Nghiên cứu tương tác người máy phát triển cho phòng thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BUNPHENG XUTXALYVONG NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC NGƯỜI MÁY PHÁT TRIỂN CHO PHÒNG THÔNG MINH Chuyên ngành: Đo lường hệ thống điều khiển LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Đo lường hệ thống điều khiển Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG Hà Nội – 2010 LỜI CẢM ƠN Trước hết xin cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thị Lan Hương trực tiếp tận tình hướng dẫn đưa lời khuyên quý báu trình thực đồ án Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô môn Kỹ thuật Đo lường Tin học Công nghiệp trường đại học Bách Khoa Hà Nội, tới bạn bè bên cạnh cho lời khuyên bổ ích, luôn giúp đỡ toàn sức toàn tâm mặt trình thực đồ án, người mà tạo điều kiện tốt vật chất lẫn tinh thần Do kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên trình viết không tránh khỏi sai sót, kính mong đóng góp ý kiến thầy cô giáo Xin chân thành cảm ơn tất cả! Người thực Bunpheng Xutxalyvong MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chương I: TÌM HIỂU VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 Mở đầu nhà thông minh .3 1.1.1 Các cách nhìn khác cấu trúc nhà thông minh 1.1.2 Các định nghĩa nhà thông minh 1.2 Quá trình phát triển nhà thông minh .4 1.3 Tiếp cận nhà thông minh .7 1.3.1 Nhà thông minh môi trường cảm thụ 1.3.2 Kịch hoạt động điển hình nhà thông minh 1.3.2 Chuẩn dây truyền thông .12 1.3.3 Các thành phần hệ thống 13 1.3.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển 14 1.3.5 Các tác vụ nhà thông minh 15 Chương II: GIỚI THIỆU CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG NHÀ THÔNG MINH 18 2.1 Giới thiệu công nghệ truyền thông không dây 18 2.1.1 Wifi 18 2.1.2 Bluetooth .19 2.1.3 C-bus .22 2.1.4 LonWork .24 2.1.5 INSTEON 26 2.1.6 Zigbee 29 2.1.7 Z- wave 30 2.2 Công nghệ truyền thông qua đường dây tải điện 32 2.2.1 Nguyên lí 32 2.2.2 Kĩ thuật điều chế 34 2.2.3 Phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền (MAC) 39 2.2.4 Phương pháp ghép nối với lưới điện hạ áp 40 2.2.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến việc truyền thông đường dây tải điện 44 2.2.6 Các phương pháp kiểm soát, điều khiển bảo mật 46 2.3 Các giải pháp tương tác hệ thống “smart home” 48 2.3.1 Hệ thống điều khiển phím bấm kinh điển 48 2.3.2 Điều khiển thông qua điều khiển từ xa 49 2.3.3 Hệ thống điều khiển thông qua hình cảm ứng 50 2.3.4 Hệ thống điều khiển thông qua internet 51 2.3.5 Hệ thống điều khiển giọng nói .51 2.3.6 Hệ thống nhà điều khiển cử 52 2.4 Lựa chọn công nghệ kịch cho toán nhà thông minh 53 Chương III: TRIỂN KHAI HỆ THỐNG TRONG PHÒNG THÔNG MINH 55 3.1 Phân tích yêu cầu toán 55 3.2 Triển khai thiết kế hệ thống phần cứng .55 3.2.1 Giao thức X10 .55 3.2.2 Bộ điều khiển CM15 .58 3.2.3 Lamps Module LM12 59 3.2.4 Appliance Module AM12 60 3.3 Triển khai phần mềm sử dụng phần mềm QT .60 