BÁO cáo đồ án tốt NGHIỆP đề tài xây DỰNG mô HÌNH NHÀ THÔNG MINH điều KHIỂN BẰNG GIỌNG nói

TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHÀ THÔNG

Lí do chọn đề tài

Hệ thống nhà thông minh ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người, giúp thay thế sức lao động trong việc tự phục vụ Điều này không chỉ giúp con người nhanh chóng tái tạo sức lao động mà còn nâng cao hiệu suất làm việc Ngoài ra, ngôi nhà thông minh còn tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và hạn chế lãng phí.

Nhận diện giọng nói không chỉ chuyển đổi lời nói thành văn bản hay điều khiển máy móc, mà còn mang lại nhiều cơ hội cho người khuyết tật Công nghệ này đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, với các ví dụ tiêu biểu như Siri và Google Assistant.

Mô hình nhà thông minh

1.2.1 Nhà thông minh là gì

Nhà thông minh (tiếng Anh: home automation, domotics, smart home hoặc

Intellihome là một loại nhà thông minh, được trang bị các thiết bị điện và điện tử có khả năng điều khiển tự động hoặc bán tự động, giúp thay thế con người trong việc quản lý và điều khiển Hệ thống này tương tác với người dùng thông qua bảng điều khiển điện tử, ứng dụng di động, máy tính bảng hoặc giao diện web, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quản lý không gian sống.

Trong một căn nhà thông minh, các thiết bị điện tử như đèn, máy lạnh và đồ dùng trong phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều được kết nối với Internet và điện thoại di động Điều này cho phép chủ nhân dễ dàng điều khiển từ xa hoặc lập trình hoạt động theo lịch trình Hơn nữa, các thiết bị này có khả năng giao tiếp và tương tác với nhau, tạo nên một hệ thống nhà thông minh đồng bộ và tiện ích.

Nhà thông minh là một hệ thống tự động hóa giúp kiểm soát ánh sáng, tiết kiệm điện và tạo không gian phù hợp, như điều chỉnh đèn cho bữa tiệc tối Hệ thống này có khả năng điều chỉnh rèm cửa, kiểm soát nhiệt độ, giám sát qua camera, tự động khóa cửa và ngăn ngừa trộm Ngoài ra, nhà thông minh còn tích hợp các ứng dụng sáng tạo như hệ thống giải trí tại gia, điện thoại, liên lạc nội bộ và tưới cây Tất cả các chức năng này được thực hiện thông qua các thiết bị kết nối, cho phép máy tính trung tâm theo dõi và điều khiển các trạng thái một cách hiệu quả.

Nhà thông minh, từng là ý tưởng trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng, đã trở thành hiện thực từ thế kỷ 20 nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của điện và những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ thông tin.

1.2.2 Các thành phần của nhà thông minh

Hệ thống nhà thông minh bao gồm các thành phần chính như cảm biến (nhiệt độ, ánh sáng, cử chỉ), bộ điều khiển và máy chủ, cùng với các thiết bị chấp hành Các cảm biến giúp theo dõi trạng thái trong nhà, cho phép bộ điều khiển và máy chủ đưa ra quyết định điều chỉnh thiết bị chấp hành, nhằm tạo ra môi trường sống tối ưu cho con người.

Hình 1 1: Các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thông minh [3]

Về cơ bản các nhà thông minh có hệ thống sau:

 Điều hòa thông gió (HVAC)

 Quản lý điện năng/năng lượng (Electrical/Energy Management)

 Hệ nan che nắng tự động quay theo hướng nắng nhờ các bộ phận cảm ứng (áp dụng ở những tòa nhà thông minh)

 Hệ thống báo/Chữa cháy (Fire-Fighting System)

 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.

Hai chức năng cơ bản của nhà thông minh

Với hệ thống nhà thông minh, bạn có thể điều khiển tất cả thiết bị trong nhà chỉ bằng một vài nút bấm trên smartphone hoặc máy tính bảng, thay vì hàng chục hoặc hàng trăm công tắc như trước đây Giao diện trực quan 3D cho phép bạn mô phỏng các thiết bị như trong thực tế, giúp việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn; chỉ cần chạm vào thiết bị tương ứng trên màn hình để thực hiện các chức năng Ví dụ, khi có khách đến, bạn chỉ cần chạm vào màn hình để mở cửa.

Việc tiếp khách trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết với hệ thống điều khiển thông minh, chỉ cần chạm vào một nút trên màn hình để bật đèn, kéo rèm và điều chỉnh nhiệt độ phòng Khi đi ngủ, bạn chỉ cần nhấn "Đi ngủ" trên điện thoại hoặc máy tính bảng, hệ thống sẽ tự động thực hiện các thao tác như kéo rèm, tắt đèn và kích hoạt hệ thống an ninh, giúp bạn an tâm hơn.

1.3.2 Điều khiển bằng giọng nói

Nhà thông minh cho phép bạn điều khiển các thiết bị không chỉ qua smartphone hay máy tính bảng, mà còn bằng giọng nói của chính bạn nhờ vào ứng dụng di động hoặc thiết bị hỗ trợ Với công nghệ trợ lý ảo, việc giao tiếp với hệ thống trở nên thân thiện và linh hoạt hơn, khác hẳn với các phương pháp điều khiển truyền thống.

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 từ các hãng nổi tiếng như Lagrand (Pháp), Comfort (Singapore) và Siemens (Đức) đã được triển khai toàn cầu, cung cấp nhiều mẫu nhà đa dạng đáp ứng nhu cầu của khách hàng Những công nghệ thông minh này bao gồm X10 compatible, X10 Wireless, Insteon, ZigBee, HomePlug và Bluetooth, mang lại sự tiện ích và hiện đại cho cuộc sống.

Giải pháp công nghệ X10 từ Mỹ cho phép người dùng dễ dàng điều khiển 9 loại thiết bị khác nhau, bao gồm bộ điều khiển trung tâm, thiết bị báo động cửa và két sắt, thiết bị nhận diện người lạ, thiết bị điều khiển điện gia đình, và thiết bị kết nối Internet Với những tính năng này, chủ nhà có thể kiểm soát và điều khiển từ xa tất cả các thiết bị điện và điện tử trong gia đình, giúp nâng cao hiệu quả sinh hoạt và bảo vệ an toàn cho gia đình thông qua Internet và 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

Hệ thống X10, ra đời vào năm 1970, hiện là công nghệ nhà thông minh phổ biến nhất trên thế giới Sau khi lắp đặt, mỗi thiết bị điện trong nhà như đèn, quạt hay máy điều hòa sẽ có địa chỉ riêng, cho phép điều khiển từ xa mọi lúc, mọi nơi Ví dụ, người dùng có thể bật đèn ở cổng từ tầng 2 để kiểm tra ai đang bấm chuông, hoặc tắt đèn trên sân thượng từ tầng 1 Hệ thống cũng cho phép điều chỉnh ánh sáng trong phòng khách để tạo không khí khi xem phim Ngoài ra, người dùng có thể lập trình hoạt động cho từng thiết bị theo thói quen sinh hoạt của gia đình, như dậy lúc 6h30, ăn sáng lúc 7h và đi làm lúc 7h30.

Hệ thống X10 cho phép lập trình tự động hóa trong nhà, như đèn phòng sáng dần từ 6h15, đèn bếp từ 6h20 và bình nước nóng lúc 6h25, đồng thời tự động tắt sau khi ra khỏi nhà X10 mang lại sự tiện nghi và an toàn, tiết kiệm năng lượng mà không cần dây dẫn riêng cho từng thiết bị, vì nó sử dụng mạng điện hiện có trong nhà để truyền tín hiệu Để điều khiển hai chiếc đèn trong phòng ngủ, chỉ cần lắp một module X10 vào công tắc của chúng, cho phép điều khiển bằng điều khiển từ xa hoặc công tắc cũ.

Hệ thống X10 không ảnh hưởng đến hệ thống điện hiện có, làm cho nó phù hợp với cả công trình đang sử dụng và công trình chưa hoàn thiện, miễn là số lượng thiết bị cần điều khiển không vượt quá 256 Người dùng có nhiều lựa chọn để điều khiển thiết bị điện, bao gồm điều khiển từ xa, máy vi tính và điện thoại, cho phép quản lý mọi thứ trong nhà ngay cả khi đang ở nước ngoài.

