên điều khiển từ xa Có thểlập chương trình hoạt động cho từng thiết bị sao cho phù hợp với tập quan sinh hoạt củagia đình Giả sử, ngày thường dậy vào lúc 6h30, 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, đènphòng bếp sẽ sáng từ lúc 6h20 và bình nước nóng đã sẵng sang lúc 6h25 Tất nhiên, saukhi ra khỏi nhà ít phút, đèn ở các phòng sẽ tự tắt Hệ thống X10 sẽ mang sự tiện nghi, hệthống tự động hóa nhà ở và cả sự an toàn, tiết kiệm Khác với một số hệ thống tự độnghóa nhà ở đòi hỏi phải có dây dẫn riêng nối tới từng thiết bị phải điều khiển X10 sử dụngchính mạng điện hiện có trong nhà để truyền dẫn tín hiệu điều khiển Giả sử, muốn điềukhiển 2 chiếc đèn trong phòng ngủ, thì chỉ cần lắp 1 module X10 vào phía sau công tắccủa 2 chiếc đèn đó Sau đó, có thể điều khiển cả 2 chiếc đèn bằng điều khiển từ xa, hoặcvẫn 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 địa chỉ mạngchung, từ 0 đến 255) Có rất nhiều lựa chọn để điều khiển các thiết bị điện của mình: bằngđiều khiển từ xa cầm tay, bằng máy vi tinh, thậm chí có thể dùng điện thoại để điều khiểnmọi 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, cũngkhông 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 có cấutrúc gần giống với hệ thống Instabus, các thiết bị điều khiển và các thiết bị chấp hành cóthể được nối theo kiểu vòng, sao, trên một đường bus 2 dây nhưng vẫn đảm bảo được việctruyền dữ liệu, và tăng khả năng mềm dẻo khi thi công, mở rộng mạng và tiết kiệm đượcđường dây cho chủ đầu tư Một trong các hệ thống tiêu biểu cho hệ SCS là hệ thống củaBticino, với hệ thống này toàn bộ các hệ thống Home Automation, Camera doorphone,Sound system, Security, được đi trên một đôi bus Đây là một hệ thống có độ thích hợpcông nghệ cao, có nhiều sản phẩm cho mọi ứng dụng của một ngôi nhà thông minh trênmột hệ thống Đây là một hệ thống đang được sử dụng rất nhiều trên thế giới vì ngoài khảnăng công nghệ nêu trên chúng còn được thiết kế rất đẹp trên nhiều loại chất liệu đáp ứngđược 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 cóđầy 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, báokhói, báo nước tràn

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

Được thiết kế rất đẹp mắt và sang trọng, Fibaro là dòng nhà thông minh cao cấp, với chấtlượng và độ ổn định cao Giải pháp nhà thông minh Fibaro là một trong những giải pháphàng 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 sảnphẩm rất phong phú

● Sử dụng công nghệ không dây Zwave nên việc lắp đặt dễ dàng và nhanhchóng

● 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 ởSingapore cắt giảm năng lượng tiêu thụ và giành được những giải thưởng công nghiệp vềhiệu 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 cónền tảng lắp đắt lớn nhất, từ văn phòng, nhà máy, khách sạn, nhà nghỉ, trường Đại học,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, nhàcung cấp các giải pháp logic lập trình số hàng đầu thế giới, trụ sở Applied Materials Inc,

ở khu vực Đông Nam Á – nhà cung cấp thiết bị sản xuất tấm đệm cho ngành công nghệbán 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 sựcan thiệp của con người Nhân viên bảo dưỡng có thể giám sát, điều khiển và sửa chữatoàn bộ hệ thống từ một vị trí duy nhất Cảm biến và phần mềm sẽ tiên đoán khi nào cầnthay 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 dụng giaothức KNX Nó kết hợp trong một hệ thống đơn phạm vi ứng dụng hoàn chỉnh bao gồmđiểu khiển chiếu sáng và là chắn sáng, nhiệt, thông gió và điều hòa nhiệt độ, an ninh,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 sángtheo mùa

Hệ thống an ninh thông minh:

● Kiểm soát các nguy cơ cháy nổ (do gas, điện), bị xâm nhập trái phépbằng 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 hoặc gọiđiện 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 ralệnh điều 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

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 cao cấpvới tính tiện ích, đơn giản và dễ dàng trong sử dụng Lumi Việt Nam cung cấp giải phápcho phép người dùng điều khiển, giám sát, đặt lịch hẹn giờ hoặc vận hành nhiều thiết bịtrong ngôi nhà cùng lúc theo cách đơn giản trên điện thoại di động hoặc máy tính bảng

Mô hình ngôi nhà thông minh của Lumi được cho bởi Hình bên dưới

Hình 1 2: Mô hình nhà Lumi [3]

Hệ thống chiếu sáng:

● 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 1khoảng 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

Điều hòa không khí:

● 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 nhiềuđiều 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 rahàng 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 sốmôi trường và gửi về bộ điều khiển trung tâm đồng thời hiện thị trên điện thoại

di động

● 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 đảm bảomôi 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 ảoMILO sẽ lắng nghe và thực hiện các yêu cầu của người dùng cho ngôi nhà thôngminh Đặc biệt, với sản phẩm mới lần này, Lumi đã phát triển công nghệ nhậndạng 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 kiểudáng châu Âu, nhà thông minh Lumi đã giúp cho căn nhà của bạn thêm đẹp và hếtsức tinh tế

Ưu điểm của nhà thông minh Lumi:

✔ 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 thânthiện, 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 tựsản xuất nên hạn chế về sự đa dạng sản phẩm

✔ Chức năng điều khiển bằng giọng nói chỉ điều khiển được trong phạm vihẹp

1.4.2.3 Nhà thông minh GEEKLINK

✔ Geeklink – Một cái tên mới xuất hiện tại Việt Nam khoảng 1 năm trở lại đâynhưng 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 hoặctheo mục đích 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 bộcác 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)

✔ Các loại cảm biến

✔ Hồng ngoại không dây Geeklink

✔ Camera quan sát thông minh Geeklink

✔ Chuông báo động không dây Geeklink

✔ Remote điều khiển…

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 dễdàng

✔ Với chi phí được xem là rẻ, Geeklink được đánh giá là nhà thông minh cómức 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 ra nhiềutiện ích hơn nữa cho ngôi nhà cũng như tối ưu hoá về việc triển khai lắp đặt một ngôi nhàthông minh Công nghệ mới ra đời cho phép ngôi nhà ngập tràn các thiết bị công nghệ caonhưng không đồng nghĩa với việc các giải pháp công nghệ được tích hợp một cách đồng

bộ và hoạt động dựa trên các cơ chế khoa học và đảm bảo hiệu quả tối đa cung cấp cácđáp ứng cần thiết cho người sử dụng Vì vậy, đề tài của em hướng đến 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 bằng ngônngữ tiếng Anh vẫn chưa thật sự tiện lợi Thay vào đó, người dùng cần có sản phẩm dànhriêng cho người Việt, sử dụng giọng nói tiếng Việt để thuận tiện hơn Và Lumi là công tyđầu tiên ở Việt Nam đã sử dụng tiếng Việt để điều khiển ngôi nhà tích hợp trợ lý ảoAlexa Tuy nhiên, việc điều khiển sử dụng giọng nói chỉ làm việc được ở trong ngôi nhàcủa 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 cần trang bịcho mình cơ sở lý thuyết nhất định để thực hiện Chúng em sẽ tìm hiểu những kiến thứccần thiết để thực hiện đề tài Trong chương này bọn em sẽ giới thiệu về các lý thuyết âmthanh 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 sựtồn 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 cóthể giúp mọi vật giờ đây có thể giao tiếp với nhau dễ dàng và ưu điểm lớn nhất của IoT 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 thay đổi vàphản hồi với môi trường xung quanh, cũng có thể tự điều khiển mà không cần kết nốimạng Việc tích hợp trí thông minh vào IoT còn có thể giúp các thiết bị, máy móc, phầnmềm thu thập và phân tích các dữ liệu điện tử của con người khi chúng ta tương tác vớichúng Xu hướng tất yếu trong tương lai, con người có thể giao tiếp với máy móc chỉthông qua mạng internet không dây mà không cần thêm bất cứ hình thức trung gian nàokhác