3.3.1 Giới thiệu công cụ Qt .60 3.3.2 Đánh giá công cụ Qt 61 3.3.3 Các chức điều khiển chương trình 72 3.3.4 Điều khiển cửa .73 3.3.5 Điều khiển đèn 74 3.3.6 Điều khiển quạt 74 3.3.7 Điều khiển điều hoà .75 3.3.8 Điều khiển tivi .75 3.3.9 Chức mở camera (Webcam usb) .77 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình vẽ Cấu trúc điểm điểm mạng LonWork 25 Hình vẽ Nguyên lý PLC .33 Hình vẽ Frequency Shift Keying .34 Hình vẽ Phase Shift Keying .35 Hình vẽ OFDM 36 Hình vẽ Cấu trúc Symbol OFDM, ISI khoảng bảo vệ 37 Hình vẽ Trực giao sub-carrier OFDM miền tần số 37 Hình vẽ Truyền thông băng hẹp truyền thông trải phổ .38 Hình vẽ Nguyên tắc CSMA/CA 40 Hình vẽ 10 Mô tả vị trí coupler 40 Hình vẽ 11 Coupler dung kháng 41 Hình vẽ 12 Sơ đồ ghép cảm kháng .42 Hình vẽ 13 Sơ đồ ghép cảm kháng .43 Hình vẽ 14 Sơ đồ ghép cảm kháng .43 Hình vẽ 15 Các yếu tố gây suy giảm kênh đường dây điện lực 45 Hình vẽ 16 Điều khiển phím ấn 48 Hình vẽ 17 Điều khiển thông qua điều khiển từ xa 49 Hình vẽ 18 Điều khiển thông qua giao diện cảm ứng 50 Hình vẽ 19 Điều khiển thông qua internet 51 Hình vẽ 20 Điều khiển giọng nói 52 Hình vẽ 21 Điều khiển cử 53 Hình vẽ 22 Công cụ Qt 61 Hình vẽ 23 Giao diện chương trình demo .64 Hình vẽ 24 Thanh Menu demo .64 Hình vẽ 25 Menu File 64 Hình vẽ 26 Menu View .65 Hình vẽ 27 Menu Help 65 Hình vẽ 28 Vùng hiển thị thời gian 65 Hình vẽ 29 Giao diện room demo 66 Hình vẽ 30 Giao diện room demo 67 Hình vẽ 31 Giao diện room demo 68 Hình vẽ 32 Debug ghi lại hoạt động demo 69 Hình vẽ 33 Bảng sở liệu máy chủ .70 Hình vẽ 34 Xem bảng EventList demo .71 Hình vẽ 35 Bảng EventList demo 72 Hình vẽ 36 Sơ đồ điều khiển cửa 73 Hình vẽ 37 Hộp thoại điều khiển cửa .73 Hình vẽ 38 Hộp thoại điều khiển cửa mở 74 Hình vẽ 39 Hộp thoại điều khiển đèn 74 Hình vẽ 40 Hộp thoại điều khiển quạt 75 Hình vẽ 41 Hộp thoại điều khiển điều hoà .75 Hình vẽ 42 Sơ đồ điều khiển tivi 76 Hình vẽ 43 Bảng liệu điều khiển tivi .76 Hình vẽ 44 Hộp thoại điều khiển tivi .77 Hình vẽ 45 Nút mở camera usb 78 LỜI MỞ ĐẦU Bối cảnh nghiên cứu Khoảng 50 năm trước, nhà xây dựng với số giải pháp, số mạch bảo vệ cầu chì đường dây điện thoại liên lạc Ngày nhà trang bị đầy đủ hệ thống bảo mật, cấu trúc dây, điều khiển âm thanh, hình ảnh hệ thống tự động hóa tòa nhà Bill Gates đã bỏ tiền đầu tư để đem lại thay đổi Vào năm cuối thập niên 90, Gate biến nhà ông thành nhà công nghệ cao Một khảo sát American LIVES Inc, 2001 thấy chủ hộ thích thú công nghệ nhà thông minh Tuy nhiên, thấy cần cải tiến trình xây dựng để có nhà thông minh nghĩa Hiện Việt Nam xuất công ty cung cấp thiết bị giải pháp nhà thông minh Vấn đề nhà cung cấp chưa mang đến cho khách hàng nhà thông minh thực thụ Có hai giả thuyết cho vấn đề tồn - Sự truyền tải nhà cung cấp: Các nhà cung cấp giải pháp thiết bị nhà thông minh thường tâm đến hãng hay công nghệ định, chí có nhóm thiết bị thông minh nhà thông minh Dẫn đến đem lại cho khách hàng khái niệm không xác nhà thông