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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

BÙI PHƢỚC KHÁNH

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

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 848.01.01

TÓM TẮT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

ĐÀ NẴNG - 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Ninh Khánh Duy

Phản biện 1: TS. Đặng Hoài Phương

Phản biện 2: TS. Nguyễn Quang Thanh

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Khoa học máy tính họp tại Trường Đại học Bách khoa
vào ngày 07 tháng 7 năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa.
 Thư viện Khoa CNTT, Trường ĐH Bách khoa - ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc cách mạng
về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi
từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại
hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do
chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống
cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi
trường, khí hậu thay đổi, v.v... Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng
theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát
triển theo. Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành công
nghệ thông tin và điện tử viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống
con người. Công nghệ tiên tiến nói chung trong đó công nghệ nhận
dạng giọng nói cũng được áp dụng vào trong mục đích nghiên cứu,
giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v..., phạm vi này ngày càng được mở
rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh
vực khác nhau.
Đề tài “Điều khiển thiết bị điện trong nhà thông minh bằng
giọng nói”. Với mục đích xây dựng hệ thống bao gồm phần cứng và
phần mềm, ứng dụng về kết nối các thiết bị điện, điện tử dân
dụng.Thông qua mạng internet, dựa trên công nghệ mạng di động chúng
ta có thể điều khiển các thiết bị như mong muốn bằng giọng nói.

2
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ IOT
Trong chương này, luận văn sẽ trình bày tổng quan về IOT,
ứng dụng của IOT.
Chƣơng 2. CÁC GIAO THỨC KẾT NỐI PHẦN CỨNG VÀ
THƢ VIỆN PHẦN MỀM
Trong chương này tôi sẽ trình bày các kiến thức về một số
giao thức kết nối điều khiển, module điều khiển và tìm hiểu ngôn
ngữ lập trình điều khiển.
Chƣơng 3. THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Trong chương này, tôi sẽ trình bày về mô hình xây dựng hệ
thống smarthome điều khiển bằng giọng nói.
Chƣơng 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Trong chương này, trên cơ sở nghiên cứu cơ bản về IoT, mạng
cảm biến không dây, nhận dạng giọng nói, một số thiết bị cảm biến
thông dụng, tôi xây dựng một chương trình thực nghiệm (trên các
thiết bị thật) để điều khiển các thiết bị đó. Sau đó, tôi chạy thử
nghiệm chương trình, đánh giá các kết quả đạt được và so sánh với
mục tiêu, yêu cầu đặt ra đối với luận văn.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT
CHƢƠNG 2: CÁC GIAO THỨC KẾT NỐI PHẦN CỨNG VÀ
THƢ VIỆN PHẦN MỀM
2.1 Các giao thức
2.1.1 Giao thức HTTP
2.1.2 Giao thức MQTT
2.1.3 Giao thức IFTTT


3
2.2 Giới thiệu về thiết bị Raspberry Pi

2.2.1 Giới thiệu chung
Cấu tạo
Cấu trúc phần mềm
2.2.2 Hệ điều hành của Raspberry Pi
2.2.3 Các ứng dụng từ Raspberry Pi
2.3 Module ESP8266
2.4. Phần mềm Openhab
2.5. Mô hình hoạt động của chƣơng trình
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG
3.1 Xây dựng chƣơng trình:
Chúng ta sẽ xây dựng một ứng dụng để điều khiển các thiết bị
đèn, quạt, tivi thông qua giọng nói. Ngoài ra chúng ta cũng sẽ dùng
ngôn ngữ lập trình Python và các thư viện dùng riêng cho các sensor
cảm biến (thư viện adafruit) để viết chương trình dùng Raspberry Pi
để đọc các thông số của các Sensor.
3.2 Mô hình hoạt động của chƣơng trình:
Hệ thống gồm 2 phần xử lý chính:
Phần 1: Xử lý tương tác giữa người dùng với hệ thống.
Trong đề tài sử dụng 1 ứng dụng mã nguồn mở hỗ trợ trên nền
tảng thiết bị di động giúp cho người dùng tương tác với hệ thống một
cách dễ dàng ở mọi lúc mọi nơi một cách dễ dàng.


