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 và nâng cao hiệu suất làm việc Ngoài ra, nhà thông minh còn tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu lãng phí tài nguyên thiên nhiên.

Nhận diện giọng nói không chỉ giúp chuyển đổi văn bản và điều khiển máy móc, mà còn mang lại nhiều lợi ích cho người khuyết tật Công nghệ này đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, với những 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 loại hình 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 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 việc quản lý ngôi nhà.

Trong một căn nhà thông minh, các thiết bị như đèn, máy lạnh và đồ dùng trong phòng ngủ, phòng khách và toilet được trang bị bộ điều khiển điện tử kết nối Internet và điện thoại di động Điều này cho phép chủ nhà điều khiển từ xa hoặc lập trình hoạt động của thiết bị theo lịch trình Hơn nữa, các đồ gia dụng còn có khả năng giao tiếp và tương tác với nhau, tạo ra sự tiện lợi và hiệu quả trong sinh hoạt hàng ngày.

Nhà thông minh là một hệ thống tiên tiến giúp kiểm soát chiếu sáng, tiết kiệm điện và tạo không gian phù hợp cho các sự kiện như bữa tiệc tối Ngoài việc điều chỉnh rèm cửa và kiểm soát nhiệt độ, hệ thống còn bao gồm camera giám sát, khóa cửa tự động và các biện pháp phòng ngừa trộm Các ứng dụng sáng tạo khác như hệ thống giải trí tại gia, điện thoại, liên lạc nội bộ và hệ thống tưới nước cũng được tích hợp, cho phép các thiết bị kết nối với nhau để hệ thống máy tính trung tâm có thể giám sát và đưa ra quyết định điều khiển hiệu quả.

Nhà thông minh, một khái niệm đã xuất hiện trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng từ lâu, chỉ 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 bên trong ngôi nhà, cho phép bộ điều khiển và máy chủ đưa ra quyết định điều chỉnh thiết bị chấp hành, từ đó 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

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 dễ dàng điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà chỉ với một vài nút bấm trên màn hình cảm ứng của smartphone hoặc máy tính bảng, thay vì cần hàng chục hay thậm chí hàng trăm công tắc như trước đây Giao diện trực quan 3D cho phép bạn kiểm soát ngôi nhà một cách trực quan, với các thiết bị được mô phỏng giống như thực tế Chỉ cần chạm vào thiết bị tương ứng trên màn hình, bạn có thể thực hiện các thao tác như khi có khách đến.

Việc tiếp khách trở nên dễ dàng hơn 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 Khi đi ngủ, bạn không cần phải thực hiện nhiều thao tác như kéo rèm hay tắt đèn, chỉ cần nhấn vào "Đi ngủ" trên điện thoại hoặc máy tính bảng, hệ thống sẽ tự động thực hiện mọi thứ và kích hoạt chế độ an ninh để bảo vệ ngôi nhà.

1.3.2 Điều khiển bằng giọng nói

Bạn có thể điều khiển ngôi nhà thông minh của mình không chỉ qua smartphone hay máy tính bảng, mà còn bằng giọng nói thông qua ứng dụng điện thoại hoặc thiết bị hỗ trợ Công nghệ trợ lý ảo được trang bị trong nhà thông minh giúp giao tiếp trở nên thân thiện và linh hoạt, khác biệt hoàn toàn so với các hệ thống 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 Lagrand (Pháp), Comfort (Singapore) và Siemens (Đức) mang đến nhiều mẫu nhà đa dạng đáp ứng nhu cầu khách hàng Các công nghệ thông minh được áp dụng bao gồm X10 compatible, X10 Wireless, Insteon, ZigBee, HomePlug và Bluetooth, giúp nâng cao trải nghiệm sống hiện đại.

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 mở cửa hoặc két sắt, thiết bị nhận diện người lạ xâm nhập, thiết bị điều khiển điện gia đình và thiết bị kết nối Internet Với những trang bị này, chủ nhà có khả năng kiểm soát và điều khiển từ xa mọi thiết bị điện trong ngôi nhà của mình.