Hệ thống tự động hóa nhà ở X10 mang lại sự tiện lợi mà không cần thay đổi cấu trúc đường điện, giúp tiết kiệm thời gian thi công và chi phí 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 trung cho tất cả các thiết bị được điều khiển Hệ thống SCS cũng là một hệ thống có cấu trúc gần giống với hệ thống Instabus, các thiết bị điều khiển và các thiết bị chấp hành có thể được nối theo kiểu vòng, sao, trên một đường bus 2 dây nhưng vẫn đảm bảo được việc truyền dữ liệu, và tăng khả năng mềm dẻo khi thi công, mở rộng mạng và tiết kiệm được đường dây cho chủ đầu tư Một trong các hệ thống tiêu biểu cho hệ SCS là hệ thống của Bticino, với hệ thống này toàn bộ các hệ thống Home Automation, Camera doorphone, Sound system, Security, được đi trên một đôi bus. Đây là một hệ thống có độ thích hợp công nghệ cao, có nhiều sản phẩm cho mọi ứng dụng của một ngôi nhà thông minh trên một hệ thống Đây là một hệ thống đang được sử dụng rất nhiều trên thế giới vì ngoài khả năng công nghệ nêu trên chúng còn được thiết kế rất đẹp trên nhiều loại chất liệu đáp ứng được yêu cầu của khách hàng.

Fibaro là một thương hiệu nổi tiếng toàn cầu đến từ Ba Lan, chuyên cung cấp giải pháp nhà thông minh Thương hiệu này sử dụng công nghệ sóng không dây Z-wave, một tiêu chuẩn phổ biến trên thế giới Fibaro cung cấp đầy đủ các sản phẩm cần thiết để tạo nên một ngôi nhà thông minh hoàn chỉnh.

 Hệ thống chiếu sáng: Điều khiển bật tắt đèn, điều chỉnh độ sáng tối, điều khiển màu đèn led.

 Hệ thống an ninh: Báo động khi có mở cửa, có di chuyển, báo gas, báo khói, báo nước tràn.

Hệ thống điều khiển rèm tự động, chuông cửa và tưới tự động của Fibaro không chỉ được thiết kế đẹp mắt và sang trọng mà còn mang lại chất lượng và độ ổn định cao Là dòng sản phẩm cao cấp trong lĩnh vực nhà thông minh, Fibaro cung cấp giải pháp hàng đầu thế giới, giúp nâng cao sự thoải mái cho người sử dụng.

 Kết hợp được với các hang khác theo chuẩn Zwave nên hệ sinh thái sản phẩm rất phong phú.

 Sử dụng công nghệ không dây Zwave nên việc lắp đặt dễ dàng và nhanh chóng.

 Các thiết bị được nhập khẩu từ châu Âu, có thiết kế tinh xảo và sang trọng…

 Chưa có sản phẩm mặt nạ cảm ứng.

1.4.1.3 Căn hộ nhà thông minh ở một số nước Châu Á

Hệ thống ABB i-bus lắp đặt cho tòa nhà thông minh đã giúp nhiều công trình lớn tại Singapore giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng Nhờ vào hiệu suất năng lượng vượt trội và tác động môi trường thấp, hệ thống này đã nhận được nhiều giải thưởng trong ngành.

Hệ thống ABB i-bus là giải pháp lắp đặt tòa nhà phổ biến nhất tại Singapore, với nền tảng ứng dụng rộng rãi Hệ thống này được sử dụng trong nhiều loại hình công trình, từ văn phòng, nhà máy, khách sạn, nhà nghỉ, đến trường đại học, căn hộ, biệt thự và nhà gỗ một tầng.

Các tòa nhà giành giải thưởng bao gồm trụ sở Xilinx tại Châu Á Thái Bình Dương, một trong những nhà cung cấp giải pháp logic lập trình số hàng đầu thế giới, trụ sở Applied Materials Inc ở Đông Nam Á, nhà cung cấp thiết bị sản xuất tấm đệm cho ngành công nghệ bán dẫn lớn nhất thế giới, và tòa nhà Thư viện quốc gia Singapore.

Cảm biến ánh sáng tự động của ABB i-bus nổi bật với khả năng tắt đèn trong phòng và các khu vực khác khi không có hoạt động trong một khoảng thời gian Ngoài ra, cảm biến siêu ánh sáng có thể điều chỉnh độ sáng của đèn dựa trên lượng ánh sáng tự nhiên trong tòa nhà, mang lại sự tiện lợi và tiết kiệm năng lượng.

Giải pháp của ABB được tối ưu hóa để hoạt động tự động, giảm thiểu sự can thiệp của con người Nhân viên bảo trì có thể dễ dàng giám sát, điều khiển và sửa chữa toàn bộ hệ thống từ một vị trí trung tâm Hệ thống cảm biến và phần mềm thông minh giúp dự đoán thời điểm cần thay thế hàng nghìn bóng đèn trong tòa nhà, nâng cao hiệu quả và tiết kiệm thời gian.

Hệ thống ABB i-bus tuân thủ tiêu chuẩn quốc tế KNX cho việc điều khiển các tòa nhà thông minh, tích hợp nhiều ứng dụng trong một nền tảng duy nhất Nó bao gồm điều khiển chiếu sáng, kiểm soát ánh sáng tự nhiên, quản lý nhiệt độ, thông gió, điều hòa không khí, an ninh, giám sát và quản lý năng lượng hiệu quả.

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

1.4.2.1 Nhà thông minh phát triển bởi công ty BKAV

 Hệ thống ánh sáng thông minh:

 Hệ thống ánh sáng nhiều khu vực tự động bật tắt khi có hoặc không có người.

 Tự động điều chỉnh cường độ sáng theo yêu cầu, thời gian và theo ngữ cảnh.

 Hệ thống có khả năng học thói quen của gia chủ, tự động tắt khi không có người.

 Hệ thống điều khiển rèm mành:

 Hệ thống rèm mành được việc điều khiển từ xa.

 Đóng mở theo các kịch bản đặt trước.

 Hệ thống hoạt động theo thói quen của người dung và nhu cầu ánh sáng theo mùa.

 Hệ thống an ninh thông minh:

Mục tiêu phát triển đề tài

Trong lĩnh vực nhà thông minh, các kỹ sư đang nỗ lực phát triển nhiều tiện ích mới và tối ưu hóa quy trình lắp đặt Sự ra đời của công nghệ mới giúp ngôi nhà trở nên hiện đại với nhiều thiết bị công nghệ cao Tuy nhiên, việc tích hợp các giải pháp công nghệ chưa luôn đồng bộ và hiệu quả Do đó, bài viết này tập trung vào việc xây dựng một hệ thống nhà thông minh hoàn chỉnh với các kịch bản cụ thể và có cơ sở khoa học.

Hiện nay, hầu hết các nhà cung cấp nhà thông minh tại Việt Nam chỉ cho phép điều khiển thiết bị bằng tay, trong khi việc sử dụng bản điều khiển bằng tiếng Anh vẫn chưa thật sự thuận tiện cho người dùng Người tiêu dùng cần những sản phẩm được thiết kế riêng cho người Việt, cho phép điều khiển bằng giọng nói tiếng Việt Lumi là công ty tiên phong tại Việt Nam trong việc tích hợp trợ lý ảo Alexa và cho phép điều khiển ngôi nhà bằng tiếng Việt Tuy nhiên, tính năng điều khiển bằng giọng nói hiện chỉ hoạt động trong phạm vi hẹp của ngôi nhà.

Vì thế, mục tiêu của đề tài của em hướng tới như sau:

 Khả năng thu thập dữ liệu, giám sát các thay đổi về thông số của môi trường

 Cho phép hiển thị trực quan một cách trực tiếp.

 Khả năng bảo vệ ngôi nhà khi gặp các sự cố như cháy, rò rỉ khí gas, …

 Khả năng điều khiển bằng giọng nói qua smartphone với phạm vi rộng hơn, có thể điều khiển từ vị trí xa ngôi nhà.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hệ sinh thái Internet of Things - IoT

2.1.1 Khái niệm Internet of Things

Internet of Things (IoT) đề cập đến các đối tượng có khả năng nhận diện và tồn tại trong một hệ thống kết nối tổng thể, thường được gọi là mạng lưới vạn vật kết nối internet hay đơn giản là "Things".

IoT, hay Internet of Things, là công nghệ cho phép các thiết bị được trang bị cảm biến để ghi lại thông số và giao tiếp với nhau một cách dễ dàng Điểm mạnh lớn nhất của IoT là khả năng hoạt động tự động, thông minh và kết nối mọi lúc, mọi nơi.

Cụm từ Internet of Things (IoT) được Kevin Ashton giới thiệu vào năm 1999, ban đầu không mang ý nghĩa tự động và thông minh Sau này, IoT được kết hợp với khái niệm điều khiển tự động, cho phép thiết bị "quan sát" và phản hồi với môi trường mà không cần kết nối mạng Việc tích hợp trí thông minh vào IoT giúp các thiết bị và phần mềm thu thập, phân tích dữ liệu từ con người trong quá trình tương tác Xu hướng tương lai cho thấy con người có thể giao tiếp với máy móc qua mạng internet không dây mà không cần trung gian.

