Đặt vấn đề : Trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh chóng, việc ứng dụng các giải pháp tự động hóa và thông minh vào đời sống ngày càng trở nên quan trọng. Một trong những lĩnh vực được chú trọng là giao thông và vận tải, nơi mà các phương tiện có khả năng tự động hóa và hỗ trợ thông minh có thể mang lại nhiều lợi ích, từ việc tăng cường an toàn giao thông đến cải thiện hiệu suất vận hành. Hiện nay, điều khiển phương tiện bằng tay vẫn là phương pháp phổ biến, tuy nhiên điều này có thể gây ra nhiều rủi ro, đặc biệt là khi người điều khiển gặp khó khăn về sức khỏe hoặc môi trường lái xe không thuận lợi. Đồng thời, các tai nạn do va chạm với chướng ngại vật thường xảy ra do sự thiếu sót trong nhận biết môi trường xung quanh.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển một hệ thống điều khiển phương tiện thông minh, tích hợp các công nghệ như nhận diện giọng nói và phát hiện vật cản tự động, trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Hệ thống điều khiển xe bằng giọng nói và phát hiện vật cản dựa trên công nghệ IoT được đề xuất với mục tiêu giải quyết những vấn đề nêu trên. Bằng cách sử dụng các cảm biến và công nghệ nhận diện giọng nói, hệ thống này không chỉ giúp người dùng điều khiển phương tiện một cách dễ dàng hơn mà còn đảm bảo an toàn khi vận hành trong các điều kiện phức tạp. Điều này mở ra tiềm năng cho việc áp dụng hệ thống vào nhiều lĩnh vực khác nhau như giao thông công cộng, xe tự hành trong các nhà máy sản xuất, hoặc các khu vực khó tiếp cận.
Mục tiêu của hệ thống : Mục tiêu chính của hệ thống điều khiển xe bằng giọng nói và phát hiện vật cản là tạo ra một phương tiện có khả năng tự động hóa cao, giúp người dùng điều khiển xe một cách dễ dàng, an toàn và tiện lợi. Cụ thể, hệ thống hướng đến những mục đích sau: 4 Điều khiển bằng giọng nói: Hệ thống cho phép người dùng điều khiển xe thông qua các lệnh giọng nói, giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào thao tác tay, từ đó tăng cường sự thuận tiện và an toàn, đặc biệt trong những tình huống khó khăn hoặc khi người điều khiển gặp trở ngại về di chuyển. Phát hiện và tránh vật cản: Hệ thống tích hợp cảm biến để phát hiện các vật cản trên đường đi. Khi nhận diện được chướng ngại vật, hệ thống sẽ tự động đưa ra cảnh báo và thực hiện các thao tác tránh né nhằm đảm bảo an toàn cho phương tiện và người sử dụng.
Ứng dụng công nghệ IoT: Hệ thống kết nối với mạng lưới IoT để nâng cao tính năng tự động hóa, thu thập và phân tích dữ liệu từ các cảm biến nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển xe và nâng cao hiệu quả vận hành. Tăng cường an toàn giao thông: Bằng cách kết hợp giữa điều khiển giọng nói và tự động phát hiện vật cản, hệ thống giúp giảm thiểu tai nạn giao thông, đặc biệt trong những môi trường nguy hiểm hoặc trong các tình huống khẩn cấp. Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: Hệ thống có thể được ứng dụng rộng rãi trong các môi trường như khu công nghiệp, bãi đỗ xe, khu dân cư hoặc các khu vực có địa hình phức tạp, từ đó góp phần phát triển các giải pháp thông minh cho giao thông trong tương lai I. Xác định chức năng của hệ thống Hệ thống điều khiển xe bằng giọng nói và phát hiện vật cản có các chức năng chính sau: Nhận diện giọng nói: o Hệ thống có khả năng nhận diện và xử lý các lệnh giọng nói từ người dùng.
