Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua ip camera

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua ip camera

Nguyễn Đình Anh Cương

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU

KHIỂN NHÀ THÔNG MINH:

NHẬN DIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN TRẠNG THÁI VẬT

THỂ QUA IP CAMERA

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

HÀ NỘI - 2009

Nguyễn Đình Anh Cương

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU

KHIỂN NHÀ THÔNG MINH:

NHẬN DIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN TRẠNG THÁI VẬT

THỂ QUA IP CAMERA

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Hà Cán bộ đồng hướng dẫn: Th.S Vũ Quang Dũng

HÀ NỘI - 2009

Nguyen Dinh Anh Cuong

BUILDING A MONITOR AND CONTROL SMART

HOUSE SYSTEM:

DETECT AND CONTROL DEVICES THROUGH

IP CAMERA

GREDUATION THESIS Major field: Information Technology

Supervisor: Nguyễn Việt Hà, Dr Eng Co-supervisor: Vũ Quang Dũng, Master

HA NOI - 2009

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn tới thầy giáo TS Nguyễn Việt Hà và ThS Vũ Quang Dũng, hai thầy đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian làm khóa luận vừa qua

Em cũng xin bày tở lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin – Trường Đại học Công nghệ -Đại học Quốc gia Hà Nội Các thầy cô

đã luôn nhiệt tình dạy dỗ và tạo điều kiện cho chúng em học tập và nghiên cứu trong suốt những năm học đại học

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên trong tập thể lớp K50CA và lớp CNPM, các bạn trong phòng thí nghiệm Toshiba đặc biệt là các bạn trong nhóm nghiên cứu về xây dựng mô hình nhà thông minh là bạn Nguyễn Văn Hiển và bạn Trần Duy Hưng, đã cho tôi những ý kiến đóng góp giá trị khi thực hiện đề tài này Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người luôn ở bên động viên

và tạo điều kiện cho tôi thực hiện tốt khóa luận này

Hà Nội, ngày 20/05/2009

Nguyễn Đình Anh Cương

TÓM TẮT

Nhà thông minh đang là một xu hướng đang phát triển trong việc xây dựng các công trình nhà ở, các căn hộ, hay các trung tâm thương mại Từ lâu, nó đã là một đề tài thu hút được nhiều sự quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học cũng như cộng đồng Với tiêu chí đó, khóa luận này sẽ trình bày về cách xây dựng mô hình một hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh sử dụng PPC ( Pocket Personal Computer) Trong đó, đưa ra một cách nhận diện và xác định vị trí của các đồ vật thiết

bị trong nhà thông qua ảnh số thu được từ camera Điều này sẽ giúp tăng khả năng tương tác với chúng thông qua các công cụ điều khiển Ngoài ra, khóa luận cũng sẽ cung cấp một cách tiếp cận đơn giản trong việc kết nối và điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua một máy tính duy nhất

Từ khóa: nhà thông minh, nhận diện đối tượng trong ảnh số

ABSTRACT

Smart house or home automation is one of the up and coming trend in developing buildings such as residential houses, apartments, and commercial businesses For a long time, it is a topic attracting much attention and research of science and the community Thus, this bachelor thesis will show how to build a model system to monitorand control the smart house with PPC (Pocket Personal Computer)

In particular, it proposes a method to identify and determine the positions of the objects through a number of images from the camera This will help increase the ability to interact with them through the control devices In addition, the thesis also will provide a simple approach to connect and control devices in the home through a single computer