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

Công nghệ X10, ra đời từ năm 1970, hiện là hệ thống nhà thông minh phổ biến nhất thế giới Sau khi lắp đặt, mỗi thiết bị điện trong nhà như đèn, quạt, hay máy điều hòa đều có địa chỉ riêng, cho phép điều khiển từ xa mọi lúc, mọi nơi Người dùng có thể dễ dàng bật đèn ở tầng một từ tầng hai để kiểm tra camera, hoặc tắt đèn trên sân thượng khi ở dưới Hệ thống này cũng cho phép điều chỉnh ánh sáng trong phòng khách để tạo không khí xem phim Đặc biệt, X10 có khả năng lập trình hoạt động cho từng thiết bị, phù hợp với 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 ngôi nhà của bạn, như làm sáng dần đèn phòng từ 6h15, đèn bếp từ 6h20 và bình nước nóng lúc 6h25 Sau khi rời khỏi nhà, đèn sẽ tự động tắt, mang lại sự tiện nghi và an toàn Khác với các hệ thống khác cần dây dẫn riêng, X10 sử dụng mạng điện hiện có để truyền tín hiệu điều khiển Để điều khiển hai chiếc đèn trong phòng ngủ, chỉ cần lắp một module X10 vào công tắc, cho phép điều khiển từ xa hoặc qua công tắc cũ.

Hệ thống X10 không ảnh hưởng đến hệ thống điện hiện tại, vì vậy nó phù hợp cho cả công trình đã sử dụng và chưa hoàn thiện, với điều kiện 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, hoặc thậm chí qua điện thoại, cho phép quản lý mọi thứ trong nhà từ xa, ngay cả khi đang ở nước ngoài.

Hệ thống tự động hóa nhà ở X10 có ưu điểm không cần thay đổi cấu trúc đường điện và thời gian thi công ngắn, giúp giảm chi phí một cách 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

Hệ thống SCS là một giải pháp điều khiển đa năng cho tất cả các thiết bị, tương tự như hệ thống Instabus Với cấu trúc kết nối theo kiểu vòng hoặc sao trên một đường bus 2 dây, SCS đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả, tăng tính linh hoạt trong thi công và mở rộng mạng, đồng thời tiết kiệm dây dẫn cho chủ đầu tư Một ví dụ tiêu biểu là hệ thống của Bticino, tích hợp các chức năng như Home Automation, Camera doorphone, Sound system và Security trên cùng một đôi bus Hệ thống này không chỉ có công nghệ tiên tiến mà còn mang đến nhiều sản phẩm phù hợp với mọi ứng dụng trong ngôi nhà thông minh, đồng thời được thiết kế đẹp mắt với nhiều loại chất liệu để đáp ứng nhu cầu của khách hàng, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trên toàn cầu.

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 không dây Z-wave, một tiêu chuẩn phổ biến trên thế giới Fibaro cung cấp đầy đủ các sản phẩm cần thiết để xây dựng 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 cây tự động của Fibaro được thiết kế sang trọng và tinh tế, mang đến trải nghiệm nhà thông minh cao cấp với chất lượng và độ ổn định vượt trội Fibaro là một trong những giải pháp nhà thông minh 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 trong các tòa nhà thông minh tại Singapore đã góp phần đáng kể vào việc giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, đồng thời mang lại nhiều giải thưởng công nghiệp về hiệu suất năng lượng và ảnh hưởng tích cực đến môi trường.

Hệ thống ABB i-bus là giải pháp lắp đặt tòa nhà hàng đầu tại Singapore, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại hình công trình Nó có nền tảng lắp đặt đa dạng, bao gồm văn phòng, nhà máy, khách sạn, nhà nghỉ, trường đại học, căn hộ, biệt thự và nhà gỗ một tầng.

Các tòa nhà giành giải thưởng bao gồm trụ sở Xilinx tại khu vực Châu Á Thái Bình Dương, nhà cung cấp hàng đầu về giải pháp logic lập trình số; trụ sở Applied Materials Inc tại 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 nhất định Bên cạnh đó, cảm biến siêu ánh sáng có thể điều chỉnh độ sáng của đèn dựa trên lượng ánh sáng tự nhiên có trong tòa nhà.

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 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.

Mục tiêu phát triển đề tài

Trong lĩnh vực nhà thông minh, các kỹ sư đang nỗ lực phát triển nhiều tiện ích và tối ưu hóa việc lắp đặt hệ thống Mặc dù công nghệ mới cho phép tích hợp nhiều thiết bị cao cấp, nhưng điều này không đảm bảo rằng các giải pháp công nghệ hoạt động 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 dựa trên cơ sở khoa học.

