Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người máy trong môi trường thông minh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.05 MB, 71 trang )
..
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường
thơng minh
Tác giả luận văn: Nguyễn Thị Thảo
Khóa: 2008-2010
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Tùng
Nội dung túm tắt:
a) Lý do chọn đề tài:
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học cơng nghệ thì máy móc giúp ích cho con
người không chỉ trong các ngành công nghiệp mà cả trong cuộc sống hàng ngày. Giao
tiếp giữa con người và máy móc thơng qua giao diện người – máy ngày càng được quan
tâm. Trong môi trường thông minh các ứng dụng thích nghi với nhu cầu của con người thì
giao diện người – máy phát triển ở trình độ cao và ngày càng được ứng dụng rộng rãi vì
nó khiến cho người sử dụng hài lịng. Từ nhận định đó nên luận văn tốt nghiệp thạc sỹ tôi
chọn nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thơng minh.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Tìm hiểu về giao diện người – máy trong môi trường thông minh, cụ thể là phịng thơng
minh. Triển khai xây dựng giao diện người – máy bằng tiếng nói điều khiển các thiết bị
trong phịng thơng minh.
b) Tóm tắt cơ đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Chương 1: Mở đầu
Chương này tìm hiểu về bối cảnh của nghiên cứu, xác định mục đích nghiên cứu, và
phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Chương 2: Tổng quan về giao diện người máy trong mơi trường thơng minh và nhà
thơng minh
Nội dung trình bày nghiên cứu tổng quan về giao diện tương tác người – máy trong mơi
trường thơng minh nói chung và giao diện tương tác người – máy trong nhà thông minh
nói riêng.
Chương 3: Xây dựng giải pháp
Trong chương này mở đầu bằng việc trình bày hệ thống “Smart home” tại trung tâm
MICA. Sơ đồ kết nối hệ thống giám sát và điều khiển giao diện người – máy bằng tiếng
nói. Tiếp đó trình bày giải pháp xây dựng hệ thống giao diện tiếng nói và bàn phím chuột
cho phép dễ dàng triển khai các hệ thống tương tác trong môi trường thông minh.
Chương 4: Triển khai giải pháp cho ứng dụng phịng thơng minh của MICA
Việc triển khai cho một ứng dụng cụ thể được thực hiện cho phịng thơng minh tại Trung
tâm MICA. Chương này được mở đầu bằng việc giới thiệu bài tốn thơng qua việc xây
dựng kịch bản điều khiển các thiết bị và sử dụng phầm mềm Adobe Flash CS4
Professional để mơ phỏng mơ hình smartroom của trung tâm MICA. Tiếp đó là phần lựa
chọn cơng nghệ triển khai giải pháp, giới thiệu về công cụ Qt, công cụ được lựa chọn để
triển khai giải pháp và cuối cùng là các kết quả triển khai giải pháp cho phịng thơng minh
tại trung tâm MICA dưới dạng demo chương trình.
Chương 5: Kết quả và hướng phát triển
Phần này trình bày những nhận xét đánh giá về kết quả của chương trình demo và đưa ra
hướng phát triển tiếp theo của đồ án.
c) Phương pháp nghiên cứu.
- Phương pháp đọc tài tiệu
- Phương pháp thực nghiệm trên phần mềm Adobe Flash CS4 Professional để mô phỏng
d) Kết luận
Sau một thời gian nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người –
máy trong môi trường thông minh ”.Với những mục tiêu đề ra của đề tài. Luận văn đã
hoàn thành được các yêu cầu. Các vấn đề cơ bản đã được nghiên cứu và thực hiện:
- Kết nối tốt với các thiết bị cần điểu khiển trong môi trường như đầu đọc thẻ
RFID để điều khiển cửa ra vào; đèn trong phòng; quạt với 2 chức năng là on/off, số
1, 2, 3; điều khiển điều hoà; điều khiển quạt với 2 chức năng on/off, tăng giảm
nhiệt độ và cài đặt nhiệt độ; Điều khiển tivi: Kết nối tốt với hệ thống IPTV cung
cấp nội dung tivi (chương trình điều khiển tivi server nằm ngồi chương trình
demo); truyền hình ảnh từ camera IP về và hiển thị rõ nét trên màn hình của
chương trình.
