BÁO cáo đồ án tốt NGHIỆP đề tài xây DỰNG mô HÌNH NHÀ THÔNG MINH điều KHIỂN BẰNG GIỌNG nói
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.15 MB, 89 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG
BÁO CÁO
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG MƠ HÌNH
NHÀ THƠNG MINH ĐIỀU KHIỂN BẰNG GIỌNG NĨI
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Văn
Sinh viên thực hiện:
Hà Nội, 7-2020
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG
BÁO CÁO
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG MƠ HÌNH
NHÀ THƠNG MINH ĐIỀU KHIỂN BẰNG GIỌNG NĨI
Giáo viên hướng dẫn:
TS. Nguyễn Ngọc Văn
Sinh viên thực hiện:
Hà Nội, 7-2020
ĐÁNH GIÁ QUYỂN THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Tên giảng viên đánh giá: TS. Nguyễn Ngọc Văn
Họ và tên Sinh viên: Ngô Đức Hiển
MSSV:20158140
Tên đồ án: Xây dựng mơ hình nhà thơng minh điều khiển bằng giọng nói
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các
1
giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi
ứng dụng của đồ án
2
Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế)
3
Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
Có kết quả mơ phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt
4
được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực
5
hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả
6
đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết
7
quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập
luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai.
Kỹ năng viết quyển đồ án (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic
và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số
8
thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu
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
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học,
9
lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học
10a
(quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh
sáng chế
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
nghiên cứu khoa học nhưng khơng đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt
10b
giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về
chun ngành như TI contest.
10c Khơng có thành tích về nghiên cứu khoa học
Điểm tổng
Điểm tổng quy đổi về thang 10
1
2
3
4
5
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
5
2
0
/50
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 thơng minh điều khiển bằng giọng nói
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
1
thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng
của đồ án
2
Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế)
3
Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
4
Có kết quả mơ phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực hiện
5
dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều
6
được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả đạt
7
được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất
hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai.
Kỹ năng viết quyển đồ án (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và đẹp
mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và được
8
giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu cách sau dấu chấm,
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
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận
9
logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải SVNC
10a khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học (quốc tế/trong
nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh sáng chế
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên nghiên cứu
khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích
10b
trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về chun ngành như TI
contest.
10c Khơng có thành tích về nghiên cứu khoa học
Điểm tổng
Điểm tổng quy đổi về thang 10
1
2
3
4
5
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
4
5
5
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
5
2
0
/50
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 cơng nghiệp 4.0 với cả cơ hội và thách
thức, địi hỏi thế hệ trẻ phải có những sự thay đổi phù hợp để thích ứng và thành cơng.
Trong lịch sử, nhân loại đã trải qua ba cuộc cách mạng công nghiệp, đem tới sự thay
đổi toàn diện cho cuộc sống của con người. Không phải ngoại lệ, cuộc cách mạng 4.0
với nền tảng là vạn vật kết nối, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo được dự đốn sẽ tạo ra
bộ mặt hoàn toàn mới cho thế giới. Những cơng việc nặng nhọc và địi hỏi tính sáng
tạo sẽ được thay thế 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 tốn và xử lý siêu việt sẽ xuất hiện nhiều hơn ở các cơ quan, viện nghiên cứu.
Những thành tựu về công nghệ đã xuất hiện ngày càng nhiều, tiêu biểu là Alpha Go
của Google đã dành chiến thắng tuyệt đối trước nhà vô địch cờ vây thế giới, một công
ty Nhật Bản đang bắt đầu thử nghiệm Robot thay cho nhân viên văn phịng và ơ tô tự
hành cũng xuất hiện ngày càng nhiều trên đường phố…
Internet of Things – IoT hay còn gọi là vạn vật kết nối, trong đó vạn vật ở đây đó
là mọi vật, mọi vật thể, mọi thiết bị. Mỗi một vật thể đều có một ID (định danh riêng),
tất cả kết nối với nhau thông qua môi trường mạng Internet. Từ đó tạo ra một mạng
lưới thơng minh, có khả năng truyền tải, trao đổi các dữ liệu, thông tin qua lại. Tất cả
dưới sự điều khiển từ xa của con người mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp với mỗi
thiết bị. Cụ thể con người có thể điều khiển các thiết bị trọng nhà như: máy giặt, tủ
lạnh, tivi, đèn, máy lạnh,… Hoạt động từ trình điều khiển trên Smartphone máy tính
bảng hay laptop. Cơng nghệ IoT phát triển dựa trên sự kết hợp công nghệ mạng
Internet (mạng không dây như Wifi, mạng viễn thông băng rộng 4G, 5G) và công nghệ
cơ – điện tử. Sự kết hợp từ các công nghệ hiện đại mang đến nhiều ứng dụng, đáp ứng
những nhu cầu. Từ đó giúp tăng trưởng hiệu quả chất lượng công việc hơn.