Keywords : smart house, home automation, identify objects in images, detect

object in digital images

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTRACT iii

MỤC LỤC iv

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

Chương 1 Đặt vấn đề 2

1.1 Lý do chọn đề tài 2

1.2 Phạm vi nghiên cứu và hướng tiếp cận 4

1.2.1 Nhận diện đối tượng trong ảnh số thu được từ camera 5

1.2.2 Điều khiển các thiết bị trong gia đình từ máy tính 5

1.3 Nội dung và cấu trúc khóa luận 6

Chương 2 Các cơ sở lý thuyết 7

2.1 Tính toán khắp nơi và các ứng dụng 7

2.1.1 “Tính toán khắp nơi” là gì? 7

2.1.2 Vị trí của “Tính toán khắp nơi” 7

2.2 Tổng quan về nhà thông minh 8

2.2.1 Định nghĩa nhà thông minh 8

2.2.2 Các ưu điểm của nhà thông minh 8

2.3 Một số khái niệm trong xử lý ảnh và bài toán nhận diện đối tượng trong ảnh 9 2.3.1 Không gian màu HSV 9

2.3.2 Các cách tiếp cận bài toán nhận diện đối tượng trong ảnh 15

2.4 Các giao thức và mô hình kết nối 16

2.4.1 Giao thức Bluetooth 16

2.4.2 Giao thức wireless chuẩn B/G 17

Chương 3 Mô hình hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 21

3.1 Bài toán và mô hình chung của hệ thống 21

3.1.1 Hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 21

3.1.2 Mô hình đề xuất 21

3.2 Các thành phần của hệ thống và các giải pháp 22

3.2.1 Bài toán nhận diện đối tượng trong ảnh số 22

3.2.2 Kết nối và tương tác với PPC 28

3.2.3 Điều khiển các thiết bị điện điện tử từ máy tính 31

Chương 4 Thực nghiệm và chương trình demo 32

4.1 Cấu trúc của chương trình demo 32

4.2 Các thành phần chính và thực nghiệm trong chương trình demo 33

4.2.1 Mô đun nhận và xử lý ảnh từ camera 33

4.2.2 Mô đun kết nối và tương tác với PPC 38

4.2.3 Mô đun điều khiển các thiết bị điện, điện tử từ máy tính 38

4.3 Một số hình ảnh và mô tả về chương trình demo 39

4.4 Kết quả và đánh giá 44

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển 45

5.1 Kết luận 45

5.2 Hướng phát triển của đề tài 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

RGB Red Green Blue

Tên một không gian màu cơ sở sử dụng trong máy tính

HSV Hue Saturation Value Tên một không gian

màu

PPC Pocket Personal Computer

OBEX Object Exchange Giao thức truyền đối

tượng qua Bluetooth

PC Personal computer

ID Identifier

IP Internet Protocol Giao thức mạng

internet

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình nhà thông minh 4

Hình 2.1: Dải mầu xám 10

Hình 2.3: Mặt phẳng màu ứng với một độ sáng 11

Hình 2.4: Sự thay đổi độ sáng theo tia phân giác 11

Hình 2.5: Mặt phẳng phân bố màu 12

Hình 2.6: Phân bố độ xám 13

Hình 2.7: Mô tả độ xám 14

Hình 2.8: Hệ màu HSV 15

Hình 2.9: Giao thức Obex 17

Hình 2.10: Mô hình mạng cơ sở 19

Hình 2.11: Mô hình mạng Ad-hoc 20

Hình 3.1: Mô hình hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 21

Hình 3.2: Mô hinh thuật toán nhận diện đối tượng trong ảnh số 24

Hình 3.3: Một mẫu kí hiệu đánh dấu 26

Hình 3.4: Mộ mẫu kí hiệu đánh dấu khác 27

Hình 4.1: Các kí hiệu sử dụng 33

Hình 4.2: Biểu đồ phân bố các màu đỏ, vàng, xanh rêu, xanh lam trong hệ màu HSV 34 Hình 4.3: Một số ví dụ về kết quả nhận diện 36

Hình 4.4: Một số ví dụ về kết quả nhận diện 37

Hình 4.5: ConsolerServer khi khởi động 40

Hình 4.6: Màn hình đăng nhập 41

Hình 4.7: Hình ảnh đã nhận diện được tái hiện trên PPC 42

Hình 4.8: Bảng điều khiển thiết bị 43

Hình 4.9: ConsolerServer khi nhận lệnh điều khiển từ PPC 43

Hình 4.10: Thiết bị điều khiển trung gian 44

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Bảng so sánh Wireless B/G và Bluetooth 28 Bảng 4.1: Bảng phân bố màu tập trung 35 Bảng 4.2: Kết quả nhận diện 37

Chương 1 Đặt vấn đề

Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung mà công nghệ thông tin nói riêng góp một phần không nhỏ trong sự thay đổi và phát triển của cuộc sống con người Chiếc máy vi tính ngày càng có nhiều những chức năng mạnh mẽ giúp ích con người thực thi các công việc trong rất nhiều lĩnh vực như khoa học, sản xuất công nghiệp hay các lĩnh vực xã hội khác như kinh tế, chính trị, văn hóa

Không chỉ máy tính, sự phát triển chóng mặt của các thiết bị di động cầm tay cũng tác động không nhỏ đến đời sống của con người Những chiếc PDA nhỏ gọn, thông minh không chỉ giúp mọi người liên lạc với nhau dễ dàng hơn, mà nó còn cung cấp rất nhiều những tính năng hữu ích khác như các ứng dụng văn phòng, giải trí, khả năng kết nối mạng để tìm hiểu thông tin Với những tính năng mạnh mẽ ấy cộng với giá thành vừa phải đã khiếp các thiết bị này trở nên rất phổ biến và như vật bất ly thân của rất nhiều người

Sự ra đời của các mạng máy tính mà điển hình là internet là bước cách mạng trong truyền thông Các công nghệ mạng ngày càng đa dạng phong phú với những bước tiến nhảy vọt như mạng toàn cầu, mạng không dây chúng giúp con người hay

cụ thể hơn là giúp kết nối các hệ thống máy tính riêng lẻ lại với nhau tạo ra ra sự liên kết bền chặt trong việc trao đổi thông tin

