Báo cáo đồ án tốt nghiệp: Xây dựng mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói - Trường ĐHBK Hà Nội

Báo cáo đồ án tốt nghiệp nghiên cứu xây dựng mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tìm hiểu về công nghệ IoT,

• Tác giả: Ngô Đức Hiển
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Văn
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Xây dựng mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói

Nhà thông minh là khái niệm chỉ ngôi nhà được trang bị các thiết bị điện tử có khả năng kết nối và điều khiển tự động. Công nghệ này đang phát triển mạnh mẽ với sự hỗ trợ của Internet vạn vật. Việc điều khiển bằng giọng nói mang lại trải nghiệm tiện lợi, giúp người dùng thao tác mà không cần chạm vào thiết bị. Đề tài xây dựng mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói được thực hiện tại Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Đồ án nhằm nghiên cứu và xây dựng mô hình nhà thu nhỏ có khả năng điều khiển các thiết bị như đèn, quạt, cửa bằng lệnh giọng nói. Hệ thống sử dụng kit ESP32 làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp với module nhận dạng giọng nói và các cảm biến môi trường. Giải pháp này hướng đến việc áp dụng công nghệ mới vào đời sống, tạo nền tảng cho việc phát triển các hệ thống nhà thông minh có chi phí thấp và dễ triển khai tại Việt Nam.

1.1. Định nghĩa nhà thông minh và vai trò của IoT

Nhà thông minh là hệ thống các thiết bị điện tử được kết nối mạng, cho phép giám sát và điều khiển từ xa thông qua smartphone hoặc giọng nói. Công nghệ IoT đóng vai trò nền tảng, cho phép các thiết bị giao tiếp với nhau và với người dùng thông qua Internet. Tại Việt Nam, xu hướng nhà thông minh đang phát triển nhanh với các thương hiệu như Bkav SmartHome, Lumi, Acis. Các hệ thống này cung cấp giải pháp điều khiển chiếu sáng, an ninh, giải trí và quản lý năng lượng. Tuy nhiên, chi phí triển khai và tính tương thích giữa các thiết bị vẫn là thách thức lớn.

1.2. Xu hướng điều khiển nhà bằng giọng nói

Điều khiển bằng giọng nói là công nghệ sử dụng xử lý ngôn ngữ tự nhiên để nhận diện và thực thi lệnh từ người dùng. Các trợ lý ảo như Google Assistant, Amazon Alexa đã phổ biến rộng rãi trên thế giới. Trong lĩnh vực nhà thông minh, giọng nói trở thành phương thức giao tiếp tự nhiên nhất. Người dùng có thể bật tắt đèn, điều chỉnh nhiệt độ, mở cửa mà không cần chạm vào bất kỳ thiết bị nào. Công nghệ này đặc biệt hữu ích cho người già, người khuyết tật hoặc khi tay đang bận. Tuy nhiên, hầu hết các giải pháp hiện tại chỉ hỗ trợ tiếng Anh hoặc có độ chính xác nhận dạng tiếng Việt chưa cao.

II. Phân tích các giải pháp nhà thông minh hiện có trên thị trường

Thị trường nhà thông minh Việt Nam có nhiều giải pháp đa dạng từ các thương hiệu trong và ngoài nước. Mỗi hệ thống có ưu nhược điểm riêng về tính năng, chi phí và khả năng mở rộng. Bkav SmartHome là giải pháp của công ty Việt Nam, cung cấp hệ thống điều khiển qua smartphone với giao diện trực quan. Hệ thống hỗ trợ kịch bản ngữ cảnh thông minh, tự động hiển thị phù hợp với thói quen sử dụng. Tuy nhiên, tính năng điều khiển bằng giọng nói chỉ hỗ trợ tiếng Anh. Lumi là thương hiệu chuyên về công tắc điện thông minh, cung cấp giải pháp cho phân khúc trung và cao cấp. Hệ thống cho phép điều khiển, giám sát và đặt lịch hẹn giờ cho nhiều thiết bị cùng lúc. Acis sử dụng công nghệ truyền thông Mesh Network, cho phép các thiết bị giao tiếp trực tiếp mà không cần server trung tâm. Việc phân tích các hệ thống hiện có giúp xác định khoảng trống thị trường và hướng phát triển mô hình nhà thông minh với khả năng điều khiển giọng nói tiếng Việt.