minh - Sự đón nhận khách hàng: Do khách hàng Việt Nam chưa có khải niệm chuẩn xác nhà thông minh cộng với chưa thực tế cảm nhận hết giá trị mà nhà thông minh đem lại (tính tiện nghi, tiện ích, an toàn, tính kinh tế quản lí tiết kiệm lượng - tòa nhà lớn), thêm vào khả tài dẫn tới đón nhận nhà thông minh chưa thỏa đáng Mục đích nghiên cứu Nhằm lắp đặt hệ thống phòng thông minh dựa công nghệ có sẵn mà cụ thể công nghệ truyền tin đường dây tải điện (Powerline Communication/ Powerline Carrier) PLC Nhiệm vụ đồ án: xây dựng chương trình demo điều khiển thiết bị phòng kết hợp công nghệ truyền dẫn PLC phương pháp điều khiển khác Mục đích tích hợp tất phần điều khiển dùng PLC không dùng PLC hình giao diện điều khiển chương trình Dựa giao diện điều khiển máy tính cá nhân, người sử dụng điều khiển thiết bị điện nhà mà không cần thông qua công tắc điều khiển Các thiết bị kết nối để truyền tìn hiệu đường dây tải điện thông thường Giới hạn nghiên cứu Luận văn đưa lý luận để xây dựng đánh giá môi trường cảm thụ (ambient), tổng kết mô hình triển khai giới VN Cuối dựa vào để xây dựng mô hình thử nghiệm phòng thông minh sử dụng tương tác tiếng nói Nội dung luận văn Luận văn trình bày ba chương Chương I có nội dung tìm hiểu nhà thông minh Trong chương tác giả nêu tóm tắt cách nhìn hay định nghĩa nhà thông minh Quá trình phát triển nhà thông minh việc tiếp cận nhà thông minh nêu chi tiết chương I Chương II trình bày khái niệm bản, trình hình thành, tác vụ, cấu trúc, thiết bị kịch hoạt động điển hình nhà thông minh Phần giới thiệu công nghệ sử dụng nhà thông minh bao gồm: wifi, Zigbee… trình bày chi tiết chương II Chương III nêu chi tiết phần triển khai hệ thống phòng thông minh Từ việc phân tích yêu cầu toán đến việc triển khai thiết kế hệ thống phần cứng Sau triển khai xong phần cứng, trình triển khai phần mềm sử dụng phần mềm Qt Ở cuối chương III có phần đánh giá kết hướng phát triển Chương I: TÌM HIỂU VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 Mở đầu nhà thông minh 1.1.1 Các cách nhìn khác cấu trúc nhà thông minh Từ trước đến đưa khái niệm khác liên quan đến nhà thông minh sở đánh giá phân loại chưa thống nhất: • Dard (1990) tập trung vào luồng thông tin nguồn tài nguyên sử dụng tòa nhà Ông tập trung vào lớp thông tin là: lượng, sử dụng người (như giám sát, quản lí cá nhân chia không gian), thông tin (như chuyển giao quản lí thu nhận thư tín) • Barlow Gann (1998) tập trung vào công nghệ Các tác giả nhận thấy có ba mức độ công nghệ: i) công nghệ chung phù hợp với khối tòa nhà với hệ thống phức tạp; ii) hệ thống bối cảnh xác định thích hợp với thay đổi hoạt động máy móc theo chu kì đặn; iii) hệ thống cá nhân thích hợp với yêu cầu riêng tư Các tác giả quan tâm đến mức độ tự động hóa mà công nghệ cho phép, phân biệt ứng dụng đầy đủ, ứng dụng lập trình, ứng dụng tự động hóa • Gannetal (1999) tập trung vào chức cho người dùng đề xuất dạng nhà thông minh Trước tiên ứng dụng vào ứng dụng thông