Đồ án Ứng dụng chatbot vào điều khiển nhà thông minh

TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CHATBOT VÀO ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS. Nguyễn Mạnh Hùng SVTH: Nguyễn Minh Hùng MSSV: 14141139 Tp. Hồ Chí Minh - 06/2018 i TRƢỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 28 tháng 06 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Hùng MSSV: 14141139 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử Truyền Thông Mã ngành: 14141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT3B I. TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CHATBOT VÀO ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - 1 chatbot đƣợc tạo ra trên nền tảng Dialogflow. - 1 kit raspberry Pi3 B. - 1 Mạch dimmer điều khiển độ sáng của bóng đèn. - 2 Module Relay 5V 2 kênh điều khiển đóng/mở đèn, quạt. - 1 động cơ servo MG90S điều khiển đóng/mở cửa. - 1 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11. 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu nền tảng Dialogflow và tạo ra chatbot dựa trên nền tảng này. - Tìm hiểu kit Raspberry Pi 3 và ngôn ngữ lập trình Python. - Tạo webhook để nhận dữ liệu từ Dialogflow, xử lí dữ liệu để trả lại đồng thời điều khiển thiết bị trong nhà. - Thiết kế và thi công mạch điều khiển dimmer. - Tìm hiểu cách điều khiển động cơ servo, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11. - Thi công mô hình nhà thông minh, kết nối các module lại với nhau. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/06/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. Nguyễn Mạnh Hùng CÁN BỘ HƢỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii TRƢỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 28 tháng 06 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Hùng Lớp: 14141DT3B MSSV: 14141139 Tên đề tài: Ứng dụng chatbot và điều khiển nhà thông minh Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1 Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án, (16/03 - 23/03) tiến hành chọn đồ án Tuần 2 GVHD tiến hành xét duyệt đề tài Tuần 3 Viết tóm tắt yêu cầu đề tài đã chọn: đề tài làm cái gì, nội dung thiết kế, các thông số giới hạn của đề tài Tuần 4 Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng các khối Tuần 5 - Tìm hiểu các khái niệm liên quan đến đề tài nhƣ API, webhook - Thực hiên thiết kế trên Dialogflow Tuần 6 - Cài đặt các gói thƣ viện cần thiết cho Raspberry - Thực hiện tạo webhook và xử lí dữ liệu nhận đƣợc Tuần 7 - Thực hiện code phần back-end để hoàn thiện yêu cầu xử lí trả về dữ liệu cho Dialogflow, điều Tuần 8 khiển phần cứng. Tuần 9 - Sử dụng ngrok để public server online iii Tuần 10 - Thiết kế sơ đồ nguyên lí mạch dimmer - Tiến hành vẽ PCB, chọn linh kiện - Tiến hành thi công mạch - Kiểm tra mạch thi công Tuần 11 - Thi công mô hình đồ án Tuần 12 - Kiểm tra, đánh giá mô hình Tuần 13 - Viết báo cáo những nội dung đã làm Tuần 14 - Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem xét góp ý lần cuối trƣớc khi in và báo cáo Tuần 15 Tiến hành làm silde báo cáo và các nhiệm vụ liên quan đến đồ án tốt nghiệp GV HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv LỜI CAM ĐOAN -----  ----- Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và đƣợc sự hƣớng dẫn khoa học của Ts. Nguyễn Mạnh Hùng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trƣớc đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trƣớc đó. Những thông tin phục vụ cho đề tài đƣợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về công trình nghiên cứu của riêng mình! Sinh viên thực hiện Nguyễn Minh Hùng v LỜI CẢM ƠN -----  ----- Trong thời gian làm đồ án tốt môn học, em đã nhận đƣợc nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ts. Nguyễn Mạnh Hùng, giảng viên Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cƣơng cũng nhƣ các môn chuyên ngành, giúp em có đƣợc cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án môn học. Sinh viên thực hiện Nguyễn Minh Hùng vi MỤC LỤC Trang bìa ..................................................................................................................... i Nhiệm vụ đồ án .......................................................................................................... ii Lịch trình ................................................................................................................... iii Cam đoan..................................................................................................................... v Lời cảm ơn ................................................................................................................ vi Mục lục ..................................................................................................................... vii Liệt kê hình vẽ ........................................................................................................... xi Liệt kê bảng vẽ ........................................................................................................ xiv Tóm tắt ...................................................................................................................... xv Chƣơng 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU .................................................................................................... 1 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ......................................................................... 2 1.4 GIỚI HẠN ..................................................................................................... 2 1.5 BỐ CỤC ........................................................................................................ 3 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 4 2.1 TỔNG QUAN VỀ CHATBOT ..................................................................... 4 2.1.1 Khái niệm về chatbot .............................................................................. 4 2.1.2 Phân loại chatbot ..................................................................................... 4 2.1.3 Xử lý ngôn ngữ tự nhiên (Natural Language Processing) ...................... 5 2.2 TỔNG QUAN VỀ API .................................................................................. 5 2.2.1 Khái niệm về API ................................................................................... 5 2.2.2 Mô hình của một API.............................................................................. 6 2.2.3 Các tác vụ thực hiện qua API ................................................................. 6 2.3 WEBHOOK ................................................................................................... 7 2.3.1 Khái niệm Webhook ............................................................................... 7 2.3.2 Hoạt động của Webhook......................................................................... 7 2.4 TỔNG QUAN VỀ DIALOGFLOW ............................................................. 8 2.4.1 Giới thiệu về Dialogflow ........................................................................ 8 2.4.2 Cấu trúc của Dialogflow ......................................................................... 9 a. Agent ........................................................................................................... 