2.1. Giải pháp Bkav SmartHome và Lumi

Bkav SmartHome cung cấp hệ thống nhà thông minh với khả năng mô phỏng thiết bị trên smartphone và tablet. Hệ thống hiểu thói quen người dùng, tự động hiển thị kịch bản phù hợp về không gian và thời gian. Ưu điểm là lắp đặt đơn giản, giá thành khá rẻ do thiết kế không dây. Nhược điểm lớn nhất là tính năng điều khiển giọng nói chỉ dùng được tiếng Anh, chưa hỗ trợ tiếng Việt. Lumi Việt Nam tập trung vào công tắc điện thông minh cho phân khúc trung và cao cấp. Hệ thống hỗ trợ điều khiển chiếu sáng với nhiều kịch bản, hẹn giờ và giám sát trạng thái thiết bị. Cảm biến chuyển động giúp tự động bật tắt đèn, tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

2.2. Hạn chế của các giải pháp hiện tại

Các giải pháp nhà thông minh hiện có trên thị trường tồn tại một số hạn chế đáng kể. Thứ nhất, chi phí triển khai cao, đặc biệt với các hệ thống nhập khẩu từ nước ngoài. Thứ hai, khả năng điều khiển giọng nói tiếng Việt chưa được hỗ trợ đầy đủ hoặc có độ chính xác thấp. Ngoài ra, tính tương thích giữa các thiết bị của nhà sản xuất khác nhau còn hạn chế. Người dùng thường bị ràng buộc vào một hệ sinh thái cụ thể, khó mở rộng hoặc tích hợp thiết bị từ hãng khác. Việc bảo trì và cập nhật firmware cũng là vấn đề cần quan tâm khi triển khai thực tế.

III. Phương pháp xây dựng mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói

Mô hình nhà thông minh được xây dựng dựa trên kit ESP32, một vi điều khiển tích hợp Wi-Fi và Bluetooth. Hệ thống bao gồm các khối chức năng chính gồm khối xử lý trung tâm, khối nguồn, khối cảm biến và khối điều khiển thiết bị. Khối nguồn sử dụng Adapter 12V DC kết hợp với IC ổn áp LM7805 để cung cấp điện áp 5V ổn định cho ESP32 và các module. Thiết kế này đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, tránh sụt nguồn khi sử dụng nhiều tải đồng thời. Module nhận dạng giọng nói được kết nối với ESP32 thông qua giao tiếp UART. Hệ thống xử lý lệnh giọng nói, phân tích nội dung và gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị tương ứng như đèn, quạt, cửa. Các cảm biến môi trường như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng được tích hợp để thu thập dữ liệu. Thông tin này được sử dụng để tự động hóa các kịch bản điều khiển, ví dụ bật đèn khi trời tối hoặc bật quạt khi nhiệt độ cao.

3.1. Thiết kế phần cứng và khối nguồn

Phần cứng của mô hình bao gồm kit ESP32 làm bộ xử lý trung tâm, có khả năng kết nối Wi-Fi để giao tiếp với ứng dụng di động. Hệ thống nguồn được thiết kế với Adapter 12V DC, qua Switch để đóng mở nguồn tiện lợi. Hai IC ổn áp LM7805 được sử dụng để tạo điện áp 5V ổn định. Một ngõ ra cung cấp cho ESP32 và LCD, ngõ còn lại cho cảm biến. IC LM7805 có ba chân gồm input nhận điện áp vào, GND nối mass, output cung cấp 5V DC ổn định. Đèn LED đơn được tích hợp làm đèn báo nguồn. Tụ điện được sử dụng để lọc nhiễu, đảm bảo tín hiệu ổn định cho hệ thống.

3.2. Thiết kế phần mềm và xử lý giọng nói

Phần mềm hệ thống được lập trình trên nền tảng Arduino IDE, tương thích với vi điều khiển ESP32. Chương trình chính xử lý các ngắt từ module giọng nói, phân tích lệnh và gửi tín hiệu PWM để điều khiển thiết bị. Module nhận dạng giọng nói hoạt động độc lập, lưu trữ các mẫu lệnh đã được huấn luyện sẵn. Khi nhận diện được lệnh phù hợp, module gửi tín hiệu số đến ESP32 thông qua các chân GPIO. Ứng dụng di động được phát triển trên nền tảng Android, giao tiếp với ESP32 qua giao thức MQTT hoặc HTTP. Giao diện hiển thị trạng thái thời gian thực của các thiết bị và cho phép người dùng tùy chỉnh kịch bản điều khiển.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của mô hình nhà thông minh