Hiện nay, thị trường nhà thông minh tại Việt Nam chủ yếu chỉ cho phép điều khiển thiết bị bằng tay, và việc sử dụng tiếng Anh trong điều khiển ngôi nhà vẫn chưa thực sự tiện lợi cho người dùng Do đó, nhu cầu về sản phẩm hỗ trợ tiếng Việt ngày càng tăng cao Lumi là công ty tiên phong tại Việt Nam trong việc tích hợp trợ lý ảo Alexa với khả năng điều khiển ngôi nhà bằng giọng nói tiếng Việt Tuy nhiên, việc điều khiển bằng giọng nói hiện tại chỉ hoạt động hiệu quả trong phạm vi hạn chế 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 toàn diện, được gọi là mạng lưới vạn vật kết nối internet, hay còn gọi là "Things".

IoT là công nghệ cho phép các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các cảm biến được lắp đặt, giúp ghi lại và truyền tải thông số Ưu điểm nổi bật nhất của IoT là khả năng tự động hóa, 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 Tuy nhiên, sau này, IoT đã được kết hợp với khái niệm điều khiển tự động, cho phép thiết bị "quan sát" và phản hồi với môi trường xung quanh, cũng như tự điều khiển mà không cần kết nối mạng Việc tích hợp trí thông minh vào IoT giúp các thiết bị, máy móc và phần mềm thu thập và phân tích dữ liệu điện tử từ con người trong quá trình tương tác Trong tương lai, xu hướng này sẽ cho phép con người giao tiếp với máy móc thông qua mạng internet không dây mà không cần bất kỳ hình thức trung gian nào.

Hình 2 1: IoT giúp cho mọi thứ giờ đây thông minh, tự động, mọi nơi và mọi lúc

IoT không chỉ đơn thuần là giao tiếp giữa các thiết bị mà còn được nâng cao nhờ vào các cảm biến, giống như đôi mắt và tai của con người, giúp ghi nhận và thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh Sự kết nối giữa máy móc và cảm biến, kết hợp với điện toán đám mây, tạo ra một hệ sinh thái thông minh, cho phép phân tích và xử lý dữ liệu hiệu quả từ các cảm biến, từ đó nâng cao khả năng hiểu biết và tương tác của IoT với con người.

2.1.2 Kiến trúc Internet of Things

The architecture of the Internet of Things (IoT) fundamentally consists of four key components: Things, which represent the physical objects; Gateways, serving as connection points; Network and Cloud infrastructure that facilitate data transmission and storage; and the Services-creation and Solutions Layers that enable the development and delivery of applications.

Hiện nay, hàng tỷ vật dụng như xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang hiện hữu trên thị trường gia dụng và công nghệ 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 sàng lọc, kết nối và quản lý 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 trong việc triển khai IoT, khi mà khoảng 85% thiết bị hiện có 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, giúp 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 bao gồm nhiều mạng IP liên kết với nhau và kết nối với các máy tính Hệ thống mạng này được cấu thành từ các thiết bị như router, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp và thiết bị lặp, có chức năng kiểm soát lưu lượng dữ liệu Ngoài ra, cơ sở hạ tầng này còn kết nối với mạng viễn thông và cáp, được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ.

Trung tâm dữ liệu và hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống phức tạp với nhiều máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối chặt chẽ.

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

Intel has integrated top API management software, Mashery and Aepona, to enhance the deployment of IoT products and solutions in the market.

14 trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn.

2.1.3 Đặc tính cơ bản của Internet of Things

Tính kết nối liên thông trong IoT cho phép mọi thiết bị kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc toàn diện.

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 Physical Thing và Virtual Thing Để thực hiện điều này, cần có sự thay đổi trong cả công nghệ phần cứng và phần mềm.

Tính không đồng nhất trong IoT thể hiện qua sự đa dạng về phần cứng và mạng lưới của các thiết bị Mặc dù khác nhau, các thiết bị trong các mạng khác nhau vẫn có thể tương tác nhờ vào sự kết nối giữa các mạng này.

Thay đổi linh hoạt là khả năng của các thiết bị tự động trong việc điều chỉnh trạng thái, chẳng hạn như chuyển từ chế độ ngủ sang chế độ hoạt động, kết nối hoặc ngắt kết nối, thay đổi vị trí và tốc độ Ngoài ra, số lượng thiết bị có khả năng tự động thay đổi cũng đang gia tăng.

