Báo cáo Đề tài - Thiết kế điều khiển thiết bị bằng giọng nói với google assistant (google home)

Hạnh phúc ------o0o----- NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Họ và tên sinh viên thực hiện: Mai Thanh Tuấn - MSSV: 15032278 - Ngày, tháng, năm sinh: 11/10/1997 - Nơi sinh: BRVT - Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG GIỌNG NÓI VỚI GOOGLE ASSISTANT ( GOOGLE HOME ) II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu về hệ thống điều khiển thông minh các thiết bị trong nhà. - Điều khiển và giám sát từ xa việc bật mở thiết bị bằng Google Assistant - Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống thiết bị bằng giọng nói với Google Assistant ( Google Home ). III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI: 01/12/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH ĐỀ TÀI: 15/06/2019 V. HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Lưu Hoàng Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày 15 tháng 06 năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) ThS. Lưu Hoàng Mai Thanh Tuấn PHÒNG KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - HTQT TRƯỞNG VIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) SVTH: Mai Thanh Tuấn Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã tìm hiểu, học hỏi và nhận được rất nhiều sự hỗ trợ từ các thầy cô và các anh chị khóa trước. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô viện Công nghệ thông tin – Điện-Điện tử - Trường đại học Bà Rịa Vũng Tàu đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em cũng như các bạn cùng khoá . Qua đây em cũng xin cảm ơn các anh chị khóa trước đã đóng góp ý kiến giúp đỡ em để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn ThS. Lưu Hoàng đã tận tâm hướng dẫn em qua từng buổi hướng dẫn để hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì em nghĩ đồ án tốt nghiệp của em khó có thể hoàn thiện được. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy. Vũng Tàu, ngày 26 tháng 06 năm 2019 SVTH: Mai Thanh Tuấn Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, xã hội càng hiện đại, khoa học kỹ thuật càng phát triển thì cuộc sống của con người càng có nhu cầu sử dụng đầy đủ các thiết bị thông minh để phục vụ cho sinh hoạt và công việc của mình. Một thực tế rất gần với con người là trong chính căn nhà của mình, mong muốn được dụng công nghệ tự động hóa càng được rộng rãi, tất cả đồ dùng trong nhà từ 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 vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch thời gian đúng mong muốn. Nhu cầu về kiểm soát hệ thống thiết bị điện và điều khiển thiết bị thông minh ngày càng phổ biến như kiểm tra trạng thái của đèn, quạt, máy lạnh, các thiết bị khác, có thể mở hay tắt và các thiết bi ̣điện trong nhà từ xa bằng thiết bị điện thoại di động, thiết bị máy tính thông qua mạng internet. Hiện nay với nền khoa học phát triển với các trợ lý ảo thông minh hỗ trợ AI như: Google Assistant (Google), Alexa (Amazon), Siri (Apple), Cortana (Microsoft), Các thiết bị trong ngôi nhà thông minh ngoài được điều khiển qua các app trên điện thoại, web, còn được điều khiển qua trợ lý ảo cũng dần được phát triển. Vì vậy, em đã tìm hiểu, nghiên cứu, chọn đề tài: “ Điều khiển thiết bị bằng giọng nói qua Google Asstiant (Google Home) ” để làm đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường SVTH: Mai Thanh Tuấn Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU LỜI CÁM ƠN LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG 1: Mở Đầu ................................................................................... 1 1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................ 1 1.2. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 1 1.3. Mục tiêu, nhiệm vụ .............................................................................. 2 CHƯƠNG 2: Tổng Quan .............................................................................. 3 2.1. Trợ lý ảo ............................................................................................... 