Nghiên cứu công nghệ smarthome và xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng nấm bằng điện thoại di động

KHA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

PHẠM TRẦN PHƯƠNG THANH

PHẠM TRẦN PHƯƠNG THANH

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SMARTHOME

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SMARTHOME VÀ XÂY
DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ HỖ TRỢ VIỆC
TRỒNG NẤM BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA 23
NGHỆ AN, 03/2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

PHẠM TRẦN PHƯƠNG THANH

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SMARTHOME VÀ XÂY
DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ HỖ TRỢ VIỆC
TRỒNG NẤM BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Mã số: 60480201

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ VĂN MINH

NGHỆ AN, 03/2017


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả cam đoan rằng luận văn này: “Nghiên Cứu công nghệ SmartHome và
xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng nấm bằng điện thoại di
động” là bài nghiên cứu của chính tác giả.
Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tác giả
cam đoan rằng toàn luận văn này chưa từng được công bố hay được sử dụng để
nhận bằng cấp ở những nơi khác.
Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các
trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.
Mặc dù đã cố gắng, nhưng do những hạn chế của người viết về mặt kiến thức,
kinh nghiệm, thời gian, trang thiết bị và tài liệu nên nội dung và hình thức khơng
tránh khỏi thiếu sót. Tác giả mong nhận được những góp ý chân thành từ thầy cơ và
các bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn.

Long An, năm 2017
Tác giả luận văn

Phạm Trần Phương Thanh

Trang 1

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Văn Minh, thầy đã tận
tình hướng dẫn, định hướng, giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian
nghiên cứu thực hiện luận văn này. Thầy đã giúp đỡ em tiếp cận với khoa
học, những tri thức mới trong xã hội và đạt được thành cơng trong lĩnh vực
nghiên cứu của mình.
Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Công
nghệ thông tin – Viện đào tạo sau đại học – Trường Đại học VINH. Các thầy
cơ đã ln nhiệt tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho em học tập và nghiên
cứu trong suốt thời gian qua.
Tôi xin cám ơn đến chủ nhà trồng nấm Cần Giuộc – Long An đã tạo điều kiện
cho tôi trong việc thực hành thực nghiệm đề tài và cảm ơn đến các bạn cùng
lớp đã cho tôi những ý kiến đóng góp đáng giá, mở ra nhiều hướng tiếp cận
mới làm phong phú khả năng thực tế của khóa luận.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong gia đình,
những người ln ở bên động viên và tạo điều kiện cho tôi thực hiện tốt khóa
luận này.

Long An năm 2017
Tác giả luận văn

Phạm Trần Phương Thanh

Trang 2


MỤC LỤC

MỤC LỤC ......................................................................................................... 3
Chương 1 ......................................................................................................... 10

MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 10
1.1. Lý do chọn đề tài.................................................................................... 10
1.2. Câu hỏi và giả thiết nghiên cứu ............................................................. 12
1.3. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................. 12
1.4. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 12
1.5. Phạm vi nghiên cứu................................................................................ 13
1.6. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 13
1.6.1. Phương pháp nghiên cứu thu thập thông tin: ...................................... 13
1.6.2. Phương pháp nghiên cứu điển hình: ................................................... 13
1.6.3. Phương pháp nghiên cứu chuyên gia: ................................................. 13
1.6.4. Phương pháp thực nghiệm: ................................................................. 14
1.7. Những nội dung chính cần nghiên cứu .................................................. 14
Chương 2 ......................................................................................................... 15
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ TRONG VIỆC PHÁT TRIỂN NHÀ
THÔNG MINH SMARTHOME .................................................................... 15
2.1. Biểu diễn tri thức sử dụng luật dẫn xuất ................................................ 15
2.1.1. Khái niệm: ........................................................................................... 15
2.1.2. Động cơ suy diễn (inference engine) .................................................. 17
2.1.3. Ưu điểm và nhược điểm của biểu diễn tri thức bằng luật................... 17
2.1.4. Áp dụng vào bài toán cụ thể .............................................................. 18
2.2. Một số giải pháp công nghệ điều khiển thiết bị điện gia dụng từ xa đang
được phát triển................................................................................................. 19
Trang 3


2.2.1. Công nghệ không dây X10 ................................................................. 19
2.2.2. Công nghệ không dây Insteon............................................................. 21
2.2.3. Công nghệ không dây Zigbee ............................................................. 23
2.2.4. Công nghệ Z-wave .............................................................................. 25
2.2.5. Công nghệ Wifi với Bo mạch Raspberry Pi ....................................... 27