Quy mô lớn của IoT sẽ dẫn đến việc quản lý và giao tiếp giữa một số lượng thiết bị khổng lồ, vượt xa số lượng máy tính hiện đang kết nối Internet Lượng thông tin được truyền tải từ các thiết bị này sẽ lớn hơn nhiều so với thông tin do con người gửi đi.

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 Quản lý môi trường.

Phản hồi trong các tình huống khẩn cấp Mua sắm thông minh.

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 một vật thể theo hướng dịch chuyển tạo ra tác động nén hoặc giãn lên một vật thể khác, thường là vật thể dùng để đo Đơn vị đo áp lực âm học được xác định 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 động lên bề mặt 1 cm², và tỷ lệ với bình phương áp lực âm học Đơn vị đo cường độ âm thanh được tính bằng 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 Tần số này phụ thuộc vào kích thước hình học và bản chất của vật.

Tần số cộng hưởng là hiện tượng dao động mạnh nhất của một vật thể, khi đó các dao động tích lũy năng lượng tối đa Trong trạng thái này, năng lượng được kích thích và tổn hao ở mức thấp nhất.

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 lên màng nhĩ Sự rung động này được truyền qua thần kinh thính giác đến đại não, nơi các trung khu thần kinh nghe sẽ giải mã và nhận diện nội dung của âm thanh vừa kích thích màng nhĩ.

Tai người có khả năng cảm nhận âm thanh trong dải tần số từ 20Hz đến 20kHz, với âm thanh dưới 20Hz thuộc phần ngoại âm và âm thanh trên 20kHz được gọi là siêu âm Giọng nói của con người nằm trong khoảng tần số từ 80Hz đến 1,2kHz, tương đương với khoảng 4 bát độ Độ nhạy của tai tốt giúp con người nghe thấy âm thanh trong dải tần số này một cách hiệu quả.

Âm thanh có sự khác biệt rõ ràng khi chênh lệch từ 3 dB trở lên, trong khi tai người không thể nhận biết sự khác biệt nhỏ hơn 1 dB Các nghiên cứu cho thấy trong không gian yên tĩnh, áp lực âm thanh của các nguồn được đo lường có thể cung cấp thông tin quan trọng về mức độ nghe được.

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 lệnh từ giọng nói của con người Thuật ngữ này bao gồm hai khái niệm chính: Nhận diện giọng nói (Voice recognition) và Nhận diện phát âm (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 điều xung mã (PCM) 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, đảm bảo quá trình chuyển đổi diễn ra chính xác và hiệu quả.

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 biến đổi tín hiệu âm tần liên tục về thời gian và giá trị thành một chuỗi các xung rời rạc Mỗi xung PAM có một giá trị biên độ nhất định, và việc chuyển đổi từ tín hiệu liên tục sang xung rời rạc là cần thiết vì bộ biến đổi A/D chỉ có khả năng xử lý từng giá trị biên độ riêng lẻ Sau khi một giá trị được biến đổi, biên độ này mới có thể tiếp tục chuyển đổi sang một biên độ khác, hoàn thành quá trình chuyển đổi tín hiệu analog thành dãy xung PAM rời rạc.

Hình 2 4: Quá trình biến đổi tín hiệu

Các xung PAM rời rạc được tạo ra từ mạch lấy mẫu và giữ thông qua một đảo mạch nhanh chóng, giúp chia tín hiệu analog đầu vào liên tục thành các mẫu rời rạc Các giá trị biên độ của những 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 là một hệ thống 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 trong mạng lưới 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, truy xuất và quản lý thông tin hiệu quả.

Giảm thiểu sự trùng lặp thông tin là rất quan trọng, đồng thời cần đảm bảo rằng dữ liệu có thể được truy xuất theo nhiều cách khác nhau, cho phép nhiều người sử dụng chung một cơ sở dữ liệu hiệu quả.

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 Tranh chấp dữ liệu 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, hoạt động trên mạng để cung cấp hoặc hỗ trợ dịch vụ mạng Các máy chủ có thể hoạt động trên máy tính chuyên dụng hoặc nhiều máy tính được kết nối, và một máy tính có thể cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau.