3 2.1.1. Khái niệm ..................................................................................... 3 2.1.2. Google Assistant ............................................................................ 4 2.1.3. Google Home ................................................................................ 5 2.2. Internet Of Thing .................................................................................. 7 2.2.1. Khái niệm ...................................................................................... 7 2.2.2. Ứng dụng ....................................................................................... 10 2.3. Blynk .................................................................................................... 13 2.3.1 Hệ sinh thái Blynk. ......................................................................... 13 2.2.2. Tính năng của Blynk ...................................................................... 14 2.4. Nhà thông minh .................................................................................... 14 2.4.1. Khái niệm ...................................................................................... 14 2.4.2. Ứng dụng ....................................................................................... 15 2.4.3. Các hệ sinh thái nhà thông minh trên thế giới ................................ 15 CHƯƠNG 3: Thiết bị và giải pháp công nghệ ............................................. 17 3.1. Kit NodeMCU Lua ESP8266 ............................................................... 17 3.2. Công tắc cảm ứng ................................................................................. 18 3.3. Module relay 4 kênh ............................................................................. 21 SVTH: Mai Thanh Tuấn Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng 3.4. Đèn led 6W .......................................................................................... 23 3.5. Phần mềm IDE ..................................................................................... 24 CHƯƠNG 4: Thiết kế điều khiển thiết bị bằng giọng nói với Google Assistant (Google Home) ............................................................................................... 28 4.1. Sơ đồ khối ............................................................................................ 28 4.2. Sơ đồ kết nối ........................................................................................ 29 4.3. Mô hình thực tế .................................................................................... 30 4.4. Lưu đồ giải thuật ................................................................................. 32 CHƯƠNG 5 : Kết Luận Và Hướng Phát Triển Đề Tài ............................... 34 5.1. Kết luận ................................................................................................ 34 5.1.1. Những mặt đã làm được ................................................................. 34 5.1.2. Những hạn chế tồn tại .................................................................... 34 5.2. Hướng phát triển đề tài ......................................................................... 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 35 PHỤ LỤC: Code chương trình ..................................................................... 36 SVTH: Mai Thanh Tuấn Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng Chương 1 Mở Đầu 1.1. Đặt vấn đề Ngày nay, xã hội càng hiện đại, khoa học kỹ thuật càng phát triển thì cuộc sống của con người càng có nhu cầu sử dụng đầy đủ các thiết bị thông minh để phục vụ cho sinh hoạt và công việc của mình. Một thực tế rất gần với con người là trong chính căn nhà của mình, mong muốn được dụng công nghệ tự động hóa càng được rộng rãi, tất cả đồ dùng trong nhà từ 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 vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch thời gian đúng mong muốn. Nhu cầu về kiểm soát hệ thống thiết bị điện và điều khiển thiết bị thông minh ngày càng phổ biến như kiểm tra trạng thái của đèn, quạt, máy