IoT mang đến sự thông minh và tự động hóa cho mọi thứ, hoạt động mọi lúc và mọi nơi Để đạt được điều này, IoT không chỉ dựa vào giao tiếp M2M mà còn sử dụng các cảm biến như "đôi mắt" và "đôi tai" của con người, ghi nhận liên tục dữ liệu từ môi trường xung quanh Sự kết nối giữa máy móc và cảm biến, cùng với dữ liệu điện toán đám mây, là yếu tố then chốt giúp IoT phân tích, xử lý và ứng dụng thông tin mà các cảm biến thu thập.

2.1.2 Kiến trúc Internet of Things

The architecture of the Internet of Things (IoT) fundamentally consists of four key components: devices (Things), connection gateways, network infrastructure and cloud computing, and the layers for service creation and delivery.

Ngày nay, có hàng tỷ vật dụng trên thị trường gia dụng và công nghệ, từ xe hơi đến thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động Những thiết bị này được kết nối trực tiếp qua mạng không dây và truy cập Internet Giải pháp IoT cho phép các thiết bị thông minh được quản lý và kết nối dữ liệu cục bộ, trong khi các thiết bị chưa thông minh có thể kết nối thông qua các trạm kết nối.

Trạm kết nối (Gateways) là giải pháp quan trọng giúp khắc phục rào cản trong triển khai IoT, khi khoảng 85% vật dụng hiện tại không được thiết kế để kết nối Internet và chia sẻ dữ liệu với điện toán đám mây Các trạm kết nối hoạt động như một trung gian, cho phép các thiết bị này kết nối an toàn và dễ dàng quản lý với điện toán đám mây.

Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud):

Cơ sở hạ tầng kết nối internet là một hệ thống toàn cầu gồm nhiều mạng IP liên kết với nhau và với các máy tính Hệ thống này bao gồm các thiết bị như định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, và thiết bị lặp, giúp kiểm soát lưu lượng dữ liệu Ngoài ra, nó còn kết nối với mạng lưới viễn thông và cáp do các nhà cung cấp dịch vụ triển khai.

Các trung tâm dữ liệu và hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối, tạo nên nền tảng vững chắc cho việc lưu trữ và xử lý dữ liệu hiệu quả.

Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers):

Intel has integrated leading API management software, Mashery and Aepona, to accelerate the market launch of IoT products and solutions while maximizing the value derived from analyzing existing system and asset data.

2.1.3 Đặc tính cơ bản của Internet of Things

Tính kết nối liên thông (interconnectivity) trong IoT cho phép mọi thứ kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể, tạo ra một hệ sinh thái thông minh và tích hợp.

Hệ thống IoT cung cấp các dịch vụ liên quan đến "Things", bao gồm bảo vệ sự riêng tư và đảm bảo tính nhất quán giữa các đối tượng vật lý và ảo Để thực hiện được điều này, cần có sự thay đổi đồng bộ giữa công nghệ phần cứng và phần mềm thông tin.

Trong Internet vạn vật (IoT), tính không đồng nhất là một đặc điểm nổi bật, khi các thiết bị sở hữu phần cứng và mạng khác nhau Sự tương tác giữa các thiết bị trên các mạng khác nhau được thực hiện thông qua việc kết nối giữa các mạng này.

Các thiết bị tự động có khả năng thay đổi linh hoạt trạng thái, như chuyển đổi giữa chế độ ngủ và thức, kết nối hoặc ngắt kết nối, thay đổi vị trí và tốc độ Ngoài ra, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi cũng đang gia tăng.

Quy mô lớn của hệ thống IoT sẽ cho phép hàng triệu thiết bị giao tiếp và quản lý lẫn nhau, vượt xa số lượng máy tính kết nối Internet hiện tại Lượng thông tin được truyền tải giữa các thiết bị này sẽ lớn hơn nhiều so với dữ liệu do con người truyền đạt.

2.1.4 Ứng dụng của Internet of Things

IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thứ như sau:

 Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị.

 Phản hồi trong các tình huống khẩn cấp.

 Quản lý các thiết bị cá nhân.

 Đồng hồ đo thông minh.

 Tự động hóa ngôi nhà.

Lý thuyết điều khiển bằng giọng nói

2.2.1 Khái niệm âm thanh Âm thanh được phát ra từ sự rung động của các vật thể trong không khí, sóng âm lan truyền do sự dao động của không khí, năng lượng sóng âm cũng bị hấp thu và phản xạ trên các vật cản và dĩ nhiên sóng cũng đi vòng qua các vật cản nhỏ (hiện tượng nhiễu xạ) và bị làm lệch đi khi vận tốc truyền âm qua các môi trường bị thay đổi Ví dụ: môi trường không khí, môi trường nước (hiện tượng khúc xạ) …Đặc tính vật lý của âm là: tần số, chu kỳ và biên độ.

Trước tiên chúng ta đi vào một số khái niệm cơ bản:

 Tần số: số dao động trong thời gian một giây.

 Chu kỳ: thời gian hoàn thành một dao động

Áp lực âm học là hiện tượng xảy ra khi các dao động của vật thể theo hướng dịch chuyển gây ra tác động nén hoặc giãn lên một vật thể khác, có thể là vật thể dùng để đo Đơn vị đo áp lực âm học là Pascal (Pa), tương đương với N/m².

 Biên độ: giá trị cực đại của áp lực âm học

Cường độ âm thanh là công suất tác dụng lên bề mặt 1 cm², tỷ lệ với bình phương áp lực âm học Đơn vị đo cường độ âm thanh là W/cm².

 Bước sóng là đoạn đường truyền sóng đi được trong một chu kỳ

Tần số riêng là tần số mà một vật phát ra khi bị kích thích, tạo ra sóng âm rõ nhất khi ta chạm vào nó Tần số này phụ thuộc vào kích thước hình học và bản chất của vật thể.

Tần số cộng hưởng là hiện tượng dao động với biên độ lớn nhất của một vật thể, khi đó các dao động tích lũy năng lượng hiệu quả nhất Sự kích thích tại tần số này giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình dao động.

2.2.2 Các hiệu ứng âm thanh Âm thanh được cảm nhận qua tai và được phân tích hình dạng của thần kinh thị giác. Bản chất của các âm thanh là các dao động vật chất, nó chịu nhiều ảnh hưởng của nhiều yêu tố khách quan và chủ quan Đặc tính cảm thụ của ta với các tác động của nguồn âm như sau:

Âm thanh được tạo ra từ các chấn động của không khí, gây ra sự nén và dãn trên màng nhĩ Sự rung động của màng nhĩ sau đó được truyền đến đại não qua thần kinh thính giác Các trung khu thần kinh nghe sẽ giải mã thông tin và tạo ra cảm giác nhận dạng, giúp chúng ta hiểu nội dung của âm thanh vừa kích thích màng nhĩ.

Tai người có khả năng cảm nhận âm thanh với tần số từ 20Hz đến 20kHz Âm thanh có tần số thấp hơn 20Hz nằm trong dải ngoại âm và không thể nghe thấy, trong khi âm thanh trên 20kHz được gọi là siêu âm Giọng nói của con người thường nằm trong khoảng tần số từ 80Hz đến 1,2kHz, tương ứng với khoảng 4 bát độ Độ nhạy của tai tốt giúp người nghe nhận diện âm thanh rõ ràng hơn.

Theo nghiên cứu, tai người chỉ có thể nhận biết sự khác biệt rõ ràng giữa các mức âm thanh khi chênh lệch từ 3 dB trở lên, trong khi sự khác biệt nhỏ hơn 1 dB thường không được phân biệt Trong môi trường yên tĩnh, áp lực âm thanh của các nguồn được đo lường cụ thể.

 0dB: ngưỡng nghe thấu được im lặng thuyết đối

 10dB: lá cây xào xạc

 20dB: quả lắc, tiếng thì thầm

 40dB: trò chuyện bình thường

 60dB: tiếng xe cộ lưu thông ít

 90dB: tiếng còi xe lửa

 120dB: động cơ máy bay

 140dB: còi xe cứu hỏa, tiếng pháo cối

2.2.3 Khái niệm nhận diện giọng nói

Hình 2 2: Sơ đồ tổng quát của nhận diện giọng nói

Nhận dạng giọng nói là một hệ thống có khả năng hiểu và thực hiện các lệnh từ giọng nói con người, bao gồm hai thuật ngữ chính: Voice recognition và Speech recognition.

 Voice recognition liên quan đến việc xác định một giọng nói chính xác của một cá nhân nào đó, tương tự các phương pháp nhận diện sinh trắc học.

 Speech recognition là việc xác định những từ ngữ trong câu nói rồi dịch chúng sang ngôn ngữ máy tính.

2.2.4 Cách chuyển đổi giọng nói Để chuyển giọng nói sang văn bản hoặc câu lệnh máy tính, hệ thống phải thực hiện một quá trình gồm nhiều bước phức tạp Khi nói, bạn sẽ tạo ra những rung động trong không khí Bộ chuyển đổi analog sang digital (ADC) chuyển các sóng tương tự(analog) này thành dữ liệu số (digital data) mà máy tính có thể hiểu được.