- Hệ thống giao diện cho phép điều khiển một cách thống nhất giữa điều khiển
bằng tay và điều khiển bằng tiếng nói, có sự độc lập giữa đối tượng điều khiển (ví
dụ đèn) với đối tượng tương tác (ví dụ nút bấm đèn hoặc câu lệnh đèn bật). Việc
kết nối một mô đun điều khiển (phần mềm) để điều khiển nhiều thiết bị giống nhau
(ví dụ mô đun điều khiển đèn điều khiển đèn số 1, số 2, số 3) là đồng nhất độc lập
với mô đun giao diện kích hoạt. Điều này có nghĩa là để bật đèn số 2, ta có thể
dùng tiếng nói “đèn bật” hoặc dùng biểu tượng phím bấm trên màn hình điều khiển
ở màn hình chính hiển thị 3 phịng, hoặc nút bẩm trên màn hình điều khiển ở màn
hình phụ phòng 1 (nơi chứa đèn 1).
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi
dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Việt Tùng. Nếu có gì sai phạm tơi xin hoàn
toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Thảo
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp cao học “Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người –
máy trong môi trường thông minh” là kết quả khơng chỉ của một cá nhân mà nó có
được là nhờ sự giúp đỡ của nhiều người.
Trước hết, em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Việt Tùng vì những kiến thức mà
thầy truyền đạt. Thầy cũng là người cho em ý tưởng về xây dựng đề tài này. Đồng
thời, thầy đã trực tiếp hướng dẫn và theo dõi q trình xây dựng và hồn thiện luận
văn này.
Cuối cùng, xin cám ơn gia đình, bạn bè những người ln bên cạnh tôi động viên,
giúp đỡ tôi trong học tập cũng như trong cuộc sống.
Hà Nội, tháng 3 năm 2011
Học viên
Nguyễn Thị Thảo
1
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
MỤC LỤC
Chương 1. MỞ ĐẦU ............................................................................................... 8
1.1. Bối cảnh nghiên cứu ................................................................................... 8
1.2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................. 8
1.3. Giới hạn và nội dung nghiên cứu ................................................................ 9
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ GIAO DIỆN NGƯỜI – MÁY TRONG MÔI
TRƯỜNG THÔNG MINH VÀ NHÀ THÔNG MINH .......................................... 11
2.1. Giao diện người - máy trong môi trường thơng minh .................................. 11
2.1.1. Lịch sử q trình nghiên cứu ................................................................ 11
2.1.2. Ứng dụng giao diện người – máy trong môi trường thông minh ........... 12
2.2. Giao diện người - máy trong nhà thông minh .............................................. 13
2.2.1. Tổng quan về nhà thông minh .............................................................. 13
2.2.2. Các giải pháp tương tác người-thiết bị trong nhà thông minh ............... 16
Chương 3. XÂY DỰNG GIẢI PHÁP .................................................................... 21
3.1. Tìm hiểu hệ thống “Smart home” tại trung tâm MICA ................................ 21
3.1.1. Mơ hình hệ thống ................................................................................. 21
3.1.2. Sơ đồ kết nối các mô đun ..................................................................... 22
3.1.3. Kết nối các thiết bị cần điều khiển ........................................................ 23
3.2. Hệ thống giám sát và điều khiển sử dụng giao diện tiếng nói ...................... 26
3.2.1. Nguyên tắc thiết kế .............................................................................. 26
3.2.2. Sơ đồ khối chức năng bên trong hệ thống tương tác ............................. 26
3.2.3. Trình tự thiết kế và xây dựng giao diện người dùng ............................. 27
2
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
Chương 4. : TRIỂN KHAI GIẢI PHÁP CHO ỨNG DỤNG PHỊNG THƠNG
MINH CỦA MICA ............................................................................................... 34
4.1. Tìm hiểu nhu cầu tương tác của người dùng – xây dựng kịch bản hoạt động
môi trường thông minh ở trung tâm MICA ........................................................ 34
4.2. Lựa chọn công cụ phát triển - công cụ Qt .................................................... 37
4.3. Ứng dụng để xây dựng chương trình điều khiển mơi trường thơng minh của
trung tâm MICA ................................................................................................ 39
4.3.1. Các giao thức tương tác phục vụ bài toán ............................................. 40
4.3.2. Giới thiệu chương trình ........................................................................ 41
4.3.3. Điều khiển các thiết bị trong mơi trường .............................................. 47
Chương 5. : KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................. 54
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 66
3
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong mơi trường thơng minh
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Những tiện ích của hệ thống “Smart home”. ............................................. 15