10 vii b. Intent ........................................................................................................... 10 c. Entities ......................................................................................................... 15 d. Fulfillment ................................................................................................... 17 e. Integrations .................................................................................................. 17 2.5 RASPBERRY PI 3 ...................................................................................... 18 2.5.1 Giới thiệu về Board Raspberry Pi ......................................................... 18 2.5.2 Phần cứng của Raspberry Pi 3 .............................................................. 18 a. Nguồn cung cấp ........................................................................................... 20 b. Các cổng giao tiếp ....................................................................................... 20 c. Các chân giao tiếp GPIO của kit ................................................................. 22 2.5.3 Hệ điều hành Raspbian cho kit Raspberry Pi ....................................... 23 2.6 ĐỘNG CƠ SERVO ..................................................................................... 24 2.6.1 Giới thiệu động cơ servo ....................................................................... 24 2.6.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ servo ............................................... 25 2.7 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DHT11 ................................................................. 27 2.8 MODULE RELAY 2 CHANNEL 5V ......................................................... 27 2.9 MOSFET ..................................................................................................... 28 2.9.1 Cấu tạo Mosfet ...................................................................................... 29 2.9.2 Nguyên lí hoạt động .............................................................................. 30 Chƣơng 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................. 31 3.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................ 31 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................ 31 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................ 31 a. Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................... 31 b. Sơ đồ mô hình hệ thống .............................................................................. 32 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch .................................................................... 32 a. Thiết kế khối Dialogflow ............................................................................ 33 b. Thiết kế khối điều khiển raspberry ............................................................. 33 c. Thiết kế khối điều khiển động lực ............................................................... 33 d. Thiết kế khối nguồn .................................................................................... 35 Chƣơng 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................... 36 4.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................ 36 viii 4.2 THIẾT KẾ DIALOGFLOW ........................................................................ 36 4.2.1 Lƣu đồ giải thuật ................................................................................... 36 4.2.2 Thiết kế cho yêu cầu điều khiển ON-OFF ............................................ 37 a. Tạo mới Agent............................................................................................. 37 b. Tạo entities .................................................................................................. 38 c. Tạo Intent .................................................................................................... 39 d. Fulfillment ................................................................................................... 42 e. Integrations .................................................................................................. 43 4.2.3 Mở rộng cho điều khiển ON-OFF ........................................................ 44 a. Thêm mới entities ........................................................................................ 44 b. Thêm mới intent .......................................................................................... 45 4.2.4 Kết quả hoàn chỉnh trên Dialogflow ..................................................... 46 a. Intents .......................................................................................................... 46 b. Entities ........................................................................................................ 46 4.3 LẬP TRÌNH TRÊN RASPBERRY PI 3 ..................................................... 46 4.3.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Python ................................................... 46 a. Lịch sử của Python ...................................................................................... 47 b. Các phiên bản Python đã phát hành ............................................................ 47 c. Đặc điểm của ngôn ngữ lập trình Python .................................................... 48 4.3.2 Giới thiệu phần mềm lập trình Python 3 IDLE .................................... 49 4.3.3 Lƣu đồ giải thuật ................................................................................... 50 4.3.4 Viết chƣơng trình hệ thống ................................................................... 51 4.3.5 Public server lên internet bằng ngrok ................................................... 52 4.4 THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN DIMMER ............................................ 53 4.4.1 Sơ đồ mạch PCB Dimmer..................................................................... 54 4.4.2 Thi công mạch ...................................................................................... 55 4.5 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .................................................... 56 4.5.1 Đóng gói bộ điều khiển ......................................................................... 56 4.5.2 Thi công mô hình .................................................................................. 57 4.6 KẾT QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ........................................................ 61 4.7 TÀI LIỆU HƢỚNG DẪN, THAO TÁC ..................................................... 63 4.7.1 Tài liệu hƣớng dẫn sử dụng .................................................................. 63 ix 4.7.2 Quy trình thao tác ................................................................................. 63 Chƣơng 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................................ 65 5.1 DIALOGFLOW ........................................................................................... 65 5.1.1 Dialogflow ............................................................................................ 