Đồ án đã hoàn thành việc xây dựng mô hình nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói. Hệ thống hoạt động ổn định, có khả năng nhận diện và thực thi lệnh giọng nói tiếng Việt với độ chính xác cao. Mô hình sử dụng ESP32 làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp với module giọng nói và các cảm biến môi trường. Thiết kế phần cứng đơn giản, chi phí thấp, phù hợp để triển khai trong thực tế. Hệ thống nguồn được thiết kế tối ưu với IC LM7805, đảm bảo hoạt động ổn định. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể điều khiển đèn, quạt và các thiết bị khác bằng giọng nói với thời gian phản hồi nhanh. Giao diện di động trực quan, dễ sử dụng, cho phép giám sát và điều khiển từ xa. Đề tài mở ra hướng phát triển mới cho lĩnh vực nhà thông minh tại Việt Nam, đặc biệt trong việc tích hợp công nghệ nhận dạng giọng nói tiếng Việt. Mô hình có thể được mở rộng để ứng dụng trong các hộ gia đình, văn phòng và tòa nhà thông minh.

4.1. Kết quả đạt được và đánh giá

Mô hình nhà thông minh đã đạt được các mục tiêu đề ra. Hệ thống nhận diện giọng nói tiếng Việt hoạt động chính xác trong môi trường yên tĩnh, tỷ lệ nhận diện đúng đạt trên chín mươi phần trăm. Thời gian phản hồi từ khi ra lệnh đến khi thiết bị thực thi trung bình dưới hai giây. Phần cứng hoạt động ổn định, không xảy ra hiện tượng sụt nguồn hay quá nhiệt. Ứng dụng di động kết nối mượt mà, hiển thị trạng thái thời gian thực. Hệ thống có thể mở rộng thêm thiết bị mà không cần thay đổi cấu trúc phần cứng. Tuy nhiên, hệ thống còn hạn chế khi hoạt động trong môi trường ồn ào hoặc khi người dùng nói giọng phương ngữ.

4.2. Ứng dụng và hướng phát triển

Mô hình nhà thông minh có nhiều tiềm năng ứng dụng thực tế. Trong lĩnh vực dân dụng, hệ thống giúp tăng tiện nghi sống, tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ người cao tuổi, người khuyết tật. Trong công nghiệp, công nghệ này có thể áp dụng vào quản lý tòa nhà văn phòng, khách sạn. Hướng phát triển bao gồm cải thiện thuật toán nhận dạng giọng nói để xử lý tốt hơn trong môi trường ồn. Tích hợp thêm trí tuệ nhân tạo để hệ thống học hỏi thói quen người dùng và đề xuất kịch bản tự động. Mở rộng kết nối với các thiết bị IoT khác như camera an ninh, hệ thống tưới cây tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHÀ THÔNG MINH TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM Ngày nay các hệ thống thông minh đang ngày càng được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi trong đời sống và sinh hoạt con người. Một hệ thống thông minh đáp ứng những nhu cầu tối thiểu của con người trong lao động, sinh hoạt, giải trí mà còn tạo ra không gian thoải mái, tiện nghi một cách tối đa trên cơ sở đáp ứng các yêu cầu về an ninh, an toàn, đảm bảo khả năng chăm sóc sức khỏe và tiết kiệm năng lượng. Vì vậy trước khi đi vào thiết kế một hệ thống thực, công việc của người kỹ sư là cần phải có các khảo sát nhu cầu của người sử dụng, các hệ thống thực tế đã triển khai cũng như bộ tiêu chuẩn, yêu cầu chức năng, phi chức năng của sản phẩm.1 Lí do chọn đề tài Hệ thống nhà thông minh ra đời như là một nhu cầu tất yếu để thỏa mãn nhu cầu không ngừng nâng cao của con người. Hệ thống nhà thông minh không những giúp thay thế việc sử dụng sức lao động của con người trong việc tự phục vụ nhu cầu, qua đó nó giúp cho con người nhanh chóng tái tạo sức lao động và nâng cao hiệu suất lao động của con người.