Hình 2. Mơ hình kết nối tổng qt của hệ thống “Smart home”. ............................ 15
Hình 3. Mơ hình kết nối điều khiển các thiết bị trong nhà. ..................................... 16
Hình 4. Điều khiển bằng phím ấn .......................................................................... 16
Hình 5. Điều khiển thơng qua điều khiển từ xa. ..................................................... 17
Hình 6. Điều khiển thơng qua giao diện cảm ứng. ................................................. 18
Hình 7. Điều khiển thơng qua internet. .................................................................. 18
Hình 8. Một số loại cảm biến dung trong nhà thơng minh. ..................................... 19
Hình 9. Điều khiển bằng giọng nói. ....................................................................... 20
Hình 10. Hệ thống phịng thơng minh tại trung tâm MICA. ................................... 21
Hình 11. Sơ đồ kết nối của khôi tương tác người máy bằng tiếng nói của phịng
thơng minh. ........................................................................................................... 23
Hình 18. Sơ đồ kết nối sơ bộ các thiết bị................................................................ 25
Hình 12. Sơ đồ khối tổng quát của khối tương tác người-máy bằng tiếng nói. ....... 26
Hình 13. Sơ đồ khối các khối tương tác và vị trí cơ chế signal slot được triển khai.
.............................................................................................................................. 29
Hình 14. Ví dụ về truyền thơng tin giữa các đối tượng sử dụng tín hiệu khe cắm. .. 30
Hình 15. Mơ hình MVC. ....................................................................................... 32
Hình 16. Ví dụ về MVC. ....................................................................................... 32
Hình 17. Mở rộng ví dụ về MVC với nhiều bộ điều khiển ..................................... 33
Hình 19. Một số hình ảnh trong kịch bản. .............................................................. 36
4
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong mơi trường thơng minh
Hình 20. Sơ đồ mặt bằng mơi trường thơng minh nơi sẽ xây dựng phịng giám sát
bằng tiếng nói. ....................................................................................................... 40
Hình 21. Giao diện chính của chương trình điều khiển .......................................... 42
Hình 22. Thanh Menu của demo. ........................................................................... 42
Hình 23. Menu File. .............................................................................................. 43
Hình 24. Menu View. ............................................................................................ 43
Hình 25. Menu Help. ............................................................................................. 43
Hình 26. Vùng hiển thị thời gian. .......................................................................... 44
Hình 27. Giao diện room 1 trong demo. ................................................................. 44
Hình 28. Giao diện room 2 trong demo. ................................................................. 45
Hình 29. Giao diện room 3 trong demo. ................................................................. 46
Hình 30. Thanh status trong demo. ........................................................................ 46
Hình 31. Debug ghi lại hoạt động của demo. ......................................................... 47
Hình 32. Sơ đồ điều khiển cửa. .............................................................................. 48
Hình 33. Hộp thoại điều khiển đèn. ....................................................................... 49
Hình 34. Hộp thoại điều khiển quạt. ...................................................................... 50
Hình 35. Hộp thoại điều khiển điều hồ. ................................................................ 50
Hình 36. Sơ đồ điều khiển tivi. .............................................................................. 51
Hình 37. Hộp thoại điều khiển tivi. ........................................................................ 53
5
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Thiết bị, công suất và thiết bị điều khiển PLC. ......................................... 24
Bảng 2. Các công cụ của Qt. .................................................................................. 38
6
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
HMI
Human-machine Interface
AmI
Ambient Intelligence
SH
Smart Home
ICT
Information and Communication Technologies
DVD
Digital Video Disc
ID
Integral and Derivative
LAN
Local Area Network
TV
Television
PLC
Programmable Logic Control
USB
Univeral Serial Bus
APIs
Application Programming Interface scale
MVC
Model-View-Controller
GUI
Graphical User Interface
IP
Internet Protocol
7
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
Chƣơng 1. MỞ ĐẦU
1.1.