Kinh tế phát triển, đời sống được nâng cao, nhu cầu của cong người về một cuộc sống thoải mái, an toàn, tiện nghi là điều tất yếu Chính vì vậy, ý tưởng về nhà thông minh (SmartHomes, SmartHouses, hay Home Automation ) đã ra đời như là ý tưởng

về một ngôi nhà thân thiện với các thiết bị vận hành một cách tự động theo ý muốn hay trang thái của chủ nhân

Ý tưởng trên là một ý tưởng thực sự khả thi và đem lại nhiều lợi ích cho con người và nó đã được rất nhiều các nhà khoa học, các tổ chức trong và ngoài nước quan tâm phát triển Nhà thông minh là một ý tưởng tương đối rộng, nó có thể bảo gồm từ những thiết bị điều khiển đơn giản như điều khiển ti vi bằng điều khiển từ xa cho đến những điều khiển tự động bằng cảm ứng như thay đổi ánh sáng, nhiệt độ phòng tùy theo sở thích của chủ nhân hay thay đổi đề phù hợp với các điều kiện thời tiết thay đổi

để tạo sự dễ chịu nhất cho chủ nhân Cũng vì sự đa dạng ấy nên cũng đã có rất nhiều những kĩ thuật khác nhau đã từng được áp dụng trong các giải pháp về nhà thông minh như điều khiển ánh sáng và khí hậu, điều khiển đóng mở cửa, những hệ thống an ninh

và giám sát, điều khiển hệ thống âm thanh giải trí trong gia đính hay các hệ thống tự động chăm sóc vườn cây Và các thành phần để triển khai những kĩ thuật này có một

số loại như sau: các thiết bị điều khiển bằng phần cứng (hardware controller), các phần mềm điều khiển (software controller), các thiết bị cảm ứng (sensors) Việc kết nối các thành phần này cũng sử dụng rất nhiều loại môi trương truyền dân đa dạng như: có dây (cáp quang, cáp mạng, đường dây điện ) hay không dây (các loại sóng radio bao gồm wi-fi, GPRS, bluetooth, .; tín hiệu hồng ngoại )

Với các công nghệ và cách thức áp dụng dựa trên những công nghệ trên đã có một số công ty, tổ chức đưa ra hệ thống nhà thông minh hay các thiết bị thành phần trong nhà thông minh Trong đó có những công ty triển khai những sản phẩm thông minh mang tính thương mại cho từng công việc trong gia đình, công sở Ngoài ra cũng

có một số dự án nghiên cứu của cộng đồng mà nguồn mở về đề tài này như dự án HCS- Home Control System [5], được phát triển từ năm 2004 đến năm 2007, dự án này xây dựng một hệ thống điều khiển cản nhà dựa trên một mạng các thiết bị với những nốt thông minh và một thiết bị điều khiển chủ N Nó có thể điều khiển các thiết

bị số cũng như các thiết bị tương tự Một cách đơn giản, kiến trúc của nó gồm một bộ

xử lý trung tâm kết nối với các mô đun chức năng (sẽ là các thiết bị cần điều khiển) thông qua một mạng Việc điều khiển các mô đun được thực hiện bởi bộ xử lý trung tâm Đặc điểm chính của hệ thống này là đa phần được thực hiện bởi phần cứng (các mạnh, bộ vi xử lý ) Một dự án khác cũng đang được phát triển hiện tại là OpenRemote [6], thành phần chính của giải pháp này là một gói các sản phầm phần mềm và phần cứng bao gồm: một phần mềm giao diện được phát triển trên các thiết bị

có màn hình cảm ứng (hiện tại đang tập trung vào màn hình cảm ứng của dòng điện thoại iPhone) có chức năng nhận lệnh điều khiển từ người dùng; một phần mềm điều khiển chức năng là nhận lênh từ thiết bị điều khiển và kết nối tới các thiết bị vật lý (hiện nay nó có hỗ trợ chuẩn X10 – một chuẩn công nghệ sử dụng trong truyền thông giữa các thiết bị điện tử thường dùng trong các hệ thống nhà tự động); một thành phần nữa đó là thành phần tích hợp vào trong các thiết bị điện tử để cho phép chúng có thể kết nối được với hệ thống

Những dự án trên cho thấy, các hệ thống nhà thông minh đã phát triển một cách khá rộng rãi và đạt được nhiều thành tựu lớn trên thế giới Tuy nhiên trong phạm vi nước ta, theo tìm hiểu của chúng tôi, thì các các ứng dụng hay các sản phẩm thuộc về

ý tưởng nhà thông minh mới chỉ phát triển ở mức hạn chế, đa phần là cung cấp và triển

khai các sản phẩm của nước ngoài một cách riêng lẻ rời rạc, chưa đưa ra được những giải pháp mang tính hệ thống, những giải pháp hoàn chỉnh