Hiện nay, các bộ chuyển đổi âm thanh tiêu chuẩn như microphone và loa phóng thanh đều là thiết bị tương tự Do đó, tín hiệu điện liên tục theo thời gian cần được chuyển đổi thành định dạng số để phục vụ cho việc xử lý tín hiệu số (DSP: Digital Signal Processor).

Công nghệ xử lý tín hiệu sử dụng nguyên lý kỹ thuật PCM (Pulse Code Modulation) chuyển đổi tín hiệu analog thành dãy xung Trong kỹ thuật này, các giá trị biên độ của từng xung được mã hóa dưới dạng nhị phân Quá trình chuyển đổi này được thực hiện theo một sơ đồ khối cụ thể.

Hình 2 3: Sơ đồ khối của xử lí tín hiệu 2.2.4.2 Điều chế xung biên

Kỹ thuật điều chế xung mã PCM bắt đầu bằng phương pháp điều chế xung biên PAM, giúp chuyển đổi tín hiệu âm tần liên tục về thời gian và giá trị thành một dãy các xung rời rạc Mỗi xung PAM có một giá trị biên độ nhất định, và quá trình này là cần thiết vì bộ biến đổi A/D chỉ có thể chuyển đổi từng giá trị biên độ riêng lẻ Sau khi một giá trị được chuyển đổi, biên độ này mới có thể tiếp tục chuyển đổi sang một biên độ khác, tạo ra dãy xung PAM rời rạc từ tín hiệu analog.

Hình 2 4: Quá trình biến đổi tín hiệu

Các xung PAM rời rạc được tạo ra từ mạch lấy mẫu và giữ với tốc độ cực nhanh, trong đó tín hiệu analog đầu vào liên tục được chia thành các mẫu rời rạc Giá trị biên độ của các mẫu này được lưu trữ trong một tụ giữ cho đến khi có giá trị mẫu tiếp theo.

Cơ sở dữ liệu và máy chủ

Cơ sở dữ liệu là tập hợp thông tin có cấu trúc, được hiểu trong công nghệ thông tin là liên kết các dữ liệu lớn lưu trữ trên thiết bị như đĩa hoặc băng Dữ liệu này được quản lý trong hệ điều hành, hệ quản trị cơ sở dữ liệu hoặc máy chủ Trong mô hình IoT, cơ sở dữ liệu đóng vai trò quan trọng vì mỗi vật kết nối đều cần có định danh và thông tin riêng Những ưu điểm của cơ sở dữ liệu bao gồm khả năng tổ chức và truy xuất thông tin hiệu quả.

 Giảm sự trùng lặp thông tin xuống mức thấp nhất

 Đảm bảo dữ liệu có thể truy xuất theo nhiều cách khác nhau (nhiều người có thể sử dụng chung một cơ sở dữ liệu)

Những vấn đề mà cơ sở dữ liệu cần phải giải quyết:

 Tính chủ quyền của dữ liệu

 Tính bảo mật và quyền khai thác thông tin của người sử dụng

 Đảm bảo an toàn dữ liệu khi có sự cố

Máy chủ, hay còn gọi là server, là hệ thống bao gồm phần mềm và phần cứng máy tính, phục vụ cho việc cung cấp hoặc hỗ trợ dịch vụ trên mạng Máy chủ có thể hoạt động trên một máy tính chuyên dụng, thường được gọi là "máy chủ", hoặc trên nhiều máy tính được kết nối mạng Trong nhiều trường hợp, một máy tính có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau, cho phép hoạt động đa dạng và linh hoạt.

Hình 2 5: Hệ thống máy chủ của Google

Máy chủ hoạt động theo mô hình client-server, trong đó máy chủ là các chương trình máy tính phục vụ yêu cầu từ các khách hàng Các khách hàng kết nối với máy chủ qua mạng, mặc dù cũng có thể chạy trên cùng một máy tính Trong hạ tầng mạng Internet Protocol (IP), máy chủ hoạt động như một giao thức nghe (socket listener).

Máy chủ cung cấp các dịch vụ thiết yếu qua mạng cho người dùng cá nhân trong tổ chức lớn hoặc qua Internet Các loại máy chủ phổ biến bao gồm máy chủ cơ sở dữ liệu, máy chủ tập tin, máy chủ mail, máy chủ in, máy chủ web, máy chủ game và máy chủ ứng dụng.

Nhiều hệ thống hiện nay, như trang web và dịch vụ email, sử dụng mô hình client/server Một mô hình thay thế là mạng peer-to-peer, cho phép tất cả các máy tính hoạt động linh hoạt như cả client và server khi cần thiết.

Thành phần truyền thông trong thiết bị thông minh

Để kết nối các thiết bị trong nhà với nhau và với server, cần có các thành phần hỗ trợ truyền thông Dưới đây là một số thiết bị hỗ trợ truyền thông cho các thiết bị.

Chip BC417 (BlueCore TM) là một thành phần quan trọng trong các module Bluetooth, hỗ trợ giao thức truyền thông Bluetooth 2.4GHz và giao tiếp với bộ nhớ Flash ngoài 8Mbit Khi kết hợp với ngăn xếp phần mềm Bluetooth CSR, BC417 cung cấp một hệ thống Bluetooth hoàn toàn tuân thủ tiêu chuẩn v2.0, phục vụ cho truyền thông dữ liệu và giọng nói.

Hình 2 6: Kiến trúc hệ thống của BC417

Module Bluetooth HC05 được phát triển dựa trên chip BC417, mang lại tính năng tích hợp đầy đủ và dễ sử dụng cho người dùng.

Module hỗ trợ mạch điện tử và thiết bị truyền thông Bluetooth, được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị Smarthome Công ty TNHH thiết bị và công nghệ Minh Hà đã áp dụng công nghệ này cho các sản phẩm thông minh mà họ sản xuất.

Wifi SoC (System on Chip) là một giải pháp kết nối thiết bị với internet thông qua WiFi, sử dụng ngăn xếp TCP/IP và bộ vi điều khiển 32 bit công suất thấp, được sản xuất bởi công ty Espressif có trụ sở tại Thượng Hải, Trung Quốc Trong bối cảnh IoT (Internet of Things) đang phát triển mạnh mẽ, các SoC Wifi như ESP8266 và ESP32 trở thành những lựa chọn phổ biến và tiết kiệm chi phí cho việc kết nối.

Hình 2 8: Sơ đồ khối của một SoC Wifi ESP

Các sản phầm dựa trên SoC Wifi của Espressif đó là: Kit ESP8266 NodeMCU V12E,Kit ESP8266 Luna, Kit ESP32 V1,…

Kết luận

Chương này đã giới thiệu các khái niệm cơ bản về hệ thống IoT và mô hình nhà thông minh, đồng thời đề xuất một số giải pháp nhằm xây dựng mô hình smarthome đáp ứng đầy đủ yêu cầu về chức năng, phi chức năng và trải nghiệm người dùng.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Tổng quan hệ thống

Hệ thống là một mô hình nhà thông minh có các yêu cầu chức năng như sau:

Mô hình này tích hợp các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí, khí gas và mực chất lỏng, cho phép theo dõi các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas, nồng độ khí độc hại và chiều cao mực nước.

 Các thiết bị như quạt, đèn, tivi (được tượng trưng bởi led đơn cho phù hợp với mô hình) có thể điều khiển bật tắt.

Ứng dụng này hoạt động trên nền tảng hệ điều hành Android, cho phép người dùng theo dõi các thông số cảm biến và điều khiển trạng thái thiết bị bằng giọng nói tiếng Việt Người dùng cũng có thể điều khiển thiết bị một cách thủ công mọi lúc, mọi nơi, miễn là có kết nối Internet Mô hình ứng dụng còn cần đáp ứng các yêu cầu phi chức năng nhất định.

Mô hình này bao gồm đầy đủ các phòng chức năng của một ngôi nhà truyền thống tại Việt Nam, bao gồm phòng khách, phòng ngủ, nhà vệ sinh, nhà bếp và sân thượng.

 Cảm biến, led hoạt động tốt trong môi trường điều kiện nhiệt độ tại Việt Nam.

 Mô hình có tính kế thừa và phát triển.

Dựa vào yêu cầu chức năng và phi chức năng, phương án tối ưu được lựa chọn để xây dựng mô hình là:

Mô hình sẽ được lắp ghép từ mica nhựa trong, vì loại vật liệu này đảm bảo độ cứng cáp, nhẹ và bền Để cắt mica, chỉ cần sử dụng máy cắt CNC hoặc larse.

Bộ xử lý trung tâm ESP32 WROOM 32S hỗ trợ nhập xuất tín hiệu số và logic, cho phép giao tiếp với nhiều cảm biến và tích hợp giao thức truyền thông Wifi Kết hợp với ESP8266, ESP32 trở thành công cụ lý tưởng cho các dự án IoT.