lạnh, các thiết bị khác, có thể mở hay tắt và các thiết bi ̣điện trong nhà từ xa bằng thiết bị điện thoại di động, thiết bị máy tính thông qua mạng internet. Hiện nay với nền khoa học phát triển với các trợ lý ảo thông minh hỗ trợ AI như: Google Assistant (Google), Alexa (Amazon), Siri (Apple), Cortana (Microsoft), Các thiết bị trong ngôi nhà thông minh ngoài được điều khiển qua các app trên điện thoại, web, còn được điều khiển qua trợ lý ảo cũng dần được phát triển. Vì vậy, em đã tìm hiểu, nghiên cứu, chọn đề tài: “ Điều khiển thiết bị bằng giọng nói qua Google Asstiant (Google Home) ” để làm đồ án tốt nghiệp của mình. Kết quả nghiên cứu từ đề tài này sẽ giúp em có nhiều kinh nghiệm để sau khi tốt nghiệp chúng em có đủ khả năng nghiên cứu chế tạo hoàn chỉnh thiết bị điều khiển hệ thống điện cho ngôi nhà thông minh đáp ứng được sử dụng yêu cầu trên thi ̣trường với giá thành hợp ̣ lý, chất lượng đảm bảo, phù hợp ̣ với điều kiện sống tại Việt Nam. 1.2. Phương pháp nghiên cứu SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 1 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng - Nghiên cứu tài liệu qua sách báo về lĩnh vực IOT - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để thiết kế mạch điều khiển thiết bị với trợ lý ảo Google Assistant của Google - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các module và thiết bị điện trong nhà 1.3. Mục tiêu, nhiệm vụ - Tìm hiểu về hệ thống điều khiển thông minh các thiết bị trong nhà . - Tìm hiểu về Google Assistant (Google Home), IOT. - Thiết kế mạch điều khiển thiết bị bằng giong nói qua Google Assistant (Google Home) - Xây dựng mô hình mẫu điều khiển thiết bị qua Google Assistant (Google Home) - Kiểm tra, đánh giá tính ứng dụng của đề tài. SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 2 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1. Trợ lý ảo 2.1.1. Khái niệm Trợ lý ảo là một khái niệm mới trong lĩnh vực công nghệ, phần mềm, lần đầu được biết tới trên thế giới vào năm 1961 tại Hội chợ Thế giới Seattle, dưới dạng một thiết bị có tên IBM Shoebox, với khả năng nhận diện giọng nói. Đến năm 1970, Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ và cơ quan DARPA của Bộ này đã phát triển công cụ "Harpy" có thể nhận dạng khoảng 1000 từ, tương đương vốn từ vựng của một đứa bé 3 tuổi. Phải tới những năm 1990, trợ lý ảo mới được các nhà sản xuất hàng đầu như Microsoft, IBM, Philips và Lernout & Hauspie chính thức nghiên cứu và áp dụng trên các máy tính cá nhân. Trong đó, sự kiện ra mắt chiếc điện thoại thông minh đầu tiên IBM Simon vào năm 1994 đặt nền móng cho các trợ lý ảo thông minh mà ta biết tới ngày nay. Năm 2011, trợ lý ảo số hiện đại đầu tiên được cài đặt trên một điện thoại thông minh là Siri, từng được giới thiệu là một tính năng trên chiếc iPhone 4S của Apple. Từ năm 2017 đến nay, trợ lý ảo bắt đầu được người dùng chú ý nhờ các ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là sự đầu tư mạnh tay từ các tập đoàn lớn như Amazon với Alexa, Google với Google Assistant hay Apple với Siri. Hình 2.1: Các trợ lý ảo trên các dòng Smartphone SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 3 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng Từ trên chúng ta có thể hiểu đơn giản trợ lý ảo là phần mềm, công cụ được xây dựng dựa trên nền tảng trí thông minh nhân tạo (AI) và được các nhà phát triển hệ điều hành, hay các hãng công nghệ tích hợp sâu vào trong hệ điều hành với mục đích chính là hỗ trợ người dùng thiết bị dễ dàng hơn bằng chính thói quen mà người dùng thường làm trên thiết bị. 2.1.2. Google Assistant Google Assistant là một trợ lý cá nhân ảo được phát triển bởi Google và được giới thiệu tại hội nghị nhà phát triển của hãng vào tháng 5 năm 2016. Không giống như Google Now, Google Assistant có thể tham gia các cuộc trò chuyện hai chiều. Assistant ban đầu được đưa vào ứng dụng nhắn tin Google Allo, và loa thông minh Google Home. Sau một thời gian chỉ có mặt trên hai chiếc điện thoại thông minh Pixel và Pixel XL của hãng, Google bắt đầu triển khai Assistant trên các thiết bị