Hình 1.1 Mô hình nhà thông minh

Từ thực trạng trên chúng tôi muốn đưa ra mô hình của một hệ thống tính toán khắp nơi thực hiện công việc giám sát và điều khiển một căn nhà thông minh sử dụng camera và PPC (hình 1.1) Hình ảnh thu được từ camera sẽ được server (có thể chỉ là một máy tính trong mạng LAN của một gia đình) xử lý và nhận diện các thiết bị có trong hình sau đó hình ảnh này cùng với tọa độ của các thiết bị sẽ được truyền tới PPC thông qua một giao thức mạng không dây, hình ảnh sẽ được tái hiện lên màn hình cảm ứng của PPC Tại đây người dùng có quan sát trạng thái và chọn thiết bị sau đó ra lệnh điều khiển, lập tức các tín hiệu điều khiển này sẽ được truyền trả về server, server sẽ phân tích và điều khiển thiết bị thực tế đã được kết nối với server qua một giao thức mạng Một ứng dụng vừa cho phép kiểm soát an ninh, tai nạn có thể xảy ra bất thường trong nhà, vừa cho phép điều khiển các thiết bị để có một cuộc sống tiện nghi,

tự động

1.2 Phạm vi nghiên cứu và hướng tiếp cận

Đề tài đưa ra một mô hình tổng quát của hệ thống giám sát và điều khiển một căn nhà thông minh Tuy nhiên trong phạm vi khóa luận này, chúng tôi xin được tập trung vào hai thành phần chính của hệ thống đó là mô đun xử lý hình nhận về từ camera và

mô đun điều khiển các thiết bị điện trong gia đình được kết nối với máy tính Thành phần còn lại là kết nối và điều khiển từ PPC sẽ được thực hiện bởi một bạn khác trong nhóm

1.2.1 Nhận diện đối tượng trong ảnh số thu được từ camera

Như đã biết, nhận diện các đối tượng trong ảnh là một phần rất căn bản và quan trọng trong công nghệ phân tích và xử lý ảnh Việc nhận diện các đối tượng trong ảnh

số một cách tự động giúp máy tính lấy được nhiều thông tin ngữ nghĩa hơn từ những bức ảnh Điều này có ý nghĩa đặt biệt quan trọng trong những bài toán phân lớp một khối lượng ảnh lớn theo các thuộc tính được quan tâm như chủ đề, sự phân bố màu sắc

Để giải quyết bài toán nhận diện này thông thường có hai cách tiếp cận đó là sử dụng các phương pháp học máy và sử dụng các bộ luật do người phát triển tự định nghĩa Cách thứ nhất có ưu thế về độ chính xác, nhưng lại tương đối phức tạp cần khối lượng tính toán lớn, thời gian thực hiện cũng khá cao Còn cách thứ hai có ưu thế về tính đơn giản, thời gian thực hiện, nhưng độ chính xác không ổn định Với yêu cầu của bài toán là nhận diện các đối tượng đã chỉ định sẵn nên chúng tôi quyết định sử dụng cách tiếp cận thứ thứ hai để tận dụng ưu thế về thời gian cũng như dễ dàng trong cài đặt và thực hiện

Phương pháp này sẽ dựa trên ý tưởng kết hợp việc đánh dấu các đối tượng cùng với đưa ra một bộ luật để nhận diện các đối tượng này trong ảnh thu được từ camera Cách này phù hợp với hoàn cảnh thực hiện, nó có thể được phát triển trong thời gian không quá dài Hơn nữa với bài toán xử lý ảnh trong giám sát thuật toán còn cần khả năng đáp ứng về mặt thời gian nên ưu thế về tốc độ của phương pháp này đáng để lựa chọn

1.2.2 Điều khiển các thiết bị trong gia đình từ máy tính

Ngày nay, các thiết bị điện trong gia đình ngày càng phong phú đa dạng, từ những thiết bị đơn giản như đèn, quạt điện hay đến những thiết bị hiện đại như ti vi, tủ lạnh, điều hòa nhiệt độ, bình nóng lạnh Dễ thấy các thiết bị này đã có rất nhiều những phương thức điều khiển đơn giản và hiệu quả như sử dụng điều khiển từ xa, các chức năng hẹn giờ tắt giờ bật Nhưng đa số chúng chỉ được điều khiển một cách đơn

lẻ, riêng biệt, chưa có phương thức cho phép kết nối chung lại một khối và có thể điều khiển một cách tập trung Ở khía cạnh công nghệ, điều này hoàn toàn có thể thực hiện được nếu các nhà sản xuất cung cấp thêm các phương thức kết nối và điều khiển để

cho phép chúng có thể kết nối tới máy vi tính, một thiết bị đặc biệt với những chức năng mạnh mẽ trong việc tính toán xử lý và phối hợp các hành động Tuy nhiên, do nhiều lý do thực tế mà hiện tại điều này chưa được triển khai trên các thiết bị hiện nay