2.2.6. Công tắc Maker giúp biến đồ gia dụng "ngớ ngẩn" thành "thông minh"
của Belkin. ....................................................................................................... 30
2.2.7. Bộ sản phẩm nhà thông minh Iris của Lowe's .................................... 31
2.2.8. SmartThings Labs ............................................................................... 33
2.2.9. Giải pháp nhà thông minh Wiser home control .................................. 34
2.2.10. Giải pháp ngôi nhà thơng minh Clipsal. ........................................... 36
2.3. Phân tích, đánh giá và đề xuất công nghệ: ............................................. 37
2.4. Các bước cơ bản của việc trồng nấm ..................................................... 37
2.4.1. Chuẩn bị nguyên liệu, chuẩn bị nhà nấm và cấy meo giống .............. 37
2.4.2. Đưa bịch phôi nấm vào nhà trồng và chăm sóc: ................................. 39
2.4.3. Thu hoạch nấm .................................................................................... 41
2.5. Giải pháp của ứng dụng trong việc trồng nấm....................................... 41
2.6. Các chức năng của hệ thống .................................................................. 41
Chương 3 ......................................................................................................... 43
XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ HỔ TRỢ
VIỆC TRỒNG NẤM ...................................................................................... 43
3.1. Tổng quát hoạt động của hệ thống ......................................................... 43
3.2. Xây dựng chức năng điều khiển bật/tắt thiết bị thủ công ...................... 44
3.2.1. Mô tả chức năng .................................................................................. 44
3.2.2. Xây dựng tập sự kiện .......................................................................... 45
3.2.3. Xây dựng tập luật ................................................................................ 46
3.2.4. Các trường hợp tương tác giữa người dùng và hệ thống .................... 47
Trang 4


3.2.5. Sơ đồ hoạt động .................................................................................. 49
3.3. Xây dựng chức năng điều khiển bật/tắt thiết bị tự động ........................ 50
3.3.1. Mô tả chức năng .................................................................................. 50
3.3.2. Xây dựng các tập sự kiện .................................................................... 50
3.3.3. Xây dựng các luật ............................................................................... 51

3.3.4. Các trường hợp tương tác giữa cảm biến và hệ thống xử lý............... 53
3.3.5. Sơ đồ hoạt động .................................................................................. 54
3.4. Xây dựng chức năng hỗ trợ giữa điều khiển tự động và thủ công......... 56
3.4.1. Mô tả chức năng .................................................................................. 56
3.4.2. Xây dựng các tập sự kiện .................................................................... 56
3.4.3. Xây dựng các tập luật.......................................................................... 57
3.4.4. Các trường hợp tương tác với người dùng .......................................... 58
3.4.5. Sơ đồ hoạt động .................................................................................. 59
Chương 4 ......................................................................................................... 60
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ................................................... 60
4.1. Vị trí địa lý ............................................................................................. 60
4.2. Hiện trạng nhà nấm ................................................................................ 62
4.3. Đề xuất hệ thống .................................................................................... 64
4.4. So sánh, đánh giá ................................................................................... 67
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 71
PHỤ LỤC– CÀI ĐẶT HỆ THỐNG ............................................................... 73
1. Cài đặt Raspberry Pi ................................................................................. 73
1.1. Cài đặt hệ điều hành ............................................................................... 73
1.2. Cấu hình Raspberry Pi: .......................................................................... 75
2. Cài đặt và sử dụng WebIOPI .................................................................... 82
2.1. Cài đặt WebIOPI .................................................................................... 82
Trang 5


2.2. Sử dụng WebIOPI .................................................................................. 83
2.3. Bật tắt WebIopi tự động ......................................................................... 84
2.4. Truy cập WebIopi trên mạng LAN ........................................................ 84
2.5. Thay đổi giao diện điều khiển ................................................................ 85
2.6. Truy cập WebIOPI qua mạng internet ................................................... 85

3. Cài đặt cảm biến DHT11 .......................................................................... 87
3.1. Giới thiệu cảm biến DHT11: ................................................................. 87
3.2. Nguyên lý hoạt động: ............................................................................. 88
3.3. Chạy trực tiếp trên nền web mobile: ...................................................... 91

Trang 6


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Tên viết tắt

Diễn giải

RPI

Bo mạch Raspberry Pi

Pi

Bo mạch Raspberry Pi

RAM

Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên

LAN

Mạng cục bộ

CSDL

Cơ sở dữ liệu

TV

Ti vi

Auto

Chế độ tự động

Manual

Chế độ thủ công

Trang 7


DANH MỤC HÌNH VẼ
STT
Tên hình vẽ
1. Hình 1.1 Giải pháp điều khiển thiết bị từ xa qua thiết bị di động
2. Hình 2.1: Sơ đồ tự động nhà thơng minh với cơng nghệ X10
Hình 2.2: Hệ thống nhà thơng minh sử dụng cơng nghệ INSTEON
Hình 2.3: Mơ hình nhà thơng minh sử dung cơng nghệ Zigbee
Hình 2.4: Mơ hình điều khiển nhà thơng minh với z-wave
Hình 2.5: Hình ảnh thật của Raspberry Pi Model B+
Hình 2.6: Cơng tắc Maker giúp biến đồ gia dụng "ngớ ngẩn" thành
7.