Hình 2 5: Hệ thống máy chủ của Google

Các 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 Máy chủ thực hiện nhiều nhiệm vụ thay mặt cho khách hàng, thường kết nối qua mạng, nhưng cũng có thể chạy trên cùng một máy tính Trong hạ tầng mạng Internet Protocol (IP), máy chủ hoạt động như một socket listener để tiếp nhận các yêu cầu.

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 Tuy nhiên, mô hình mạng peer-to-peer là một lựa chọn thay thế, cho phép tất cả các máy tính hoạt động linh hoạt như client hoặc 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 giúp giao tiếp hiệu quả giữa các thiết bị.

Chip BC417 (BlueCore TM) là thành phần chính 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 hệ thống Bluetooth tuân thủ đầy đủ thông số kỹ thuật v2.0 cho truyền thông dữ liệu và giọng nói.

Hình 2 6: Kiến trúc hệ thống của BC417

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

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 Espressif, một công ty có trụ sở tại Thượng Hải, Trung Quốc, Wifi SoC đang ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực IoT (Internet of Things) đang phát triển mạnh mẽ Một số mẫu Wifi SoC tiêu biểu bao gồm ESP8266 và ESP32.

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 và vấn đề cơ bản liên quan đến hệ thống IoT và mô hình nhà thông minh Đồng thời, bài viết cũng đề xuất một số giải pháp để xây dựng mô hình smarthome đáp ứng đầy đủ các 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 bao gồm các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí, khí gas và mực chất lỏng, cho phép đo đạc các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas, nồng độ khí có hại và chiều cao mực nước Ngoài ra, các thiết bị như quạt, đèn và tivi (được đại diện bởi đèn LED đơn) có khả năng điều khiển bật tắt, tạo sự tiện lợi trong việc quản lý môi trường sống.

Ứng dụng chạy trên nền tảng Android cho phép theo dõi thông số cảm biến và điều khiển trạng thái thiết bị bằng giọng nói tiếng Việt Người dùng có thể điều khiển thiết bị một cách thủ công mọi lúc, mọi nơi, miễn là có kết nối Internet.

Ngoài ra, mô hình còn có yêu cầu phi chức năng như sau:

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, vật liệu này nổi bật với độ cứng cáp, nhẹ và bền bỉ Để cắt mica, bạn chỉ cần sử dụng máy cắt CNC hoặc máy laser.

Bộ xử lý trung tâm ESP32 WROOM 32S hỗ trợ nhập xuất tín hiệu số và logic, giao tiếp với nhiều cảm biến, đồng thời 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 cảm biến và điện trở giúp việc ghép nối phần cứng trở nên đơn giản hơn Cảm biến DHT22 được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm, thích hợp cho phòng ngủ, trong khi cảm biến MQ135 đo nồng độ khí độc hại trong không khí, phù hợp cho phòng khách.

Cảm biến MQ2 được sử dụng để đo nồng độ khí gas trong không khí, đặc biệt hữu ích cho nhà bếp, giúp phát hiện sớm các nguy cơ cháy nổ Đồng thời, cảm biến mực chất lỏng Water Sensor có khả năng đo chiều cao mực chất lỏng, từ đó đánh giá tình trạng rò rỉ nước trong các bể nước mô hình, rất phù hợp cho các khu vực như 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 thành sơ đồ khối hệ thống, bước tiếp theo là phát triển mô hình ngôi nhà thông minh Điều này bao gồm việc xây dựng sơ đồ khối chức năng và thiết kế chi tiết cho từng khối chức năng.

3.2.1 Sơ đồ khối chức năng

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

Khối nguồn cung cấp nguồn điện một chiều cho bộ xử lý trung tâm, cảm biến và thiết bị Nó bao gồm các điện áp như 3.3V DC cho ESP32, 5V DC cho các 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, sau đó gửi dữ liệu lên cơ sở dữ liệu.

27 được lưu trên server, nhận tín hiệu điều khiển và điều khiển thiết bị, gửi tín hiệu đến thiết bị hiển thị.

Khối cảm biến gồm các module có khả năng đo lường các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi, khí gas và mực nước Trong khi đó, khối thiết bị bao gồm các thiết bị được điều khiển và các thiết bị hiển thị thông tin.