Và để giải quyết vấn đề này, trong phạm vi khóa luận này, chúng tôi có sử dụng một thiết bị trung gian có khả năng kết nối với máy tính và các thiết bị điện trong gia đình, đồng thời cho phép nhận lệnh từ máy tính để điều khiển một số tính năng đơn giản, cơ bản nhất của thiết bị như tắt, bật

1.3 Nội dung và cấu trúc khóa luận

Chương 1: Đặt vấn đề

Giới thiệu chung về khái niệm nhà thông minh, tình hình, thực trạng của các công nghệ sử dụng trong việc xây dựng và phát triển các hệ thống về nhà thông minh trong và ngoài nước hiện nay Đưa ra mô hình đề xuất về việc xây dựng một hệ thống ứng dụng tính toán khắp để thực hiện giám sát và điều khiển nhà thông minh sử dụng camera và PPC Đồng thời cũng đưa ra phạm vi nghiên cứu cũng như hướng tiếp cận của các bài toán nhỏ Từ đó chương này giới thiệu về nội dung mà chúng tôi nghiên cứu và thực hiện thông qua việc trình bày về nội dung và cấu trúc khóa luận

Chương 2 trình bày về các cơ sở lý thuyết được áp dụng để xây dựng nên mô hình đã đề xuất, cũng như các lý thuyết để áp dụng trong việc giải quyết các bài toán nhở

camera và PPC

Trình bày mô hình, các thành phần chính cũng như các giải pháp kĩ thuật được sử dụng được chúng tôi đề xuất để giải quyết bài toán đặt ra

Chương 4: Thực nghiệm và Demo

Giới thiệu về chương trình demo thực hiện mô hình đã đặt ra

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai

Chương 2 Các cơ sở lý thuyết

2.1 Tính toán khắp nơi và các ứng dụng

2.1.1 “Tính toán khắp nơi” là gì?

Tính toán khắp nơi (Ubiquitous computing) là một khái niệm kỹ thuật để chỉ một

xu hướng trong việc phát triển các phương pháp tính toán Thay vì chúng ta tính toán

xử lý trong một chiếc máy tính để bàn hay máy tính xách tay của mình, thì kỹ thuật này sẽ cho phép chúng ta đưa việc tính toán vào chính môi trường sống của mình, hay nói một cách đơn giản là việc tính toán xử lý sẽ được thực hiện mọi lúc mọi nơi

Mark Weiser, người đầu tiên đưa ra khái niệm về tính toán khắp nơi đã nói:” Tính toán khắp nơi để chỉ làn sóng thứ ba trong công nghệ tính toán, nó đang bắt đầu Làn sóng đầu tiên là các máy tính lớn, mỗi máy được chia sẻ bởi nhiều người sử dụng Còn bây giờ là kỉ nguyên của máy tính cá nhân, nơi mà con người và máy móc không

dễ gì hiểu nhau qua giao diện làm việc Tiếp theo sẽ là tính toán khắp nơi, hay thời đại của "công nghệ lặng lẽ", khi mà kĩ thuật lùi xuống làm nền cho cuộc sống của chúng ta.”[7]

Mark Weiser cũng mô tả rằng: ”hãy tưởng tượng rằng mỗi con người có hàng trăm các thiết bị không dây xung quanh với đủ các kích cỡ khác nhau (màn hình từ cỡ

1 inch cho đến lớn bằng cả bức tường), khi đó đòi hỏi phải có những hệ điều hành mới, những giao diện người dùng mới, những công nghệ mạng, các cách hiển thị mới,

và rất nhiều những việc cần làm khác Đó chính là “tính toán khắp nơi”.”

Trong thế giới của tính toán khắp nơi, sẽ có một công nghệ đồng nhất được áp dụng, nó được triển khai trên tất cả các thiết bị mà ta sử dụng kể cả không gian Ý tưởng của công nghệ này khẳng định tính toán sẽ trở nên một công cụ hết sức tự nhiên, mạnh mẽ và có ích với tất cả những ai sử dụng nó

2.1.2 Vị trí của “Tính toán khắp nơi”

Với ý nghĩa và tiềm năng to lớn của nó, tính toán khắp nơi đang được nghiên cứu

và phát triển cùng với rất nhiều những lĩnh vực của công nghệ thông tin như tính toán phân tán (distributed computing), tính toán di động (mobile computing), tương tác người máy (human-computer interaction), trí tuệ nhân tạo (artifacial intelligence)

2.2 Tổng quan về nhà thông minh

2.2.1 Định nghĩa nhà thông minh

Nhà thông minh (tiếng Anh: smart-home hoặc intelli-home, home automation) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hoá hoàn toàn hoặc bán tự động, nó thay thế con người trong việc thực hiện một số thao tác quản lý, điều khiển…

Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà như các thiết bị phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển từ xa hoặc lập trình cho chúng hoạt động theo lịch Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau… (Wikipedia [8])