Android khác vào tháng 2 năm 2017, bao gồm cả các điện thoại thông minh bên thứ ba và các thiết bị Android Wear, và được phát hành dưới dạng ứng dụng riêng biệt trên IOS vào tháng 5. Cùng với sự ra mắt một bộ phát triển phần mềm (SDK) vào tháng 4 năm 2017 cho phép các nhà phát triển bên thứ ba có thể tự xây dựng phần cứng tương thích với Google Assistant, Assistant đã và đang được tiếp tục mở rộng hỗ trợ cho một lượng lớn thiết bị, bao gồm cả xe hơi và các thiết bị nhà thông minh. Các chức năng của Assistant cũng có thể được bổ sung bởi các nhà phát triển bên thứ ba. Người dùng chủ yếu có thể tương tác với Google Assistant qua giọng nói tự nhiên, hoặc có thể nhập qua bàn phím. Các chức năng cơ bản của nó cũng tương tự như Google Now, như tìm kiếm trên Internet, đặt sự kiện trên lịch và báo thức, điều chỉnh cài đặt phần cứng trên thiết bị người dùng và hiển thị thông tin từ tài khoản Google của người dùng. Google cũng bổ sung các tính năng khác cho Assistant bao gồm khả năng nhận diện vật thể và thu thập thông tin về vật thể thông qua máy ảnh của thiết bị, cùng với việc hỗ trợ mua sản phẩm và chuyển tiền. SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 4 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng Hình 2.2: Sử dụng Google Assistant trên điện thoại Vào 6-5-2019, Google đã bổ sung tiếng Việt vào danh sách những ngôn ngữ được hỗ trợ bởi Google Assistant. Nhờ đó, người Việt đã có thể sử dụng những câu lệnh bằng tiếng Việt để hỏi đáp, truy vấn thông tin. Còn trước đây, người Việt muốn sử dụng Google Assistant buộc phải ra lệnh bằng tiếng Anh (hoặc một ngôn ngữ nước ngoài khác). Rào cản ngôn ngữ khiến cho Google Assistant cũng như các trợ lý ảo khác không được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. 2.1.3. Loa thông minh Google Home Google Home là một thương hiệu loa thông minh được phát triển bởi Google. Các thiết bị cho phép người dùng nói lệnh thoại để tương tác với các dịch vụ thông qua Google Assistant , trợ lý ảo của công ty . Cả hai dịch vụ nội bộ và bên thứ ba đều được tích hợp, cho phép người dùng nghe nhạc, kiểm soát phát lại video hoặc ảnh hoặc nhận cập nhật tin tức hoàn toàn bằng giọng nói. Các thiết bị Google Home cũng có hỗ trợ tích hợp cho tự động hóa gia đình , cho phép người dùng điều khiển các thiết bị gia đình thông minh bằng giọng nói của họ. Thiết bị Google Home đầu tiên được phát hành tại Hoa Kỳ vào tháng 11 năm 2016, với các sản phẩm tiếp theo được phát hành trên toàn cầu từ 2017. SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 5 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng Hình 2.3: Google Home Thông qua các bản cập nhật phần mềm cho các thiết bị Google Home và Google Assistant, chức năng bổ sung đã được thêm vào theo thời gian. Nhiều loa có thể được đặt trong các phòng khác nhau trong một ngôi nhà để phát lại nhạc đồng bộ. Một bản cập nhật vào tháng 4 năm 2017 đã mang đến sự hỗ trợ cho nhiều người dùng, cho phép thiết bị phân biệt giữa tối đa sáu người bằng giọng nói. Vào tháng 5 năm 2017, Google đã công bố nhiều bản cập nhật, bao gồm: gọi điện thoại rảnh tay miễn phí tại Hoa Kỳ và Canada; cập nhật chủ động trước các sự kiện theo lịch trình; phản hồi trực quan trên thiết bị di động hoặc TV có hỗ trợ Chromecast ; Truyền phát âm thanh Bluetooth ; và khả năng thêm lời nhắc và lịch hẹn. Hình 2.4: Google Home Mini SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 6 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng Loa Google Home ban đầu được phát hành vào tháng 11 năm 2016, có hình dạng hình trụ với đèn LED trạng thái màu trên đầu. Vào tháng 10 năm 2017, Google đã công bố hai bổ sung cho dòng sản phẩm, Google Home Mini hình puck thu nhỏ và Google Home Max lớn hơn. Vào tháng 10 năm 2018, công ty đã phát hành Google Home Hub, một loa thông minh với màn hình hiển thị video màn hình cảm ứng 7 inch. Một màn hình thông minh thứ hai có tên Google Nest Hub Max đã được công bố vào tháng 5 năm 2019 và sẽ có màn hình 10 inch và máy quay video. Hình 2.5: Google Hud Vào tháng 5 năm 2019, Google đã thông báo rằng các thiết bị Google Home sẽ được đổi thương hiệu dưới biểu ngữ Google Nest 2.2. Internet Of Thing 2.2.1. Khái niệm Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người được cung SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 7 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng cấp các định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần sự tương tác giữa con người-với-con người hoặc con người-với-máy tính. IoT tiến hoá từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và Internet. Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT. Hình 2.6:“Internet of Things” "Thing" - sự vật - trong Internet of Things, có thể là một trang trại động vật với bộ tiếp sóng chip sinh học, một chiếc xe ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khi lốp quá non, hoặc bất kỳ đồ vật nào do tự nhiên sinh ra hoặc do con người sản xuất ra mà có thể được gán với một địa chỉ IP và được cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lưới. IoT phải có 2 thuộc tính: một là đó phải là một ứng dụng internet. Hai là, nó phải lấy được thông tin của vật chủ. SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 8 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng Hình 2.7: Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy – máy. Một ví dụ điển hình cho IoT là tủ lạnh thông minh, nó có thể là một chiếc tủ lạnh bình thường nhưng có gắn thêm các cảm biến bên trong giúp kiểm tra được số lượng các loại thực phẩm có trong tủ lạnh, cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát hiện mở cửa, và các thông tin này được đưa lên internet. Với một danh mục thực phẩm được thiết lập trước bởi người dùng, khi mà một trong các loại thực phẩm đó sắp hết thì nó sẽ thông báo ngay cho chủ nhân nó biết rằng cần phải bổ sung gấp, thậm chí nếu các loại sản phẩm được gắn mã ID thì nó sẽ tự động trực tiếp gửi thông báo cần nhập hàng đến siêu thị và nhân viên siêu thị sẽ gửi loại thực phẩm đó đến tận nhà. Hình 2.8: Ứng dụng tủ lạnh trong IoT SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 9 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng 2.2.2. Ứng dụng Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế giới mà con người đang sống. Từ chiếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà, những mãnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật hay con ngườiđều có sử dụng giải pháp IoT. Hình 2.9: Tổng quan về ứng dụng của IoT. Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải: Ứng dụng điển hình nhất trong lĩnh vực này là gắn chíp lấy tọa độ GPS lên xe chở hàng, nhằm kiểm soát lộ trình, tốc độ, thời gian đi đến của các xe chở hàng. Ứng dụng này giúp quản lý tốt khâu vận chuyển, có những xử lý kịp thời khi xe đi không đúng lộ trình hoạt bị hỏng hóc trên những lộ trình mà ở đó mạng di động không phủ sóng tới được, kiểm soát được lượng nhiên liệu tiêu hao ứng với lộ trình đã được vạch trước Hình 2.10: Theo dõi lộ trình đi của xe chở hàng. SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 10 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp: Quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng trải qua nhiều giai đoạn từ hạt nảy mầm đến ra hoa kết trái. Ở mỗi giai đoạn cần có sự chăm sóc khác nhau về chất dinh dưỡng cũng như chế độ tưới tiêu phù hợp. Những yêu cầu này đòi hỏi sự bền bỉ và siêng năng của người nông dân từ ngày này sang ngày khác làm cho họ phải vất vả. Nhưng nhờ vào ứng dụng khoa học kỹ thuật, sử dụng cảm biến để lấy thông số nhiệt độ, độ ẩm, độ pH của đất trồng, cùng với bảng dữ liệu về quy trình sinh trưởng của loại cây đó, hệ thống sẽ tự động tưới tiêu bón lót cho cây trồng phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng. Người nông dân bây giờ chỉ kiểm tra, quan sát sự vận hành của hệ thống chăm sóc cây trồng trên một màn hình máy tính có nối mạng. Hình 2.11: Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng. Sản phẩm của mỗi loại nông sản sẽ được gắn mã ID, nếu tủ lạnh nhà chúng ta sắp hết một loại nông sản nào đó thì ngay lập tức nó sẽ tự động gửi thông báo cần mua đến cơ sở dữ liệu của trang