"thông minh" của Belkin.
8. Hình 2.7: Bộ sản phẩm nhà thơng minh Iris của Lowe's
Hình 2.8: Camera an ninh Samsung SmartCam HD và SmartCam
9.
HD Outdoor
10. Hình 2.9: Bộ điều khiển trung tâm của SmartThings Labs
11. Hình 2.10: Giải pháp nhà thơng minh Wiser home control
12. Hình 2.11: Nhà trồng nấm bào ngư
13. Hình 3.1: Giao diện các chức năng trên màn hình
14. Hình 3.2: Sơ đồ hoạt động ở chế độ điều khiển thủ cơng
15. Hình 3.3: Sơ đồ hoạt động ở chế độ điều khiển tự động
Hình 3.4: Sơ đồ hoạt động hỗ trợ giữa điều khiển tự động và thủ
16.
cơng
17. Hình 4.1: Vị trí nhà nấm trên google maps
18. Hình 4.2: Nhà trồng nấm ở Cần Giuộc – Long An
19. Hình 4.3: Nấm đang trong giai đoạn phát triển
20. Hình 4.4: Tưới nấm bằng phương pháp thủ cơng
21. Hình 4.5: Phun sương cho nấm bằng phương pháp thủ cơng
22. Hình 4.6: Hệ thống đường ống phun sương tự động
23. Hình 4.7: Bo mạch điều khiển thiết bị
24. Hình PL1: Chọn đường dẫn cài hệ điều hành Raspbian
25. Hình PL2: Chọn cấu hình để đặt tên máy
26. Hình PL3: Cấu hình thay đổi mật khẩu
27. Hình PL4: Cấu hình chọn chế độ khởi động
28. Hình PL5: Cấu hình chọn chế độ khởi động tiếp theo
29. Hình PL6: Cấu hình chọn ngơn ngữ
30. Hình PL7: Cấu hình chọn múi giờ
31. Hình PL8: Cấu hình chọn múi giờ HCM
32. Hình PL9: Cấu hình chon phép chọn SSH

33. Hình PL10: Cấu hình phần mềm Putty
34. Hình PL11: Màn hình Terminal của Pi
35. Hình PL12: Màn hình Terminal reboot kit Pi
3.
4.
5.
6.

Trang
9
19
20
23
25
27
29
30
31
32
33
39
43
48
54
58
59
60
61
62
63

65
65
72
74
75
76
76
77
78
78
79
80
81
82
Trang 8


STT
Tên hình vẽ
36. Hình PL13: Màn hình hiển thị WebIopi
37. Hình PL14: Đăng ký tài khoản email trên Weaved
38. Hình PL15: Đăng nhập vào Weaved
39. Hình PL16: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
40. Hình PL17: Sơ đồ kết nối DHT11
41. Hình PL18: Màn hình giao diện chính của hệ thống

Trang
83
85
86

87
88
90

DANH MỤC BẢNG, BIỂU
STT

Tên bảng, biểu

1. Bảng 2.1: Ưu nhược điểm của công nghệ Zigbee
2. Bảng 3.1: Tập sự kiện về giả thiết trong điều khiển thủ công
3. Bảng 3.2: Tập sự kiện về kết quả trong điều khiển thủ công
Bảng 3.3: Tương tác người dùng và hệ thống trong điều khiển thủ
4.
công
5. Bảng 3.4: Tập sự kiện về giả thiết trong điều khiển tự động
6. Bảng 3.5: Tập sự kiện về kết quả trong điều khiển tự động
Bảng 3.6: Tương tác cảm biến và hệ thống trong điều khiển tự
7.
động
Bảng 3.7: Tập sự kiện về giả thiết trong việc hỗ trợ lẫn nhau giữa
8.
điều khiển tự động và thủ công
Bảng 3.8: Tập sự kiện về kết quả trong việc hỗ trợ lẫn nhau giữa
9.
điều khiển tự động và thủ công
Bảng 3.9: Các trường hợp tương tác người dùng trong việc hỗ trợ
10.
lẫn nhau giữa điều khiển tự động và thủ cơng
Bảng 4.1: Dự tính chi phí đầu tư trong trường hợp chăm sóc nấm