65 5.1.2 Các khái niệm liên quan........................................................................ 65 5.2 RASPBERRY PI 3 ...................................................................................... 66 5.2.1 Raspberry Pi 3 ....................................................................................... 66 5.2.2 Công cụ ngrok ....................................................................................... 66 5.3 PHẦN CỨNG .............................................................................................. 66 5.3.1 Mạch điều khiển dimmer ...................................................................... 66 5.3.2 Động cơ Servo ...................................................................................... 67 5.3.3 Module Relay 2 kênh 5V ...................................................................... 67 5.3.4 Module cảm biến DHT11 ..................................................................... 67 5.4 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ..................................................................... 67 Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .......................................... 69 6.1 KẾT LUẬN ................................................................................................. 69 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................. 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 70 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 71 x LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Khái niệm chatbot ....................................................................................... 4 Hình 2.2: Khái niệm về API ........................................................................................ 5 Hình 2.3: Giới thiệu Dialogflow ................................................................................. 8 Hình 2.4: Các phần của Dialogflow ............................................................................ 9 Hình 2.5: Các mục trong một Intent ......................................................................... 10 Hình 2.6: Hình ảnh mục context ............................................................................... 11 Hình 2.7: Hình ảnh mục Events ................................................................................ 12 Hình 2.8: Hình ảnh mục Training Phrases ................................................................ 12 Hình 2.9: Hình ảnh của mục Action & Parameters ................................................... 13 Hình 2.10: Hình ảnh mục Responses ........................................................................ 14 Hình 2.11: Hình ảnh của mục Fulfillment ................................................................ 15 Hình 2.12: Hình ảnh của mục Entities ...................................................................... 16 Hình 2.13: Các nền tảng tích hợp trong Integrations ................................................ 17 Hình 2.14: Board Raspberry Pi ................................................................................. 18 Hình 2.15: Phần cứng của Raspberry Pi ................................................................... 19 Hình 2.16: Các cổng giao tiếp trên Raspberry .......................................................... 21 Hình 2.17: Sơ đồ chân GPIO .................................................................................... 22 Hình 2.18: Hình ảnh thực tế các chân GPIO ............................................................. 23 Hình 2.19: Giao diện hệ điều hành Raspbian ............................................................ 24 Hình 2.20: Hình ảnh động cơ Servo .......................................................................... 24 Hình 2.21: Điều khiển động cơ servo bằng Duty Cycle ........................................... 26 Hình 2.22: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 ......................................................... 27 Hình 2.23: Module Relay 2 channel 5V ................................................................... 28 Hình 2.24: Hình ảnh Mosfet...................................................................................... 29 Hình 2.25: Các cực của Mosfet ................................................................................. 29 Hình 2.26: Hình ảnh các loại Mosfet ........................................................................ 30 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................. 31 Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế mô hình .............................................................................. 32 Hình 3.3: Sơ đồ các khối điều khiển động lực .......................................................... 33 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lí mạch dimmer .................................................................. 34 xi Hình 4.1: Lƣu đồ thiết kế trên Dialogflow ................................................................ 36 Hình 4.2: Tạo mới Agent .......................................................................................... 37 Hình 4.3: Cài đặt các thông số cho Agent ................................................................. 38 Hình 4.4: Thực hiện tạo mới Entities ........................................................................ 38 Hình 4.5: Hình ảnh entities on-off ............................................................................ 39 Hình 4.6: Hình ảnh entities led ................................................................................. 39 Hình 4.7: Tạo mới intents ......................................................................................... 40 Hình 4.8: Bảng Action và Parameters ....................................................................... 41 Hình 4.9: Mục Responses ......................................................................................... 41 Hình 4.10: Kích hoạt Fulfillment cho Intent ............................................................. 42 Hình 4.11: Đặt link webhook trong mục Fulfillment................................................ 42 Hình 4.12: Tùy chỉnh trong Integrations ................................................................... 43 Hình 4.13: Giao diện trò chuyện chatbot .................................................................. 43 Hình 4.14: Thêm mới entities room .......................................................................... 44 Hình 4.15: Thêm mới entities status ......................................................................... 44 Hình 4.16: Thêm mới Intent on-off:condition .......................................................... 45 Hình 4.17: Kết quả thao tác trên Intent mới .............................................................. 45 Hình 4.18: Kết quả hoàn thành Intent ....................................................................... 46 Hình 4.19: Kết quả hoàn thành Entities .................................................................... 46 Hình 4.20: Ngôn ngữ Python .................................................................................... 47 Hình 4.21: Giao diện Python 3 IDLE ....................................................................... 