Bài viết trình nghiên cứu cách thức sử dụng trí thông minh nhân tạo kết hợp với phần cứng Arduino để xây dựng bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm đã được thử nghiệm làm việc ổn định và tin cậy.
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÍ THỐNG MINH NHÂN TẠO VÀ ARDUINO ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH RESEARCH ON ELECTRIC DEVICES CONTROLLING IN THE SMARTHOUSE USING ARTIFICIAL INTELLIGENCE AND ARDUINO NGUYỄN VĂN TIẾN*, HOÀNG XUÂN BÌNH Khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Hàng Hải Việt Nam *Email liên hệ: nguyenvantien@vimaru.edu.vn Tóm tắt Hệ thống ngơi nhà thông minh (Smart home) ngày trở lên phổ biến tính tiện ích mà mang lại.Trong nhà thông minh tất thiết bị điện kết nối với để tạo thành hệ thống kín nhờ điều khiển trung tâm Hiện với phát triển công nghệ cho phép tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI - Artificial intelligence) điều khiển trung tâm làm cho chúng thông minh hơn, nhiên giá thành hệ thống thường cao Để khai thác mạnh AI sử dụng nhà thông với giá thành hợp lý cần phải nghiên cứu để tìm giải pháp Bài báo trình nghiên cứu cách thức sử dụng trí thơng minh nhân tạo kết hợp với phần cứng Arduino để xây dựng điều khiển trung tâm Bộ điều khiển trung tâm thử nghiệm làm việc ổn định tin cậy Từ khóa: Ngơi nhà thơng minh, trí thơng minh nhân tạo, Arduino Nano, NodeMCU Abstract Nowaday, Smart houses are becoming more popular because of the user-friendly for human life All device are connected together to make a close-system by using a centre controller Moreover, the growth of AI is a condition to design more intelligent controller, but the controlller always has a high price Therefore,we need to research to find a cheaper solution The paper research a method to make the controller with Arduino hardware The controller successfully has been expermeting in house Keywords: Smart home, Artificial intelligence, Arduino Nano, NodeMcu Đặt vấn đề Ngơi nhà thơng minh trí thông minh nhân tạo hai lĩnh vực nghiên cứu nhiều thời gian vài năm trở lại đạt bước phát triển mạnh mẽ [1, 2] Ngôi nhà thông minh hiểu nhà/căn hộ ứng dụng công nghệ theo phương thức nhằm làm thỏa mãn gia tăng giá trị sống người Để làm điều đó, ngơi nhà thơng minh trang bị thiết bị điều khiển tự động điều khiển giám sát ánh sáng, nhiệt độ, vấn đề an ninh, cảnh báo sớm hỏa hoạn, toàn thiết bị kết nối tới điều khiển trung tâm quản lý từ xa Còn trí thơng minh nhân tạo phần mềm máy tính, nhiên điểm khác biệt so với phần mềm lập trình logic thơng thường việc ứng dụng hệ thống học máy để mô trình xử lý người Cụ thể trí thơng minh nhân tạo biết cách suy nghĩ lập luận, biết giao tiếp, hiểu tiếng nói, biết tự học thích nghi Chính khả tự học hỏi suy luận mà trí thơng minh nhân tạo ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực [1, 2] Mơ hình báo sử dụng trí thơng minh nhân tạo Amazon sử dụng trợ lý ảo có tên Alexa, trí tuệ nhân tạo mạnh mẽ phổ biến giới Khả nhận dạng giọng nói tốt giao tiếp với nhiều loại phần cứng điểm mạnh Alexa Phần cứng Arduino Nano Phần cứng NodeMCU Amazon Echo Dot (Alexa) Hình Phần cứng sử dụng mơ hình Mơ hình báo sử dụng loa Amazon Echo Dot có tích hợp Alexa để nhận dạng câu lệnh điều khiển thiết bị từ người sử dụng kết hợp với phần cứng NodeMCU Arduino để điều khiển thiết bị điện (Hình 1) Sở dĩ báo lựa chọn Arduino Nano phần cứng linh hoạt, mở rộng đồng thời công cụ phần mềm hỗ trợ tốt [3] Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 63 Điểm cách xây dựng mơ hình lựa chọn phần cứng với giá thành rẻ phổ biến (Arduino) đồng thời khai thác dịch vụ đám mây miễn phí (Sinric) phép điều khiển thiết bị từ đâu thơng qua kết nối internet cách dễ dàng Ngồi cấu trúc cho phép mở rộng đầu điều khiển cách linh hoạt Arduino Nano có nhiều đầu Cấu trúc điều khiển Trợ lý ảo Alexa có khả chơi