Bối cảnh nghiên cứu
Con người ln có sự giao tiếp với máy móc dưới nhiều hình thức khác nhau. Từ
đơn giản qua các nút ấn bật/tắt, qua màn hình, đến phức tạp như qua nhận dạng cử
chỉ, nét mặt… Với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày nay con người
không chỉ ra những mệnh lệnh một chiều mà giữa máy móc và con người đã có sự
tương tác đa dạng hơn. Thành quả này có được do sự phối hợp của các cơ cấu cảm
biến, cơ cấu chấp hành, bộ vi xử lý kết hợp với các phần mềm thông minh. Máy
móc nhận biết trạng thái của mơi trường xung quanh và đưa ra các quyết định mà
không cần sự phát biểu tường minh của người dùng.
Các cảm biến sẽ thu thập tín hiệu đặc trưng nhất của mơi trường có liên quan đến
tác vụ hiện hành hoặc đến dịch vụ mà hệ thống muốn cung cấp cho người dùng từ
môi trường xung quanh. Thông tin này được gửi về máy tính, gửi, trên cơ sở đó
máy tính đưa ra các quyết định cho cơ cấu chấp hành thực hiện.
Máy tính có thể có nhiều hình thức khác nhau, từ máy chủ, máy cá nhân, máy tính
xách tay, máy tính cơng nghiệp, máy tính nhúng, thiết bị di động cầm tay đến hệ
thống máy tính và các vi điều khiển, vi xử lí nhúng trong các thiết bị dân dụng. Sự
tiến bộ của ngành công nghiệp chế tạo các thiết bị điện tử nhỏ bé cho phép các máy
tính có nhiều tính năng khác nhau và giao diện người – máy (HMI) trở thành một
phần của cuộc sống hàng ngày.
1.2.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn là cung cấp một cách tiếp cận mới cho người lập
trình để xây dựng giao diện người-máy trong môi trường thông minh cụ thể là
phịng thơng minh. Cách tiếp cận này tập trung hướng đến việc dễ dàng tích hợp các
phương pháp tương tác đa phương thức (ví dụ tương tác bằng tiếng nói, bàn phím
và chuột).
8
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
1.3.
Giới hạn và nội dung nghiên cứu
Trong khn khổ nghiên cứu và mục đích ở trên, luận văn tập trung vào nội dung
sau:
1. Nghiên cứu quá trình hình thành và phát triển giao diện tương tác người – máy
trong và ngoài nước phục vụ các bài toán tương tác thường gặp trong cuộc sống
hàng ngày (giao diện người – máy trong nhà thông minh)
2. Nghiên cứu phát triển một giải pháp xây dựng giao diện người-máy điều khiển
bằng bàn phím chuột kết hợp giao diện tiếng nói cho các thiết bị dân dụng trong
nhà thơng minh. Giải pháp này phải cho phép mở rộng cho các dạng tương tác
khác như tương tác bằng cử chỉ.
3. Xây dựng một hệ tương tác người máy cho phòng thông minh, một ứng dụng cụ
thể của nhà thông minh, bằng cách áp dụng giải pháp trên.
Bản luận văn này bao gồm:
Chƣơng 1: Mở đầu
Chương này tìm hiểu về bối cảnh của nghiên cứu, xác định mục đích nghiên cứu, và
phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Chƣơng 2: Tổng quan về giao diện ngƣời máy trong môi trƣờng thông minh và
nhà thơng minh
Nội dung trình bày nghiên cứu tổng quan về giao diện tương tác người – máy trong
môi trường thơng minh nói chung và giao diện tương tác người – máy trong nhà
thơng minh nói riêng.
Chƣơng 3: Xây dựng giải pháp
Chương này mở đầu bằng việc miêu tả hệ thống “Smart home” tại trung tâm MICA.
Nhắc lại sơ đồ kết nối hệ thống giám sát và điều khiển. Tiếp đó trình bày giải pháp
xây dựng hệ thống giao diện tiếng nói và bàn phím chuột cho phép dễ dàng triển
khai các hệ thống tương tác trong môi trường thông minh.