trại có trồng loại nông sản đó, và chỉ sau một thời gian nông sản mà bạn cần sẽ được nhân viên đem đến tận nhà. Ứng dụng trong nhà thông minh: Vài năm trở lại đây, khi thế giới đang dần tiến vào kỷ nguyên Internet of Things, kết nối mọi vật qua Internet, nhà thông minh trở thành một xu hướng SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 11 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng công nghệ tất yếu, là tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại. Trong căn hộ thông minh, tất cả các thiết bị từ rèm cửa, điều hoà, dàn âm thanh, hệ thống ánh sáng, hệ thống an ninh, thiết bị nhà tắm được kết nối với nhau và hoạt động hoàn toàn tự động theo kịch bản lập trình sẵn, đáp ứng đúng nhu cầu sử dụng của khách hàng. Ví dụ, vào buổi sáng, đèn tắt, rèm cửa tự động chuyển tới vị trí thích hợp để giảm bớt những tác động náo nhiệt từ đường phố và nhường không gian cho ánh sáng tự nhiên. Tối đến, hệ thống đèn bật sáng, các rèm cửa kéo lên người dùng có thể thưởng ngoạn từ trên cao bức tranh thành phố rực rỡ ánh đèn, đồng thời âm nhạc cũng nhẹ nhàng cất lên các giai điệu yêu thích của gia đình. Hình 2.12: Ví dụ về nhà thông minh Nếu có việc cả nhà phải đi vắng, chế độ "Ra khỏi nhà" sẽ được kích hoạt, toàn bộ thiết bị điện tử gia dụng sẽ tự động tắt hoặc đóng lại và khi chủ nhân về, chúng cũng sẽ khôi phục lại trạng thái trước đó. Thậm chí, nước nóng cũng đã sẵn sàng từ vài phút trước khi gia chủ về đến cửa. Riêng hệ thống an ninh luôn hoạt động 24/24 và sẽ thông báo đến chủ nhà mọi thay đổi "đáng ngờ" trong ngôi nhà, dù đang ở bất cứ đâu. SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 12 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng 2.3. Blynk Đây là một nền tảng IoT được ưa thích bởi hơn 500.000 kỹ sư trong lĩnh vực IoT trên toàn thể giới. 2.3.1. Hệ sinh thái Blynk Có ba thành phần chính trong nền tảng Blynk: Blynk App - cho phép tạo giao diện cho sản phẩm của bạn bằng cách kéo thả các widget khác nhau mà nhà cung cấp đã thiết kế sẵn. Blynk Server - chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu trung tâm giữa điện thoại, máy tính bảng và phần cứng. Chúng ta có thể sử dụng Blynk Cloud của Blynk cung cấp hoặc tự tạo máy chủ Blynk riêng cho mình. Vì đây là mã nguồn mở, nên bạn có thể dễ dàng intergrate vào các thiết bị và thậm chí có thể sử dụng Raspberry Pi làm server của hệ thống. Library Blynk – support cho hầu hết tất cả các nền tảng phần cứng phổ biến - cho phép giao tiếp với máy chủ và xử lý tất cả các lệnh đến và đi. Hình 2.13: Sơ đồ hệ sinh thái Blynk SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 13 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng Nguyên lý hoạt động của Blynk: mỗi khi ta nhấn một nút trong ứng dụng Blynk, yêu cầu sẽ chuyển đến server của Blynk, server sẽ kết nối đến phần cứng của chúng ta thông qua library . Tương tự thiết bị phần cứng sẽ truyền dữ liệu ngược lại đến server. Vì thế chúng ta có thể tự mình xây dụng một hệ sinh thâí nhà thông minh dựa trên nền tảng của Blynk 2.3.2.Tính năng của Blynk - Cung cấp API & giao diện người dùng tương tự cho tất cả các thiết bị và phần cứng được hỗ trợ - Kết nối với server bằng cách sử dụng:Wifi, Bluetooth và BLE, Ethernet, USB (Serial), GSM, - Các tiện ích trên giao diện được nhà cung cấp dễ sử dụng - Thao tác kéo thả trực tiếp giao diện mà không cần viết mã - Dễ dàng tích hợp và thêm chức năng mới bằng cách sử dụng các cổng kết nối ảo được tích hợp trên blynk app - Theo dõi lịch sử dữ liệu - Thông tin liên lạc từ thiết bị đến thiết bị bằng Widget 2.4. Nhà thông minh 2.4.1. Khái niệm Nhà thông minh là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web. SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 14 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng Hình 2.14: Mô hình nhà thông minh Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ 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 vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà 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. 