Một trong những thành tựu của vạn vật kết nối vài năm trở lại đây đó là “Nhà Thơng
Minh” hay Smart Home. Ở Việt Nam, rất nhiều mơ hình nhà thơng minh đã được áp
dụng vào thực tế và đã mang lại cho con người một cuộc sống tiện nghi hơn. Nhận
thấy nhu cầu phát triển và sự thực tiễn của Smart Home tại Việt Nam, chúng em đã
chọn đề tài: “Xây dựng mô hình nhà thơng minh điều khiển bằng giọng nói” nhắm
hướng tới việc xây dựng một mơ hình giám sát và điều khiển thơng qua Smartphone
và mạng Internet.
Trong q trình thực hiện đề tài thực tập này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
Thầy 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
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Ngô Đức Hiển
LỜI CAM ĐOAN
Em là Ngô Đức Hiển, mã số sinh viên 20158140, sinh viên lớp LUH14, khóa 60,
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Người hướng dẫn đồ án tốt nghiệp là TS. Nguyễn
Ngọc Văn. Em xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong đồ án là kết quả
quá trình tìm hiểu và nghiên cứu của em. Các dữ liệu được nêu trong đồ án “Xây dựng
mô hình nhà thơng minh điều khiển bằng giọng nói” là hoàn toàn trung thực, phản ánh
đúng kết quả đo đạc thực tế. Mọi thơng tin trích dẫn đều tn 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 20/6/2020
Sinh viên thực hiện
Ngô Đức Hiển
MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU............................................................................................................... 6
LỜI CAM ĐOAN..........................................................................................................8
MỤC LỤC.....................................................................................................................9
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................1
DANH MỤC BẢNG BIỂU...........................................................................................4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................5
TÓM TẮT ĐỒ ÁN........................................................................................................6
ABSTRACT..................................................................................................................7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHÀ THÔNG
MINH TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM....................................................................8
1.1 Lí do chọn đề tài..................................................................................................8
1.2 Mơ hình nhà thơng minh......................................................................................8
1.2.1 Nhà thơng minh là gì.....................................................................................8
1.2.2 Các thành phần của nhà thơng 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 cơng nghệ nhà thơng 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 mơ hình.............................................................................................34
3.2.1 Sơ đồ khối chức năng..................................................................................34
3.2.2 Thiết kế chi tiết từng khối chức năng..........................................................35
3.2.2.1 Khối nguồn..........................................................................................35
3.2.2.2 Khối xử lí trung tâm.............................................................................37
3.2.2.3 Khối cảm biến......................................................................................43
3.2.2.4 Khối thiết bị.........................................................................................48
3.3 Thiết kế app điều khiển......................................................................................52
3.3.1 Tổng quan về App Inventer.........................................................................52
3.3.1.1 Sơ lược về App Inventer......................................................................52
3.3.1.2 Truy cập và tạo Project trong App Inventer.........................................53
3.3.2 Xây dựng ứng dụng Smarthome.................................................................56
3.3.2.1 Các chức năng chính............................................................................56
3.3.2.2 Giao diện ứng dụng..............................................................................56
3.3.2.3 Lập trình chức năng cho ứng dụng.......................................................58
3.4 Xây dựng cơ sở dữ liệu......................................................................................60
3.4.1 Firebase Cloud............................................................................................60
3.4.1.1 Firebase là gì?......................................................................................60
3.4.1.2 Cách thức hoạt động của Firebase........................................................61
3.4.1.3 Ưu điểm khi sử dụng Firebase.............................................................63
3.4.2 Thiết lập cấu hình cho Firebase Cloud........................................................64
3.4.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu cho ngôi nhà..........................................................71
3.4.4 Xây dựng cơ sở dữ liệu người dùng............................................................72
3.5 Một số kịch bản thử nghiệm...............................................................................73
3.6 Đánh giá độ chính xác........................................................................................73
3.7 Kết luận.............................................................................................................. 74
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI......................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................76
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thơng minh...................................7
Hình 1. 2: Mơ hình nhà Lumi......................................................................................14
Y
Hình 2. 1: IoT giúp cho mọi thứ giờ đây thông minh, tự động, mọi nơi và mọi lúc.....18
Hình 2. 2: Sơ đồ tổng quát của nhận diện giọng nói....................................................23
Hình 2. 3: Sơ đồ khối của xử lí tín hiệu.......................................................................24
Hình 2. 4: Q trình biến đổi tín hiệu..........................................................................24
Hình 2. 5: Hệ thống máy chủ của Google....................................................................26
Hình 2. 6: Kiến trúc hệ thống của BC417....................................................................27
Hình 2. 7: Module Bluetooth HC05.............................................................................28
Hình 2. 8: Sơ đồ khối của một SoC Wifi ESP..............................................................29
Hình 2. 9: Kit ESP8266 NodeMCU.............................................................................29
YHình 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống.....................................................................................