9
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
Chƣơng 4: Triển khai giải pháp cho ứng dụng phịng thơng minh của MICA
Chương này trình bày việc triển khai cho một ứng dụng cụ thể được thực hiện cho
phịng thơng minh tại Trung tâm MICA. Chương này được mở đầu bằng việc nhắc
lại bài tốn tìm hiểu nhu cầu người dùng thơng qua việc xây dựng kịch bản điều
khiển các thiết bị. Tiếp đó là lựa chọn công nghệ triển khai giải pháp, giới thiệu về
công cụ Qt (công cụ được lựa chọn để triển khai giải pháp) và cuối cùng là các kết
quả triển khai giải pháp cho phịng thơng minh tại trung tâm MICA dưới dạng demo
chương trình.
Chƣơng 5: Kết quả và hƣớng phát triển
Phần này trình bày những nhận xét đánh giá về kết quả của chương trình demo và
đưa ra hướng phát triển tiếp theo của đồ án.
10
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ GIAO DIỆN NGƢỜI – MÁY
TRONG MÔI TRƢỜNG THÔNG MINH VÀ NHÀ THƠNG
MINH
2.1. Giao diện ngƣời - máy trong mơi trƣờng thơng minh
2.1.1. Lịch sử q trình nghiên cứu
Trong lịch sử phát triển lồi người, máy móc có một vị trí rất quan trọng không chỉ
giúp con người các công việc nặng nhọc, các cơng việc địi hỏi chính xác, tạo ra
năng suất lao động vượt trội…mà nó cịn phục vụ cho cuộc sống con người ngày
một thoái mái hơn.
Khi mới hình thành thì giao tiếp giữa con người và máy móc cịn rất hạn chế thơng
qua các nút ấn bật/tắt, các bảng điều khiển. Sau đó là thơng qua các màn hình máy
tính thì giao tiếp người – máy linh hoạt hơn rất nhiều.
Tuy nhiên, theo thời gian, người ta dần dần nhận thấy người sử dụng rất túng túng
khi sử dụng các máy móc. Câu hỏi đặt ra là tại sao người sử dụng lại không sẵn
sàng hoặc không thể tận dụng thuận lợi của công nghệ hiện đại để hạn chế lúng túng
này. Thực tế là thông thường những máy móc hiện đại có thể hoạt động một cách
hoàn hảo bởi những thực tập viên lại bị lỗi khi được đưa vào tay của người sử dụng.
Đây là mối quan tâm chủ yếu của các tác giả ở phòng Nghiên cứu quốc gia Sandia
là xây dựng giao diện giữa con người và máy móc (Human-Machine Interface
HMI). Mục tiêu là làm sao tạo ra một giao diện giúp con người có thể giao tiếp với
máy móc một cách thuận lợi nhất.
Những mối quan tâm tương tự cũng được tìm thấy với quan điểm của Công ty điện
Yaskawa của Nhật Bản, [Kumamoto 1995] thể hiện qua kết luận “Những thách thức
phải nâng cấp chức năng của máy móc để đạt được một sự hài hòa trong hợp tác
giữa con người và máy móc”.
11
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
Ngày nay, giao diện giữa con người và máy móc rất đa dạng chúng vừa là thách
thức vừa là cơ hội để xây dựng các hệ giao diện giữa người và máy móc một cách
thuận tiện, mềm dẻo, chất lượng cao.
2.1.2. Ứng dụng giao diện ngƣời – máy trong môi trƣờng thông minh
Trong môi trường thông minh (AmI), giao diện tương tác người máy gắn liền với
khái niệm “sự biến mất của máy tính”. Đó chính là sự sâu sắc nhất của cơng nghệ
hiện đại. Máy tính khơng cịn hiện hữu một cách rõ ràng mà nó đan xen trong các
sản phẩm phục vụ cuộc sống hàng ngày. Điều đó có thể dễ dàng nhận thấy trong các
dịch vụ công cộng như: Trong giao thông, hệ thống cảm biến thu nhận các thơng tin
chính xác từ môi trường xung quanh giúp người lái xe đưa ra quyết định lái xe an
toàn hoặc quyết định lộ trình ngắn nhất. Trong y tế và chăm sóc sức khoẻ bệnh nhân
được chăm sóc tốt nhất nhờ sự hỗ trợ của các hệ thống thông minh,… Không chỉ
nhận thấy trong các dịch vụ cơng cộng mà trong chính ngơi nhà của chúng ta sự
phát triển của khoa học công nghệ đã đem lại cho con người nhiều thành quả có giá
trị với cuộc sống gia đình. Ban đầu, ở dạng phôi thai, là các ứng dụng bảo vệ nguồn
tự động trong nhà sử dụng cầu chì, rơle đóng cắt. Tiếp đó là các ứng dụng có bổ
sung mức độ tùy biến các thông số hệ thống theo mong muốn của người dùng như
hẹn giờ bật tắt các thiết bị, tăng giảm độ sáng, độ ẩm, nhiệt độ…. Cuối cùng là các
hệ thống nhà thơng minh có “trí tuệ” có thể tiếp nhận các thông tin, mệnh lệnh,
trạng thái tâm lý, sức khỏe của con người, đồng thời với việc cảm nhận được các
thông số trạng thái của bản thân hệ thống và môi trường. Các thông tin này sau đó
sẽ xử lý để đưa ra các quyết định phù hợp với bối cảnh (hệ thống, môi trường và
con người) nhằm đem lại sự tiện lợi và thoải mái cho con người hoặc hiệu quả về
thời gian, năng lượng cùng các giá trị gia tăng khác.
