Điều khiển thiết bị điện trong nhà thông minh bằng giọng nói

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - BÙI PHƢỚC KHÁNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG MINH BẰNG GIỌNG NĨI Chun ngành: Khoa học máy tính Mã số: 848.01.01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH ĐÀ NẴNG - 2018 Cơng trình hoàn thành TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Ninh Khánh Duy Phản biện 1: TS Đặng Hoài Phương Phản biện 2: TS Nguyễn Quang Thanh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học máy tính họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 07 tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa CNTT, Trường ĐH Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Trong trình phát triển người, cách mạng cơng nghệ đóng vai trò quan trọng, chúng làm thay đổi ngày sống người, theo hướng đại Đi đơi với q trình phát triển người, thay đổi tác động người tự nhiên, môi trường sống diễn ra, tác động trở lại chúng ta, ô nhiễm mơi trường, khí hậu thay đổi, v.v Dân số tăng, nhu cầu tăng theo, dịch vụ, tiện ích từ hình thành phát triển theo Đặc biệt áp dụng công nghệ ngành công nghệ thông tin điện tử viễn thông vào thực tiễn sống người Cơng nghệ tiên tiến nói chung cơng nghệ nhận dạng giọng nói áp dụng vào mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi ngày mở rộng, để tạo ứng dụng đáp ứng cho nhu cầu lĩnh vực khác Đề tài “Điều khiển thiết bị điện nhà thông minh giọng nói” Với mục đích xây dựng hệ thống bao gồm phần cứng phần mềm, ứng dụng kết nối thiết bị điện, điện tử dân dụng.Thông qua mạng internet, dựa công nghệ mạng di động điều khiển thiết bị mong muốn giọng nói 2 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ IOT Trong chương này, luận văn trình bày tổng quan IOT, ứng dụng IOT Chƣơng CÁC GIAO THỨC KẾT NỐI PHẦN CỨNG VÀ THƢ VIỆN PHẦN MỀM Trong chương tơi trình bày kiến thức số giao thức kết nối điều khiển, module điều khiển tìm hiểu ngơn ngữ lập trình điều khiển Chƣơng THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG Trong chương này, tơi trình bày mơ hình xây dựng hệ thống smarthome điều khiển giọng nói Chƣơng THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Trong chương này, sở nghiên cứu IoT, mạng cảm biến khơng dây, nhận dạng giọng nói, số thiết bị cảm biến thông dụng, xây dựng chương trình thực nghiệm (trên thiết bị thật) để điều khiển thiết bị Sau đó, tơi chạy thử nghiệm chương trình, đánh giá kết đạt so sánh với mục tiêu, yêu cầu đặt luận văn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT CHƢƠNG 2: CÁC GIAO THỨC KẾT NỐI PHẦN CỨNG VÀ THƢ VIỆN PHẦN MỀM 2.1 Các giao thức 2.1.1 Giao thức HTTP 2.1.2 Giao thức MQTT 2.1.3 Giao thức IFTTT 2.2 Giới thiệu thiết bị Raspberry Pi 2.2.1 Giới thiệu chung Cấu tạo Cấu trúc phần mềm 2.2.2 Hệ điều hành Raspberry Pi 2.2.3 Các ứng dụng từ Raspberry Pi 2.3 Module ESP8266 2.4 Phần mềm Openhab 2.5 Mơ hình hoạt động chƣơng trình CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Xây dựng chƣơng trình: Chúng ta xây dựng ứng dụng để điều khiển thiết bị đèn, quạt, tivi thơng qua giọng nói Ngồi dùng ngơn ngữ lập trình Python thư viện dùng riêng cho sensor cảm biến (thư viện adafruit) để viết chương trình dùng Raspberry Pi để đọc thơng số Sensor 3.2 Mơ hình hoạt động chƣơng trình: Hệ thống gồm phần xử lý chính: Phần 1: Xử lý tương tác người dùng với hệ thống Trong đề tài sử dụng ứng dụng mã nguồn mở hỗ trợ tảng thiết bị di động giúp cho người dùng tương tác với hệ thống cách dễ dàng lúc nơi cách dễ dàng 4 Hình 3.1 Sơ đồ người dùng tương tác với hệ thống - (1) Người dùng tương tác điều khiển giọng nói với hệ thống thông qua giao thức IFTTT giao diện ứng dụng Openhab * Lúc giọng nói chuyển từ dạng tín hiệu âm sang dạng văn bản, văn tiếp tục truyền đến xử lý trung tâm * Bộ xử lý trung tâm kiểm tra văn nhận so sánh với văn lưu sở liệu: cho thực hiện, sai khơng thực - (2) Hệ thống tác động ngược lại ứng dụng Openhab thông qua giao thức MQTT Từ người dùng nhìn thấy trạng thái thiết bị Phần 2: Xử lý chức hệ thống điều khiển thiết bị điện Chức điều khiển thiết bị điện xử lý bo mạch Raspberry Pi tương tác điều khiển thiết bị thông qua module ESP8266 với giao thức MQTT Đó nơi lưu trữ thông tin người dùng, lưu trữ thiết lập người dùng vào sở liệu Bộ điều khiển trung tâm điều khiển thiết bị gắn kết hệ thống dễ dàng xem trạng thái, điều khiển, tương tác đến thiết bị hệ thống Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống xử lý trung tâm điều khiển trực tiếp thiết bị - (1) Bộ xử lý trung tâm Raspberry pi xử lý tín hiệu mà người dùng gửi xuống sau điều khiển thiết bị thông qua module ESP8266 sử dụng giao thức MQTT 3.3 Thiết lập mức độ điều khiển hệ thống 3.3.1 Cấp độ - Hệ thống điều khiển bật/tắt thiết bị điện Cấp độ này, hệ thống cung cấp giải pháp nhằm đáp ứng nhu cầu việc tắt/mở thiết bị điện phòng khách Mức độ xem điều khiển * Chức hệ thống: Điều khiển giọng nói bật, tắt thiết bị điện phòng khách Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Bật/ tắt – đèn – phòng khách Điều khiển thơng qua chương trình bật tắt từ xa * Sơ đồ hệ thống: Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống hệ thống cấp độ * Mô tả hệ thống: (1): Người dùng thao tác điện thoại giọng nói cách nhấn nút On/Off tương ứng với thiết bị ứng dụng điện thoại Yêu cầu gửi đến hệ thống xử lý trung tâm (2): Hệ thống xử lý trung tâm xử lý yêu cầu phân luồng liệu xử lý Sau gửi đến module điều khiển thiết bị (3),(4): Hệ thống điều khiển thiết bị gồm ESP8266 module Relay thực chức tắt/mở 7 3.3.2 Cấp độ - Hệ thống điều khiển tốc độ động Ở cấp độ 2, ngồi việc bật/tắt thiết bị hệ thống trang bị chức điều khiển tốc độ động Người sử dụng điều khiển tốc độ quạt quay nhanh chậm thơng qua giọng nói điều khiển nút ấn điện thoại * Chức hệ thống: Điều khiển bật/tắt Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Bật/ tắt – máy quạt – phòng ăn Điều khiển tốc độ nhanh/chậm Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Quạt – chạy – nhanh / chậm * Sơ đồ hệ thống: Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống hệ thống cấp độ * Mô tả hệ thống: (1): Người dùng thao tác điện thoại giọng nói cách nhấn nút On/Off, nhanh/chậm tương ứng với thiết bị ứng dụng điện thoại Yêu cầu gửi đến hệ thống xử lý trung tâm (2): Hệ thống xử lý trung tâm xử lý yêu cầu phân luồng liệu xử lý Sau gửi đến module điều khiển thiết bị (3),(4): Hệ thống điều khiển thiết bị gồm ESP8266 module điều khiển động thực chức tắt/mở, nhanh/chậm 3.3.3 Cấp độ - Hệ thống điều khiển hồng ngoại Ở cấp độ này, người dùng khơng cần sử dụng Remote (tivi, điều hòa v.v ) để điều khiển thiết bị điện tử nhà Hệ thống tích hợp tất vào điều khiển Từ người dùng tương tác, điều khiển cách dễ dàng * Chức hệ thống: Điều khiển bật/tắt hồng ngoại Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Bật/ tắt – tivi Điều khiển kênh Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Số 1(kênh 1); Số 2(kênh 2); Số 3(kênh 3) Điều khiển âm lượng Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Tăng/giảm – âm lượng * Sơ đồ hệ thống: Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống hệ thống