11.
thủ cơng
Bảng 4.2: Dự tính chi phí đầu tư trang thiết bị cho hệ thống tự
12.
động
Bảng 4.3: So sánh giữa phương pháp chăm sóc nấm thủ công và
13.
hệ thống tự động

Trang
23
44
44
42
50
50
53
55
56
57
62
64
66

Trang 9


Chương 1
MỞ ĐẦU

1.1. Lý do chọn đề tài
Nước Việt Nam chúng ta, với thế mạnh về điều kiện tự nhiên như nhiệt
độ quanh năm không thay đổi nhiều, độ ẩm thích hợp cho sự phát triển của
cây nấm (độ ẩm cao do lượng mưa hàng năm khá lớn), nguồn nguyên liệu sản
xuất nấm sẵn có tại địa phương (nhiều chất thải nông nghiệp như: rơm rạ,
trấu, mùn cưa,…) nên trồng nấm đang từng bước trở thành nghề phổ biến cho
người nông dân. Tuy nhiên, việc theo dõi việc trồng nấm bằng thủ công sẽ tốn
nhiều thời gian, công sức của người nông dân.
Thứ hai, không phải chủ nhà nấm lúc nào cũng túc trực bên nhà nấm để
theo dõi tình trạng phát triển của nấm, do đó sẽ bất tiện cho việc quan sát theo
dõi nhà nấm từ xa như xem thông tin về nhiệt độ, độ ẩm hiện tại của nhà nấm
để đưa ra hướng xử lý kịp thời. Điều này áp dụng công nghệ thông tin hiện
đại sẽ giúp cho chủ nhà nấm có thể quản lý từ xa và cập nhật thơng tin về tình
trạng nhà nấm của mình tại bất cứ nơi đâu bằng thiết bị di động thơng qua
mạng internet, khơng cịn lệ thuộc vào không gian và thời gian.

Trang 10


Hình 1.1 Giải pháp điều khiển thiết bị từ xa qua thiết bị di động
Thứ ba, công nghệ điều khiển từ xa bây giờ được tăng cường bởi sự
chuyên dụng của thiết bị di động như là điện thoại thông minh và máy tính
bảng. Số người sử dụng điện thoại thông minh ngày một gia tăng, kể cả bà
con nông dân ở thôn quê, việc điều khiển tự động không còn giới hạn bởi các
thiết bị và khoảng cách. Chủ nhà có thể kiểm sốt hầu như tất cả các thiết bị
Điện gia dụng của mình thơng qua điện thoại thơng minh IOS/Android và
máy tính bảng với kết nối internet, WiFi hoặc 3G.
Với tất cả những lý do đã trình bày ở trên, việc nghiên cứu, ứng dụng
thiết bị công nghệ vào việc trồng nấm là nhu cầu rất cần thiết thiết vì sẽ cho tỷ
lệ thành cơng cao do kiểm sốt theo dõi được mơi trường thực tế, tiết kiệm

được nhiều thời gian đi lại, công sức quản lý, cuối cùng là tiết kiệm năng
lượng điện, nước vì các thiết bị tưới tiêu sẽ tự động ngắt khi không cần dùng
đến. Xuất phát từ thực tế đó, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên Cứu công nghệ
SmartHome và xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng

Trang 11


nấm bằng điện thoại di động” để làm đề tài luận văn thạc sĩ với các chức
năng cụ thể như:
- Điều khiển bật/tắt từ xa đèn chiếu sáng bằng thủ công.
- Điều khiển bật/tắt từ xa máy phun sương bằng thủ công.
- Điều khiển bật/tắt từ xa đèn chiếu sáng tự động thông qua cảm biến.
- Điều khiển bật/tắt từ xa máy phun sương tự động thông qua cảm biến.
- Theo dõi từ xa nhiệt độ, độ ẩm qua điện thoại di động.
- Quan sát tình trạng hoạt động của thiết bị qua camera quan sát.

1.2. Câu hỏi và giả thiết nghiên cứu
- Điều khiển thiết bị điện từ xa bằng cách nào ?
- Hệ thống có đảm bảo thiết bị ln chạy đúng u cầu ?
- Có điều khiển thiết bị trong nhà nấm như đèn chiếu sáng, quạt hút, máy
phun sương qua thiết bị di động được hay khơng ?
- Hệ thống ứng dụng cơng nghệ gì ?
- Khả năng ứng dụng trong thực tế của đề tài như thế nào?
- Chi phí có phù hợp cho nhà đầu tư hay không?

1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài này được nghiên cứu nhằm đạt được các mục đích sau:
- Giúp bà con nông dân hạn chế đi lại trong việc tưới nước, phun sương.
- Tiết kiệm năng lượng điện, nước khi hệ thống hoạt động ở chế độ tự động.