12
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
2.2. Giao diện ngƣời - máy trong nhà thông minh
2.2.1. Tổng quan về nhà thông minh
Có nhiều định nghĩa khác nhau về nhà thơng minh được đưa ra dưới đây. Chúng
cho ta cái nhìn rõ hơn về nhà thơng minh, cơng nghệ của nó và người sử dụng mà
nó hướng tới:
Nhà thơng minh là ngôi nhà cung cấp môi trường tiện lợi và đầu tư hiệu quả
thông qua việc lựa chọn 4 phần tử cơ bản: cấu trúc, các hệ thống, các dịch vụ và
quản lý cùng môi trường tương tác giữa chúng. Một ngơi nhà thơng minh trợ
giúp chủ nhân của nó, người quản lý tài sản, người vận hành trong mục đích tối
ưu về giá thành, quản lý năng lượng, sự tiện nghi, an toàn, sự mềm dẻo và khả
năng thương mại được. (Caffrey 1985, Intelligent Buildings Institute,
Washington DC)
Nhà thông minh là ngôi nhà mà thông qua thiết kế vật lý và cài đặt truyền thông
sẽ cho phép đáp ứng nhanh, mềm dẻo và thích nghi với người sử dụng và sinh
hoạt trong ngôi nhà. Ngôi nhà sẽ cung cấp các dịch vụ cho chủ nhà, người quản
lý, vận hành và duy trì hoạt động của nó. Nhà thơng minh trợ giúp con người
được cài đặt các hệ thống, truyền thông, và được trang bị cảm biến và các cơ
cấu chấp hành. (Per Christiansson 2002)
Nhà thông minh là ngôi nhà mà ở đó kết cấu của nó, khoảng khơng gian, các
dịch vụ và các hệ thống thơng tin có thể đáp ứng hiệu quả các yêu cầu ban đầu
và các yêu cầu thay đổi từ phía chủ nhà, các thành viên trong gia đình và mơi
trường. (Arup 2003)
Từ góc độ tiện ích, hệ thống nhà thơng minh là hệ thống tịa nhà mà ở đó tự động
điều khiển các thiết bị trong nhà theo một lịch trình đặt sẵn theo tiêu chí thân thiện
với mơi trường hoặc hướng người dùng nhằm giúp cho chủ nhà cảm thấy thoải mái
và cuộc sống trở lên vui vẻ, tiện lợi hơn, cụ thể:
- Tự động bật đèn khi có người, tắt đèn khi khơng có người ở hành lang và cầu
thang.
13
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong mơi trường thơng minh
- Tự động khóa bình gas khi phát hiện rò rỉ.
- Tự động kéo mành, rèm, mái che ban công, bể bơi khi trời đổ mưa.
- Tự động phát hiện khu vực có người chuyển động, người bấm chng, tiếng
trẻ khóc để chuyển bật camera quan sát tại các khu vực tương ứng và hiển thị trên
màn hình TV, máy tính, đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng hình ảnh hoặc âm thanh,
đồng thời chủ nhà có thể thực hiện chức năng gọi điện trực tiếp tới các khu vực này
để kiểm tra.
- Điều khiển bất cứ một thiết bị nào trong nhà từ xa.