Hơn nữa một ngôi nhà thông minh đưa ra các tính toán giúp tiết kiệm năng lượng và hạn chế lãng phí tài nguyên thiên nhiên. Bên cạnh chuyển thành văn bản hoặc điều khiển máy là tác dụng phổ biến nhất của nhận diện giọng nói, công nghệ này còn mang đến nhiều hứa hẹn cho người khuyết tật. Nhận diện giọng nói còn được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (Artiíicial Intelligence). Siri hay Google Assistant là những ví dụ điển hình.2 Mô hình nhà thông minh 1.1 Nhà thông minh là gì Nhà thông minh (tiếng Anh: home automation, domotics, smart home hoặc Intellihome) 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. 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. 1 Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là một hệ thống kiểm soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh, chẳng hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối.

Hệ thống cũng có thể điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera giám sát, hệ thống khóa cửa tự động, hệ thống phòng ngừa trộm. Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ thống điều khiển giải trí tại gia - loa công suất khác nhau, hệ thống điện thoại, liên lạc nội bộ, hệ thống tưới nước. Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ các thiết bị trong nhà được kết nối với nhau để hệ thống máy tính trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra các quyết định điều khiển phù hợp. Nhà thông minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng từ nhiều năm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng rãi của điện và những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông tin.2 Các thành phần của nhà thông minh Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng hoặc do cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy chủ và các thiết bị chấp hành khác.

Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy chủ có thể theo dõi các trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định điều khiển các thiết bị chấp hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho con người. 1: Các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thông minh [3] Về cơ bản các nhà thông minh có hệ thống sau: • Điều hòa thông gió (HVAC) 2 • Chiếu sang (Lighting) • Quản lý điện năng/năng lượng (Electrical/Energy Management) • Hệ nan che nắng tự động quay theo hướng nắng nhờ các bộ phận cảm ứng (áp dụng ở những tòa nhà thông minh) • Hệ thống báo/Chữa cháy (Fire-Fighting System) • Tháng máy (Lift) • Hệ thống tổng đài nội bộ, thông báo (PABX/PA) • Hệ thống an ninh (Security/CCTV) • Hệ thống công nghệ thông tin, VOD, VoIP. Và các hệ thống có đặc thù riêng cho những nhu cầu khác nhau.3 Hai chức năng cơ bản của nhà thông minh 1.1 Điều khiển thông thường Thông thường để điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà, bạn cần tới hàng chục công tắc, thậm chí với căn nhà lớn hàng trăm công tắc. Với nhà thông minh, bạn có thể điều khiển tất cả bằng một vài nút bấm trên màn hình cảm ứng của smartphone hay máy tính bảng.

Bạn cũng có thể điều khiển và kiểm soát ngôi nhà thông qua giao diện trực quan 3D, ở đó các thiết bị được mô phỏng giống như đang sử dụng thực tế, chỉ cần chạm vào thiết bị tương ứng trong màn hình để điều khiển. Ví dụ sau giúp bạn hình dung được phần nào hoạt động của hệ thống: Khi khách đến, bạn chỉ cần chạm vào “Tiếp khách”, đèn phòng khách bật sáng rực rỡ, rèm kéo lên, điều hòa giảm xuống độ mát sâu hơn, giảm âm lượng nhạc phát. thông thường để làm được việc này bạn phải chạy khắp căn phòng và bấm rất nhiều công tắc. Thật tiện nghi khi chỉ cần chạm vào một nút trên màn hình.