Cảm biến tích hợp với module và các điện trở giúp kết nối phần cứng dễ dàng hơn Cảm biến DHT22 được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm trong phòng ngủ, trong khi cảm biến MQ135 đo nồng độ khí độc hại trong không khí tại phòng khách Cảm biến MQ2 được áp dụng để đo nồng độ khí gas trong nhà bếp, và cảm biến mực chất lỏng Water Sensor giúp xác định chiều cao mực chất lỏng, từ đó đánh giá tình trạng rò rỉ nước trong các bể nước mô hình trên sân thượng.

 App điều khiển sử dụng ai2 – Appmit Inventer để lập trình chức năng (Backend) và thiết kế giao diện (Fontend).

 Giao thức truyền thông lựa chọn là Wifi cho phần cứng và Wifi, 4G, cho phần mềm Giao thức đóng gói dữ liệu được lựa chọn là NodeJS.

Sơ đồ khối của hệ thống:

Hình 3 1: Sơ đồ khối hệ thống

Xây dựng mô hình

Sau khi hoàn thiện sơ đồ khối hệ thống, bước tiếp theo là phát triển mô hình ngôi nhà thông minh Điều này bao gồm việc thiết kế sơ đồ khối chức năng và chi tiết hóa từng khối chức năng một cách cụ thể.

3.2.1 Sơ đồ khối chức năng

Mô hình bao gồm bốn khối chức năng chính, đó là:

Khối nguồn cung cấp điện một chiều cho bộ xử lý trung tâm, cảm biến và thiết bị với các điện áp khác nhau: 3.3V DC cho ESP32, 5V DC cho cảm biến và 12V DC cho quạt.

Khối xử lý trung tâm sử dụng Kit ESP32 WROOM 32S, có chức năng nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến, gửi dữ liệu lên cơ sở dữ liệu trên server, nhận tín hiệu điều khiển và điều khiển thiết bị, đồng thời gửi tín hiệu đến thiết bị hiển thị.

Khối cảm biến là một module quan trọng, có khả năng đo lường các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi, khí gas và mực nước.

 Khối thiết bị: Thiết bị được điều khiển và thiết bị hiển thị.

Hình 3 2: Sơ đồ khối chức năng của mô hình 3.2.2 Thiết kế chi tiết từng khối chức năng

Hình 3 3: Sơ đồ nguyên lí khối nguồn

Khối nguồn sử dụng điện áp một chiều từ nguồn ngoài như adapter hoặc pin laptop, sau đó chuyển đổi qua IC LM7805 để hạ điện áp xuống 5V Hệ thống có hai ngõ ra: một ngõ cung cấp điện áp 5V DC cho kit ESP32 và LCD, trong khi ngõ còn lại cấp 5V DC cho cảm biến Để đảm bảo ổn định nguồn điện, đặc biệt khi sử dụng nhiều tải, một ngõ vào được sử dụng để cung cấp điện áp 12V DC cho quạt.

IC ổn áp LM7805 là một linh kiện cung cấp điện áp ổn định 5V, ngay cả khi điện áp đầu vào biến đổi liên tục Đây là một loại IC điều chế điện áp DC dương, với điện áp đầu ra cao hơn điện áp nối GND LM7805 có thiết kế ba chân, phù hợp cho nhiều ứng dụng điện tử.

 Chân input: Được đánh số trong sơ đồ nguyên lí là chân số 1 Có chức năng nhận điện áp vào.

 Chân nối mass (GND): Là chân số 2 trong so đồ nguyên lí Chức năng là nối mass chung (hay còn gọi là bắt điểm 0).

 Chân Ouput: Được đánh số là chân số 3 trong sơ đồ nguyên lí Chức năng là đưa ra điện áp 5V DC ổn định.

Hình 3 4: IC ổn áp LM7805 với hai loại: chân cắm và chân dán

Thiết kế khối nguồn sử dụng Jack DC để kết nối với Adapter 12V, với các header 2P XH2 cung cấp nguồn cho quạt Điện áp từ Adapter được điều khiển qua một Switch để dễ dàng bật/tắt nguồn Một LED đơn được sử dụng làm đèn báo nguồn Hai IC ổn áp 7805 không chỉ chia ngõ ra cho điện áp 5V mà còn giảm tải công suất tiêu hao, giúp tăng độ bền cho IC Áp ra được lọc qua tụ không phân cực và tụ phân cực nhằm loại bỏ thành phần xoay chiều không ổn định gây nhiễu tín hiệu, mặc dù thành phần xoay chiều này rất nhỏ.

Hình 3 5: Header 2P XH2 và nút nhấn 6 chân 8x8mm (switch)

Hình 3 6: Jack DC và Adapter 3.2.2.2 Khối xử lí trung tâm

Khối xử lý trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến, kết nối với wifi và server, đồng thời gửi dữ liệu cảm biến về server Ngoài ra, nó còn nhận tín hiệu điều khiển và thực hiện việc điều khiển thiết bị Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm minh họa rõ ràng các chức năng này.

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

Kit ESP32 Wroom 32S – DEVKIT v1 là một bo mạch được phát triển bởi DOIT, sử dụng module ESP-WROOM-32 làm trung tâm điều khiển Bo mạch này dựa trên nền tảng ESP32, hỗ trợ kết nối Wifi và Bluetooth, cùng với các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng.

Hình 3 8: Datasheet của kit ESP-WROOM-32

 Trong ESP32 có tất cả 34 chân GPIO o GPIO 00 – GPIO 19 o GPIO 21 – GPIO 23 o GPIO 25 – GPIO 27 o GPIO 32 – GPIO 39

Khi thiết lập chức năng cho Kit ESP32 cần lưu ý:

 Các chân GPIO không bao gồm các chân 20, 24, 28, 29, 30 và 31.

 Các chân GPIO 34 đến GPIO 39 chỉ thiết lập ở chế độ Input (Sử dụng nhận tín hiệu điều khiển nút bấm, tín hiệu cảm biến).

 Các chân GPIO 06 – GPIO 11 thường được dùng để giao tiếp với thẻ nhớ ngoài thông qua giao thức SPI nên hạn chế sử dụng để thiết lập GPIO

Thông số kĩ thuật của Kit ESP32:

 Kích thước nhỏ gọn: 18 mm x 20mm x 3 mm.

 CPU: Xtensa Dual – Core 32 bit với tần số hoạt động lên tới 240 MHz.

The internal memory of the chip includes 448 Kbytes of ROM for booting and core functionalities, along with 520 Kbytes of SRAM for instruction data Additionally, it features 8 Kbytes of SRAM in the RTC, designated as RTC SLOW Memory for access by co-processors, and another 8 Kbytes known as RTC FAST Memory for data storage, accessible by the CPU during boot from Deep-sleep mode Furthermore, there is a 1 Kbit EFUSE, which allocates 256 bits for system purposes, including MAC address and chip configuration.

768 còn lại cho ứng dụng người dùng, gồm cả mã hóa bộ nhớ Flash và định ID cho chip.

 Giao thức truyền thông: o Wifi: 802.11 b/g/n/e/i o Bluetooth: BR/EDR phiên bản v4.2 và BLE

 Ethernet MAC hỗ trợ chuẩn: DMA và IEEE 1588

 Bus hỗ trợ mang CAN 2.0

Bài viết mô tả các tính năng giao tiếp ngoại vi của thiết bị, bao gồm bộ chuyển đổi ADC 12 bit với 16 kênh, bộ chuyển đổi DAC 8 bit với 2 kênh, và 10 chân dành cho cảm biến chạm Thiết bị còn hỗ trợ giao tiếp hồng ngoại (IR TX/RX), ngõ ra PWM cho điều khiển động cơ, cùng với 16 kênh LED PWM Ngoài ra, nó được trang bị cảm biến Hall, cảm biến nhiệt độ, 4 giao tiếp SPI, 2 giao tiếp I²C, 3 giao tiếp UART và 1 giao tiếp I²S, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối và điều khiển các thiết bị khác nhau.

 Nhiệt độ hoạt động ổn định: -40°C đến 85°C

 Dòng tiêu thụ ổn định: 80mA

 Bảo mật: o IEEE 802.11 hỗ trợ các chuẩn bảo mật: WFA, WPA/WPA2 và WAPI. o Mã hóa Flash o 1024-bit OTP, 768-bit cho người dùng

Để thiết lập cấu hình và kết nối Wifi cho KIT ESP32, người dùng có thể sử dụng trình biên dịch Arduino IDE, được hỗ trợ bởi nhà phát hành Arduino, nhằm viết và biên dịch chương trình cho KIT.

Hình 3 9: Trình biên dịch Arduino IDE

To program the ESP32, set up the board by adding the Additional Board Manager URL: https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json After that, update the board using the Arduino Board Manager Here, configure the Wi-Fi communication protocol to connect to Firebase Cloud.