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 qua IC LM7805 để hạ điện áp xuống 5V Khối nguồn này có hai ngõ ra: một ngõ cung cấp 5V DC cho kit ESP32 và LCD, ngõ còn lại cung cấp 5V DC cho cảm biến Để tránh tình trạng sụt nguồn do nhiều tải, một ngõ vào được sử dụng để lấy điện áp 12V DC nhằm cung cấp nguồn cho quạt.

IC ổn áp LM7805 là một mạch tích hợp cung cấp điện áp ổn định 5V, bất chấp sự thay đổi và thiếu ổn định của điện áp đầu vào Đây là một loại IC điều chế điện áp DC dương, với điện áp đầu ra lớn hơn điện áp nối GND LM7805 được thiết kế với ba chân, giúp dễ dàng kết nối trong các mạch điện.

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, cùng với các header 2P XH2 cung cấp nguồn cho quạt Điện áp từ Adapter được điều khiển qua một Switch, cho phép dễ dàng đóng/mở 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, tăng độ bền cho IC Áp ra được lọc qua tụ không phân cực và tụ phân cực để loại bỏ thành phần xoay chiều không ổn định, giúp giảm nhiễu tín hiệu.

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 đảm nhiệm nhiều chức năng quan trọng, bao gồm tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến, kết nối với wifi và server, gửi dữ liệu cảm biến đến server, cũng như nhận tín hiệu điều khiển để quản lý thiết bị Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm minh họa rõ ràng các hoạt động này.

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

Kit ESP32 Wroom 32S – DEVKIT v1 là sản phẩm phát triển bởi DOIT, sử dụng module ESP-WROOM-32 làm trung tâm điều khiển Board này dựa trên nền tảng ESP32, hỗ trợ kết nối Wifi và Bluetooth, đồng thời cung cấp 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

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

The internal memory specifications include 448 Kbytes of ROM dedicated to booting and core chip functionalities, along with 520 Kbytes of SRAM for instruction data Additionally, there are 8 Kbytes of SRAM classified as RTC SLOW Memory for access by co-processors, and another 8 Kbytes known as RTC FAST Memory, which is utilized for data storage accessible by the CPU during boot from Deep-sleep mode Furthermore, the system features a 1 Kbit EFUSE, comprising 256 bits allocated for system use, including MAC address and chip configuration.

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

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

Giao tiếp ngoại vi bao gồm bộ chuyển đổi ADC 12 bit với 16 kênh, bộ chuyển đổi DAC 8 bit với 2 kênh, và 10 chân để kết nối với cảm biến chạm Hệ thống cũng hỗ trợ giao tiếp IR (TX/RX) và cung cấp ngõ ra PWM cho việc điều khiển motor Ngoài ra, có 16 kênh LED PWM, cảm biến Hall, cảm biến nhiệt độ, 4 cổng SPI, 2 cổng I²C, 3 cổng UART và 2 cổng I²S, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp và điều khiển các thiết bị ngoại vi.

Nhiệt độ hoạt động ổn định: -40°C đến 85°C Điện áp hoạt động: 2.2-3.6V

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, bạn có thể sử dụng trình biên dịch Arduino IDE, được hỗ trợ lập trình và biên dịch bởi nhà phát hành Arduino Việc này giúp bạn dễ dàng viết chương trình và biên dịch cho KIT ESP32.

Hình 3 9: Trình biên dịch Arduino IDE

To set up a board for programming the ESP32, add 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 nhằm 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 nhiệt độ và độ ẩm DHT22 là một trong những loại cảm biến phổ biến trong các mạch điện tử, cho phép giao tiếp hiệu quả với vi điều khiển DHT bao gồm ba dòng cảm biến chính: DHT11, DHT21 và DHT22, trong đó DHT22 được đánh giá là tốt nhất, cung cấp độ chính xác và độ tin cậy cao trong việc đo lường nhiệt độ và độ ẩm.

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 độ NTC (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 tháng 7 năm 2010, Google đã ra mắt App Inventor, một công cụ lập trình trực quan dành cho việc phát triển ứng dụng trên hệ điều hành Android Hiện nay, App Inventor đang được Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) duy trì và phát triển.