49 Hình 4.22: Thao tác file trên giao diện Python 3 IDLE ............................................ 49 Hình 4.23: Các phần của giao diện ........................................................................... 50 Hình 4.24: Lƣu đồ điều khiển trên Raspberry Pi ...................................................... 51 Hình 4.25: Giới thiệu ngrok ...................................................................................... 53 Hình 4.26: Hình ảnh chạy ngrok ............................................................................... 53 Hình 4.27: Sơ đồ mạch in PCB ................................................................................. 54 Hình 4.28: Sơ đồ linh kiện 3D .................................................................................. 54 Hình 4.29: Hình ảnh mạch thi công .......................................................................... 55 Hình 4.30: Hình ảnh mạch sau thi công .................................................................... 56 Hình 4.31: Đóng gói bộ điều khiển ........................................................................... 56 Hình 4.32: Thi công khối đèn xoay chiều ................................................................. 57 xii Hình 4.33: Kết nối đèn với module Relay ................................................................ 57 Hình 4.34: Kết nối đèn với mạch dimmer ................................................................. 58 Hình 4.35: Kết nối Module DHT11 vào đúng vị trí.................................................. 59 Hình 4.36: Đặt đúng động cơ servo vào vị trí ........................................................... 59 Hình 4.37: Kết nối với Raspberry Pi ......................................................................... 60 Hình 4.38: Hình ảnh mô hình thi công hoàn chỉnh ................................................... 60 Hình 4.39: Điều khiển thiết bị thông qua giao diện .................................................. 61 Hình 4.40: Kết quả sau khi nhận yêu cầu điều khiển ................................................ 61 Hình 4.41: Yêu cầu điều khiển đóng mở cửa ............................................................ 62 Hình 4.42: Thực hiện mở cửa ................................................................................... 62 Hình 4.43: Truy vấn thông tin nhiệt độ ..................................................................... 63 Hình 4.44: Lƣu đồ hƣớng dẫn sử dụng ..................................................................... 64 xiii LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật của Raspberry Pi ................................................. 20 Bảng 2.2: Các chân của Servo................................................................................... 25 Bảng 2.3: Hình ảnh xung tƣơng ứng với góc quay ................................................... 26 Bảng 4.1: Các phiên bản Python đã phát hành ......................................................... 47 Bảng 4.2: Danh sách linh kiện .................................................................................. 55 xiv TÓM TẮT Trong những năm gần đây ngƣời ta thƣờng nhắc nhiều đến AI (trí tuệ nhân tạo) và những ứng dụng rộng rãi của chúng. Nhóm em rất thích thú khi biết những thành tựu mà AI(trí tuệ nhân tạo) sẽ mang lại trong tƣơng lai, đặc biệt là những ứng dụng hiệu quả của chatbot trong kinh doanh và khoa học kỹ thuật. Và để bắt kịp xu hƣớng đó, nhóm chúng em quyết định chọn chatbot làm đối tƣợng nghiên cứu và ứng dụng cụ thể vào điều khiển nhà thông minh. Nhà thông minh đƣợc thiết kế sử dụng Raspberry Pi 3 cho việc điều khiển và giám sát những thiết bị trong nhà thông qua việc giao tiếp với chatbot. Việc mô phỏng các thiết bị trong nhà đƣợc thể hiện bằng làm mô hình ngôi nhà và các thiết bị điện bên trong. Một số thiết bị đƣợc điều khiển thông qua việc trò chuyện với chatbot:  Điều khiển mở/tắt các thiết bị dân dụng.  Điều khiển tuyến tính các thiết bị.  Giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong nhà.  Có thể mở/tắt tất cả các thiết bị cùng 1 lúc hoặc từng thiết bị.  Đóng mở cửa bằng động cơ servo. xv CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây ngƣời ta thƣờng nhắc nhiều đến AI (trí tuệ nhân tạo) và những ứng dụng rộng rãi của chúng. Nhóm em rất thích thú khi biết những thành tựu mà AI (trí tuệ nhân tạo) sẽ mang lại trong tƣơng lai, đặc biệt là những ứng dụng hiệu quả của chatbot trong kinh doanh và khoa học kỹ thuật. Và để bắt kịp xu hƣớng đó, nhóm chúng em quyết định chọn chatbot làm đối tƣợng nghiên cứu và ứng dụng cụ thể vào điều khiển nhà thông minh. Chatbot là một lĩnh vực của trí tuệ nhân tạo, chatbot thực hiện hội thoại thông minh giữa máy tính với ngƣời dùng thông qua trò chuyện trực tiếp. Với việc cung cấp thông tin cho từng ngữ cảnh để điều khiển các thiết bị khác nhau qua internet. Đồng thời ngày nay mạng lƣới Internet đang ngày càng trở nên phổ biến, điều đó khiến cho việc điều khiển thiết bị từ xa qua mạng Internet trở nên dễ dàng và tiện lợi hơn. Nhà thông minh đƣợc thiết kế sử dụng Raspberry Pi 3 cho việc điều khiển và giám sát những thiết bị trong nhà thông qua việc giao tiếp với chatbot. Ngoài việc điều khiển các thiết bị trong nhà bằng app android nhƣ những đề tài về smarthome đã có, ngƣời dùng có thể giao tiếp với chatbot về mọi thứ và điều khiển thiết bị trong gia đình thông qua việc trò chuyện với chatbot. So với việc điều khiển bằng thao tác cứng nhắt trên các app android thông thƣờng nhƣ các đề tài về IoT đã có trƣớc đây, ngƣời dùng có thể trò chuyện với chatbot nhƣ một trợ lí ảo giúp ngƣời dùng quản lí và điều khiển hoạt động của ngôi nhà. Vì những lý do đó, nhóm sinh viên quyết định thực hiện đề tài “Ứng dụng chatbot vào điều khiển nhà thông minh”. 1.2 MỤC TIÊU Tạo ra đƣợc chatbot giao tiếp với ngƣời dùng và thực hiện nhiệm vụ khi có yêu cầu từ ngƣời dùng thông qua mạng internet. Đồ án đƣợc nghiên cứu, khảo sát, xây dựng với mục định áp dụng những kiến thức đã học và tìm hiểu đƣợc để thiết kế, tạo ra một hệ thống chatbot để điều khiển thiết bị 1 cách hoàn chỉnh. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Một số chức năng của hệ thống điều khiển bằng hệ thống chatbot:  Điều khiển mở/tắt các thiết bị dân dụng.  Điều khiển tuyến tính các thiết bị.  Giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong nhà.  Có thể mở/tắt tất cả các thi...ình 2.24: Hình ảnh Mosfet 2.9.1 Cấu tạo Mosfet Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ. Hình 2.25: Các cực của Mosfet Cấu tạo của Mosfet ngƣợc Kênh N  G : Gate gọi là cực cổng  S : Source gọi là cực nguồn  D : Drain gọi là cực máng Trong đó : G là cực điều khiển đƣợc cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhƣng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 29 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT (Sio2). Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các hạt mang điện. Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn , còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS ) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từ trƣờng làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ. Kí hiệu Mosfet: Hình 2.26: Hình ảnh các loại Mosfet 2.9.2 Nguyên lí hoạt động Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao. Nhƣng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng.  Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs0. Dòng điện sẽ đi từ S đến D.  Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp điều khiển đóng là Ugs<=0. Dòng điện sẽ đi từ D xuống S. Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất ngƣời ta thƣờng : Đối với Mosfet Kênh N điện áp khóa là Ugs = 0 V còn Kênh P thì Ugs=~0. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 30 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Chƣơng 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 GIỚI THIỆU Nhà thông minh đƣợc thiết kế sử dụng raspberry pi 3 cho việc điều khiển và giám sát những thiết bị trong nhà thông qua việc giao tiếp với chatbot. Sau khi nhận đƣợc yêu cầu của ngƣời dùng, chatbot gửi thông tin đến raspberry để thực hiện điều khiển phần cứng, đồng thời xử lí đƣa ra câu trả lời cho ngƣời dùng. Các yêu cầu điều khiển từ ngƣời dùng bao gồm : - Đóng mở các thiết bị nhƣ đèn, quạt. - Điều khiển dimmer để điều khiển độ sáng của bóng đèn. - Thực hiện đóng mở cửa bằng động cơ servo - Gửi thông tin về nhiệt độ, độ ẩm của căn phòng khi có yêu cầu của ngƣời dùng. 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống a. Sơ đồ khối hệ thống Request POST User Dialogflow Fulfillment Webhook Response 200 OK Raspberry (Python) Khối nguồn Device Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 31 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ  User: Là ngƣời dùng trò chuyện trực tiếp với chatbot.  Dialogflow: Nhận yêu cầu của ngƣời dùng, và sau khi xử lí thì sẽ trả lời cho yêu cầu của ngƣời dùng.  Fulfillment: Là nơi cho phép Dialogflow gửi thông tin đến webhook.  Webhook: Là nơi tiếp nhận thông tin từ Dialogflow.  Rasberry Pi: Xử lí thông tin nhận đƣợc để điều khiển phần cứng, đồng thời trả về response ngƣợc lại cho Dialogflow.  Divice: Là khối công suất, thực hiện yêu cầu điều khiển của ngƣời dùng.  Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho raspberry và khối công suất hoạt động. b. Sơ đồ mô hình hệ thống Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế mô hình 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch Phần này, nhóm tiến hành thiết kế, tính toán ra sơ đồ nguyên lí cho từng khối. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 32 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ a. Thiết kế khối Dialogflow Đây là khối giúp chatbot trò chuyện với ngƣời dùng và phân tích câu nói của ngƣời dùng bằng Natural Language Processing(NLP) thành dữ liệu dƣới định dạng file Json, từ đó gửi đến webhook để xử lí và nhận câu trả lời tƣơng ứng từ webhook để hiển thị cho ngƣời dùng. b. Thiết kế khối điều khiển raspberry Là khối quan trọng nhất, có chức năng tạo ra webhook để nhận dữ liệu đƣợc gửi từ Dialogflow thông qua internet, từ đó tiến hành phân tích, xử lí dữ liệu để điều khiển thiết bị trong nhà theo yêu cầu của ngƣời dùng, đồng thời xử lí để gửi lại câu trả lời cho Dialogflow. c. Thiết kế khối điều khiển động lực Sơ đồ các khối trong mạch điều khiển động lực : Raspberry Pi 3 Module Mạch Servo Cảm biến Relay Dimmer Hình 3.3: Sơ đồ các khối điều khiển động lực Module Relay: Các thiết bị trong nhà sử dụng điện áp xoay chiều 220V nên để điều khiển đóng ngắt, ta dùng Module Relay. Vì ngõ ra điều khiển của raspberry là 3,3V nên ta chọn mạch Relay có áp điều khiển là 5V. Ta có cƣờng độ dòng điện định mức qua đèn là : I = = = 0.05 A (3.1) đm Ta chọn ICont > 2.5 x Iđm = 0.125 A. Ta chọn Module relay có I = 10 A (3.2) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 33 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Mạch dimmer : Sơ đồ nguyên lí : Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lí mạch dimmer Giá trị điện áp trung bình sau khi qua cầu chỉnh lƣu: VAVG = √ .VRMS )/ = 0.9 x 220 = 198 V (3.3) Cƣờng độ dòng điện khi Mosfet ngƣng dẫn là : I = = 1.9 mA (3.4) Cƣờng độ dòng điện qua led phát quang oppto : I = = = 10 mA (3.5) Khối cảm biến : Để giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong nhà và trả về kết quả khi có yêu cầu của ngƣời dùng, ta dùng một cảm biến DHT11. DHT11 sử dụng nguồn đƣợc cấp trực tiếp từ Raspberry Pi. Khối Servo : BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 34 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Để thực hiện yêu cầu đóng mở cửa, ta sử dụng động cơ servo MG90S để điều khiển góc quay phù hợp thực hiện yêu cầu đóng mở cửa. d. Thiết kế khối nguồn Sử dụng nguồn 220V AC cung cấp trực tiếp cho raspberry pi3 và các thiết bị sử dụng điện xoay chiều. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 35 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Chƣơng 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 GIỚI THIỆU Chƣơng này gồm phần thi công trên màn hình và kết quả thi công mạch dimmer và xây dựng mô hình nhà thông minh. 4.2 THIẾT KẾ DIALOGFLOW 4.2.1 Lƣu đồ giải thuật Lƣu đồ khi ngƣời dùng yêu cầu điều khiển các thiết bị đến chatbot thông qua text trò chuyện : Can you help you? Yêu cầu điều khiển thiết bị N Prompt Y Y Ngƣời dùng nhập đầy đủ thông tin N Y Gửi dữ liệu đến Webhook Nhận dữ liệu đã xử lí ở Webhook N Y Hiển thị Reponse Hình 4.1: Lƣu đồ thiết kế trên Dialogflow BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Giải thích lƣu đồ: Bƣớc 1: Để trò chuyện đƣợc với chatbot, ngƣời dùng phải truy cập đƣợc internet và có đƣợc link để trò chuyện với chatbot. Bƣớc 2: Phân tích câu nói ngƣời dùng để phát hiện yêu cầu điều khiển thiết bị, nếu ngƣời dùng nhập chƣa đầy đủ thông tin để điều khiển thì chatbot sẽ hỏi lại ngƣời dùng để ngƣời dùng cung cấp đầy đủ thông tin. Bƣớc 3: Lƣu thông tin dƣới dạng file Json rồi gửi đến địa chỉ webhook đã lƣu ở mục Fulfillment để xử lí. Bƣớc 4: Nhận kết quả trả lại từ webhook và hiển thị cho ngƣời dùng. Bƣớc 5: Sẵn sàng nhận yêu cầu trò chuyện hay điều khiển tiếp theo từ ngƣời dùng. 4.2.2 Thiết kế cho yêu cầu điều khiển ON-OFF a. Tạo mới Agent Để bắt đầu với Dialogflow, ta tiến hành tạo mới Agent. Ở đây, nhóm em tạo Agent tên là finalproject, sau khi chọn các cài đặt cần thiết nhƣ múi giờ +7 thì tiến hành lƣu lại Agent. Hình 4.2: Tạo mới Agent BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 37 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Tiến hành chuyển sang tab Languages để chỉnh ngôn ngữ là English. Hình 4.3: Cài đặt các thông số cho Agent Sau khi đã thiết lập các thông số, tiến hành lƣu lại và chuyển sang phần giao diện hỗ trợ cho lập trình viên để tạo 1 chatbot. b. Tạo entities Sau khi đã tạo mới Agent, ta chuyển sang tab entities để tạo mới. Ở đây, ta cần xác định 2 thực thể cần làm việc là điều khiển đèn nào và trạng thái cần điều khiển của đèn đó. Từ đó ta tạo ra 2 thực thể là @on-off và @led (tên entity do ngƣời lập trình viên tự đặt sao cho dễ hiểu và sử dụng nhất). Sau khi đã xác định đƣợc những entities cần tạo, ta tiến hành tạo mới entities. Hình 4.4: Thực hiện tạo mới Entities BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Sau khi nhấn vào tạo mới, ta tiến hành đặt tên cho entity và tiến hành nhập vào các giá trị. Nhƣ hình dƣới đây, đèn chỉ có 2 trạng thái là ON và OFF nên ta điền giá trị ON và OFF vào refence value, còn phần synonym, ta điền vào các từ đồng nghĩa hoặc ngầm hiểu là điều khiển on hoặc off đèn tƣơng ứng nhƣ hình dƣới đây: Hình 4.5: Hình ảnh