minh, gần giống với khái niệm tự động hóa, tòa nhà truyền thống Dạng thứ hai bao hàm tương tác máy tính bên • Jedamzik (2001) tập trung vào phần điều khiển phần thông tin mà người sử dụng quan tâm, đề xuất nhà thông minh gồm thành phần: i) giao diện người dùng; ii) trường kĩ thuật (điều khiển chiếu sáng, nhiệt, không khí, nước…); iii) trường thông tin (nơi mà nhà thực kiến thức sức khỏe, tính toán sổ sách gia đình, lập danh mục…); iv) trường dịch vụ (kết nối dịch vụ bên ngoài)… • Phương pháp khác, tập trung vào điều khiển môi trường, vào hệ thống điều khiển theo cảm xúc, điều mở diện mạo nhà thông minh, việc điều khiển nhà Người dùng thực suy nghĩ tác động cẩn thận bên cạnh việc điều khiển tự động, góp phần giải phóng người khỏi nhiều nhiệm vụ 1.1.2 Các định nghĩa nhà thông minh - Nhà thông minh nhà cung cấp môi trường hữu ích đầu tư hiệu thông qua việc lựa chọn bốn phần tử bản: cấu trúc, hệ thống, dịch vụ quản lí môi trường tương tác chúng Một nhà thông minh trợ giúp chủ nhân nó, người quản lí tài sản người vận hành cho mục đích họ vê giá thành, quản lí lượng, tiện nghi, an toàn, mềm dẻo khả thương mại - Nhà thông minh nhà mà thông qua thiết kế vật lí cài đặt truyền thông đáp ứng nhanh, mềm dẻo thích nghi với thay đổi cần thiết từ phía người sử dụng việc tổ chức sinh hoạt nhà suốt thời gian hoạt động Ngôi nhà cung cấp dịch vụ cho người sống đó, cho người quản lí, vận hành trì hoạt động Ngôi nhà thông minh hoạt động thông minh thực theo nghĩa đen, có nhớ trạng thái, trợ giúp người việc cài đặt hệ thống truyền thông trang bị cảm biến cấu chấp hành - Nhà thông minh nhà mà kết cấu nó, khoảng không gian, dịch vụ hệ thống thông tin đáp ứng hiệu yêu cầu ban đầu yêu cầu thay đổi từ phía chủ nhân, người sống môi trường Những khái niệm định nghĩa cho ta nhìn rõ nhà thông minh, công nghệ người sử dụng 1.2 Quá trình phát triển nhà thông minh Đã có nhiều cách hiểu mơ hồ cụm từ “smart home”, có số biết thực ý nghĩa Nó sử dụng thức năm 1984 hiệp hội xây dựng nhà Mĩ (the American Association of house builder) khái niệm “wired home” biết đến từ năm 1960 Và phát triển để hiểu ý nghĩa nhà thông minh Một nhà không gọi nhà thông minh cách Room 1: Hình vẽ 29 Giao diện room demo 66 Room 2: Hình vẽ 30 Giao diện room demo 67 Room 3: Hình vẽ 31 Giao diện room demo Phía giao diện status giúp người dùng dễ dàng sử dụng chương trình: Thanh status demo Vì chương trình demo nên hoạt động chương trình ghi vào Debug cụ thể sau: 68 Hình vẽ 32 Debug ghi lại hoạt động demo Chương trình demo kết nối với sở liệu máy tính chủ tạo sẵn bảng yêu cầu để ghi lại hành động điều khiển người dùng tất thiết bị theo ngày tháng cụ thể, giúp người dùng xem lại hoạt động chương trình điều khiển thiết bị thời gian qua Chương trình kết nối với tất sở liệu máy chủ, demo chương trình kết 69 nối với sở liệu MySQL Trong sở liệu máy chủ tạo sẵn sở liệu có bảng mang tên EventList với cột sau: Hình vẽ 33 Bảng sở liệu máy chủ Chương