Hình 3. 2: Sơ đồ khối chức năng của mơ hình.............................................................34
Hình 3. 3: Sơ đồ ngun lí khối nguồn........................................................................34
Hình 3. 4: IC ổn áp LM7805 với hai loại: chân cắm và chân dán................................35
Hình 3. 5: Header 2P XH2 và nút nhấn 6 chân 8x8mm (switch).................................36
Hình 3. 6: Jack DC và Adapter....................................................................................36
Hình 3. 7: Sơ đồ ngun lí khối xử lí trung tâm (MCU)..............................................37
Hình 3. 8: Datasheet của kit ESP-WROOM-32...........................................................37
Hình 3. 9: Trình biên dịch Arduino IDE......................................................................39
Hình 3. 10: Module ESP32 sử dụng cho mơ hình nhà thơng minh..............................41
Hình 3. 11: Sơ đồ ngun lí khối cảm biến..................................................................42
Hình 3. 12: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 và DHT22............................................42
Hình 3. 13: DHT22 sử dụng cảm biến độ ẩm và nhiệt điện trở để đo..........................43
Hình 3. 14: Cấu tạo của thành phần cảm biến độ ẩm...................................................43
i
Hình 3. 15: Cảm biến nhiệt độ NTC và đường đặc tuyến giá trị của điện trở và nhiệt độ
..................................................................................................................................... 44
Hình 3. 16: Module cảm biến DHT22.........................................................................44
Hình 3. 17: Module cảm biến MQ2 và MQ135...........................................................45
Hình 3. 18: Cảm biếm mực chất lỏng..........................................................................46
Hình 3. 19: Sơ đồ ngun lí khối điều khiển quạt........................................................47
Hình 3. 20: Sơ đồ ngun lí khối điều khiển đèn.........................................................48
Hình 3. 21: Sơ đồ ngun lí khối các chức năng cho mơ hình.....................................48
Hình 3. 22: Layout 2D Bottom layer của mạch phần cứng..........................................49
Hình 3. 23: Layout 2D Top layer của mạch phần cứng...............................................49
Hình 3. 24: Bản vẽ mơ hình nhà..................................................................................50
Hình 3. 25: Mơ hình nhà bằng nhựa mica....................................................................50
Hình 3. 26: Giao diện Mit App Inventer......................................................................51
Hình 3. 27: Mục My Projects.......................................................................................52
Hình 3. 28: Mục connect..............................................................................................52
Hình 3. 29: Mục Builds................................................................................................53
Hình 3. 30: Giao diện thiết kế ứng dụng......................................................................53
Hình 3. 31: màn hình đăng nhập..................................................................................54
Hình 3. 32: Thơng số cảm biến....................................................................................55
Hình 3. 33: Điều khiển thiết bị thủ cơng......................................................................55
Hình 3. 34: Điều khiển thiết bị bằng giọng nói............................................................55
Hình 3. 35: Khối chức năng đăng nhập........................................................................56
Hình 3. 36: Khối chức năng điều khiển thiết bị thủ cơng.............................................56
Hình 3. 37: Khối chức năng điều khiển thiết bị bằng giọng nói...................................57
Hình 3. 38: Khối chức năng cập nhật và hiển thị thông số cảm biến...........................57
Hình 3. 39: Dữ liệu thời gian thực là cách thức hoạt động của Firebase......................58
Hình 3. 40: Firebase xây dựng hành động tự động đăng nhập cho ứng dụng bằng cách
xác thực danh tính........................................................................................................59
Hình 3. 41: Firebase cung cấp các Hosting theo tiêu chuẩn SSL.................................60