Một ngôi nhà thông minh đầy đủ, thường bao gồm các tính năng:

 Phân phối đa phương tiện, là một rạp hát gia đình

 Điều khiển việc chiếu sáng, mành, rèm

 Giám sát, điều khiển môi trưởng (nhiệt độ, độ ẩm…)

 Có khả năng liên lạc giữa các phòng

 Giám sát, điều khiển camera an ninh

 Giám sát và điều khiển từ xa

2.2.2 Các ưu điểm của nhà thông minh

Nhà thông minh sử dụng các thiết bị và công nghệ tự động hóa, thông minh hóa, giúp cho con người nhàn hạ hơn trong sinh hoạt hằng ngày Nói cách khác, đây là hệ thống giúp chủ nhân tận hưởng sự tiện nghi của cuộc sống và dễ dàng quản lý tổng quát đối với cả tòa nhà Chỉ với một chiếc điều khiển từ xa, chúng ta có thể điều khiển tất cả, dù đang ở bất kỳ nơi nào Chúng ta có thể tưởng tượng ra hiệu quả mà nhà thông minh mang lại thông qua những hoạt động rất gần gũi, chẳng hạn như nằm trên giường để mở cổng; sẽ không còn chuyện bị ngã do không nhìn thấy đường bởi đèn cầu thang sẽ tự sáng lên khi có người; hệ thống đèn trong phòng, bếp, bình nước nóng sẽ hoạt động đúng giờ đã định; toàn bộ hệ thống đèn sẽ tự tắt sau khi không

cần thiết; khống chế nhiệt độ chênh lệch giữa bên ngoài và trong nhà và còn rất nhiều tiện ích khác

Không chỉ điều khiển được trong phạm vi ngôi nhà, công nghệ này còn cho phép tích hợp điều khiển qua điện thoại (cố định hoặc di động), internet hay PDA Vì vậy, mọi sinh hoạt có thể được kiểm soát dù chúng ta đang ở công sở hay ngoài đường Không chỉ riêng các ngôi nhà nhỏ, chúng ta hoàn toàn có thể thông minh hóa bất kỳ một không gian sống nào, kể cả trụ sở văn phòng, siêu thị, trung tâm thương mại, khách sạn, nhà hàng, nhà xưởng sản xuất, ngân hàng, bệnh viện hay các khu phức hợp khác nếu lựa chọn công nghệ phù hợp

2.3 Một số khái niệm trong xử lý ảnh và bài toán nhận diện đối tượng trong ảnh

2.3.1 Không gian màu HSV

Màu sắc là một phần rất quan trọng các công nghệ xử lý ảnh Để biểu diễn màu sắc trên máy tính cũng có rất nhiều dạng khác nhau tùy thuộc theo yêu cầu cần sử dụng Phần này sẽ giới thiệu sơ bộ về không gian màu cơ bản RGB và không gian màu HSV [9]

2.3.1.1 Không gian màu RGB

Do cấu tạo của các thiết bị phần cứng nên các điểm ảnh thường được đặc trưng bởi ba thành phần màu cơ bản đó là Red, Green và Blue Một thành phần thường được định nghĩa bới 1 byte(tức là có 256 giá trị từ 0 đến 255) Sự kết hợp của 3 thành phần này sẽ cho ta màu sắc của 1 điểm ảnh bất kì

Ví dụ: R=G=255, B=0 ta có màu vàng

R=G=B=0 ta có màu đen

R=G=B=255 ta có mày trắng

2.3.1.2 Không gian màu HSV

 Hue (H): độ đo màu được tổng hợp từ 3 thành phần màu Đỏ(Red), Xanh lam (blue), xanh lá cây (Green) của một điểm ảnh

 Saturation (S): chỉ độ xám của điểm ảnh VD: Cùng là một màu nhưng có màu xám và có màu trong

 Value (V): Chỉ độ sáng của điểm ảnh

Mối quan hệ giữa hệ màu RGB và hệ màu HSV:

Giả sử ta cần một dải màu biểu diễn độ xám (grayscale), đơn giản ta sẽ có 1 chuỗi điểm liên tục mà tại mỗi điểm các chỉ sổ R = G= B và tăng dần từ 0->255: ta sẽ

có một dải từ đen-> trắng (như hình 2.1)

Hình 2.1: Dải mầu xám

Nếu coi hệ màu RGB tương đương với 1 hệ trục tọa độ đề các (R=x, G=y, B=z) thì có thể thấy Graysclale chính là 1 đường thẳng nối 1 điểm (0,0,0) với (255, 255, 255) Ta sẽ coi đây là một tia tạm gọi là tia phân giác

Hình 2.2: Hệ trục tọa độ Đề Các với các hệ mầu RGB

Độ sáng: Độ sáng của một điểm ảnh được tính theo tổng giá trị của 3 thành phần màu RGB, theo đó một điểm ảnh có chỉ số R+G+B lớn hơn thì sẽ sáng hơn Để ý thấy phương trình x+y+z =V chính là phương trình của một mặt phẳng(xem hình 2.3)