#define FIREBASE_HOST "xxxxxxxxxxxxxx" // lấy trên thiết lập server

#define FIREBASE_AUTH "xxxxxxxxxxxxxx" // lấy trên thiết lập server

#define WIFI_SSID "xxxxxxx" // ID của Wifi mà ESP32 kết nối

#define WIFI_PASSWORD "xxxxxxxxx" // Mật khẩu Wifi mà ESP32 kết nối void setup(){

Initialization(); // Hàm khởi tạo Serial với máy tính

WiFiConnection(); // Hàm kết nối Wifi và Firebase

WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);

Serial.print("Connecting to Wi-Fi"); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)

Serial.print("Connected with IP: ");

Firebase.begin(FIREBASE_HOST, FIREBASE_AUTH);

Sau khi thiết lập giao thức truyến thông và cấu hình kết nối server cho ESP32, tiếp theo ta sẽ giao tiếp với các thiết bị ngoại vi:

Bảng 3 1: Kết nối của Kit ESP32

Pin kết nối ngoại vi của ESP32 Pin kết nối với ESP32

GPIO 39 (Sensor VN) Pin A0 của MQ135

GPIO25 Pin Out của DHT22

GPIO26 Pin S của Water Seensor

GPIO 12 Pin (+) led đèn bếp

GPIO 02 Pin (+) led đèn phòng khách

GPIO 04 Pin (+) quạt DC – quạt phòng khách

GPIO 18 Pin (+) led đèn phòng ngủ

GPIO 19 Pin (+) quạt DC quạt phòng ngủ

GPIO 21 (I2C SDA) Pin SDA của module LCD I2C

GPIO 22 (I2C SCL) Pin SCL của module LCD I2C

GPIO 23 Pin (+) led đèn nhà vệ sinh

Nhìn vào Kit ESP 32, có thể thấy những điểm lưu ý sau:

 Nút Boot: Nhấn giữ nút Boot trong quá trình nạp code cho Kit.

 IC ổn áp ASM1117: Ổn áp 3,3V DC vì thế khi cấp nguồn cho chân Vin thì cấp 5V mà không sợ cháy IC

 Nút EN: Nhấn nút EN khi muốn chạy chương trình từ đầu mà không cần phải tái cấp nguồn.

Hình 3 10: Module ESP32 sử dụng cho mô hình nhà thông minh [13]

Để đảm bảo sự ổn định cho nguồn cấp, chúng ta sử dụng hai tụ điện để lọc thành phần xoay chiều, mặc dù thành phần này rất nhỏ và không đáng kể.

Khối cảm biến bao gồm: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT22, cảm biến khí Gas MQ2, cảm biến chất lượng không khí MQ135, cảm biến mực nước DHT22.

Hình 3 11: Sơ đồ nguyên lí khối cảm biến

Cảm biến DHT22 là một trong những loại cảm biến nhiệt độ và độ ẩm phổ biến nhất trong các mạch điện tử, được thiết kế để giao tiếp hiệu quả với vi điều khiển Trong dòng sản phẩm DHT, bao gồm DHT11, DHT21 và DHT22, DHT22 được đánh giá là cảm biến tốt nhất nhờ độ chính xác và hiệu suất vượt trội.

Hình 3 12: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 và DHT22

 Nguyên lý hoạt động của DHT11 và DHT22:

DHT11 và DHT22 bao gồm một linh kiện cảm biến độ ẩm, cảm biến nhiệt độNTC (hoặc nhiệt điện trở) và một IC ở phía sau của cảm biến.

Thiết kế app điều khiển

3.3.1 Tổng quan về App Inventer

3.3.1.1 Sơ lược về App Inventer

Vào ngày 12/7/2010, Google đã ra mắt công cụ lập trình trực quan App Inventor, giúp phát triển ứng dụng trên hệ điều hành Android Hiện nay, App Inventor đang được duy trì bởi Viện Công nghệ Massachusetts (MIT).

Dựa trên nguyên tắc "những gì bạn thấy là những gì bạn có" (WYSIWYG), MIT App Inventor mang đến giao diện trực quan và dễ hiểu, cho phép người dùng truy cập sâu vào các chức năng của điện thoại như bluetooth, camera, gps và cảm biến Công cụ này giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và xây dựng ứng dụng Android từ cơ bản đến nâng cao thông qua các thao tác kéo - thả đơn giản.

Những tính năng cơ bản trên MIT App Inventor là:

Cho phép xây dựng nhanh chóng các thành phần cơ bản của ứng dụng Android như nút bấm, nút lựa chọn, chọn ngày giờ, hình ảnh, văn bản, thông báo, kéo trượt và trình duyệt web.

 Sử dụng nhiều tính năng trên điện thoại: chụp ảnh, quay phim, thu âm, nhận diện giọng nói, dịch, chuyển thoại thành văn bản và ngược lại.

 Kết nối: danh bạ, email, gọi điện, nhắn tin, bluetooth, wifi, sử dụng API.

The article discusses various sensors used in technology, including the Accelerometer Sensor for measuring acceleration, barcode scanners for reading codes, timers for tracking durations, Gyroscope Sensors for orientation detection, Location Sensors for determining geographic positions, NFC for short-range communication, Pedometers for measuring speed, and Proximity Sensors for detecting distances to nearby objects.

Lưu trữ dữ liệu có thể được thực hiện bằng cách đọc hoặc lưu tệp định dạng txt, csv, sử dụng FusiontablesControl, và tạo cơ sở dữ liệu đơn giản trên điện thoại hoặc trên đám mây thông qua server tự tạo hoặc Firebase.

Và rất nhiều mở rộng khác do các lập trình viên mở rộng và phát triển.

3.3.1.2 Truy cập và tạo Project trong App Inventer Để có thể sử dụng được MIT App Inventor, lập trình viên cần truy cập vào địa chỉ ai2.appinventor.mit.edu Sau đó tiến hành đăng nhập bằng tài khoản Google của bạn để mở trang quản lí các project.

Hình 3 26: Giao diện Mit App Inventer

Một số mục cần chú ý tại trang giao diện:

Manage and manipulate user-created projects in MIT App Inventor by creating new projects, importing saved projects from your computer, saving your current project, and exporting aia files back to your computer.

Mục Connect cho phép người dùng kết nối máy tính với các thiết bị di động để chạy mô phỏng Có ba phương thức kết nối: AI Companion, cho phép kết nối qua mạng wifi; Emulator, cho phép kết nối với phần mềm mô phỏng ngay trên máy tính; và USB, cho phép kết nối với các thiết bị di động qua cáp USB.

The build feature allows users to export the apk file and download the application It includes an option to generate a QR code for easy access to the apk file, enabling users to download it directly Additionally, users can choose to save the apk file to their computer for offline installation.

Sau khi tạo một project, màn hình sẽ xuất hiện giao diện thiết kế ứng dụng

Hình 3 30: Giao diện thiết kế ứng dụng

Palette trong App Inventor là nơi tập hợp các đối tượng, được chia thành 12 nhóm chính Nhóm giao diện người dùng (User interface) chứa các đối tượng thiết kế giao diện, trong khi nhóm bố cục (Layout) giúp sắp xếp các đối tượng theo một cấu trúc nhất định Nhóm phương tiện truyền thông (Media) hỗ trợ các tác vụ liên quan đến âm thanh, máy ảnh và ghi âm Nhóm vẽ và chuyển động (Drawing and Animation) cho phép tạo ra chuyển động và tương tác, trong khi nhóm bản đồ (Maps) giúp tìm kiếm và sử dụng các ứng dụng liên quan đến bản đồ Nhóm cảm biến (Sensors) cung cấp các chức năng như định vị và đo áp suất Nhóm giao tiếp (Social) hỗ trợ các thao tác liên quan đến mạng xã hội, trong khi nhóm lưu trữ (Storage) cho phép lưu trữ thông tin và dữ liệu Nhóm kết nối (Connectivity) hỗ trợ kết nối Bluetooth, sever và web Ngoài ra, nhóm Lego mindstorms cho phép lập trình robot, nhóm FirebaseDB kết nối với cơ sở dữ liệu Firebase, và nhóm Extension thêm các tính năng mở rộng cho App Inventor.

 Viewer: hiển thị giao diện, cho phép kéo thả các thành phần từ khung Palette để thiết kế giao diện.

 Components: Cấu trúc các thành phần đã được bố trí ở Viewer.

 Properties: Hiển thị thuộc tính của các thành phần trong Components.

3.3.2 Xây dựng ứng dụng Smarthome

3.3.2.1 Các chức năng chính Ứng dụng sẽ có các chức năng chính sau đây

- Kết nối được trong mọi môi trường có internet.

- Có phần đăng nhập tránh người lạ sử dụng.

- Tự động cập nhật giá trị các cảm biến và hiển thị lên màn hình nếu có bất kỳ sự thay đổi nào về thông số.

- Điều khiển thiết bị bằng giọng nói hoặc thao tác thủ công.