2.4.2. Chức năng - Điều khiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic,...) - Điều khiển mành, rèm, cửa cổng - Hệ thống an ninh, báo động, báo cháy - Điều khiển điều hòa, máy lạnh - Hệ thống âm thanh đa vùng - Camera, chuông hình - Hệ thống Bảo vệ nguồn điện 2.2.3. Các hệ sinh thái nhà thông minh trên thế giới: Với nhu cầu ngày càng cao về nhà thông minh trên thế giới. Các hãng công nghệ lớn trên thế giới đã phát triển các hệ sinh thái SmartHome cho riêng SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 15 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng mình. Với trung tâm là trợ lý ảo tích hợp AI cùng các thiết bị điện thông minh kết nối IoT và các phần mềm hỗ trợ trên Smart phone Tiêu biểu trong các hệ sinh thái này phải kể đến: Amazon, Google, Samsung, Xiaomi, GeekLink, SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 16 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 3.1 Kit NodeMCU Lua ESP8266 Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp Wifi cho các thiết bị IoT. Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp các mạch RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngay bên trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266 không cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh. Hình 3.1: Module NodeMCU Lua ESP8266 Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản. SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 17 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý kit NodeMCU ESP8266 Thông số kỹ thuật: - IC chính: ESP8266 Wifi SoC. - Phiên bản firmware: NodeMCU Lua - Chip nạp và giao tiếp UART: CH340 - GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU. - Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin. - GIPO giao tiếp mức 3.3VDC - Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash. - Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino. - Kích thước: 59 x 32mm 3.2. Công tắc cảm ứng Ngày nay ở một số thiết bị gia dụng, thiết bị điện, điện tử sử dụng nút bấm nằm trên mặt phẳng cứng, ví dụ nút bấm trên một số loại bếp từ, nút bấm trong bảng công tắc điều khiển nhà thông minh, nút back của một số điện thoạiđó là các nút bấm điện dung. Đặc điểm của các loại nút này là chỉ cần SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 18 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng chạm, không cần nhấn nút và ta cũng không thể nhấm “lõm” như những nút bấm cơ bình thường vì chúng được vẽ trên mặt nhựa hoặc mặt kính phẳng. Nút bấm điện dung ra đời với mục đích chính là thay thế nút bấm cơ truyền thống, mang đến sự tinh tế, sự hiện đại cho các thiết bị điện tử. TTP224 là ic giải mã cảm ứng điện dung thông dụng đặc biệt sử dụng trong các thiết bị điều khiển, có khả năng tự động xử lý với 4 cực chạm và đưa ra 4 đầu ra trực tiếp. Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch công tắc cảm ứng Thông tin chung về IC TTP224-ASD (SSOP20) - Điện áp sử dụng: 2.5V~5.5V - Dòng điện tiêu thụ tại VDD = 3V không tải: 2.5uA ở low power mode và 9.0uA ở fast mode - Thời gian đáp ứng tại VDD = 3V là 100mS ở fast mode và 200mS ở low power mode - Có thể điều chỉnh độ nhạy cho cảm biến bằng tụ ngoài gắn vào touch pad - Cung cấp 2 chế độ là fast mode và low power mode được lựa chọn bởi chân LPMB SVTH: Mai Thanh Tuấn Trang 19 Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: ThS. Lưu Hoàng - Có thể điều chỉnh thời gian chạm tối đa 120s/64s/16s bởi các chân MOT1, MOT0 Hình 3.4: Mặt công tắc cảm ứng Điều chỉnh độ nhạy: Các yếu tố như kích thước của điện cực, điện dung của đường dây kết nối trên PCB có thể ảnh hưởng đến độ nhạy. Độ nhạy của cảm biến phải được điều chỉnh tùy theo ứng dụng cụ thể trên PCB. TTP224-ASD cung cấp một số phương pháp để điều chỉnh độ nhạy cảm biến. Kích thước bản cực: Sử dụng một bản cực lớn hơn có thể làm tăng độ nhạy tuy nhiên kích thước bản cực phải ở trong phạm vi hiệu quả cho phép. Độ dày của bản cực: Sử dụng một bản cực mỏng có thể làm tăng độ nhạy. Độ dày của bản cực phải thấp hơn giá trị cực đại cho phép. Giá trị của tụ Cs: Thêm các tụ Cs (xem schematic) vào để điều chỉnh độ nhạy