trình sau kết nối với sở liệu máy chủ hoạt động chương trình ghi lại lên sở liệu Người dùng xem lại việc click vào chức View chọn EventList: 70 Hình vẽ 34 Xem bảng EventList demo 71 Khi bảng liệu sau: Hình vẽ 35 Bảng EventList demo 3.3.3 Các chức điều khiển chương trình Chương trình demo thiết kết thực chức sau: Điều khiển mở cửa có thẻ vào hợp lệ Điều khiển đèn: on/off/sáng/tối Điều khiển quạt: on/off/thay đổi số 72 Điều khiển điều hoà: on/off/thay đổi nhiệt độ Điều khiển tivi: on/off/âm lượng/chuyển kênh Mở camera (webcam usb) Với chức điều khiển thiết bị muốn điều khiển click trực tiếp vào biểu tượng thiết bị giao diện điều khiển, hộp thoại mở giúp người dùng thực chức Riêng chức mở cửa, demo nên bảng hội thoại mở chương trình khởi động kết nối với đầu đọc RFID Cụ thể bảng hội thoại điều khiển thiết bị cụ thể sau: 3.3.4 Điều khiển cửa Chức điều khiển cửa thực theo sơ đồ sau: Đầu đọc Chương trình điều Cửa khiểSơ đồ điều khiển cửa Hình vẽ 36 Chương trình điều khiển phát lệnh đọc thẻ đến đầu đọc thẻ RFID, đầu đọc đọc thẻ gửi liệu thẻ mà chương trình yêu cầu lên, nội dung phù hợp chương trình thực lệnh mở cửa Vấn đề việc chương trình có khả kết nối với cổng COM máy chủ để giao tiếp với đầu đọc Việc thực đọc thẻ theo nghĩa thực cách tự động cho thẻ vào đặc điểm đầu đọc khuôn khổ chương trình demo nên thao tác thực có lệnh chương trình Hộp thoại điều khiển cửa sau: Hình vẽ 37 Hộp thoại điều khiển cửa 73 Khi đưa thẻ vào đầu thực lệnh đọc theo điều khiển chương trình, thẻ hợp lệ, hộp thoại thông tin ngýời có thẻ cửa mở: Hình vẽ 38 Hộp thoại điều khiển cửa mở 3.3.5 Điều khiển đèn Chương trình điều khiển đèn sử dụng công nghệ truyền thông PLC thông qua module điều khiển LM12 giới thiệu Sơ đồ kết nối hình 3.12 Cụ thể hơn, chương trình điều khiển gửi lệnh với điều khiển CM15 thông qua SDK AHSDK.exe Hộp thoại điều khiển đèn sau: Hình vẽ 39 Hộp thoại điều khiển đèn Ta điều khiển đèn on/off nút bấm hình điều khiển sáng tối theo % độ sáng đèn cách click thông số mong muốn 3.3.6 Điều khiển quạt Tương tự điều khiển đèn, chương trình điều khiển quạt sử dụng PLC thông qua module điều khiển AM12 Sơ đồ kết nối hình 3.3.3 Hộp thoại điều 74 khiển quạt sau: Hình vẽ 40 Hộp thoại điều khiển quạt Người dùng điều khiển quạt on/off/thay đổi số nút bấm hình 3.3.7 Điều khiển điều hoà Điều khiển điều hoà tương tự điều khiển quạt với chức on/off/thay đổi nhiệt độ với nút hình sau: Hình vẽ 41 Hộp thoại điều khiển điều hoà 3.3.8 Điều khiển tivi Trong phạm vi demo, tivi sử dụng tivi server tạo trung tâm MICA Chương trình điều khiển theo sơ đồ sau: 75 Chương trình demo Cơ sở liệu Chương trình điều khiển tivi Tivi Hình vẽ 42 Sơ đồ điều khiển tivi Nhiệm vụ chương trình demo kết nối với sở liệu đặt máy tính mạng máy tính trung tâm mà người quản trị muốn Ta cần cấu hình lại file tivi.txt kèm chương trình demo để kết nối với sở liệu Các thông tin cần thiết cấu hình là: hostname, databasename, user, password Chương trình