4

Hình 3.1 Sơ đồ người dùng tương tác với hệ thống
- (1) Người dùng tương tác điều khiển bằng giọng nói với hệ
thống thông qua giao thức IFTTT và bằng giao diện ứng dụng
Openhab.
* Lúc này giọng nói được chuyển từ dạng tín hiệu âm thanh

sang dạng văn bản, văn bản này sẽ tiếp tục được truyền đến bộ xử lý
trung tâm.
* Bộ xử lý trung tâm sẽ kiểm tra văn bản nhận được so sánh
với văn bản lưu trong cơ sở dữ liệu: nếu đúng thì cho thực hiện, sai
thì không thực hiện
- (2) Hệ thống tác động ngược lại ứng dụng Openhab thông
qua giao thức MQTT. Từ đây người dùng có thể nhìn thấy được
trạng thái của các thiết bị.
Phần 2: Xử lý chức năng hệ thống điều khiển các thiết bị điện


5
Chức năng điều khiển thiết bị điện được xử lý bởi bo mạch
Raspberry Pi tương tác điều khiển thiết bị thông qua module
ESP8266 với giao thức MQTT. Đó cũng là nơi lưu trữ thông tin
người dùng, lưu trữ các thiết lập của người dùng vào cơ sở dữ liệu.
Bộ điều khiển trung tâm sẽ điều khiển các thiết bị được gắn kết trong
hệ thống và dễ dàng xem trạng thái, điều khiển, tương tác đến từng
thiết bị trong hệ thống.

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống xử lý trung tâm điều khiển trực tiếp
thiết bị
- (1) Bộ xử lý trung tâm Raspberry pi sẽ xử lý tín hiệu mà
người dùng gửi xuống sau đó điều khiển thiết bị thông qua module
ESP8266 sử dụng giao thức MQTT.
3.3 Thiết lập các mức độ điều khiển của hệ thống
3.3.1 Cấp độ 1 - Hệ thống điều khiển bật/tắt các thiết bị
điện cơ bản
Cấp độ đầu tiên này, hệ thống sẽ cung cấp giải pháp nhằm đáp
ứng nhu cầu cơ bản trong việc tắt/mở các thiết bị điện trong phòng

6
khách. Mức độ này có thể xem như điều khiển cơ bản nhất.
* Chức năng hệ thống:
1. Điều khiển bằng giọng nói bật, tắt thiết bị điện trong phòng
khách
Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Bật/ tắt – đèn – phòng khách
2. Điều khiển thông qua chương trình bật tắt từ xa.
* Sơ đồ hệ thống:

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống hệ thống ở cấp độ 1
* Mô tả hệ thống:
(1): Người dùng thao tác trên điện thoại bằng giọng nói hoặc
cách nhấn các nút On/Off tương ứng với các thiết bị trên ứng dụng
điện thoại. Yêu cầu sẽ được gửi đến hệ thống xử lý trung tâm.
(2): Hệ thống xử lý trung tâm sẽ xử lý yêu cầu và phân luồng
dữ liệu xử lý. Sau đó sẽ gửi đến các module điều khiển thiết bị.
(3),(4): Hệ thống điều khiển thiết bị gồm ESP8266 và module
Relay sẽ thực hiện chức năng tắt/mở.


7
3.3.2 Cấp độ 2 - Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ
Ở cấp độ 2, ngoài việc bật/tắt thiết bị hệ thống còn trang bị
chức năng điều khiển tốc độ động cơ. Người sử dụng có thể điều
khiển tốc độ quạt quay nhanh hoặc chậm thông qua giọng nói hoặc
điều khiển bằng nút ấn trên điện thoại.
* Chức năng hệ thống:
1. Điều khiển bật/tắt.

Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Bật/ tắt – máy quạt – phòng ăn
2. Điều khiển tốc độ nhanh/chậm
Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Quạt – chạy – nhanh / chậm
* Sơ đồ hệ thống:

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


8
* Mô tả hệ thống:
(1): Người dùng thao tác trên điện thoại bằng giọng nói hoặc
cách nhấn các nút On/Off, nhanh/chậm tương ứng với các thiết bị
trên ứng dụng điện thoại. Yêu cầu sẽ được gửi đến hệ thống xử lý
trung tâm.
(2): Hệ thống xử lý trung tâm sẽ xử lý yêu cầu và phân luồng
dữ liệu xử lý. Sau đó sẽ gửi đến các module điều khiển thiết bị.
(3),(4): Hệ thống điều khiển thiết bị gồm ESP8266 và module
điều khiển động cơ sẽ thực hiện chức năng tắt/mở, nhanh/chậm.
3.3.3 Cấp độ 3 - Hệ thống điều khiển hồng ngoại
Ở cấp độ này, người dùng có thể không cần sử dụng Remote
(tivi, điều hòa .v.v...) để điều khiển các thiết bị điện tử trong nhà. Hệ
thống sẽ tích hợp tất cả vào trong bộ điều khiển. Từ đó người dùng
sẽ tương tác, điều khiển một cách dễ dàng.
* Chức năng hệ thống:
1. Điều khiển bật/tắt bằng hồng ngoại.
Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Bật/ tắt – tivi
2. Điều khiển kênh
Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Số 1(kênh 1); Số 2(kênh 2); Số 3(kênh
3)
3. Điều khiển âm lượng

Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Tăng/giảm – âm lượng
* Sơ đồ hệ thống:


9

Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống hệ thống ở cấp độ 3
* Mô tả hệ thống:
(1): Người dùng thao tác trên điện thoại bằng giọng nói hoặc
cách nhấn các nút On/Off, chuyển kênh, tăng/giảm âm lượng v.v…
tương ứng với các thiết bị trên ứng dụng điện thoại. Yêu cầu sẽ được
gửi đến hệ thống xử lý trung tâm.
(2): Hệ thống xử lý trung tâm sẽ xử lý yêu cầu và phân luồng
dữ liệu xử lý. Sau đó sẽ gửi đến các module điều khiển thiết bị.
(3),(4): Hệ thống điều khiển thiết bị gồm ESP8266 và module
điều khiển hồng ngoại sẽ thực hiện chức năng theo yêu cầu.


10
CHƢƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
4.1 Một số hình ảnh chạy demo chƣơng trình:

Hình 4.1: Khối điều khiển đèn


11

Hình 4.21:Khối điều khiển quạt

12

Hình 4.3: Khối điều khiển tivi


13

Hình 4.4: Khối điều khiển trung tâm
4.2 Đánh giá kết quả chạy thử nghiệm chƣơng trình demo
- Qua nhiều lần thử nghiệm, chương trình demo chạy ổn định,
đúng như thiết kế hệ thống
- Chương trình có giao diện dể sử dụng
- Hệ thống có tính dể mở rộng đối với các thiết bị và tập lệnh
cần điều khiển.


14
- Khả năng ứng dụng và phát triển chương trình thực nghiệm:
- Với chi phí hợp lý (Bộ Raspberry Pi và các sensor khá thông
dụng và dễ dàng mua sắm với giá cả hợp lý), các công nghệ hỗ trợ sẵn
có và khá mạnh (ngôn ngữ lập trình Python và các thư viện hỗ trợ).
- Chạy thành công được hệ thống, điều khiển được các thiết bị
điện
- Điều khiển được thiết bị qua mạng Internet.
Ƣu điểm:
- Mạch đơn giản, gọn nhẹ, hoạt động ổn định, chính xác, dễ
lắp đặt và sửa chữa.
- Dễ dàng giám sát và điều khiển hệ thống.
Hạn chế:
- Hệ thống mới chỉ mới demo các thiết bị điện, điện tử có công

suất thấp, điện áp nhỏ.
4.3. Hƣớng phát triển
- Hoàn thiện hơn các khối điều khiển, ứng dụng trong từng
tình huống cụ thể trong các hộ gia đình.
- Hướng tới biến hệ thống thành sản phẩm có thể bán trên thị
trường.


15
KẾT LUẬN

Điều khiển các thiết bị điện, điện tử trong nhà thông minh
nói riêng và công nghệ IoT, mạng cảm biến không dây nói chung
hứa hẹn tạo ra những ứng dụng đầy tiềm năng, có thể áp dụng
trong nhiều lĩnh vực khác nhau, mà đối với các công nghệ khác
còn nhiều hạn chế.
- Tuy nhiên để triển khai mạng, người thiết kế hệ thống
yêu cầu phải nắm bắt được những nhân tố tác động đến mạng, các
kết nối giữa các thiết bị điện, điện tử:
+ Tìm hiểu chi tiết các tính năng kỹ thuật của thiết bị
Raspberry Pi và module wifi không dây 8266
+ Sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để điều khiển. Sau
đó hiển thị trên giao diện web một cách trực quan và dễ hiểu.
- Những nhược điểm của mạng cần phải được khắc phục,
người thiết kế cần phải quan tâm đến các tham số mạng, ví dụ như
tập các chất lượng dịch vụ QoS, cách kết nối các thiết bị điện tử
để điều khiển. Nhờ quá trình mô phỏng mà người thiết kế hệ
thống có thể đánh giá được chất lượng dịch vụ mạng cung cấp, độ
ổn định của các thiết bị …để từ đó có thể thiết kế hệ thống theo
cách tối ưu nhất.

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


16

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