Hình 2.3: Mặt phẳng màu ứng với một độ sáng

Nếu di chuyển các mặt phẳng dọc từ (0,0,0) đến (255,255,255) chỉ có độ sáng của điểm ảnh thay đổi còn các thành phần màu không đổi: đỏ vẫn đỏ, xanh vẫn xanh (xem hình 2.4)

Hình 2.4: Sự thay đổi độ sáng theo tia phân giác

Chính vì vậy, ta sẽ định nghĩa tia phân giác chính là độ đo độ sáng V (Value) trong hệ màu HSV của điểm ảnh Giá trị tứ 0 đến 1

Xét một mặt phẳng ta sẽ thấy, các điểm có độ sáng như nhau Điểm màu xám sẽ

là điểm chính giữa nơi mặt phẳng này cắt tia phân giác (hình 2.5)

Hình 2.5: Mặt phẳng phân bố màu

Nếu vẽ một vành màu với tâm là điểm màu xám nằm trên tia phân giác ta sẽ thấy

sự khác nhau giữa các màu sắc sẽ được đánh giá theo phần mà nó nằm trên khuyên tròn Nếu quy ước là Red ứng với 0 độ, Green 120 độ, và Blue là 240 độ Với quy ước này ta sẽ có màu đỏ ứng với 0 độ, vàng ứng với góc 60 độ, màu cam sẽ ở khoảng góc

30 độ Giá trị này sẽ ứng với độ đo màu sắc H (Hue)trong hệ màu HSV

Thành phần còn lại của hệ màu HSV là S (Saturation), độ đo độ xám của điểm ảnh

 Điểm đỏ nhất (pure red) là (V, 0, 0)

 Điểm màu xám với cùng độ sáng sẽ là (V/3, V/3, V/3)

 Điểm nửa đỏ nửa xám sẽ là (V*2/3, V/6, V/6)

Tổng kết: Tóm lại ta có thể thay thể hệ màu RGB với bằng một hệ màu mới với

hệ tọa độ là một hình nón Các màu sắc theo đó sẽ được mô tả như sau:

 Độ sáng: V trong khoảng 0(đen)-100(trắng)

 Độ xám hay độ sắc nét của màu: S với 0 là xám

 Màu sắc: được xác định thông qua góc H (0 ứng với màu đỏ, 60 với vàng,

120 xanh lá, 240 xanh lam )

Hình 2.8: Hệ màu HSV

2.3.2 Các cách tiếp cận bài toán nhận diện đối tượng trong ảnh

Đã có rất nhiều những nhà nghiên cứu, tổ chức quan tâm nghiên cứu và đưa ra các cách tiếp cận khác nhau để giải quyết bài toán này Trong đó có một vài cách tiếp cận phổ biến như: thu thập một lượng dữ liệu về hình ảnh lớn chứ đối tượng và thực hiện việc huấn luyện thông qua học máy Ví dụ nghiên cứu của: H Schneiderman và

T Kanade A Statistical Method for 3D object detection applied to faces and cars In Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, năm 2000 [4]; hay H Rowley, S Baluja, T Kanade Rotation Invariant Neural Network-Based Face Detection In Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 1998 [3] ) Tuy nhiên cách này đòi hỏi việc phải thu thập một lượng lớn dữ liệu thực tế của một đối tượng, điều này là thực sự khó khăn nếu ta tiến hành trên một nhóm các loại đối tượng khác nhau Hơn nữa việc đưa ra những phương pháp học máy cũng đòi hỏi không ít thời gian và công sức Do đó có một cách tiếp cận khác đó là đưa ra một bộ luật cho những đặc điểm của đối tượng, cách này sử dụng tri thức của người phát triển nhiều hơn so với sức mạnh của máy tính Tuy nhiên, để đưa ra được những bộ luật như vậy cần rất nhiều hiểu biết cũng như những nghiên cứu chính xác đặc điểm của loại đối tượng cần nhận diện Một kết quả nhận diện tốt phụ thuộc rất nhiều vào bộ luật cho từng loại đối tượng Ví dụ như nghiên cứu của Crandall David J và Luo Jiebo đưa ra một cách tiếp cận để nhận diện các đối tượng có sự kết hợp của các màu sắc một cách cố định như các loại cờ, nhân vật hoạt hình, đồng phục hay logo [2]

Cách tiếp cận thứ hai như đã nói phụ thuộc rất nhiều vào bộ luật đưa ra cho mỗi loại đồ vật Và để giải quyết vấn đề này trong các bài toán mà loại đồ vật cần nhận diện đã được chỉ định trước, người ta đã đưa ra một phương pháp tương đối hiệu quả