điều khiển tivi đọc sư thay đổi bảng liệu sở liệu để điều khiển tivi theo thay đổi Bảng liệu gồm cột sau: Hình vẽ 43 Bảng liệu điều khiển tivi 76 Trong ID thứ tự lệnh điều khiển, TVID thứ tự tivi, cmdID ký hiệu lệnh điều khiển tivi Các mã lệnh tương ứng là: 0: tăng kênh 1: giảm kênh 2: tăng âm lượng 3: giảm âm lượng Các lệnh tăng, giảm kênh âm có bước nhảy 1, lần tăng giảm tăng lên giảm đơn vị kênh, tiếng Hôp thoại điều khiển tivi sau: Hình vẽ 44 Hộp thoại điều khiển tivi Người dùng điều khiển tivi on/off/kênh/âm lượng sử dụng nút bấm hình 3.3.9 Chức mở camera (Webcam usb) Chương trình demo thực chức truyền hình ảnh từ webcam usb máy tính, hiển thị khung chương trình Camera usb mở ta click vào nút bấm camera: 77 Hình vẽ 45 Nút mở camera usb Các chức sử dụng camera usb: Truyền hình ảnh từ camera khung hiển thị giao diện điều khiển Chụp lại hình ảnh từ camera thông qua phím bấm Chức truyền hình ảnh từ camera usb chương trình điều khiển thực với thư viện OpenCV 78 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Các kết đạt được: Về mặt lí thuyết: - Đã nắm lí thuyết nhà thông minh - Các khái niệm nhà thông minh Về mặt thực tế: - Các bước triển khai để có nhà thông minh từ công nghệ có sẵn Cụ thể sản phẩm X10 - Sử dụng thành thạo công cụ lập trình Qt - Làm quen với sản phầm X10 Hướng phát triển: sau cài đặt thành công sản phẩm X10, thực tế sử dụng thiết bị gặp vấn đề nhiễu có nhiều thiết bị công suất lớn mạng điện Hướng phát triển tìm hướng khắc phục nhược điểm 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Khurram Hussain Zuberi, Power Line Carrier Communication System, Master Thesis [2] W Kwan, W Parker, B Robert, J Tatum, PLCCS: A Power Line Carrier Communication System http://www.ece.msstate.edu/courses/ece4522/projects/2000_fall/power_line_ communication/docs/design.pdf [3]Prentice.Hall:Prentice.Hall.Cpp.GUI.Programming.with.Qt.4.2nd.Edition Feb.2008 [4] Qt 4-6_ An Introduction to Model_View Architecture [5] qt-book-examples [6] Các hướng dẫn sử dụng sản phẩm hãng X10 [7] Power Line Communications Technology Update, Echelon Corporation, May 2003, www.echelon.com [8] http://qt.nokia.com/ [9] http://www.qtcentre.org/ [10] http://lists.trolltech.com/qt-interest/2006-11 [11] http://qt-apps.org/content/show.php/ [12] http://www.freeadobeflashtutorials.com/#Beginner-Flash-Tutorials 80 ... cấu trúc nhà thông minh 1.1.2 Các định nghĩa nhà thông minh 1.2 Quá trình phát triển nhà thông minh .4 1.3 Tiếp cận nhà thông minh .7 1.3.1 Nhà thông minh môi trường cảm... có nội dung tìm hiểu nhà thông minh Trong chương tác giả nêu tóm tắt cách nhìn hay định nghĩa nhà thông minh Quá trình phát triển nhà thông minh việc tiếp cận nhà thông minh nêu chi tiết chương... hướng phát triển Chương I: TÌM HIỂU VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 Mở đầu nhà thông minh 1.1.1 Các cách nhìn khác cấu trúc nhà thông minh Từ trước đến đưa khái niệm khác liên quan đến nhà thông minh sở