nhạc, cung cấp thơng tin thời tiết, giao thơng Ngồi Alexa có khả điều khiển thiết bị điện thông hãng Philips Hue, Belkin Wemo, Tuy nhiên báo không sử dụng thiết bị điện hãng nói mà tự tạo điều khiển riêng phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam có nhiều thiết bị khơng có tính thơng minh Chính sử dụng ngơi nhà bình thường chưa có thiết bị điện thông minh giúp giảm giá thành thời gian lắp đặt hệ thống Nguyên tắc điều làm việc điều khiển trung tâm mô tả Hình yêu cầu kết nối với mạng internet để hoạt động Bộ điều khiển bao gồm loa Amazon Echo dot tích hợp Alexa, NodeMCU Arduino Với loa Amazon Echo dot làm việc trạng thái chờ câu lệnh tương tác người sử dụng Khi Amazon Echo dot phát thấy từ khóa “Alexa” khởi động quy trình xử lý ngôn ngữ gửi máy chủ Amazon để phân tích [4] Arduino thiết bị thực điều khiển rơ le phát lệnh điều khiển thông qua sóng hồng ngoại nhiên Arduino khơng có khả kết nối internet cần thêm phần cứng NodeMCU NodeMCU có trang bị kết nối khơng dây (Wi-Fi) kết nối dễ dàng vào máy chủ trung gian Sinric để nhận lệnh điều khiển gửi tới Arduino Giả thiết lệnh “Alexa, Turn on TV” Câu lệnh thiết bị Amazon Echo dot thu ghi lại gửi đến trí thơng minh nhân tạo cài đặt máy chủ Amazon Amazon Alexa để nhận dạng ngôn ngữ phân tích ngữ pháp câu lệnh Sau hiểu điều người sử dụng mong muốn Alexa gửi lệnh bao gồm thông tin thiết bị (TV) lệnh bật (ON) cách gửi chuỗi {“TV, ON”} đển máy chủ trung gian người sử dụng quy định sẵn Amazon Alexa không hỗ trợ kết nối trực tiếp tới phần cứng để giảm tải cho máy chủ cần sử dụng máy chủ trung gian để kết nối tới phần cứng, trường hợp Sinric Sở dĩ lựa chọn Sinric máy chủ miễn phí, thời gian đáp ứng nhanh cài đặt dẽ dàng phần mềm Alexa Hình Cấu trúc điều khiển trung tâm smarthouse Tiếp theo máy chủ Sinric gửi câu lệnh {“PowerState, ON”} kèm theo tên thiết bị tới phần cứng NodeMCU thông qua kết nối internet Cuối câu lệnh gửi tới Arduino để phát lệnh bật TV thơng qua sóng hồng ngoại Với thiết bị khơng có điều khiển từ xa hồng ngoại thiết bị điều khiển cấp nguồn qua rơ le áp dụng để điều khiển cho thiết bị không thông minh nhà Xây dựng mơ hình 3.1 Kết nối phần cứng Phần cứng bao gồm NodeMCU Arduino Nano Kết nối thiết bị với thực thông qua cổng truyền thông nối tiếp (Serial port) hai thiết bị (Hình 3) Việc sử dụng cổng truyển thông nối tiếp cấu trúc kết nối cho phép nhiều lệnh gửi từ Alexa tới Arduino số lượng đường dây tín hiệu sợi tiết kiệm so với dùng cấu trúc truyền dạng song song 64 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 Hình Kết nối phần cứng điều khiển Chân TX (chân truyền liệu cổng nối tiếp) NodeMCU kết nối tới nhân Rx (chân nhận) Arduino Nano, tốc độ truyền khởi tạo 9600 bit/s Đầu A6 Arduino Nano khuếch đại qua transistor dùng để điều khiển LED hồng ngoại D1 (Infrared-Light Emitting Diode) phát lệnh điều khiển tới thiết bị điện có thu hồng ngoại (Tivi, điều hòa, đầu kỹ thuật số,…) Hai đầu A0 A1 dùng để điều khiển Bật-Tắt cho thiết bị chưa có thu hồng ngoại đèn, quạt,… Mạch động lực sử dụng MOC3020 Triac thay cho rơ le để giảm kích thước tiết kiệm lượng 3.2 Lập trình cho NodeMcu Arduino Cả NodeMCU Aruino sử dụng chung phần mềm tên Arduino IDE Thut toỏn iu khin nh trờn Hỡnh Bắt đầu Bắt đầu Serial.Begin (9600) webSocketEvent() WiFiMulti.addAP(SSID_NAME, WIFI_PASSWORD) Bắt đầu Serial.Begin (9600) Serial.println ("deviceID, action") Sai webSocket.begin(SERVER_URL, SERVER_PORT, "/") Cã d÷ liệu Kết thúc Đúng Xác định deviceID Action webSocket.sendTXT("H") Tạo trễ phút Sai Xuất lệnh điều khiển Dừng Sai §óng Dõng §óng KÕt thóc KÕt thóc a Chương trình NodeMCU b Ngắt nhận NodeMCU c Chương trình Arduino Nano Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình cho NodeMCU Arduino Nano Chương trình bao gồm thuật tốn thuật tốn chương trình NodeMCU, ngắt nhận NodeMCU chương trình Arduino Nano Chương