Hình 3. 42: Firebase hoạt động trên nền tảng điện tốn đám mây, an tồn và bảo mật60
ii
Hình 3. 43: Các ứng dụng trên nền tảng Firbase có độ bảo mật thơng tin cao.............61
Hình 3. 44: Các ứng dụng chạy trên nền tảng Firebase hoạt động khá ổn định...........61
Hình 3. 45: Sử dụng tài khoản Google để đăng nhập Firebase....................................62
Hình 3. 46: Mỗi dự án khởi tạo sẽ được lưu trên server của Google, có thể phát triển
dự án cũ hoặc tạo mới dự án........................................................................................62
Hình 3. 47: Mộ số ứng dụng mà Google Analytics mang lại.......................................63
Hình 3. 48: Các dịch vụ mà Firebase cung cấp bao gồm Authentication, Database,
Storage, Hosting, Functions và Machine Learning......................................................63
Hình 3. 49: Cách lấy Web API Key, do liên quan đến vấn đề bảo mật nên API key sẽ
được người dùng bảo mật và khơng nên chia sẻ cho ai................................................64
Hình 3. 50: Cấu hình quản trị SDK là Node JS và vào thẻ Database secrets để lấy
Firebase Token Key.....................................................................................................64
Hình 3. 51: Lấy mã Firebase Token.............................................................................64
Hình 3. 52: Khởi tạo Realtime Database......................................................................65
Hình 3. 53: Cấu hình luồng dữ liệu cho Datsabase......................................................65
Hình 3. 54: Firebase host.............................................................................................66
Hình 3. 55: Sử dụng Firebase DB để kết nối app và Firebase......................................67
Hình 3. 56: Cấu hình Firebase cho app........................................................................68
DANH MỤC BẢNG BIỂ
iii
Bảng 3. 1: Kết nối của Kit ESP32................................................................................40
Bảng 3. 2: Kết nối module cảm biến DHT22...............................................................44
iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu
Thuật ngữ đầy đủ
1
IP
Internet Protocol
2
IoT
Internet of Things
3
API
Application Progmraming Interface
4
I/O
Input/Output
5
IDE
Intergrated Development Environment
6
USB
Universal Serial Bus
7
MCU
Micro Controller Unit
8
PC
Personal Computer
9
IEEE
Institute of Electrical and Electronics
Engineers
10
TCP/IP
Transport Control Protocol/Internet Protocol
11
ADC
Analog-to-digital converter
12
WPA
WiFi Protected Access
13
Wi-Fi
Wireless Fidelity
14
IoT
Internet of Things
15
HTTP
Hyper Text Transfer Protocol
16
UDP
User Datagram Protocol
17
AP
AccessPoint
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án bao gồm phần thiết kế hệ thống phần cứng, phần mềm và phần nghiên cứu
các thuật toán học cho phép áp dụng các kiến thức trong lĩnh vực điện tử - truyền
thông vào việc thiết kế một ngôi nhà thông minh. Hệ thống bao gồm bộ vi điều khiển
trung tâm, các cảm biến và cơ cấu chấp hành, phần mềm android và điều khiển từ xa
qua kết nối internet. Trong đó các module cảm biến, như cảm biến nhiệt độ, cường độ
sáng, khí gas giúp theo dõi các tham số môi trường. Bộ xử lý trung tâm kết nối với ứng
dụng android cho phép thiết lập các kịch bản, điều khiển sử dụng để bước đầu tiến tới
xây dựng một hệ thống nhà thông minh.
v
ABSTRACT
The project includes designing hardware systems, software and studying
algorithms to apply the knowledge in the field of electronics - communication to the
design of a smart home. The system consists of central microcontroller, sensors and
actuators, android software 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 and controls to be used to initially build a smart home system.
vi
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 dụng
rộng rãi trong đời sống và sinh hoạt con người. Một hệ thống thông minh đáp ứng
những nhu cầu tối thiểu của con người trong lao động, sinh hoạt, giải trí mà cịn tạo ra
khơng gian thoải mái, tiện nghi một cách tối đa trên cơ sở đáp ứng các yêu cầu về an
ninh, an toàn, đảm bảo khả năng chăm sóc sức khỏe và tiết kiệm năng lượng. Vì vậy
trước khi đi vào thiết kế một hệ thống thực, công việc của người kỹ sư là cần phải có
các khảo sát nhu cầu của người sử dụng, các hệ thống thực tế đã triển khai cũng như
bộ tiêu chuẩn, yêu cầu chức năng, phi chức năng của sản phẩm.