Người dùng sẽ được cấp một hoặc nhiều tài khoản theo yêu cầu, do đó, hệ thống đăng nhập sẽ bao gồm chức năng đăng nhập và cho phép thay đổi mật khẩu khi cần thiết.

Hình 3 31: màn hình đăng nhập

Tiếp đến là giao diện sử dụng Tại đây được chia thành ba phần chính

- Phần đầu hiển thị và cập nhật thông số các cảm biến.

Hình 3 32: Thông số cảm biến

- Phần giữa là điều khiển các thiết bị trong nhà bằng thủ công.

Hình 3 33: Điều khiển thiết bị thủ công

- Phần cuối là điều khiển các thiết bị trong nhà bằng giọng nói.

Hình 3 34: Điều khiển thiết bị bằng giọng nói 3.3.2.3 Lập trình chức năng cho ứng dụng Đăng nhập và thay đổi mật khẩu cá nhân

Khi người dùng đăng nhập hoặc thay đổi mật khẩu, hệ thống sẽ so sánh thông tin đăng nhập với dữ liệu đã lưu Nếu tài khoản hoặc mật khẩu không chính xác, một thông báo lỗi sẽ được hiển thị Ngược lại, nếu thông tin đúng, người dùng sẽ được đăng nhập thành công hoặc chuyển đến màn hình để thay đổi mật khẩu.

Hình 3 35: Khối chức năng đăng nhập Điều khiển thiết bị bằng phương pháp thủ công:

Khi nhấn nút điều khiển, trạng thái thiết bị sẽ thay đổi từ 0 sang 1 hoặc ngược lại Giá trị trạng thái mới sau đó sẽ được lưu vào các biến lưu trữ và được gửi lên máy chủ Firebase.

- Khi giá trị trạng thái thay đổi, các icon, hình ảnh tương ứng với trạng thái đó sẽ được thay đổi theo.

Hình 3 36: Khối chức năng điều khiển thiết bị thủ công Điều khiển thiết bị bằng giọng nói

- Khi nhấn nút giọng nói, trình giải mã giọng nói được gọi sẽ chuyển giọng nói thành văn bản.

- Chuỗi văn bản sẽ được so sánh với một tập lệnh cho trước Nếu trùng khớp sẽ thực thi lệnh Nếu sai sẽ yêu cầu ra lệnh lại.

Hình 3 37: Khối chức năng điều khiển thiết bị bằng giọng nói

Hiển thị thông số cảm biến

- Thông số cảm biến sẽ được cập nhật mỗi khi cảm biến gửi giá trị mới lên sever.

Hình 3 38: Khối chức năng cập nhật và hiển thị thông số cảm biến

Xây dựng cơ sở dữ liệu

Firebase là nền tảng phát triển ứng dụng di động và web với các API mạnh mẽ và dễ sử dụng, giúp lập trình viên rút ngắn thời gian triển khai và mở rộng quy mô ứng dụng hiệu quả.

Firebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu đám mây mạnh mẽ của Google, giúp lập trình viên đơn giản hóa quy trình phát triển ứng dụng thông qua các API dễ sử dụng Với tính năng bảo mật cao và hỗ trợ cả hai nền tảng Android và iOS, Firebase trở thành lựa chọn hàng đầu cho nhiều lập trình viên khi xây dựng ứng dụng phục vụ hàng triệu người dùng trên toàn cầu Mục tiêu chính của Firebase là tăng cường lượng người dùng và tối đa hóa lợi nhuận cho các nhà phát triển.

3.4.1.2 Cách thức hoạt động của Firebase

Hình 3 39: Dữ liệu thời gian thực là cách thức hoạt động của Firebase [2]

Sau khi được Google mua lại và phát triển, Firebase hiện nay có các hoạt động nổi bật như:

Firebase Realtime Database cung cấp một cơ sở dữ liệu thời gian thực khi bạn đăng ký tài khoản, với dữ liệu được lưu trữ dưới dạng JSON và đồng bộ hóa tức thì đến mọi kết nối client Tất cả các ứng dụng đa nền tảng đều sử dụng chung một cơ sở dữ liệu, giúp cập nhật dữ liệu mới nhất tự động khi lập trình viên phát triển ứng dụng Dữ liệu được truyền qua kết nối an toàn SSL với chứng nhận 2048 bit, đảm bảo tính bảo mật Trong trường hợp mất mạng, dữ liệu sẽ được lưu trữ cục bộ và tự động cập nhật lên Server của Firebase khi có kết nối lại, đồng thời cũng đồng bộ hóa các dữ liệu cũ hơn với Server để đảm bảo luôn có thông tin mới nhất.

Firebase Authentication cung cấp các phương thức xác thực người dùng qua Email, Facebook, Twitter, GitHub và Google, đồng thời hỗ trợ xác thực nặc danh cho ứng dụng Chức năng này giúp bảo vệ thông tin cá nhân của người dùng, đảm bảo an toàn và ngăn chặn việc đánh cắp tài khoản.

Hình 3 40: Firebase xây dựng hành động tự động đăng nhập cho ứng dụng bằng cách xác thực danh tính [2]

Firebase cung cấp các bước xác thực người dùng qua nhiều nền tảng như Email, Facebook, Twitter, GitHub và Google, đồng thời hỗ trợ xác thực nặc danh cho ứng dụng Việc xác thực này giúp bảo vệ thông tin cá nhân của người dùng, đảm bảo an toàn và ngăn chặn tình trạng đánh cắp tài khoản.

Firebase Hosting cung cấp dịch vụ lưu trữ an toàn thông qua công nghệ SSL, sử dụng mạng CDN (Content Delivery Network) để phân phối nội dung.

Hình 3 41: Firebase cung cấp các Hosting theo tiêu chuẩn SSL [2]

3.4.1.3 Ưu điểm khi sử dụng Firebase

Hình 3 42: Firebase hoạt động trên nền tảng điện toán đám mây, an toàn và bảo mật [2]

Firebase giúp triển khai ứng dụng nhanh chóng bằng cách tiết kiệm thời gian quản lý và đồng bộ dữ liệu cho người dùng Ngoài ra, nó còn cung cấp dịch vụ hosting và hỗ trợ xác thực thông tin khách hàng, làm cho quá trình triển khai trở nên hiệu quả hơn.

Bảo mật là một yếu tố quan trọng khi sử dụng nền tảng đám mây như Firebase Với việc áp dụng giao thức bảo mật SSL và cho phép phân quyền người dùng cơ sở dữ liệu thông qua Javascript, Firebase cung cấp một môi trường an toàn cho các ứng dụng, giúp nâng cao độ bảo mật tổng thể.

Hình 3 43: Các ứng dụng trên nền tảng Firbase có độ bảo mật thông tin cao [3]

Firebase cung cấp sự ổn định cho các ứng dụng nhờ vào nền tảng cloud mạnh mẽ của Google, giúp chúng luôn hoạt động trơn tru Hơn nữa, việc nâng cấp và bảo trì server trở nên dễ dàng và không làm gián đoạn hoạt động của ứng dụng.

Hình 3 44: Các ứng dụng chạy trên nền tảng Firebase hoạt động khá ổn định

Firebase nổi bật với ưu điểm của Realtime Database, nhưng cần lưu ý rằng nó chỉ là phần Database Cơ sở dữ liệu của Firebase được tổ chức theo cấu trúc cây (trees) với mối quan hệ cha-con (parent-children), điều này có thể gây khó khăn cho những người quen thuộc với SQL, từ mức độ nhẹ đến khá nhiều.

3.4.2 Thiết lập cấu hình cho Firebase Cloud

Firebase là của Google nên để sử dụng Firebase cần phải có một tài khoản của Google

Hình 3 45: Sử dụng tài khoản Google để đăng nhập Firebase

Sau đó truy xuất đến bảng điều khiển để khởi tạo các dự án IoT trên nền tảng CloudFirebase.

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

Tạo mới và đặt tên cho dự án, sử dụng Google Analytic cho dự án

Hình 3 47: Mộ số ứng dụng mà Google Analytics mang lại

Sau khi khởi tạo thành công Project, vào Project Overview, chọn Project Settings

Hình 3 48: Các dịch vụ mà Firebase cung cấp bao gồm Authentication, Database, Storage,

Hosting, Functions và Machine Learning

Tại Project Setting, chúng ta sẽ nhận được Web API Key

Để lấy Web API Key, người dùng cần lưu ý rằng API key liên quan đến vấn đề bảo mật, do đó cần được bảo mật cẩn thận và không nên chia sẻ với bất kỳ ai.

Tại cửa sổ Service Account, người quản lí sẽ cấu hình SDK và lấy Firebase Token Key.