đó đánh dấu vật cần tìm, theo đó ảnh chụp vật cần tìm sẽ chứ những điểm đặc biệt,

giúp cho việc nhận diện bằng máy tính là dễ dàng hơn Ví dụ về một phương pháp sử dụng cách này là nhiên cứu của nhóm tác giả J Coughlan, R Manduchi*, M Mutsuzaki* và H Shen Rapid and Robust Algorithms for Detecting Colour Targets trong AIC Colour 05 - 10th Congress of the International Colour Association [11] Nó đưa ra một phương thức được triển khai trên các thiết bị di động có camera cho phép tìm kiếm điểm màu đã được đánh dấu trong khoảng cách gần Phương pháp này đạt được độ chính xác tương đối cao 95 % với một vài loại thiết bị đã được thực nghiệm với thời gian tính toán từ 0,12 đến 0,9 giây cho một bức ảnh

2.4 Các giao thức và mô hình kết nối

Do hệ thống phải kết nối tới PPC, nên việc lựa chọn, sử dụng giao thức kết nối và truyền tín hiện với PPC là việc rất quan trọng Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi nghiên cứu, đánh giá hai giao thức kết nối chính là Wirless B/G và Bluetooth, từ đó chọn ra một giao thức kết nối và truyền tín hiệu sử dụng cho chương trình

2.4.1 Giao thức Bluetooth

2.4.1.1 Giới thiệu giao thức Bluetooth

Bluetooth là một đặc tả công nghiệp cho truyền thông không dây tầm gần giữa các thiết bị điện tử Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network-PANs)

Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m–100 m Khác với kết nối hồng ngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tần 2,4 GHz

Đặc tả Bluetooth được phát triển đầu tiên bởi Ericsson (hiện nay là Sony Ericsson và Ericsson Mobile Platforms), và sau đó được chuẩn hoá bởi Bluetooth Special Interest Group (SIG)

2.4.1.2 Giao thức nền OBEX

OBEX (OBject EXchange) là giao thức trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị dùng cổng hồng ngoại được hiệp hội IrDA (Infrared Data Association) đưa ra lần đầu tiên năm 1997

Ban đầu, giao thức này chỉ giới hạn cho các thiết bị sử dụng môi trường ánh sáng hồng ngoại, nhưng rất nhanh sau đó nó được tổ chức Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group) đưa vào hầu hết các thiết bị Bluetooth của mình

Cũng giống như các giao thức khác, giao thức OBEX được xây dựng trên nền mô hình OSI (Open Systems Interconnection) (hình 2.9) bao gồm hai thành phần chính:

 OBEX session protocol (giao thức phiên OBEX): mô tả cấu trúc gói tin trong phiên làm việc giữa hai thiết bị

 OBEX application framework: tập các dịch vụ OBEX cung cấp cho các ứng dụng đầu cuối như truyền file, in ảnh

Hình 2.9: Giao thức Obex

2.4.2 Giao thức wireless chuẩn B/G

2.4.2.1 Giới thiệu giao thức wireless chuẩn B/G

WLAN là một loại mạng máy tính nhưng việc kết nối giữa các thành phần trong mạng không sử dụng các loại cáp như một mạng thông thường, môi trường truyền thông của các thành phần trong mạng là không khí Các thành phần trong mạng sử dụng sóng điện từ để truyền thông với nhau

Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz Những giải pháp này (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng cáp hiện thời

Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g mà có thể truyền nhận thông tin ở cả hai dãy tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đến tốc độ 108Mbps-300Mbps

2.4.2.2 Mô hình kết nối cơ sở (Basic service sets (BSSs))

Bao gồm các điểm truy nhập AP (Access Point) gắn với mạng đường trục hữu tuyến và giao tiếp với các thiết bị di động trong vùng phủ sóng của một cell AP đóng vai trò điều khiển cell và điều khiển lưu lượng tới mạng Các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp với nhau mà giao tiếp với các AP.Các cell có thể chồng lấn lên nhau khoảng 10-15 % cho phép các trạm di động có thể di chuyển mà không bị mất kết nối

vô tuyến và cung cấp vùng phủ sóng với chi phí thấp nhất Các trạm di động sẽ chọn

AP tốt nhất để kết nối Một điểm truy nhập nằm ở trung tâm có thể điều khiển và phân phối truy nhập cho các nút tranh chấp, cung cấp truy nhập phù hợp với mạng đường trục, ấn định các địa chỉ và các mức ưu tiên, giám sát lưu lượng mạng, quản lý chuyển

đi các gói và duy trì theo dõi cấu hình mạng Tuy nhiên giao thức đa truy nhập tập trung không cho phép các nút di động truyền trực tiếp tới nút khác nằm trong cùng vùng với điểm truy nhập như trong cấu hình mạng WLAN độc lập Trong trường hợp này, mỗi gói sẽ phải được phát đi 2 lần (từ nút phát gốc và sau đó là điểm truy nhập) trước khi nó tới nút đích, quá trình này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn và tăng trễ truyền dẫn