1.1 Lí do chọn đề tài
Hệ thống nhà thơng minh ra đời như là một nhu cầu tất yếu để thỏa mãn nhu cầu
không ngừng nâng cao của con người. Hệ thống nhà thông minh không những giúp
thay thế việc sử dụng sức lao động của con người trong việc tự phục vụ nhu cầu, qua
đó nó giúp cho con người nhanh chóng tái tạo sức lao động và nâng cao hiệu suất lao
động của con người. Hơn nữa một ngơi nhà thơng minh đưa ra các tính tốn giúp tiết
kiệm năng lượng và hạn chế lãng phí tài nguyên thiên nhiên.
Bên cạnh chuyển thành văn bản hoặc điều khiển máy là tác dụng phổ biến nhất
của nhận diện giọng nói, cơng nghệ này cịn mang đến nhiều hứa hẹn cho người
khuyết tật. Nhận diện giọng nói cịn 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 Mơ hình nhà thơng minh
1.2.1 Nhà thơng minh là gì
Nhà thơng 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 hố hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một
số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông
qua bảng điện tử đặt trong 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
đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet và điện thoại di động, cho
phép chủ 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 ngơn ngữ của nhau và có
khả năng tương tác với nhau.
1
Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thơng minh là một hệ thống kiểm sốt mức
độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh, chẳng
hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối. Hệ thống cũng có thể điều chỉnh
rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera giám sát, hệ thống khóa
cửa tự động, hệ thống phịng ngừa trộm. Nhà thơng minh ngồi ra cịn có một số ứng
dụng sáng tạo hơn, gồm hệ thống điều khiển giải trí tại gia – loa công suất khác nhau,
hệ thống điện thoại, liên lạc nội bộ, hệ thống tưới nước... Các chức năng này có thể
được thực hiện nhờ các thiết bị trong nhà được kết nối với nhau để hệ thống máy tính
trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra các quyết định điều khiển phù hợp.
Nhà thông minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng từ nhiều
năm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng rãi của
điện và những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông tin.
1.2.2 Các thành phần của nhà thông minh
Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như cảm biến
nhiệt độ, cảm biến ánh sáng hoặc do cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy chủ và các
thiết bị chấp hành khác. Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy chủ có thể
theo dõi các trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định điều khiển các thiết
bị chấp hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo mơi 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 thơng minh có hệ thống sau:
Điều hịa thơng gió (HVAC)
2
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 tịa nhà thơng 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.
3
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 cơng
tắc, thậm chí với căn nhà lớn hàng trăm cơng tắc. Với nhà thơng minh, bạn có thể điều
khiển tất 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 sốt ngơi nhà thơng qua giao diện trực
quan 3D, ở đó các thiết bị được mơ phỏng giống như đang sử dụng thực tế, chỉ cần
chạm vào thiết bị tương ứng trong màn hình để điều khiển. Ví dụ sau giúp bạn hình
dung được phần nào hoạt động của hệ thống: Khi khách đến, bạn chỉ cần chạm vào
“Tiếp khách”, đèn phòng khách bật sáng rực rỡ, rèm kéo lên, điều hòa giảm xuống độ
mát sâu hơn, giảm âm lượng nhạc phát… thông thường để làm được việc này bạn phải
chạy khắp căn phòng và bấm rất nhiều công tắc. Thật tiện nghi khi chỉ cần chạm vào
một nút trên màn hình. Một ví dụ khác khi đi ngủ, thay vì phải kéo rèm, đóng cửa, tắt
điện, mò mẫm đi lên giường, bạn chỉ việc chạm vào “Đi ngủ” trên điện thoại hoặc máy
tính bảng, hệ thống sẽ thực hiện giúp bạn những điều này, đồng thời kích hoạt hệ
thống an ninh, báo động khi phát hiện xâm nhập trái phép.