Một ví dụ khác khi đi ngủ, thay vì phải kéo rèm, đóng cửa, tắt điện, mò mẫm đi lên giường, bạn chỉ việc chạm vào “Đi ngủ” trên điện thoại hoặc máy tính bảng, hệ thống sẽ thực hiện giúp bạn những điều này, đồng thời kích hoạt hệ thống an ninh, báo động khi phát hiện xâm nhập trái phép.2 Điều khiển bằng giọng nói Không chỉ điều khiển trực tiếp trên smartphone, máy tính bảng, bạn có thể điều khiển nhà mình bằng giọng nói của chính bạn thông qua một ứng dụng điện thoại hoặc thiết bị hỗ trợ riêng. Nhà thông minh được trang bị công nghệ trợ lý ảo, giúp giao tiếp với hệ thống trở nên thân thiện, không cứng nhắc như một hệ thống điều khiển thông thường.4Tổng quan về kiến trúc và công nghệ căn hộ nhà thông minh trên thế giới 1.1 Nhà thông minh ở các nước phát triển Các giải pháp công nghệ nhà thông minh đã được nhiều hãng Lagrand (Pháp), hãng Comfort (Singapore), hãng Siemens (Đức) có những chi nhánh toàn cầu của mình với những mẫu nhà đa dạng theo từng yêu cầu của khách hang với các loại công nghệ thông minh như: X10 compatible, X10 Wireless, Insteon, ZigBee, HomePlug, Bluetooth. Giải pháp công nghệ X10 (Mỹ), mô hình cho phép điều khiển dễ dàng 9 loại thiết bị như: bộ điều khiển trung tâm, thiết bị báo động mở cửa hoặc két sắt, thiết bị nhận diện người lạ xâm nhập, thiết bị điều khiển điện gia đình, thiết bị kết nối Internet.Với những trang bị này, chủ nhà có thể kiểm soát và điều khiển từ xa mọi thiết bị điện, 4 điện tử trong gia đình để tăng cường hiệu quả sinh hoạt và bảo vệ gia đình từ Internet, điện thoại .1 Công nghệ nhà thông minh ở Mỹ Những phiên bản đầu tiên của hệ thống X10 được sáng chế tại Mỹ từ cuối những năm 1970 và là công nghệ nhà thông minh phổ biến nhất trên thế giới hiện nay. Sau khi lắp đặt hệ thống X10, mỗi thứ đồ điện trong nhà, dù đó là đèn, quạt, bình nóng lạnh hay máy điều hòa, đều sẽ có một địa chỉ riêng.

Và chỉ cần một chiếc điều khiển từ xa, chúng ta có thể điều khiển tất cả, dù đang ở bất kỳ vị trí nào trong nhà. Ví dụ, người điều khiển trên tầng 2, và muốn bật đèn ở cổng dưới tầng 1 để xem ai đang bấm chuông qua camera. Hoặc ở tầng 1 và phát hiện đèn trên sân thượng vẫn quên chưa tắt. Hoặc đon giản hon, muốn cái đèn chum giữa phòng khách tối đi một nửa để xem phim cho có không khí.

Hệ thống X10 sẽ cho phép làm tất cả những việc đó chỉ với vài lần bấm nút trên điều khiển từ xa. Có thể lập chưong trình hoạt động cho từng thiết bị sao cho phù hợp với tập quan sinh hoạt của gia đình. Giả sử, ngày thường dậy vào lúc 6h30, ăn sáng lúc 7h và đi làm lúc 7h30. Với X10, có thể lập chương trình để mỗi sáng đèn trong phòng sẽ sáng dần từ 6h15, đèn phòng bếp sẽ sáng từ lúc 6h20 và bình nước nóng đã sẵng sang lúc 6h25.

Tất nhiên, sau khi ra khỏi nhà ít phút, đèn ở các phòng sẽ tự tắt. Hệ thống X10 sẽ mang sự tiện nghi, hệ thống tự động hóa nhà ở và cả sự an toàn, tiết kiệm. Khác với một số hệ thống tự động hóa nhà ở đòi hỏi phải có dây dẫn riêng nối tới từng thiết bị phải điều khiển. X10 sử dụng chính mạng điện hiện có trong nhà để truyền dẫn tín hiệu điều khiển.

Giả sử, muốn điều khiển 2 chiếc đèn trong phòng ngủ, thì chỉ cần lắp 1 module X10 vào phía sau công tắc của 2 chiếc đèn đó. Sau đó, có thể điều khiển cả 2 chiếc đèn bằng điều khiển từ xa, hoặc vẫn dùng chiếc công tắc cũ. Hệ thống X10 hoàn toàn không ảnh hưởng gì tới hệ thống điện đang dùng. Do lợi thế đó, X10 thích hợp với cả các công trình đang sử dụng hay công trình chưa hoàn thiện, miễn là số lượng thiết bị cần điều khiển nhỏ hơn 256 (số địa chỉ IP trong một dải địa chỉ mạng chung, từ 0 đến 255).

Có rất nhiều lựa chọn để điều khiển các thiết bị điện của mình: bằng điều khiển từ xa cầm tay, bằng máy vi tinh, thậm chí có thể dùng điện thoại để điều khiển mọi thứ ở trong nhà dù đang ở nước ngoài. Hệ thống tự động hóa nhà ở X10 không đòi hỏi phải thay đổi cấu trúc đường điện, cũng không cần thời giant hi công qua lâu nên giá thành rất hợp lý.