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

Hình 3 51: Lấy mã Firebase Token

Khởi tạo cơ sở dữ liệu, quay trở lại Project Over View chọn Database, khởi tạo một Database thẻ Realtime Database

Hình 3 52: Khởi tạo Realtime Database

Hình 3 53: Cấu hình luồng dữ liệu cho Datsabase

 Start in locked mode: Không chấp nhận nhập xuất dữ liệu mà dữ liệu sẽ được lưu cố định, không thể thay đổi.

Bắt đầu ở chế độ thử nghiệm: Để thuận tiện cho việc điều khiển và giám sát, Firebase Database sẽ được cấu hình ở chế độ thử nghiệm Sau khi hoàn thành việc tạo Database, bạn cần lấy đường dẫn của Firebase host.

Database được khởi tạo và người quản lí sẽ có 3 thành phần bảo mật:

Cấu hình Firebase cho phần cứng:

#define FIREBASE_HOST "xxxxxxxxxxxxxxx" // điền Firebase host

#define FIREBASE_AUTH "xxxxxxxxxxxxxxx" // điền Firebase Token Key

#define WIFI_SSID “xxxxxxxxxxxx" // id wifi

#define WIFI_PASSWORD "xxxxxxxxxxxxxx" // mật khẩu wifi

Kết nối đến wifi và Firebase: void WiFiConnection(){

WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);

Serial.print("Connecting to Wi-Fi"); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)

Serial.print("Connected with IP: ");

Firebase.begin(FIREBASE_HOST, FIREBASE_AUTH);

Cấu hình Firebase cho phần mềm :

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

Hình 3 56: Cấu hình Firebase cho app

 Trong ô FirebaseToken thì điền Web API Key

 Trong ô FirebaseURL thì điền Firebase host

3.4.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu cho ngôi nhà

Cơ sở dữ liệu của ngôi nhà được định dạng dưới dạng chuỗi JSON và triển khai trên nền tảng Node JS, một nền tảng phía máy chủ được xây dựng dựa trên Javascript Engine Cấu trúc của nó bao gồm hai phần chính là key và value.

Một chuỗi JSON sẽ được trình bày như sau:

"title" : "Học lập trình với JSON"

Như vậy, cơ sở dữ liệu của ngôi nhà sẽ bao gồm:

"tên thiết bị" : "trạng thái",

"tên cảm biến" : "giá trị thông số",

Các thành phần trong sơ sở dữ liệu của ngôi nhà dạng {“key”:“value”} như sau:

 “tt_denpk” : “0” – đèn phòng khách với trạng thái đang tắt (tương ứng giá trị 0) và trạng thái mở (tương ứng giá trị 1).

 “tt_quatpk” : “0” – quạt phòng khách với trạng thái đang tắt (tương ứng giá trị 0) và trạng thái mở (tương ứng giá trị 1).

 “tt_tivi” : “0” – tivi với trạng thái đang tắt (tương ứng giá trị 0) và trạng thái đang mở (tương ứng giá trị 1).

 “tt_denpn” : “0” – đèn phòng ngủ với trạng thái đang tắt (tương ứng giá trị 0) và trạng thái đang mở (tương ứng giá trị 1).

 “tt_quatpn” : “0” – quạt phòng ngủ với trạng thái đang tắt (tương ứng giá trị 0) và trạng thái đang mở (tương ứng giá trị 1).

 “tt_dennvs” : “0” – đèn nhà vệ sinh với trạng thái đang tắt (tương ứng giá trị 0) và trạng thái đang mở (tương ứng giá trị 1).

 “tt_denbep” : “0” – đèn nhà bếp với trạng thái đang tắt (tương ứng giá trị

0) và trạng thái đang mở (tương ứng giá trị 1).

 “tt_bep” : “0” – bếp với trạng thái đang tắt (tương ứng giá trị 0) và trạng thái đang mở (tương ứng giá trị 1).

 “temp” : “float(temp)” – giá trị nhiệt độ với giá trị số thực.

 “humi” : “float(humi)” – giá trị độ ẩm với giá trị số thực.

 “gasval”: “float(gasValue)” – giá trị nồng độ khí gas với giá trị số thực.

 “ppmval” : “float(ppmValue)” – giá trị nồng độ khí có hại với giá trị số thực.

 “watval” : “int(watValue)” – giá trị mực chất lỏng với giá trị số nguyên.

3.4.4 Xây dựng cơ sở dữ liệu người dùng

Cơ sở dữ liệu người dùng của ứng dụng được lưu trữ cho đến khi phần mềm bị gỡ bỏ khỏi điện thoại Dữ liệu này bao gồm thông tin cá nhân và hoạt động của người dùng.

 Username: Tên người dùng và cũng là username đăng nhập.

 Passwork: Mật khẩu đăng nhập.

 New_passwork: Mật khẩu được cập nhật bởi người dùng

Một số kịch bản thử nghiệm

Ngôi nhà thông minh cho phép người dùng điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua ứng dụng điện thoại, bằng cách bật tắt thiết bị bằng phím bấm hoặc giọng nói, phù hợp với nhu cầu sử dụng.

Ngoài ra chúng em còn thử thêm 1 số kịch bản khác nhau để điều khiển nhà thông minh:

Chúng ta chỉ cần nói “Phòng khách tối quá” thì đèn phòng khách, đèn phòng bếp và tivi sẽ được bật lên.

Chúng ta nói “Tôi đi ngủ” thì quạt trong phòng ngủ sẽ bật lên, tất cả các thiết bị còn lại sẽ tắt.

 Khi về nhà vào buổi tối

Khi nói “ Tôi về nhà” toàn bộ đèn trong nhà sẽ bật lên.

Đánh giá độ chính xác

Hiện tại, đồ án của chúng em đã hoạt động khá chính xác, mặc dù đôi khi ứng dụng Android không nhận diện được lệnh điều khiển do phát âm chưa chuẩn Tuy nhiên, phần điều khiển bằng tay vẫn hoạt động nhanh chóng và chính xác Chúng em cũng đang đánh giá độ chính xác của mạch đo nhiệt độ.

+ Dựa trên lần đo vào ngày mùng 8 và 9 thì bọn em có kết quả đo như trong bảng dưới đây:

Bảng 3 3: Bảng biểu diễn kết quả của mạch đo nhiệt độ so với thực tế

Giờ Nhiệt độ trên mạch Nhiệt độ trên điện thoại

Dựa trên kết quả trong bảng trên thì có thể khẳng định mạch này có thể đạt được độ chính xác 90% so với kết quả thực tế.

Các mạch còn lại đều chạy chính xác so với nguyên lí của mạch.

Kết luận

Các module của ngôi nhà thông minh được thiết kế với các chức năng giám sát trực quan, điều khiển ánh sáng, và cảnh báo an toàn Người dùng có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị vào/ra cũng như thực hiện các thao tác từ xa thông qua ứng dụng Android, sử dụng cả phương pháp điều khiển bằng tay và giọng nói.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Hiện nay, nhiều quốc gia phát triển đã áp dụng ngôi nhà thông minh để nâng cao chất lượng cuộc sống Tại Việt Nam, việc sử dụng ngôi nhà thông minh vẫn còn hạn chế, nhưng với sự phát triển kinh tế và điều kiện của các gia đình, cùng với sự tiến bộ trong công nghệ và sản xuất thiết bị điện, giá thành các sản phẩm này đang giảm Do đó, trong tương lai, việc ứng dụng ngôi nhà thông minh ở Việt Nam sẽ ngày càng trở nên phổ biến và trở thành xu hướng thời sự.

Mô hình ngôi nhà thông minh cho phép quản lý và giám sát thiết bị điện - điện tử một cách tự động và thuận tiện, giúp tiết kiệm thời gian và công sức khi không cần phải trực tiếp kiểm tra sự cố Hướng nghiên cứu này mở ra nhiều ý tưởng thiết thực và có thể được triển khai thực tế nếu được đầu tư kinh phí và sự hợp tác từ các cá nhân và tổ chức quan tâm.

"Ngôi nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói" là một lĩnh vực nghiên cứu đa dạng, với nhiều phương pháp điều khiển giúp nâng cao tính năng thông minh cho ngôi nhà Tùy thuộc vào nhu cầu và mong muốn của chủ nhà, một ngôi nhà thông minh có thể được thiết kế đơn giản hoặc phức tạp.

Trong thời gian làm đồ án vừa qua, em đã nghiên cứu về các hệ thống thông dụng trong ngôi nhà thông minh Theo đó, bọn em đã:

 Tìm hiểu về các hệ thống ngôi nhà thông minh trong thực tế.

 Tìm hiểu về các hệ thống sử dụng trong ngôi nhà thông minh như: hệ thống chiếu sáng, báo cháy, nhiệt độ, điều khiển thiết bị bằng giọng nói , v.v

Mặc dù gặp phải một số hạn chế về thời gian và trình độ trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các thầy cô và bạn bè Điều này sẽ giúp chúng em xây dựng một ngôi nhà thông minh với khả năng điều khiển tối ưu hơn, nhằm áp dụng hiệu quả vào cuộc sống hàng ngày.