entities on-off Sau khi đã hoàn thành, ta tiến hành nhấn Save để lƣu lại. Ta cũng thực hiện tƣơng tự đối với entity @led. Hình 4.6: Hình ảnh entities led c. Tạo Intent BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 39 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Ta tiến hành tạo mới intent để phân tích câu nói của ngƣời dùng đƣa vào, từ đó ta xử lí và đƣa ra kết quả phù hợp cho ngƣời dùng. Tƣơng tự nhƣ tạo mới Enities, ta nhấp chọn Create Intent để tạo mới Intent. Ta tiến hành thao tác để tạo ra Intent on-off giúp chatbot hiểu yêu cầu ON- OFF các thiết bị từ ngƣời dùng và đƣa ra hành động hợp lí. Hình 4.7: Tạo mới intents Ở mục Training Phrases, ta tiến hành nhập các câu nói mà ngƣời dùng có thể nói để điều khiển thiết bị, Dialogflow sẽ tự động hightlight các giá trị của tham số trong entities vừa tạo ở trên để trích xuất lấy dữ liệu từ câu nói của ngƣời dùng, từ đó xử lí và đƣa ra kết quả phù hợp. Ta cũng có thể chỉnh sửa thủ công bằng cách bôi đen các từ muốn Dialogflow gắn tham số. Các giá trị tham số của Training Phrases sẽ đƣợc hiển thị trong phần Action and parameters. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.8: Bảng Action và Parameters Ở đây action là on:off. Action này sẽ giúp chúng ta xác định đâu là Intent đƣợc gửi tới webhook để có thể xử lí và đƣa ra kết quả phù hợp đối với yêu cầu ngƣời dùng. Và nhƣ ta thấy ở trên thì hai tham số là on-off và led vừa tạo ở entity đƣợc sử dụng để lấy giá trị dữ liệu từ ngƣời dùng. Ở đây, ta yêu cầu ngƣời dùng cung cấp đầy đủ thông tin bằng việc tích vào mục Required. Tiếp theo là mục Response, đây là nơi chúng ta sẽ trả lời đáp án tƣơng ứng cho ngƣời dùng mỗi khi Intent đƣợc gọi. Ở đây, nhóm em sử dụng giá trị của tham số trong chính câu nói của ngƣời dùng để trả lời. Nhƣ hình dƣới đây, ta có thể thấy đƣợc sau khi ngƣời dùng yêu cầu “Turn on led 1” thì chatbot sẽ trả lời đáp ứng yêu cầu của ngƣời dùng theo định dạng ta đã đặt ở Text response. Hình 4.9: Mục Responses Cuối cùng là mục fulfillment, click on “Enable webhook call for this intent” để khi Intent đƣợc gọi thì sẽ chuyển thông tin dƣới dạng Json đến webhook, server sẽ nhận và xử lí thông tin và cuối cùng trả về cho ngƣời dùng câu trả lời cho câu hỏi tƣơng ứng của ngƣời dùng thay vì trả lời theo định dạng mặc định ở mục Response ở trên. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 41 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.10: Kích hoạt Fulfillment cho Intent Sau khi đã hoàn thành, ta nhấn Save để lƣu mới Intent. d. Fulfillment Hình 4.11: Đặt link webhook trong mục Fulfillment Đây là nơi đặt link của webhook, Dialogflow sẽ gọi đến địa chỉ này mỗi khi có Intent đã kích hoạt webhook đƣợc gọi đến. Đây sẽ là nơi tiếp nhận thông tin để serve có thể xử lí và trả lại kết quả cho Dialogflow để hiển thị cho ngƣời dùng. Ta cần kích hoạt Enable ở mục webhook và đặt link của webhook cần gọi vào mục URL, tiến hành nhấn Save để hoàn tất. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG e. Integrations Ta tích hợp chatbot vào các nền tảng nhắn tin, ở đây nhóm em sử dụng webdemo do Dialogflow hỗ trợ để tạo giao diện nhắn tin với ngƣời dùng. Enable web demo để kích hoạt tính năng này. Hình 4.12: Tùy chỉnh trong Integrations Sau khi enable web demo, chúng ta sẽ thấy đƣờng link. Chúng ta sẽ trò chuyện với chatbot thông qua đƣờng link này. Hình 4.13: Giao diện trò chuyện chatbot Đây là giao diện khi ta click vào đƣờng dẫn ở trên, ta trò chuyện với chatbot thông qua hộp thoại này. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 43 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.3 Mở rộng cho điều khiển ON-OFF a. Thêm mới entities Trong một số trƣờng hợp ngƣời dùng thay vì yêu cầu điều khiển trực tiếp các đèn thì ngƣời dùng có thể yêu cầu thắp sáng hay tắt thiết bị ở phòng nào, lúc nào chúng ta cần lập trình cho chatbot hiểu đƣợc ngƣời dùng đang muốn gì để đáp ứng đúng yêu cầu ngƣời dùng. Lúc này ta phải tạo mới 2 enities là @room và @status để đáp ứng nhu cầu thắp sáng hay tắt của từng phòng. Hình 4.14: Thêm mới entities room Hình 4.15: Thêm mới entities status BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 44 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG b. Thêm mới intent Chúng ta tiến hành thêm mới Intent và thao tác tƣơng tự nhƣ các bƣớc ở trên. Ở đây nhóm em đã tạo ra Intent on-off:condition. Sau đây là hình ảnh của Intent này: Hình 4.16: Thêm mới Intent on-off:condition Vẫn tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp ON-OFF thông thƣờng ở trên, khi ngƣời dùng cung cấp thiếu thông tin thì chatbot sẽ hỏi ngƣời dùng để cung cấp đầy đủ thông tin. Hình 4.17: Kết quả thao tác trên Intent mới Các bƣớc tiếp theo, nhóm em thực hiện tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp ON-OFF thông thƣờng ở trên. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 45 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.4 Kết quả hoàn chỉnh trên Dialogflow Chúng ta thực hiện tƣơng tự nhƣ các bƣớc ở trên để đáp ứng những yêu cầu của ngƣời dùng nhƣ đóng mở thiết bị, điều khiển dimmer hay đọc giá trị từ cảm biến. Sau đây là một số hình ảnh thực hành hoàn chỉnh trên Dialogflow. a. Intents Hình 4.18: Kết quả hoàn thành Intent b. Entities Hình 4.19: Kết quả hoàn thành Entities 4.3 LẬP TRÌNH TRÊN RASPBERRY PI 3 4.3.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Python BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 46 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Python là ngôn ngữ lập trình hƣớng đối tƣợng, cấp cao, mạnh mẽ, đƣợc tạo ra bởi Guido van Rossum. Nó dễ dàng để tìm hiểu và đang nổi lên nhƣ một trong những ngôn ngữ lập trình nhập môn tốt nhất cho ngƣời lần đầu tiếp xúc với ngôn ngữ lập trình. Python hoàn toàn tạo kiểu động và sử dụng cơ chế cấp phát bộ nhớ tự động. Python có cấu trúc dữ liệu cấp cao mạnh mẽ và cách tiếp cận đơn giản nhƣng hiệu quả đối với lập trình hƣớng đối tƣợng. Cú pháp lệnh của Python là điểm cộng vô cùng lớn vì sự rõ ràng, dễ hiểu và cách gõ linh động làm cho nó nhanh chóng trở thành một ngôn ngữ lý tƣởng để viết script và phát triển ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, ở hầu hết các nền tảng. a. Lịch sử của Python Python là một ngôn ngữ khá cũ đƣợc tạo ra bởi Guido Van Rossum. Thiết kế bắt đầu vào cuối những năm 1980 và đƣợc phát hành lần đầu tiên vào tháng 2 năm 1991. Hình 4.20: Ngôn ngữ Python b. Các phiên bản Python đã phát hành Phiên bản Ngày phát hành Python 1.0 (bản phát hành chuẩn đầu tiên) 01/1994 Python 1.6 (Phiên bản 1.x cuối cùng) 05/09/2000 Python 2.0 (Giới thiệu list comprehension) 16/10/2000 Python 2.7 (Phiên bản 2.x cuối cùng) 03/07/2010 Python 3.0 (Loại bỏ cấu trúc và mô-đun trùng lặp) 03/12/2008 Python 3.6 (Bản mới nhất tính đến thời điểm viết bài) 23/12/2016 Bảng 4.1: Các phiên bản Python đã phát hành BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 47 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG c. Đặc điểm của ngôn ngữ lập trình Python - Ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ học: Python có cú pháp rất đơn giản, rõ ràng. Nó dễ đọc và viết hơn rất nhiều khi so sánh với những ngôn ngữ lập trình khác nhƣ C++, Java, C#. - Miễn phí, mã nguồn mở: Bạn có thể tự do sử dụng và phân phối Python, thậm chí là dùng cho mục đích