Các lệnh này bao gồm các thao tác cơ bản như tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải và dừng xe. Xử lý lệnh điều khiển: o Sau khi nhận diện lệnh giọng nói, hệ thống sẽ xử lý và chuyển đổi các lệnh thành tín hiệu điều khiển cho xe. Điều này bao gồm việc điều chỉnh tốc độ, hướng di chuyển và các hành động khác dựa trên lệnh người dùng. Phát hiện vật cản: o Hệ thống được trang bị cảm biến siêu âm để phát hiện vật cản phía trước của xe.
5 o Khi phát hiện vật cản, hệ thống sẽ đưa ra cảnh báo và kích hoạt các hành động phòng ngừa như dừng xe hoặc chuyển hướng để tránh va chạm. Tự động dừng xe khi gặp chướng ngại vật: o Nếu vật cản được phát hiện quá gần và xe không thể chuyển hướng hoặc không thể thực hiện thao tác tránh né kịp thời, hệ thống sẽ tự động dừng xe để đảm bảo an toàn cho phương tiện và người sử dụng. Tương tác thời gian thực: o Hệ thống có khả năng xử lý và phản hồi các lệnh giọng nói và dữ liệu từ cảm biến trong thời gian thực, đảm bảo xe hoạt động mượt mà và hiệu quả. Ghi nhận dữ liệu và phân tích: o Hệ thống có thể ghi nhận và lưu trữ các dữ liệu liên quan đến quá trình điều khiển và các tình huống phát hiện vật cản.
Dữ liệu này có thể được sử dụng để phân tích và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống trong tương lai. Kết nối IoT và điều khiển từ xa: o Hệ thống được tích hợp với mạng IoT, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển xe từ xa thông qua các thiết bị di động hoặc máy tính kết nối Internet. Cảnh báo âm thanh và hình ảnh: o Khi phát hiện vật cản hoặc có lỗi trong quá trình vận hành, hệ thống sẽ phát ra các cảnh báo hình ảnh để thông báo cho người điều khiển kịp thời xử lý. Giao thức HTTP HTTP (HyperText Transfer Protocol) là một giao thức lớp ứng dụng cho các hệ thống thông tin siêu phương tiện phân tán, cộng tác.
Là nền tảng của truyền thông dữ liệu cho world wide web, nơi siêu văn bản tài liệu bao gồm các siêu liên kết đến các tài nguyên khác mà người dùng có thể dễ dàng truy cập Thành phần : 6 HTTP Session: HTTP Session giúp duy trì trạng thái người dùng giữa các yêu cầu HTTP, cho phép quản lý thông tin đăng nhập mà không cần đăng nhập lại, nâng cao bảo mật và trải nghiệm người dùng. HTTP Request Methods: Các phương thức chủ yếu của HTTP bao gồm: • GET: Lấy thông tin từ server. • HEAD: Nhận header mà không có nội dung. • POST: Gửi dữ liệu đến server, có thể thay đổi trạng thái.
• PUT: Cập nhật tài nguyên. • DELETE: Xóa tài nguyên. • CONNECT: Thiết lập đường hầm tới server. • OPTIONS: Thông báo các phương thức hỗ trợ.
• TRACE: Kiểm tra thông điệp tới tài nguyên. Giao thức HTTP với ThingSpeak Đây là cách phổ biến nhất để gửi và nhận dữ liệu từ ThingSpeak. Sử dụng yêu cầu GET hoặc POST qua HTTP để tương tác với API của ThingSpeak. Gửi dữ liệu lên ThingSpeak (HTTP POST/GET): Để gửi dữ liệu đến một kênh (channel) trên ThingSpeak, sử dụng yêu cầu GET hoặc POST HTTP cần có API Key để xác thực và kênh cần có các trường dữ liệu (fields).