Bật hệ thống bảo vệ chống đột nhập.
Bât, tắt các thiết bị trong nhà từ văn phòng bằng cách quay số điện
thoại về nhà, dùng điện thoại di động hoặc internet.
Ra lệnh mở cửa mời khách vào nhà đợi trong trường hợp chưa về nhà
kịp, …
- Chiếu sáng theo bối cảnh như: xem phim, liên hoan, xem bóng đá, bể bơi,
khuôn viên vườn, …
- Hệ thống điều chỉnh âm thanh chuyên dụng, có thể điều khiển bất cứ nơi đâu
trong nhà không chỉ biến ngôi nhà người dùng thành rạp chiếu phim mà có thể
thành trung tâm triển lãm nghệ thuật,văn hóa…
Tồn bộ tiện ích của hệ thống nhà thơng minh có thể mơ tả khái qt trong
hình sau:
14
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong mơi trường thơng minh
Hình 1. Những tiện ích của hệ thống “Smart home”.
Hiện nay có nhiều mơ hình nhà thông minh được lắp đặt và sử dụng trên thế
giới, phổ biến là mơ hình kết nối sau:
Hình 2. Mơ hình kết nối tổng qt của hệ thống “Smart home”.
15
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong mơi trường thơng minh
Mơ hình cụ thể kết nối điều khiển các thiết bị trong nhà:
Hình 3. Mơ hình kết nối điều khiển các thiết bị trong nhà.
2.2.2. Các giải pháp tƣơng tác ngƣời-thiết bị trong nhà thông minh
Giải pháp điều khiển thông minh là yếu tố quan trọng nhất quyết định mức độ
“thông minh” của một ngôi nhà. Nó là tập hợp của rất nhiều phương pháp điều
khiển giúp người dùng dễ dàng ra lệnh và quản lý ngôi nhà người dùng dù người
dùng ở bất cứ nơi đâu, bất cứ lúc nào. Các biện pháp điều khiển gồm có:
a. Điều khiển thơng qua giao diện phím ấn thơng minh
Hình 4. Điều khiển bằng phím ấn
16
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong mơi trường thơng minh
Phím ấn thơng minh là những phím ấn có thể lập trình để học những sở thích và thói
quen của chủ nhà, vì vậy nó vơ cùng thơng minh và linh hoạt.
Chúng ta hãy hình dung khi ấn nút bối cảnh “ăn tối”, phím ấn sẽ lập tức hiểu ý và
giúp chúng ta thực hiện một loạt các thao tác như: Rèm cửa tự động kéo ra tạo một
không gian tự nhiên từ cảnh quan quanh nhà; ánh sáng phòng ăn từ từ giảm bớt tới
một mức sáng thích hợp nhằm tạo ra một khơng khí dịu dàng ấm cúng; đèn cảnh
quan khu vườn dần dần sáng lên tạo cảm giác dễ chịu; hệ thống âm thanh được kích
hoạt và một bản nhạc ưa thích của người dùng sẽ được phát.
b. Điều khiển từ xa
Hình 5. Điều khiển thông qua điều khiển từ xa.
Với giao diện điều khiển từ xa đa năng chúng ta có thể bật tắt tất cả thiết bị điện mà
không cần phải tới gần các nút ấn. Ngoài ra giao diện này cịn có khả năng học được
tín hiệu hồng ngoại từ điều khiển của các thiết bị khác như Tivi, giàn nhạc, điều hòa
nhiệt độ, quạt cây, …
17
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
c. Điều khiển thông qua giao diện màn hình cảm ứng
Hình 6. Điều khiển thơng qua giao diện cảm ứng.
Trong giao diện màn hình cảm ứng tồn bộ khơng gian ngơi nhà người dùng với các
thiết bị điều khiển được biểu thị một cách trực quan sinh động thông qua giao diện
đồ họa cho phép người dùng điều khiển và giám sát trạng thái của tất cả các thiết bị
trong nhà.
d. Điều khiển thông qua mạng Internet
Hình 7. Điều khiển thơng qua internet.