Dựa trên nguyên tắc "những gì bạn thấy là những gì bạn có" (WYSIWYG), MIT App Inventor cung cấp một giao diện trực quan và dễ hiểu, cho phép người dùng dễ dàng truy cập vào các chức năng của điện thoại như Bluetooth, camera, GPS và cảm biến Công cụ này giúp người dùng xây dựng ứng dụng Android từ cơ bản đến nâng cao thông qua thao tác kéo - thả, mang lại trải nghiệm lập trình thân thiện và hiệu quả.

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.

Sensors play a crucial role in various applications, including the accelerometer for measuring acceleration, barcode readers for scanning items, timers for tracking time, gyroscopes for detecting orientation, location sensors for determining geographical positions, NFC for enabling contactless communication, pedometers for measuring steps, and proximity sensors for detecting nearby objects.

Lưu trữ tệp tin như txt và csv có thể thực hiện dễ dàng thông qua FusiontablesControl Bạn có thể tạo một cơ sở dữ liệu đơn giản trên điện thoại hoặc lưu trữ trên đám mây bằng cách sử dụng 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:

My projects: quản lý và thao tác với các projects người dùng đã tạo o Tạo một project mới

45 o Nhập một project đã lưu từ máy tính lên MIT App Inventor o Lưu lại project o Xuất file aia từ MIT App Inventor về máy tính

Mục Connect cho phép người dùng kết nối máy tính với các thiết bị di động để thực hiện mô phỏng Có ba phương thức kết nối chính: AI Companion, cho phép kết nối qua mạng Wi-Fi; Emulator, cho phép kết nối trực tiếp với phần mềm mô phỏng trên máy tính; và USB, cho phép kết nối các thiết bị di động thông qua cáp USB.

The build section allows users to export the apk file and download the application It includes an option to provide 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 directly to their computer for offline access.

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 chứa các đối tượng, được chia thành 12 nhóm chính Nhóm giao diện người dùng (User Interface) cung cấp các công cụ 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 làm việc với âm thanh, máy ảnh và ghi âm Nhóm vẽ và chuyển động (Drawing and Animation) cho phép tạo ra chuyển động và tương tác Nhóm bản đồ (Maps) giúp tìm kiếm và sử dụng ứng dụng liên quan đến bản đồ, trong khi nhóm cảm biến (Sensors) cung cấp các chức năng như định vị và đo áp suất Nhóm giao tiếp xã hội (Social) liên quan đến các thao tác về liên lạc và mạng xã hội Nhóm lưu trữ (Storage) cho phép lưu trữ dữ liệu trên bộ nhớ hoặc server, trong khi nhóm kết nối (Connectivity) hỗ trợ kết nối Bluetooth 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 cung cấp 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 sử dụng sẽ được cấp một hoặc nhiều tài khoản theo yêu cầu, do đó, phần đăng nhập sẽ bao gồm chức năng cho phép người dùng đăng nhập và 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 được 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 chuyển từ 0 sang 1 hoặc ngược lại Giá trị trạng thái mới sẽ được lưu vào các biến lưu trữ và được gửi lên server 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, cung cấp các API mạnh mẽ và dễ sử dụng Nền tảng này hỗ trợ 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 dễ dàng tương tác với cơ sở dữ liệu thông qua các API đơn giản Mục tiêu của Firebase là tăng cường số lượng người dùng và tối ưu hóa lợi nhuận Dịch vụ này không chỉ đa năng mà còn bảo mật cao, hỗ trợ cả nền tảng Android và iOS, lý do khiến nhiều lập trình viên lựa chọn Firebase làm nền tảng phát triển ứng dụng cho hàng triệu người dùng toàn cầu.

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 trên Firebase để phát triển ứng dụng Dữ liệu được lưu trữ dưới dạng JSON và đồng bộ hóa liên tục đến tất cả các kết nối client, đảm bảo rằng mọi ứng dụng đa nền tảng đều sử dụng chung một cơ sở dữ liệu Mọi cập nhật dữ liệu mới nhất sẽ tự động diễn ra khi các lập trình viên phát triển ứng dụng Đặc biệt, dữ liệu được truyền qua kết nối SSL an toàn với chứng nhận 2048 bit Trong trường hợp mất mạng, dữ liệu sẽ được lưu trữ tạm thời trên local và tự động cập nhật lên Server khi có kết nối trở lại.

Firebase Bên cạnh đó, đối với các dữ liệu ở local cũ hơn với Server thì cũng tự động cập nhật để được dữ liệu mới nhất.