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 bị kếtnối với nhau thông qua thiết bị khác điều khiển) còn có các cảm biến (sensor) Sensortương 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 đem đến sự kết nốigiữa máy móc và cảm biến, và nhờ đến dữ liệu điện toán đám mây là mắt xích quan trọnggiúp cho IoT có thể hoạt động giúp cho IoT có thể hoạt động nhờ phân tích, xử lí và sửdụng 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 vàcung 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 bịcảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băngtầng mạng không dây và truy cập vào Internet Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minhđược sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thôngminh 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 là mộttrung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây mộtcách 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 mạng nàybao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiềuthiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đếnmạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch 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 lưu trữ

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 ProgmramingInterface) 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 hệthống 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 lạc tổngthể

● 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 nhất quángiữa Physical Thing và Virtual Thing Để cung cấp được dịch vụ này, cả công nghệphần 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 có thểtương 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 hơn nhiều

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 được gọi

là thông minh, là những thiết bị đầu cuối của hệ thống mạng lưới IoT Dưới đây là một sốsản 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 điều chỉnhnhiệt độ và nước nóng ngay từ điện thoại Một số còn “học” thói quen của ngườidùng 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 điện thoại.Một số hệ thống đèn khác từ những công ty như LG có thể được lập trình để hoạtđộng như đồng hồ báo thức, chẳng hạn dần dần sáng lên vào buổi sáng hoặc nhấpnháy 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 của côngchúng vào xe hơi tự lái khi bắt đầu thử nghiệm phương tiện đặc biệt này tại thunglũng Silicon Kể từ đó, Mercedes, Audi và BMW cũng giới thiệu nguyên mẫu xehơi tự hành, một số được điều khiển bằng smartphone và smartwatch

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 nhiễu xạ)

và bị làm lệch đi khi vận tốc truyền âm qua các môi trường bị thay đổi Ví dụ: môi trườngkhông 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 vịtính là Pascal, 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 làtần số riêng của vật Tần số riêng thay đổi tùy theo kích thước hình học, bản chấtcủa vật bị kích thích

✔ Tần số cộng hưởng: dao động với biến độ mạnh nhất của một vật thể, lúc đócác dao động ở dạng tích lũy năng lượng Kích thích và dạng năng lượng ở dạngtổn hao 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 Bảnchất của các âm thanh là các dao động vật chất, nó chịu nhiều ảnh hưởng của nhiều yêu tốkhách quan và chủ quan Đặc tính cảm thụ của ta với các tác động của nguồn 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 đạinão, các trung khu thần kinh nghe sẽ giải mã và tạo ra các cảm giác nhận dạng đểbiết nội dung 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 80hz tới 1,2khz khoảng 4 bát độ, độ nhạy của tai tốt thì mức nghe thấy là 1 dB.Thực tế khi nghe có sự khác biệt 3 dB thì nhận biết rõ ràng Các nghiên cứu chothấy tai người không thể phân biệt sự khác nhau của mức âm thanh nhỏ hơn 1 dB.Trong không gian yên tĩnh người ta đo được áp lực âm thanh của các nguồn nhưsau:

● 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

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) các lệnh

từ giọng nói con người Nhận dạng giọng nói có 2 thuật ngữ khác nhau: Voice recognition

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 hiện mộtquá trình gồm nhiều bước phức tạp Khi nói, bạn sẽ tạo ra những rung động trong khôngkhí Bộ chuyển đổi analog sang digital (ADC) chuyển các sóng tương tự (analog) nàythành dữ liệu số (digital data) mà máy tính có thể hiểu được

2.2.4.1 Nguyên lý chuyển đổi A/D

Trong thực tế hiện tại, các bộ chuyển đổi âm thanh tiêu chuẩn như các microphone, loaphóng thanh đều là các thiết bị tương tự Vì vậy, các tín hiệu điện liên tục theo thời gianphải được chuyển đổi thành các định dạng số dùng cho xử lý số tín hiệu (DSB: DigitalSignal Processor)