Với mục đích giúp người dùng điều khiển, giám sát ngôi nhà mọi lúc mọi nơi, giao
diện điều khiển thơng qua trình duyệt web đã ra đời. Từ văn phòng, từ sân bay, từ
nước ngồi và từ bất cứ nơi đâu có mạng Internet người dùng đều có thể giám sát và
18
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà. Lúc 17h00 người dùng bắt đầu từ văn phịng
và trở về nhà, thời tiết thì nóng nực và ngột ngạt, người dùng không muốn phải chịu
cái khơng khí đó khi trở về nhà, họ có thể vào giao diện điều khiển Internet và kích
hoạt hệ thống điều hịa của ngơi nhà, bật bình nóng lạnh phịng tắm.
e. Điều khiển tự động thông qua cảm biến và các chế độ thời gian lập trình
trƣớc
Hình 8. Một số loại cảm biến dung trong nhà thông minh.
Đây là giải pháp điều khiển nhằm giải thoát người dùng khỏi những cơng việc
khơng cần thiết phải có sự can thiệp của con người. Nâng cao tính tự động của ngơi
nhà theo ý muốn. Ví dụ, vào buổi tối, khi người dùng đi qua lối dẫn sân vườn, đi
trên hành lang tòa nhà hoặc bước lên cầu thang thì người dùng sẽ thấy đèn chiếu
sáng luôn tự động bật mỗi khi người dùng đi tới, và tự động tắt mỗi khi người dùng
đi qua. Đó là do sự kết hợp các loại cảm biến chuyển động trong hệ thống chiếu
sáng, nó phát hiện ra được chuyển động của người dùng để bật đèn và tự động tắt đi
khi người dùng khơng có nhu cầu sử dụng nữa. Cây xanh được tưới tự động bằng hệ
thống điều khiển theo giờ hoặc theo độ ẩm đất. Đóng mở cửa, đóng mở rèm, đóng
mở mái che dựa vào trạm thời tiết tích hợp trong hệ thống. Nó sẽ biết được khi nào
trời đang giơng, đang mưa để đóng cửa sổ, mái che. Biết khi nào trời nắng để đóng
rèm cửa, …
19
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
f. Điều khiển qua giọng nói
Hình 9. Điều khiển bằng giọng nói.
Đây là giải pháp thông minh và hiện đại trong các phương pháp điều khiển “Smart
home”. Phương pháp này giúp cho người sử dụng có thể điều khiển ngơi nhà của
mình mà khơng cần thao tác gì cả, chỉ cần nói ra những là mình muốn làm. Người
dùng bước vào nhà và nói “bật đèn”, hệ thống chiếu sáng tự động kích hoạt và chiếu
sáng ngôi nhà của người dùng, “bật quạt”, “mở điều hồ”… đều có thể thực hiện dễ
dàng chỉ thơng qua các mệnh lệnh bằng tiếng nói của người dùng.
20
Nghiên cứu phát triển giao diện tương tác người – máy trong môi trường thông minh
Chƣơng 3. XÂY DỰNG GIẢI PHÁP
Với mục tiêu nghiên cứu là phát triển phịng thơng minh, tại trung tâm MICA đã
triển khai lắp đặt hệ thống phịng thơng minh. Đây là hệ thống phịng khách và
phòng họp của trung tâm. Để lắp đặt hệ thống phịng thơng minh của trung tâm, bài
tốn bao gồm rất nhiều mảng, từ xử lý/nhận dạng/tổng hợp tiếng nói để ra lệnh bằng
giọng nói đến thực hiện các lệnh điều khiển qua PLC và các cơng cụ khác.
Chương này tìm hiểu hệ thống phịng thơng minh tại trung tâm bao gồm mơ hình hệ
thống, sơ đồ kết nối các mơ đun và các thiết bị cần điều khiển. Tiếp đó trình bày các
yêu cầu thiết kế cần tuân thủ, thể hiện trên các nguyên tắc thiết kế. Từ đó đề xuất sơ
đồ khối chức năng bên trong hệ thống tương tác, đề xuất một giải pháp xây dựng
giao diện người dùng bao gồm: trình tự thiết kế và xây dựng.
3.1. Tìm hiểu hệ thống “Smart home” tại trung tâm MICA
3.1.1. Mơ hình hệ thống
Dưới đây trình bày tóm lược mơ hình hệ thống “Smart room” tại trung tâm MICA.
Hình 10. Hệ thống phịng thơng minh tại trung tâm MICA.
21