Firebase Authentication nổi bật với khả năng xác thực người dùng qua nhiều nền tảng như Email, Facebook, Twitter, GitHub và Google, đồng thời hỗ trợ xác thực nặc danh cho các ứng dụng Chức năng xác thực 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 tính năng xác thực người dùng qua nhiều nền tảng như Email, Facebook, Twitter, GitHub và Google, đồng thời hỗ trợ xác thực nặc danh cho các ứng dụng Chức năng xác thực này giúp bảo vệ thông tin cá nhân của người dùng, đảm bảo an toàn và ngăn chặn việc đánh cắp tài khoản.

Firebase Hosting cung cấp dịch vụ lưu trữ an toàn thông qua công nghệ SSL, sử dụng mạng phân phối nội dung (CDN) để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy.

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, từ đó tăng tốc quá trình phát triển ứng dụng.

Firebase cung cấp một nền tảng đám mây an toàn, sử dụng giao thức bảo mật SSL để bảo vệ kết nối Hệ thống cho phép phân quyền người dùng cơ sở dữ liệu thông qua Javascript, từ đó nâng cao tính bảo mật cho các ứng dụng.

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

Firebase đảm bảo sự ổn định cho các ứng dụng nhờ vào nền tảng cloud mạnh mẽ của Google, giúp chúng hoạt động liên tục và hiệu quả Thêm vào đó, việc nâng cấp và bảo trì server trở nên dễ dàng, 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 có nhiều ưu điểm, nhưng phần Realtime Database, cụ thể là phần Database, có cấu trúc tổ chức theo kiểu cây (trees) với mối quan hệ cha-con (parent-children), khác với kiểu bảng (table) trong SQL Điều này có thể gây khó khăn cho những người đã quen thuộc với SQL, từ mức độ nhẹ đến khá nặng.

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 Cloud Firebase.

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 là một thông tin nhạy cảm và cần được bảo mật Do đó, không nên chia sẻ API key với bất kỳ ai để đảm bảo an toàn cho dữ liệu.

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: Cho phép nhập và xuất dữ liệu để phục vụ cho việc điều khiển và giám sát, Firebase Database sẽ được cấu hình ở chế độ thử nghiệm Sau khi tạo xong cơ sở dữ liệu, 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 được triển khai trên nền tảng Node JS, một nền tảng Server Side dựa trên Javascript Engine Cấu trúc dữ liệu này bao gồm hai thành 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 quan trọng về 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 thường được điều khiển thông qua việc bật tắt các thiết bị bằng cách nhấn phím hoặc sử dụng giọng nói qua ứng dụng điện thoại, tùy thuộc vào nhu cầu của người 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 hoạt động với độ chính xác cao Mặc dù đôi khi ứng dụng Android không nhận diện chính xác lệnh điều khiển do phát âm chưa chuẩn, nhưng phần điều khiển bằng tay vẫn hoạt động nhanh chóng và chính xác Chúng em cũng đang tiến hành 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 trong ngôi nhà thông minh được thiết kế với đầy đủ chức năng giám sát trực quan, điều khiển ánh sáng và cảnh báo an ninh Người dùng có thể điều khiển hệ thống này thông qua ứng dụng Android, cho phép điều khiển từ xa bằng tay hoặc 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 sống của các gia đình ngày càng cải thiện, cùng với sự tiến bộ trong công nghệ và sản xuất thiết bị điện, giá thành sản phẩm sẽ giảm Do đó, ứng dụng ngôi nhà thông minh tại Việt Nam dự kiến sẽ ngày càng phổ biến và trở thành xu hướng trong tương lai.

Mô hình ngôi nhà thông minh cho phép quản lý và giám sát thiết bị điện tử một cách tự động và thuận tiện, giúp tiết kiệm thời gian và công sức kiểm tra an ninh Nghiên cứu này mở ra nhiều ý tưởng thiết thực và có thể triển khai vào 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 đòi hỏi thời gian và công sức, vì có nhiều phương pháp để nâng cao tính 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 với nhiều tính năng khác nhau.

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 hy vọng nhận được sự góp ý từ các thầy cô và bạn bè Điều này sẽ giúp chúng em xây dựng một ngôi nhà thông minh hơn với khả năng điều khiển tối ưu, từ đó áp dụng hiệu quả vào cuộc sống hàng ngày.