1.3.2 Điều khiển bằng giọng nói
Khơng chỉ điều khiển trực tiếp trên smartphone, máy tính bảng, bạn có thể điều khiển
nhà mình bằng giọng nói của chính bạn thơng qua một ứng dụng điện thoại hoặc thiết
bị hỗ trợ riêng. Nhà thông minh được trang bị công nghệ trợ lý ảo, giúp giao tiếp với
hệ thống trở nên thân thiện, không cứng nhắc như một hệ thống điều khiển thông
thường.
1.4 Tổng quan về kiến trúc và công nghệ căn hộ nhà thông minh trên thế
giới
1.4.1 Nhà thông minh ở các nước phát triển
Các giải pháp công nghệ nhà thông minh đã được nhiều hãng Lagrand (Pháp), hãng
Comfort (Singapore), hãng Siemens (Đức) có những chi nhánh tồn cầu của mình với
những mẫu nhà đa dạng theo từng yêu cầu của khách hang với các loại công nghệ
thông minh như: X10 compatible, X10 Wireless, Insteon, ZigBee, HomePlug,
Bluetooth …
Giải pháp cơng nghệ X10 (Mỹ), mơ 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 lạ xâm nhập, thiết bị điều khiển điện gia đình, thiết bị kết nối Internet….Với
những trang bị này, chủ nhà có thể kiểm sốt và điều khiển từ xa mọi thiết bị điện,
4
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 điều hịa, đều sẽ có một địa chỉ riêng. Và chỉ cần một chiếc điều khiển từ xa,
chúng ta có thể điều khiển tất cả, dù đang ở bất kỳ vị trí nào trong nhà. Ví dụ, người
điều khiển trên tầng 2, và muốn bật đèn ở cổng dưới tầng 1 để xem ai đang bấm
chuông qua camera. Hoặc ở tầng 1 và phát hiện đèn trên sân thượng vẫn quên chưa tắt.
Hoặc đơn giản hơn, muốn cái đèn chum giữa phòng khách tối đi một nửa để xem phim
cho có khơng 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 thể lập chương trình hoạt động cho từng thiết bị sao
cho phù hợp với tập quan sinh hoạt của gia 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,
đèn phịng bếp sẽ sáng từ lúc 6h20 và bình nước nóng đã sẵng sang lúc 6h25. Tất
nhiên, sau khi ra khỏi nhà ít phút, đèn ở các phịng sẽ tự tắt. Hệ thống X10 sẽ mang sự
tiện nghi, hệ thống tự động hóa nhà ở và cả sự an toàn, tiết kiệm. Khác với một số hệ
thống tự động hóa nhà ở địi hỏi phải có dây dẫn riêng nối tới từng thiết bị phải điều
khiển. X10 sử dụng chính mạng điện hiện có trong nhà để truyền dẫn tín hiệu điều
khiển. Giả sử, muốn điều khiển 2 chiếc đèn trong phịng ngủ, thì chỉ cần lắp 1 module
X10 vào phía sau cơng tắc của 2 chiếc đèn đó. Sau đó, có thể điều khiển cả 2 chiếc đèn
bằng điều khiển từ xa, hoặc vẫn dùng chiếc công tắc cũ.
Hệ thống X10 hồn tồn khơng ảnh hưởng gì tới hệ thống điện đang dùng. Do lợi thế
đó, X10 thích hợp với cả các cơng trình đang sử dụng hay cơng trình chưa hồn thiện,
miễn là số lượng thiết bị cần điều khiển nhỏ hơn 256 (số địa chỉ IP trong một dải địa
chỉ mạng chung, từ 0 đến 255). Có rất nhiều lựa chọn để điều khiển các thiết bị điện
của mình: bằng điều khiển từ xa cầm tay, bằng máy vi tinh, thậm chí có thể dùng điện
thoại để điều khiển mọi thứ ở trong nhà dù đang ở nước ngồi.
Hệ thống tự động hóa nhà ở X10 khơng địi hỏi phải thay đổi cấu trúc đường điện,
cũng không cần thời giant hi công qua lâu nên giá thành rất hợp lý.
1.4.1.2 Căn hộ nhà thông minh ở Châu Âu
Ở Châu Âu, công nghệ trang bị cho nhà với các thiết bị thông minh đang được
phát triển như EIB, Instabus, SCS, phương thức điều khiển nhúng cho giao tiếp số
giữa các 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
5