Công nghệ xử lý tín hiệu dựa trên nguyên lý kỹ thuật PCM (điều xung mã) Trong kỹthuật PCM tín hiệu analog được chuyển thành dãy xung Những giá trị biên độ của cácxung riêng lẻ được biểu diễn ở mã nhị phân Quá trình được thực hiện theo sơ đồ khốisau:

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

2.2.4.2 Điều chế xung biên

Mở đầu cho kỹ thuật điều chế xung mã PCM là phương pháp điều chế xung biên PAM,với sự hỗ trợ của phương pháp này, tín hiệu âm tần mang đặc tính liên tục về thời gian vàgiá trị được biến đổi thành một dãy các xung rời rạc Mỗi xung PAM riêng rẻ này có mộtgiá trị biên độ nhất định, sở dĩ phải biến đổi một tín hiệu liên tục thành các xung rời rạc vì

bộ biến đổi A/D chỉ có thể chuyển đổi từng giá trị biên độ riêng lẻ Sau khi đổi xong mộtgiá trị, biên độ này nó mới có thể biến đổi tiếp một biên độ khác Quá trình biến đổi mộttín hiệu analog thành một dãy xung PAM rời rạc

Hình 2 4: Quá trình biến đổi tín hiệu

Các xung PAM rời rạc, được tạo ra nhờ một mạch lấy mẫu và giữ bằng một đảo mạch cótốc độ cực nhanh, tín hiệu analog đầu vào liên tục được chia thành những mẫu rời rạc.Những giá trị biên độ của các mẫu đó được tích trong một tụ giữ suốt cho đến giá trị mẫutiếp theo.

Một yếu tố quan trọng trọng quá trình chuyển đổi A/D là mức độ chất lượng tín hiệuaudio số nhận được có thể đạt được Nó cũng giới hạn vùng dãy động âm thanh và độméo âm trong quá trình khôi phục tín hiệu âm thanh

2.2.5 Tác dụng của nhận diên giọng nói

Chuyển thành văn bản hoặc điều khiển máy là tác dụng phổ biến nhất của nhận diệngiọng nói, tuy nhiên công nghệ này còn mang đến nhiều hứa hẹn cho người khuyết tật.Một số ứng dụng như DriveSafe.ly có thể đọc tin nhắn đến và email cho những ngườikhiếm thị, một số ứng dụng khác còn cho phép tìm kiếm hoặc nhắn tin bằng giọng nói(chuyển thành văn bản) dành cho người bị liệt

Nhận diện giọng nói còn được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo(Artificial Intelligence) Siri hay Google Assistant là những ví dụ điển hình

2.2.6 Ưu và nhược điểm của nhận diện giọng nói

2.2.6.1 Ưu điểm

Khả năng truy cập: Với những người khuyết tật không thể dùng chuột hay bàn

phím, họ có thể dùng giọng nói để hệ thống chuyển thành văn bản, giúp nhập liệuhay điều khiển một cách dễ dàng

Kiểm tra chính tả: Bạn có thể truy cập vào các công cụ chỉnh sửa tương tự một

giải pháp xử lý văn bản chuẩn Tất nhiên, mọi thứ không thể chính xác 100%nhưng phần mềm có thể nhận diện và xử lý phần lớn lỗi chính tả, ngữ pháp

Tốc độ nhanh: Phần mềm có thể nắm bắt giọng nói của bạn với tốc độ nhanh hơn

so với khi nhập liệu bằng bàn phím, vì vậy tốc độ khi nhập liệu bằng giọng nói sẽcải thiện đáng kể

2.2.6.2 Nhược điểm

● Thiết lập và “dạy”: Mặc dù chúng đều hứa hẹn có thể hoạt động sau vài

phút thiết lập, nhưng thực sự quá trình ghi nhận, làm quen với giọng nói, âm điệu

và tốc độ nói của bạn có đôi chút phức tạp và tốn thời gian Một số phần mềm cònbắt bạn nói lại, thậm chí không thể nhận diện được bạn đang nói gì

● Chưa thực sự ổn định: Việc đang nói mà bị ngắt giữa chừng có thể

khiếnbạn “cụt hứng”, đặc biệt nó có thể bối rối khi bạn lên xuống giọng hay bỗngdưng nói nhỏ lại