Hình 1 Giao thức HTTP với ThingSpeak 7 ThingSpeak là một nền tảng cloud cho phép bạn lưu trữ và quản lý dữ liệu cảm biến từ xa. Thay vì lưu dữ liệu cục bộ trên thiết bị Arduino, việc gửi lên cloud giúp truy cập và quản lý dữ liệu từ bất kỳ đâu có kết nối internet. Giao thức MQTT Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là m ột giao thức lớp ứng dụng dùng để truyền giữa liệu qua mạng internet. Vai trò của các thiết bị trong giao thức MQTT là thiết bị đăng kí chủ đề (subscriber), thiết bị xuất bản chủ đề (publisher) và người môi giới trung gian (broker), với phương thức trao đổi dữ liệu kiểu đăng kí và xuất bản.
MQTT sử dụng hệ thống chủ đề (topic) được xem là các hàng chờ gói tin được quản lý bởi thiết bị có vai trò là người môi giới trung gian. Hình 2 Giao thức MQTT Thành phần của MQTT Thành phần chính của MQTT là Client (Publisher/Subscriber), Server (Broker), Sessions, Subscriptions và Topics. Trong đó: • Client sẽ subcribe từ một hay nhiều topics với mục đích nhận thông điệp từcác topic tương ứng, và publish 1 hay nhiều topic với mục đích gửi thông điệp. • Server: Broker sẽ nhận các thông tin subcribe từ Client hay các thông điệp và dựa vào Subscriptions từ Client để chuyển chúng đến các subscriber tương ứng.
8 • Topic là một hàng đợi các thông điệp và có sẵn khuôn mẫu dành cho Subscriber hoặc Publisher, cho phép Client trao đổi thông tin với các ngữ nghĩa đã được định nghĩa sẵn. Một ví dụ đơn giản mà có thể thấy rõ về Topic của MQTT là dữ liệu cảm biến nhiệt độ của tòa nhà. • Session được định nghĩa là một kết nối từ Client tới Server, toàn bộ giao tiếp của Client với Server đều là một phần của Session. • Subscription là kết nối từ Client tới Topic, Client có thể nhận hoặc gửi thông điệp với Topic đó.
Tổng quan về cách hoạt động của MQTT như sau: Khi khi 1 thiết bị (Ví dụ: cảm biến) publish 1 dữ liệu vào 1 topic gửi lên Broker, lúc này Broker sẽ quản lý topic đó, gửi dữ liệu đó đến 1 thiết bị subcribe topic trên. Cơ chế hoạt động của giao thức MQTT Hình 3 Cơ chế hoạt động của giao thức MQTT Một phiên MQTT được chia thành bốn giai đoạn: kết nối, xác thực, giao tiếp và kết thúc. Client (máy khách) bắt đầu bằng cách tạo kết nối Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) tới broker bằng cách sử dụng cổng tiêu chuẩn hoặc cổng tùy chỉnh được xác định bởi các nhà phát triển broker. Các cổng tiêu chuẩn là 1883 cho giao tiếp không mã hóa và 8883 cho giao tiếp được mã hóa – sử dụng Lớp cổng bảo mật (SSL) / Bảo mật lớp truyền tải (TLS).
Trong quá trình giao tiếp SSL/TLS, máy khách cần kiểm chứng và xác thực máy chủ. Sau đó, Client sẽ gửi bản tin lên broker nếu là Publisher hoặc nhận bản tin từ broker về nếu là Subscriber. Quá trình kết nối này sẽ được giữ đến khi Kết thúc kết nối. Sau khi kết thúc để có thể truyền nhận MQTT, chúng ta lại tiếp tục quay lại các bước trên.
10 CHƯƠNG II. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG Chương này sẽ tập trung vào việc phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển xe bằng giọng nói và phát hiện vật cản. Nội dung bao gồm việc xác định yêu cầu hệ thống, các mô hình đặc tả, xác định các kiến trúc phần mềm và phần cứng, kết nối phần cứng và tích hợp ứng dụng để hoàn thiện được sản phần. Kiến trúc tổng quan của hệ thống II.