thƣơng mại. Vì là mã nguồn mở, bạn không những có thể sử dụng các phần mềm, chƣơng trình đƣợc viết trong Python mà còn có thể thay đổi mã nguồn của nó. Python có một cộng đồng rộng lớn, không ngừng cải thiện nó mỗi lần cập nhật. - Khả năng di chuyển: Các chƣơng trình Python có thể di chuyển từ nền tảng này sang nền tảng khác và chạy nó mà không có bất kỳ thay đổi nào. Nó chạy trên hầu hết tất cả các nền tảng nhƣ Windows, macOS, Linux. - Khả năng mở rộng và có thể nhúng: Giả sử một ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp rất lớn,bạn có thể dễ dàng kết hợp các phần code bằng C, C++ và những ngôn ngữ khác (có thể gọi đƣợc từ C) vào code Python. Điều này sẽ cung cấp cho ứng dụng của bạn những tính năng tốt hơn cũng nhƣ khả năng scripting mà những ngôn ngữ lập trình khác khó có thể làm đƣợc. - Ngôn ngữ thông dịch cấp cao: Không giống nhƣ C/C++, với Python, bạn không phải lo lắng những nhiệm vụ khó khăn nhƣ quản lý bộ nhớ, dọn dẹp những dữ liệu vô nghĩa,... Khi chạy code Python, nó sẽ tự động chuyển đổi code sang ngôn ngữ máy tính có thể hiểu. Bạn không cần lo lắng về bất kỳ hoạt động ở cấp thấp nào. - Thƣ viện tiêu chuẩn lớn để giải quyết những tác vụ phổ biến: Python có một số lƣợng lớn thƣ viện tiêu chuẩn giúp cho công việc lập trình của bạn trở nên dễ thở hơn rất nhiều, đơn giản vì không phải tự viết tất cả code. Những thƣ viện này đƣợc kiểm tra kỹ lƣỡng và đƣợc sử dụng bởi hàng trăm ngƣời. - Hƣớng đối tƣợng: Mọi thứ trong Python đều là hƣớng đối tƣợng. Lập trình hƣớng đối tƣợng (OOP) giúp giải quyết những vấn đề phức tạp một cách trực quan. Với OOP, bạn có thể phân chia những vấn đề phức tạp thành những tập nhỏ hơn bằng cách tạo ra các đối tƣợng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 48 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.3.2 Giới thiệu phần mềm lập trình Python 3 IDLE Cả ngôn ngữ lập trình Python 2 và Python 3 đều đƣợc cài đặt sẵn khi cài hệ điều hành Raspbian nên ta có thể sử dụng cả Python 2 và Python 3 để lập trình. Để khởi động phần mềm lập trình Python 3 IDLE, ta tiến hành click chọn : Start => programing => Python 3 (IDLE). Ngay lập tức giao diện IDLE sẽ đƣợc hiển thị. Hình 4.21: Giao diện Python 3 IDLE Giao diện IDLE rất đơn giản và dễ sử dụng, để tạo File mới hoặc Open một file có sẵn ta click chọn File rồi chọn các mục tƣơng ứng. Hình 4.22: Thao tác file trên giao diện Python 3 IDLE BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 49 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình dƣới đây chỉ ra chức năng các phần và thanh công cụ của Python 3 IDLE: Hình 4.23: Các phần của giao diện 4.3.3 Lƣu đồ giải thuật Giải thích lƣu đồ: Các bƣớc thực hiện đƣợc miêu tả bởi lƣu đồ dƣới (Hình 4.24). Bƣớc 1: Ta cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống bắt đầu khởi động và kết nối với mạng internet. Bƣớc 2: Sau khi khởi tạo hệ thống, nếu có dữ liệu đƣợc từ Dialogflow gửi đến thì hệ thống sẽ thực hiện xử lí, phân tích dữ liệu nhận đƣợc, từ đó thực hiện yêu cầu điều khiển thiết bị và tạo ra câu trả lời phù hợp với từng yêu cầu điều khiển từ ngƣời dùng. Bƣớc 3: Tiếp đến raspberry sẽ gửi câu trả lời đến Dialogflow để hiển thị câu trả lời cho ngƣời dùng. Bƣớc 4: Sẵn sàng nhận dữ liệu tiếp theo từ Dialogflow để xử lí và điều khiển thiết bị. Lƣu đồ điều khiển trên raspberry: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 50 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Bắt đầu Khởi tạo hệ thống Nhận dữ liệu từ Webhook N Y Xử lý phân tích Điều khiển thiết bị N Gửi dữ liệu cho Dialogflow N Y Hình 4.24: Lƣu đồ điều khiển trên Raspberry Pi 4.3.4 Viết chƣơng trình hệ thống Ở đây ta tiến hành viết chƣơng trình tạo webhook để nhận dữ liệu từ Dialogflow và sử dụng dữ liệu đó để điều khiển khối điều khiển động lực, đồng thời gửi phản hồi về cho Dialogflow. Dƣới đây là một đoạn ngắn của chƣơng trình tạo webhook, vì soucre code khá dài nên nhóm em xin phép để đầy đủ source code ở phần phụ lục. #!/usr/bin/env python import urllib import json import os BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 51 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG import RPi.GPIO as GPIO import Adafruit_DHT GPIO.setwarnings(False) GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(16, GPIO.OUT) GPIO.setup(23, GPIO.OUT) GPIO.setup(24, GPIO.OUT) GPIO.setup(25, GPIO.OUT) GPIO.setup(18, GPIO.OUT) pwm = GPIO.PWM(18, 500) pwm.start(100) GPIO.setup(13, GPIO.OUT) pwm1 = GPIO.PWM(13, 50) from flask import Flask from flask import request from flask import make_response # Flask app should start in global layout app = Flask(__name__) @app.route('/webhook', methods=['POST']) def webhook(): req = request.get_json(silent=True, force=True) print("Request:") print(json.dumps(req, indent=4)) res = makeWebhookResult(req) res = json.dumps(res, indent=4) print(res) #t = str(res["speech"]) r = make_response(res) #t= str(r.decode('utf-8')) print("*") print (r) #print ("*") r.headers['Content-Type'] = 'application/json' return r if __name__ == '__main__': port = int(os.getenv('PORT', 5000)) print("Starting app on port %d" %(port)) app.run(debug=True, port=port, host='0.0.0.0') 4.3.5 Public server lên internet bằng ngrok BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 52 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Ở phần trên ta chỉ mới tạo ra webhook ở local host, để public server lên internet ta cần dùng ngrok. Vậy ngrok là gì ? Ngrok là công cụ tạo đƣờng hầm (tunnel) giữa localhost của bạn và internet. Giúp ngƣời khác mạng có thể truy cập đƣợc localhost của bạn thông qua custom domain của ngrok. Hình 4.25: Giới thiệu ngrok Ngrok có bản trả phí lẫn miễn phí, tuy nhiên bản miễn phí sẽ có nhiều hạn chế. Để có thể sử dụng ngrok ta tiến hành các bƣớc sau: - Đăng ký tài khoản free trên trang web: https://ngrok.com/ - Download ngrok về máy, tiến hành giải nén. - Vào folder bạn vừa giải nén, chạy câu lệnh ./ngrok http [port bạn muốn mở]. Ví dụ kết quả sau khi chạy port 5000 nhƣ hình dƣới: Hình 4.26: Hình ảnh chạy ngrok 4.4 THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN DIMMER BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 53 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.4.1 Sơ đồ mạch PCB Dimmer Hình 4.27: Sơ đồ mạch in PCB Hình 4.28: Sơ đồ linh kiện 3D Dƣới đây là danh sách các linh kiện: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 54 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Tên linh Kí kiện hiệu Giá trị Opto 4N35 OP1 Điện trở R3 6k8 Điện trở R1 100k Tụ điện C1 100uF/450V Điện trở R4 330 Ohm Diode Bridge D1 2A Diode D2 Diode Zenner R2 DIODE Zener Header 2 pin C2 Header2 MOSFET IRF840 Q1 IRF840 Domino J1, J2 KF2 Bảng 4.2: Danh sách linh kiện 4.4.2 Thi công mạch Một số hình ảnh thi công mạch hoàn chỉnh Hình 4.29: Hình ảnh mạch thi công BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 55 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.30: Hình ảnh mạch sau thi công 4.5 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 4.5.1 Đóng gói bộ điều khiển Để bảo vệ raspberry pi 3 khỏi tác động bên ngoài, chúng em dùng vỏ nhựa để bảo vệ raspberry. Đồng thời trên vỏ cũng trang bị quạt tản nhiệt mini để giúp raspberry hoạt động tốt hơn. Dƣới đây là một số hình ảnh : Hình 4.31: Đóng gói bộ điều khiển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 56 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.5.2 Thi công mô hình Để tạo mô hình nhà thông minh, nhóm em sử dụng vật liệu là bìa cứng. Sử dụng các dụng cụ để cắt ghép các phần lại với nhau để tạo mô hình ngôi nhà hoàn chỉnh. Thực hiện đính các thiết bị đèn vào một khối cố định nhƣ hình dƣới. Hình 4.32: Thi công khối đèn xoay chiều Sau đó kết nối đèn với thiết bị điều khiển công suất Relay, dimmer. Hình 4.33: Kết nối đèn với module Relay BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.34: Kết nối đèn với mạch dimmer Tiếp đến là rắp ráp cảm biến DHT11 và động cơ servo vào đúng vị trí. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.35: Kết nối Module DHT11 vào đúng vị trí Hình 4.36: Đặt đúng động cơ servo vào vị trí BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 59 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Cuối cùng ta kết nối các bộ phận với bộ điều khiển raspberry pi 3. Hình 4.37: Kết nối với Raspberry Pi Hình 4.38: Hình ảnh mô hình thi công hoàn chỉnh BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 60 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.6 KẾT QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG Sau khi ngƣời dùng nhập “Turn on led 2” thì ngay lập tức đèn 2 mở, đồng thời chatbot trả lời lại cho ngƣời dùng. Hình 4.39: Điều khiển thiết bị thông qua giao diện Hình 4.40: Kết quả sau khi nhận yêu cầu điều khiển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 61 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Tƣơng tự khi ngƣời dùng yêu cầu mở cửa. Hình 4.41: Yêu cầu điều khiển đóng mở cửa Hình 4.42: Thực hiện mở cửa BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 62 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Và trả lời thông tin nhiệt độ, độ ẩm khi đƣợc ngƣời dùng yêu cầu. Hình 4.43: Truy vấn thông tin nhiệt độ 4.7 TÀI LIỆU HƢỚNG DẪN, THAO TÁC 4.7.1 Tài liệu hƣớng dẫn sử dụng - Bƣớc 1: Cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống hoạt động sử dụng nguồn 220V AC. - Bƣớc 2: Sau khi khởi động hệ thống, tiến hành mở ứng dụng chatbot và trò chuyện với chatbot thông qua text message. - Bƣớc 3: Trò chuyện và yêu cầu điều khiển thiết bị đối với chatbot. 4.7.2 Quy trình thao tác Để giúp ngƣời sử dụng dễ dàng thao tác, dƣới đây là lƣu đồ quy trình vận hành hệ thống: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 63 CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.44: Lƣu đồ hƣớng dẫn sử dụng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 64 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Chƣơng 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Để thực hiện yêu cầu đề tài, nhóm em đã tập trung ghiên cứu và hoàn thiện đề tài đƣợc giao. Quá trình nghiên cứu đƣợc thực hiện trong 15 tuần, trong quá trình đó nhóm em không những biết đƣợc nhiều kiến thức mới mà còn ôn lại nhiều kiến thức cũ đã quên. Dƣới đây là những kiến thức mà chúng em học đƣợc. 5.1 DIALOGFLOW 5.1.1 Dialogflow Biết đƣợc cách sử dụng và khai thác sức mạnh của Dialogflow cung cấp cho ngƣời lập trình để tạo ra một chatbot thông minh. Biết đƣợc ý nghĩa của từng phần trong Dialogflow nhƣ:  Agent  Intents  Contexts  Events  Training Phrases  Action and parameters  Responses  Fulfillment  Entities  Integrations  Training  History  Analytics  Prebuilt Agents 5.1.2 Các khái niệm liên quan BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 65 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hiểu đƣợc các khái niệm nhƣ API, webhook, định dạng file Json và cách trích xuất dữ liệu từ định dạng file Json để phục vụ cho yêu cầu của đề tài. 5.2 RASPBERRY PI 3 5.2.1 Raspberry Pi 3 Biết cách cài đặt hệ điều hành cho raspberry, thiết lập IP tĩnh cho mạng Lan để điều khiển raspberry qua VNC khi raspberry pi 3 không có kết nối mạng. Thực hiện cài đặt, cập nhật các gói (package) cần thiết cho raspberry. Sử dụng ngôn ngữ Python để lập trình, cài đặt các thƣ viện Python cần thiết để lập trình phục vụ đề tài. Biết cách sử dụng các hàm các của thƣ viện nhƣ: GPIO.setwarnings() GPIO.setmode() GPIO.setup() GPIO.PWM() Hiểu đƣợc điện áp cấp từ Raspberry Pi 3 cũng nhƣ ý nghĩa các chân trên Raspberry, chẳng hạn nhƣ các chân của Raspberry chỉ đọc đƣợc Input là tín hiệu Digital, không có chân đọc Analog nhƣ Arduino. Cũng nhƣ tìm hiểu các chuẩn giao tiếp trên Raspberry. 5.2.2 Công cụ ngrok Biết cách sử dụng ngrok để public server, thực hiện xem xét quản lí những tác vụ đã thực hiện trên server. 5.3 PHẦN CỨNG 5.3.1 Mạch điều khiển dimmer Tìm hiểu nguyên lí của dimmer từ đó thực hành làm mạch mô phỏng dimmer để điều khiển thiết bị. Từ đó, ôn lại các kiến thức về linh kiện nhƣ Triac, Mosfet. Biết cách sử dụng phần mềm Altium Designer để vẽ mạch PBC phục vụ cho đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 66 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Biết cách hoàn thiện một mạch điện tử qua nhiều công đoạn khác nhau. 5.3.2 Động cơ Servo Tìm hiểu nguyên lí điều khiển động cơ servo bằng PWM để từ đó thực hiện yêu cầu điều khiển góc quay để đóng mở cửa. 5.3.3 Module Relay 2 kênh 5V Hiểu đƣợc cách hoạt động của module Relay, tính toán đƣợc dòng cần thiết để kích hoạt Relay. Từ đó thực hiện tác vụ điều khiển thiết bị. 5.3.4 Module cảm biến DHT11 Biết cách sử dụng module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 để cung cấp dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm hiện tại cho đề tài. 5.4 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ Nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thành những yêu cầu của đề tài đặt ra, đồ án nghiên cứu có những ƣu điểm nhƣ:  Đề tài có tính thực tế cao, đặc biệt là trong những năm gần đây việc ứng dụng các lĩnh vực liên quan đến AI, Machine Learning vào các lĩnh vực đời sống ngày càng nhiều và đem lại hiệu quả cao.  Chi phí xây dựng hệ thống không cao, tƣơng đối dễ sử dụng và vận hành. Qúa trình bảo trì hệ thống cũng khá đơn giản.  Giao diện chatbot dễ sử dụng, đặc biệt có thể tích hợp với các nền tảng nhắn tin nhƣ Facebook message, Skype, Slack,... để tăng tính thiết thực, gần gũi với ngƣời dùng.  Hệ thống điều khiển trên thời gian thực, khi có yêu cầu điều khiển của ngƣời dùng thì ngay lập tức điều khiển các thiết bị trong ngôi nhà.  Dựa trên lịch sử chat, ngƣời dùng có thể xem xét lịch sử đóng mở các thiết bị trong nhà. Tuy nhiên, hệ thống cũng có những hạn chế nhƣ: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 67 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ  Hệ thống điều khiển thông qua internet nên yêu cầu phải có đƣờng truyền mạng ổn định và duy trì lâu dày.  Tính bảo mật hệ thống không cao, bất cứ ai có link trò chuyện đều sẽ trò chuyện đƣợc với chatbot.  Hệ thống sử dụng API Dialogflow của google để lập trình, nếu google ngƣng cung cấp API này thì hệ thống không hoạt động.  Sử dụng mới ngrok sẽ cho địa chỉ url khác nhau nên mỗi lần thay đổi cần phải cung cấp địa chỉ webhook mới trong phần fulfillment của Dialogflow.  Độ trễ của hệ thống phụ thuộc vào tốc độ và độ ổn định của đƣờng truyền. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 68 CHƢƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN Từ những yêu cầu đã đặt ra ở chƣơng 1, nhóm thực hiện đề tài nhận xét hệ thống hoạt động khá