- Giúp bà con nông dân theo dõi thông số môi trường như độ ẩm, nhiệt độ
tức thời.

1.4. Đối tượng nghiên cứu
Điều khiển thiết bị điện từ xa sử dụng công nghệ wifi với bo mạch
Raspberry Pi làm bộ phận điều khiển trung tâm và các nhóm thiết bị:
- Nhóm thiết bị nhiệt độ: Máy bơm nước, quạt hút, quạt thổi, đèn chiếu sáng.
Trang 12


- Nhóm thiết bị độ ẩm: Máy phun sương, cảm biến đo nhiệt độ.
- Nhóm thiết bị quan sát: Camera quan sát.

1.5. Phạm vi nghiên cứu
Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà trồng nấm từ xa
bằng thiết bị di động. Hệ thống cần đáp ứng ở 3 mức độ:
- Điều khiển thiết bị thông thường
- Điều khiển thiết bị tự động.
- Quan sát và theo dõi tình trạng nhà nấm (nhiệt độ, độ ẩm) tức thời qua
camera quan sát.

1.6. Phương pháp nghiên cứu
1.6.1. Phương pháp nghiên cứu thu thập thông tin:
Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển thiết bị điện từ xa với công nghệ
wifi với bo mạch Raspberry Pi. Thử nghiệm một số phương pháp điều khiển
hiện có. Nghiên cứu gắn kết, giao tiếp các thiết bị điều khiển với nhau. Từ
nghiên cứu đó sẽ áp du ̣ng xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà
trồng nấm từ xa qua thiết bị di động.
1.6.2. Phương pháp nghiên cứu điển hình:
Dựa vào những tình huống điển hình, những nhu cầu điển hình trong

thực tế để xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị hỗ trợ trồng nấm một cách tự
động.
1.6.3. Phương pháp nghiên cứu chuyên gia:
- Chuyên gia trồng nấm: Đến gặp các chuyên gia trồng nấm ở Cần Giuộc –
Long An để có biết được kỹ thuật và kinh nghiệm trồng nấm và nghiên cứu
về những gợi ý của họ.
- Chuyên gia về công nghệ không dây.
Trang 13


- Từ hai chuyên gia này tôi xây dựng hệ thống với các chức năng đáp ứng
cho việc trồng nấm tự động phối hợp và điều khiển nhịp nhàng các yếu tố:
nhiệt độ, độ ẩm.
1.6.4. Phương pháp thực nghiệm:
Hệ thống sẽ được thực nghiệm tại một cơ sở trồng nấm tại Cần Giuộc –
Long An nhằm kiểm tra những thiếu sót, kiểm tra tính linh hoạt của hệ thống
khi áp dụng vào thực tế.

1.7. Những nội dung chính cần nghiên cứu
Để thực hiện mục đích nêu trên, luận văn có các nhiệm vụ cụ thể sau
đây:
- Về mặt nghiệp vụ: Tìm hiểu các kỹ thuật cơ bản trong việc trồng và chăm
sóc cây nấm. Giới hạn đề tài chỉ tham gia vào bước chăm sóc nấm cụ thể là
quan sát, theo dõi nhiệt độ, độ ẩm môi trường và điều khiển thiết bị để phun
sương, tưới nước, đèn chiếu sáng để tạo môi trường tốt nhất cho nấm phát
triển một cách tự động kịp thời.
- Về mặt cơng nghệ:
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của bo mạch Raspberry Pi trong việc điều
khiển các thiết bị
- Nghiên cứu web browser Web IOPI hỗ trợ cho bo mạch Raspberry Pi trong

việc truy cập điều khiển từ xa
- Nghiên cứu lập trình điều khiển thiết bị từ xa qua điện thoại di động.
- Thiết kế hệ thống, triển khai và cài đặt hệ thống.
- Xây dựng, tích hợp những ngữ cảnh vào hệ thống dựa trên những tình
huống điển hình và nhu cầu thực tế trong việc trồng nấm.