cấp độ * Mô tả hệ thống: (1): Người dùng thao tác điện thoại giọng nói cách nhấn nút On/Off, chuyển kênh, tăng/giảm âm lượng v.v… tương ứng với thiết bị ứng dụng điện thoại Yêu cầu gửi đến hệ thống xử lý trung tâm (2): Hệ thống xử lý trung tâm xử lý yêu cầu phân luồng liệu xử lý Sau gửi đến module điều khiển thiết bị (3),(4): Hệ thống điều khiển thiết bị gồm ESP8266 module điều khiển hồng ngoại thực chức theo yêu cầu 10 CHƢƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Một số hình ảnh chạy demo chƣơng trình: Hình 4.1: Khối điều khiển đèn 11 Hình 4.21:Khối điều khiển quạt 12 Hình 4.3: Khối điều khiển tivi 13 Hình 4.4: Khối điều khiển trung tâm 4.2 Đánh giá kết chạy thử nghiệm chƣơng trình demo - Qua nhiều lần thử nghiệm, chương trình demo chạy ổn định, thiết kế hệ thống - Chương trình có giao diện dể sử dụng - Hệ thống có tính dể mở rộng thiết bị tập lệnh cần điều khiển 14 - Khả ứng dụng phát triển chương trình thực nghiệm: - Với chi phí hợp lý (Bộ Raspberry Pi sensor thông dụng dễ dàng mua sắm với giá hợp lý), công nghệ hỗ trợ sẵn có mạnh (ngơn ngữ lập trình Python thư viện hỗ trợ) - Chạy thành công hệ thống, điều khiển thiết bị điện - Điều khiển thiết bị qua mạng Internet Ƣu điểm: - Mạch đơn giản, gọn nhẹ, hoạt động ổn định, xác, dễ lắp đặt sửa chữa - Dễ dàng giám sát điều khiển hệ thống Hạn chế: - Hệ thống mới demo thiết bị điện, điện tử có cơng suất thấp, điện áp nhỏ 4.3 Hƣớng phát triển - Hoàn thiện khối điều khiển, ứng dụng tình cụ thể hộ gia đình - Hướng tới biến hệ thống thành sản phẩm bán thị trường 15 KẾT LUẬN Điều khiển thiết bị điện, điện tử nhà thơng minh nói riêng cơng nghệ IoT, mạng cảm biến khơng dây nói chung hứa hẹn tạo ứng dụng đầy tiềm năng, áp dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, mà cơng nghệ khác nhiều hạn chế - Tuy nhiên để triển khai mạng, người thiết kế hệ thống yêu cầu phải nắm bắt nhân tố tác động đến mạng, kết nối thiết bị điện, điện tử: + Tìm hiểu chi tiết tính kỹ thuật thiết bị Raspberry Pi module wifi không dây 8266 + Sử dụng ngơn ngữ lập trình Python để điều khiển Sau hiển thị giao diện web cách trực quan dễ hiểu - Những nhược điểm mạng cần phải khắc phục, người thiết kế cần phải quan tâm đến tham số mạng, ví dụ tập chất lượng dịch vụ QoS, cách kết nối thiết bị điện tử để điều khiển Nhờ trình mơ mà người thiết kế hệ thống đánh giá chất lượng dịch vụ mạng cung cấp, độ ổn định thiết bị …để từ thiết kế hệ thống theo cách tối ưu - Trên sở nghiên cứu tìm hiểu Raspberry Pi, ESP8266, Rơle tác động, với tổng quan IoT, công nghệ cảm biến không dây ứng dụng thực tiễn, em xây dựng thành cơng chương trình thực nghiệm có tính khả 16 thi cao (như trình bày phần đánh giá kết chạy thử nghiệm) Tuy nhiên, thời gian hạn chế, chương trình chưa chạy thử nghiệm với số lượng lớn thiết bị, chưa đánh giá hết số vấn đề như: việc truyền nhận liệu từ thiết bị, vấn đề xung đột phần tử hệ thống… Đây hướng nghiên cứu, phát triển luận văn  ... tắt/mở thiết bị điện phòng khách Mức độ xem điều khiển * Chức hệ thống: Điều khiển giọng nói bật, tắt thiết bị điện phòng khách Cấu trúc câu lệnh điều khiển: Bật/ tắt – đèn – phòng khách Điều khiển. .. Openhab thông qua giao thức MQTT Từ người dùng nhìn thấy trạng thái thiết bị Phần 2: Xử lý chức hệ thống điều khiển thiết bị điện Chức điều khiển thiết bị điện xử lý bo mạch Raspberry Pi tương tác điều. .. vực khác Đề tài Điều khiển thiết bị điện nhà thơng minh giọng nói Với mục đích xây dựng hệ thống bao gồm phần cứng phần mềm, ứng dụng kết nối thiết bị điện, điện tử dân dụng .Thông qua mạng internet,