trình NodeMCU bao gồm bước khởi tạo cổng truyền thông với Arduino dung hàm Serial.Begin () Tốc độ truyền 9600 bít/giây Sau kết nối tới mạng Wi-Fi với thông số nhập vào SSID (tên mạng) PASSWORD mạng Sau hàm webSocket.Begin() gọi để kết nối tới địa URL (Uniform Resource Locator) máy chủ (iot.sinric.com) qua cổng mở 80 Q trình kết nối máy chủ thành cơng NodeMCU sẵn sàng để nhận liệu từ máy chủ, nhiên sau phút mà khơng có trao đổi liệu máy chủ Sinric NodeMCU máy chủ Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 65 đóng lại cần liên tục gửi liệu phút lần để trì kết nối sử dụng hàm webSocket.send () Khi có lệnh điều khiển người sử dụng, Sinric gửi liệu đến NodeMCU với thông số tên thiết bị (deviceID) hành động cần thực tương ứng (action) tạo kiện ngắt với NodeMCU NodeMCU xử lý gửi thơng số tới Arduino Nano để thực Tất công việc thực chương trình ngắt NodeMCU Arduino Nano sau nhận liệu vào deviceID action để điều khiển thiết bị phù hợp Tồn chương trình viết biên dịch phần mềm Arduino IDE Hình cho NodeMCU Arduino Sau lập trình xong, tiến hành kết nối hồn thiện mơ Hình Mơ hình bao gồm loa Amazon Echo dot, Hình Chương trình viết Arduino IDE NodeMCU kết nối tới Arduino Nano LED phát hồng ngoại kết nối tới Arduino Mạch động lực sử dụng triac kết nối tới Aruino Trong mơ hình có hai triac, đầu triac nối tới hai ổ cắm để điều khiển hai thiết bị điện khơng có cổng hồng ngoại quạt, đèn, Các thiết bị khác tivi, điều hòa, đầu kỹ thuật số,… điều khiển từ thơng qua tín hiệu hồng ngoại Mơ hình thử nghiệm thực tế cho kết tốt, thời gian đáp ứng từ lệnh đáp ứng phần cứng giây, độ trễ thời gian hồn Hình Hình ảnh mơ hình hồn thiện tồn chấp nhận điều khiển thiết bị Kết nối phần cứng máy chủ trì liên tục, khơng bị kết nối hoạt động thời gian dài Các câu lệnh Alexa nhận dạng với độ xác cao, có điểm thú vị sử dụng nhiều Alexa nhận dạng câu lệnh xác trí thơng minh nhân tạo lên có khả tự học để thích nghi với ngôn ngữ người sử dụng Kết luận Bài báo giới thiệu giải pháp kết hợp trí thơng minh nhân tạo với phần cứng Arduino để xây dựng mơ hình điều khiển trung tâm cho ngơi nhà thơng minh Với lợi trí thông minh nhân tạo khả nhận biết ngôn ngữ, học hỏi tư kết hợp với phần cứng Arduino linh hoạt có ứng dụng cao thực tế mang lại hiệu kinh tế Ngoài báo mở hướng nghiên cứu cho giảng viên sinh viên để nâng cao chất lượng giảng dạy, xa xây dựng mơ hình tích hợp cao để triển khai thương mại TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] David Bregman, Smart Home Intelligence -The eHome that Learns, International Journal of Smart Home Smart Home Smart Home Smart Home Vol.4, No.4, October 2016 [2] Prof Garima Tripathi and Melnita Dabre, Home Automation System using Artificial Intelligence, International Journal for Research in Applied Science & Engineering Vol 5, 2017 [3] Lê Mỹ Hà, Lập trình IoT với Arduino, Nhà xuất Thanh Niên, 2016 [4] Irene Lopatovska, Talk to me: Exploring user interactions with the Amazon Alexa, Journal of Librarianship and Information Science, 2018 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa lần 01: Ngày nhận sửa lần 02: Ngày duyệt đăng: 66 10/3/2019 05/4/2019 16/4/2019 28/4/2019 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 59 - 8/2019 ... Với thiết bị khơng có điều khiển từ xa hồng ngoại thiết bị điều khiển cấp nguồn qua rơ le áp dụng để điều khiển cho thiết bị không thông minh nhà Xây dựng mơ hình 3.1 Kết nối phần cứng Phần cứng... sử dụng thiết bị điện hãng nói mà tự tạo điều khiển riêng phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam có nhiều thiết bị khơng có tính thơng minh Chính sử dụng ngơi nhà bình thường chưa có thiết bị điện. .. điều khiển cách linh hoạt Arduino Nano có nhiều đầu Cấu trúc điều khiển Trợ lý ảo Alexa có khả chơi nhạc, cung cấp thông tin thời tiết, giao thông Ngồi Alexa có khả điều khiển thiết bị điện thông