Trang 14


Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ TRONG VIỆC PHÁT
TRIỂN NHÀ THÔNG MINH SMARTHOME
2.1. Biểu diễn tri thức sử dụng luật dẫn xuất
2.1.1.Khái niệm:
Phương pháp biểu diễn tri thức bằng luật sinh được phát minh bởi
Newell và Simon trong lúc hai ông đang cố gắng xây dựng một hệ giải bài
toán tổng quát. Đây là một kiểu biểu diễn tri thức có cấu trúc. Ý tưởng cơ bản
là tri thức có thể được cấu trúc bằng một cặp điều kiện – hành động: "NẾU
điều kiện xảy ra THÌ hành động sẽ được thi hành".
Ví dụ: NẾU đèn giao thơng là đỏ THÌ bạn khơng được đi thẳng, NẾU máy
tính đã mở mà khơng khởi động được THÌ kiểm tra nguồn điện, …
Ngày nay, các luật sinh đã trở nên phổ biến và được áp dụng rộng rãi
trong nhiều hệ thống trí tuệ nhân tạo khác nhau. Luật sinh có thể là một công
cụ mô tả để giải quyết các vấn đề thực tế thay cho các kiểu phân tích vấn đề
truyền thống. Trong trường hợp này, các luật được dùng như là những chỉ dẫn
(tuy có thể khơng hồn chỉnh) nhưng rất hữu ích để trợ giúp cho các quyết
định trong q trình tìm kiếm, từ đó làm giảm khơng gian tìm kiếm.
Một cách tổng qt luật sinh có dạng như sau:

P1˄ P2 ˄ … ˄ Pn  Q (2.1)

Trang 15


Tùy vào các vấn đề đang quan tâm mà luật sinh có những ngữ nghĩa hay cấu
tạo khác nhau:
Trong logic vị từ: P1, P2, ..., Pn, Q là những biểu thức logic.
Trong ngơn ngữ lập trình, mỗi một luật sinh là một câu lệnh:
IF (P1 AND P2 AND ... AND Pn) THEN Q.
Trong lý thuyết hiểu ngôn ngữ tự nhiên, mỗi luật sinh là một phép dịch:
ONE → một.
TWO → hai.
JANUARY → tháng một
Để biểu diễn một tập luật sinh, người ta thường phải chỉ rõ hai thành phần
chính sau:
(1): Tập các sự kiện:
F = {f1, f2, …, fn}
(2): Tập các quy tắc R (Rules) áp dụng trên các sự kiện như sau:
f1^f2^…^fi → q
Trong đó, các fi, q đều thuộc F

Trang 16


2.1.2.Động cơ suy diễn (inference engine)
Động cơ suy diễn áp dụng tri thức cho việc giải quyết các bài toán thực
tế. Về căn bản nó là một trình thơng dịch cho cơ sở tri thức. Trong hệ sinh
(production system), động cơ suy diễn thực hiện chu trình điều khiển nhận
dạng hành động (recognize-act control cycle). Việc tách biệt cơ sở tri thức ra
khỏi động cơ suy diễn là rất quan trọng , sự tách biệt của tri thức dùng để giải

quyết vấn đề và động cơ suy diễn sẽ tạo điều kiện cho việc biểu diễn tri thức
theo một cách tự nhiên hơn. Sự phân chia tri thức và điều khiển cho phép thay
đổi một phần cơ sở tri thức mà không tạo ra các hiệu ứng lề trên các phần
khác của chương trình.
Có hai phương pháp suy diễn:
- Suy diễn tiến: Là quá trình suy luận xuất phát từ một số sự kiện ban đầu,
xác định các sự kiện có thể được “sinh” ra từ sự kiện này
- Suy diễn lùi: Là phương pháp tiến hành lập luận theo chiều ngược lại. Từ
một giả thuyết (như là kết luận), hệ thống sẽ đưa ra một tình huống trả lời
gồm các sự kiện là cơ sở của giả thuyết đã chọn này.

2.1.3.Ưu điểm và nhược điểm của biểu diễn tri thức bằng luật
Ưu điểm:
Biểu diễn tri thức bằng luật đặc biệt hữu hiệu trong những tình huống
hệ thống cần đưa ra những hành động dựa vào những sự kiện có thể quan sát
được. Nó có những ưu điểm chính yếu sau đây:
- Các luật rất dễ hiểu nên có thể dễ dàng dùng để trao đổi với người dùng (vì
nó là một trong những dạng tự nhiên của ngôn ngữ).
Trang 17


- Có thể dễ dàng xây dựng được cơ chế suy luận và giải thích từ các luật.
- Việc hiệu chỉnh và bảo trì hệ thống là tương đối dễ dàng.
- Có thể cải tiến dễ dàng để tích hợp các luật mờ.
- Các luật thường ít phụ thuộc vào nhau.
Nhược điểm:
- Các tri thức phức tạp đơi lúc địi hỏi quá nhiều (hàng ngàn) luật sinh. Điều
này sẽ làm nảy sinh nhiều vấn đề liên quan đến tốc độ lẫn quản trị hệ thống.
- Thống kê cho thấy, người xây dựng hệ thống trí tuệ nhân tạo thích sử dụng
luật sinh hơn tất cả phương pháp khác (dễ hiểu, dễ cài đặt) nên họ thường tìm

mọi cách để biểu diễn tri thức bằng luật sinh cho dù có phương pháp khác
thích hợp hơn! Đây là nhược điểm mang tính chủ quan của con người.
- Cơ sở tri thức luật sinh lớn sẽ làm giới hạn khả năng tìm kiếm của chương
trình điều khiển. Nhiều hệ thống gặp khó khăn trong việc đánh giá các hệ dựa
trên luật sinh cũng như gặp khó khăn khi suy luận trên luật sinh.

2.1.4.Áp dụng vào bài toán cụ thể
Luận văn áp dụng phương pháp biểu diễn tri thức bằng luật dẫn suất chi
tiết cụ thể ở chương 3, trong đó xây dựng các sự kiện và các tập luật cụ thể
cho các trường hợp để hệ thống xử lý (tương tác với phần cứng tương ứng).

Trang 18


2.2. Một số giải pháp công nghệ điều khiển thiết bị điện gia
dụng từ xa đang được phát triển.
2.2.1.Công nghệ không dây X10
X10 là công nghệ điều khiển thiết bị điện kỹ thuật số. Khi mới ra mắt,
X10 dựa vào giao thức truyền tín hiệu trong đường điện. Các module X10
giao tiếp với nhau qua mạng điện trong nhà. Nhà thơng minh X10 được điều
khiển hồn tồn bằng mã lệnh truyền trên cáp cấp nguồn điện đến từng thiết
bị, theo nguyên tắc đặt mã là một chữ cái từ A đến Z và chữ số từ 1 đến 16.
Người dùng có thể thiết lập 256 mã lệnh dựa vào lượng ký tự và chữ số. Mỗi
mã lệnh có thể gán cho một hoặc nhiều thiết bị với các lệnh điều khiển khác
nhau (như bật, tắt…). Dần dần, công nghệ X10 đã được cải tiến để sử dụng
sóng radio nhiều hơn và cho phép điều khiển ngôi nhà thông qua Internet.
X10 tham gia vào mọi hệ thống điều khiển trong tòa nhà: như Hệ thống điều
hịa khơng khí, Hệ thống điều khiển ánh sáng, Hệ thống điều khiển cổng
vào/ra, Hệ thống điều khiển đảm bảo an toàn.
Hệ thống thiết bị của X10 bao gồm 1 bộ điều khiển từ xa nối với máy

tính và 1 bộ nhận sóng radio để truyền và nhận tín hiệu X10 từ tất cả các
module. Các module lại có 1 module điều khiển đèn dây tóc (để chỉnh độ
sáng), 1 module ngầm điều khiển 2 đèn neon; 1 module điều khiển các thiết bị
khác như bình nước nóng, điều hồ, máy giặt… . Hệ thống cịn có các bộ cảm
ứng chuyển động để bật đèn ở những chỗ thích hợp như cầu thang, nhà kho và
module chuông chỉ hoạt động khi cảm biến chuyển động phát hiện có người.
Có tuổi đời được hơn 40 năm, cơng nghệ này đã có bước chuyển biến
lớn từ điều khiển có dây sang khơng dây. X10 thường khơng được sử dụng

Trang 19


cho các hệ thống đòi hỏi tốc độ cao hoặc giao tiếp cực mạnh giữa các thiết bị
trong hệ thống tự động gia đình.

Hình 2.1: Sơ đồ tự động nhà thông minh với công nghệ X10
Ưu điểm: Ưu điểm lớn nhất của nhà thơng minh X10 chính là mức giá thành
khơng q đắt đỏ: Bạn có thể có một hệ thống tự động hóa hồn chỉnh cho
nhà mình với chi phí chỉ trên dưới 1000 USD. Tuy nhiên, tính bảo mật và an
ninh của công nghệ này không cao, chủ yếu phù hợp với yêu cầu điều khiển
các thiết bị gia dụng.
Nhược điểm:
- Nhiễu tín hiệu: Vì tín hiệu được truyền trên mạng lưới điện dùng chung nên
rất khó kiểm soát nếu các nhà gần nhau đều dùng thiết bị X10. Ngồi ra bản
thân tín hiệu điện cũng gây nhiễu cho tín hiệu điều khiển. Do đó, nhà bạn có
thể bị điều khiển bởi một cậu bé hàng xóm hoặc bạn muốn đóng cửa nhưng

Trang 20

đèn lại tắt mà cửa vẫn cứ mở… Các nhà sản xuất đã cho ra đời thiết bị lọc
nhiễu nhưng kết quả là khơng hồn hảo.
- Số lượng thiết bị hạn chế: 256 thiết bị cho mỗi mạng X10. Điều này khiến
X10 chỉ phù hợp triển khai cho một biệt thự cỡ nhỏ.
- Khơng có tín hiệu phản hồi: Bản thân thiết bị X10 khơng có tín hiệu báo
trạng thái. Bạn sẽ khơng thể kiểm tra tình trạng của các thiết bị trong nhà một
cách chính xác: Đèn hành lang đang bật hay tắt, cửa đóng hay mở, TV nhà
trên đã tắt hay chưa… Có tồn tại những thiết bị X10 có khả năng báo trạng
thái nhưng chi phí cao

2.2.2.Cơng nghệ không dây Insteon
INSTEON là công nghệ mạng điều khiển thiết bị gia dụng không dây,
là công nghệ mang nhiều tính năng vượt trội dơn giản về cấu trúc, giá bán phù
hợp dễ dàng tích hợp vào những thiết bị có sẵn tạo ra giá trị sử dụng cao.

Hình 2.2: Hệ thống nhà thông minh sử dụng công nghệ INSTEON
INSTEON là mạng mắt lưới thơng minh mang nhiều tính năng đặc biệt, là sự
kết hợp giữa hệ thống thu phát điều khiển không dây và hệ thống dây dẫn

Trang 21


điện hiện tại trong nhà. INSTEON không dễ bị gây nhiễu như các hệ thống
một băng tần khác.
INSTEON ứng dụng công nghệ hiện đại nhất để tạo ra một mạng ngang hàng
thực sự đáp ứng được yêu cầu của mọi khách hàng. Tất cả các thiết bị của
INSTEON là ngang hàng nhau nên khơng cần thiết phải có thiết bị giám sát
mạng đi kèm cũng như bảng định tuyến và các thiết bị phức tạp khác.
Dễ dàng sử dụng
Mỗi thiết bị INSTEON có một địa chỉ ID thống nhất nên không cần thiết phải

đặt địa chỉ hay quy định mã. Kết nối giưa hai thiết bị INSTEON đơn giản
bằng cách nhấn nut On trên thiết bị thứ nhất khoảng 10 giây, sau đó lại nhấn
nut “On” trên thiết bị thứ hai 10 giây. INSTEON không cần bất cứ sự can
thiệp nào của máy tính vào mạng nên rất tiện lợi và dễ sử dụng.
Độ tin cậy cao
Độ tin cậy là tiêu chuẩn hàng đầu của hệ thống mạng INSTEON. Được xây
dựng trên nền tảng là mạng ngang hàng dạng mắt lưới, INSTEON khẳng định
rằng tất cả các tin xuất phát từ thiết bị đều đến đích. Nếu có một tin bị ngắt
quãng thì sẽ tự động truyền lại. Bởi vì tất cả các thiết bị INSTEON đều hoạt
động giống như một bộ lặp hai chiều nên mạng lưới INSTEON trở lên mạnh
và rất đáng tin cậy.
Giá cả phù hợp
INSTEON là cơng nghệ có giá thành phù hợp, chấp nhận được để điều khiển
và tích hợp tồn bộ hệ thống chiếu sáng và thiết bị gia dụng. Giá cho một thiết
bị INSTEON đang dự kiến là không quá 30 USD.
Tốc độ truyền nhanh
INSTEON sử dụng cơng nghệ sử lý tín hiệu số hiện đại để mã hóa và truyền
bản tin. Cho phép truyền với tốc độ cao các bản tin giữa hai thiết bị. Các bản

Trang 22


tin INSTEON đơn lẻ có thể chiếm đến 14 bytes dữ liệu để điều khiển các ứng
dụng.
Có thể hoạt động chung với công nghệ X10
INSTEON cho phép hỗ trợ hoạt động chung với thiết bị dùng công nghệ X10.
Các mạng cơng nghệ X10 hiện nay có thể dẽ dàng tích hợp thêm thiết bị công
nghệ INSTEON. Nhưng lưu ý rằng các thiết bị INSTEON chỉ lặp và khuyếch
đại tín hiệu INSTEON chứ khơng phải là tín hiệu X10.

2.2.3.Cơng nghệ khơng dây Zigbee
ZigBee là hệ thống mạng không dây mở tương tự nhưng tốt hơn giao
thức Bluetooth. Bluetooth sẽ giao tiếp theo cặp thiết bị với nhau ít hơn bảy
thiết bị trong khi đó ZigBee có thể giao tiếp theo cặp với hàng trăm thiết bị.
ZigBee là một chuẩn không dây 802 của IEEE. Một trong những thành
phần chính của chuẩn này chính là IEEE 802.15.4 cho phép các thiết bị điện,
cảm biến, trong khoảng cách gần 10-100m trong một mạng lưới có thể giao
tiếp ngang hàng với nhau. ZigBee sử dụng rất ít năng lượng để vận hành.

Trang 23