đặt vấn đề, so sánh sự tương quan giữa các đề tài trước đó đã thực hiện từ đó đưa ra giải pháp, định hướng thực hiện đề tài của nhóm, đặt ra các mục tiêu nghiên cứu của đề tài cần thực hiện, giới hạn của đề tài gặp phải và cuối cùng là đưa ra bố cục chi tiết của đề tài sẽ thực hiện. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này trình bày các cở sở lý thuyết có liên quan đến đề tài thực hiện bao gồm: tìm hiểu và phân tích mô hình nhà thông minh, lý thuyết về giọng nói và quá trình xử lý giọng nói, tổng quan về công cụ nhận diện giọng nói của Google và tìm hiểu về giao thức truyền nhận dữ liệu MQTT. Chương 3: Thiết kế hệ thống.
Dựa vào vào yêu cầu của đề tài chương này trình bày, thiết kế sơ đồ khối, chức năng từng khối, sơ đồ nguyên lý cũng như trình bày nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống. Đưa ra các phương án lựa chọn và dựa vào đó tính toán ưu nhược điểm để chọn lựa các linh kiện cho từng khối. Trình bài cách thức giao tiếp và làm việc với Raspberry Pi qua máy tính và các bước cài đặt và thiếp lập các gói hỗ trợ cho Raspberry Pi. Trình bày các bước chi tiết cài đặt và thiết lập các công cụ nhận diện giọng nói, công cụ chuyển đổi văn bản sang giọng nói, công cụ nhận diện từ nóng và cách thức truyền nhận dữ liệu dựa trên giao thức MQTT.
Đưa ra các lưu đồ giải thuật của các chương trình sử dụng trên Raspberry Pi, chương trình xử lí giọng nói chuyển đổi thành câu lệnh điều khiển. Chương 4: Kết quả. Chương này trình bày chi tiết kết quả đề tài đã thực hiện được. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.
Chương này trình bày, rút ra kết luận và hướng phát triển của đề tài. 4 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 LÝ THUYẾT NHÀ THÔNG MINH 2.1 Khái niệm nhà thông minh Ngôi nhà được trang bị nhiều kĩ thuật để điều khiển tự động hoặc bán tự động nhằm thay thế con người thực hiện các thao tác quản lý, điều khiển được gọi là nhà thông minh. Nhà thông minh nổi bật với sự tích hợp của nhiều hệ thống như trong hình 1 miêu tả, như hệ thống điều khiển, kiểm soát nhiệt độ trong nhà dựa trên các dữ liệu cảm biến để gợi ý gia chủ về việc bật tắt các thiết bị máy lạnh, sưởi ấm. Hay hệ thống kiểm soát môi trường nồng độ CO2, độ ẩm không khí, phòng chống cháy nổ để ngăn chặn các tình huống ảnh hưởng sức khỏe…Nhờ thế ngôi nhà trở nên an toàn, thoải mái, tiện nghi và nâng cao chất lượng cuộc sống.1 Miêu tả các hệ thống trong nhà thông minh.2 Lợi ích nhà thông minh Tiện nghi và thư giãn: Khiến cuộc sống dễ dàng và thoải mái hơn với việc tự động hóa các thiết bị và ứng dụng trong nhà.
Ngôi nhà sẽ được điều khiển trực tiếp hoặc gián tiếp từ xa thông qua các phần mềm trên máy tính hoặc điện thoại. An ninh: Bằng việc lắp đặt các thiết bị giám sát như camera (hệ thống an ninh), các hình ảnh trong ngôi nhà sẽ được gửi tới các phần mềm khi được truy cấp. 5 do an An toàn: Các giá trị từ cảm biến báo hiệu sự thay đổi thất thường về nồng độ không khí khi gặp các trường hợp về gò rỉ khí ga, cháy nổ nhằm giúp gia chủ có các hành động ngăn chặn. Tiết kiệm năng lượng: Do được xây dựng dựa trên các linh kiện điện tử nên mức tiêu thụ năng lượng cho các hoạt động của thiết bị là rất ít.
Đồng thời, có thể thiết lập kịch bản để cài đặt thời gian hoạt động của thiết bị, điều chỉnh độ sáng hay việc tự động tắt máy lạnh khi nhiệt độ môi trường bên ngoài xuống thấp…góp phần lớn giảm tiền cho các hóa đơn điện hằng tháng. Chăm sóc sức khỏe cho người cao tuổi và khuyết tật: Thay vì phải ở các cơ sở chăm sóc sức khỏe tốn kém, giờ đây người cao tuổi và khuyết tật có thể tự bảo vệ sức khỏe tại nhà nhờ các hệ thống hỗ trợ chăm sóc như: bộ tự động hẹn giờ nhắc nhở, tư vấn sức khỏe từ xa và chuông báo khi có biến chứng.3 Các thành phần cấu hình nên nhà thông minh Nhà thông minh được xây dựng dựa trên nhiều thiết bị điện tử và công cụ như: cảm biến, động cơ, bộ điều khiển, gateway, dữ liệu và giao diện người dùng. Mạng nội bộ: Là cơ sở quan trọng để xây dựng hệ thống nhà thông minh, chức năng chính của mạng là liên kết tất cả ứng dụng và thiết bị thành một hệ thống. Ngày nay, có ba giao thức mạng thường được dùng xây dựng mạng nội bộ là Z- Wave, Zigbee và WiFi.
Cảm biến: Là thành phần quan trọng để giám sát và thực hiện các phép đo (cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, chuyển động, ánh sáng…). Cung cấp dữ liệu để bộ điều khiển xử lí. Động cơ: Là thiết bị chuyển đổi năng lượng thành chuyển động, dùng để điều khiển các hành động vật lí như kéo đóng rèm, đóng mở cửa… Bộ điều khiển: Được lập trình trên các microchip dùng để quản lí, kiểm soát thông tin từ các thiết bị trong hệ thống báo về để có các lệnh tương ứng. Gateway: Trái tim của ngôi nhà, có chức năng kết nối Internet, lưu trữ các thiết lập ngữ cảnh, hẹn giờ, truyền nhận dữ liệu từ xa.
6 do an Dữ liệu được thu thập từ môi trường xung quanh sau đó được xử lí để thông báo đến người dùng và thiết bị để có lệnh điều khiển. Các dữ liệu được lưu trữ trên các thiết bị lưu trữ như ổ nhớ, service… Giao diện người dùng thiết bị giúp con người giao tiếp và tương tác với hệ thống. Nó có thể là các công tắc gắn tường (giao diện vật lý), màn hình cảm ứng hoặc các bộ thu âm để người dùng điểu khiển bằng giọng nói.4 Các giao thức mạng trong nhà thông minh Có ba giao thức mạng được sử dụng phổ biến hiện nay là Zigbee, Z-Wave và WiFi. Tham khảo từ tài liệu [7], Zigbee là giao thức mạng không dây được dùng để kết nối các thiết bị với nhau, xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.4 của tổ chức IEEE.4 này sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn và cấu trúc của 802.4 có 2 tầng là tầng vật lý và tầng MAC (Medicum Access Control).
Hơn thế nữa ZigBee truyền dữ liệu ổn định theo gói (một gói tối đa là 128bytes cho phép tải xuống tối đa 104 bytes), khoảng cách truyền xa đến 75m tính từ trạm phát và có thể xa hơn rất nhiều nếu được tiếp tục phát từ nút liên kết tiếp theo (cho phép 65000 nút liên kết). Zigbee có ba dãy tầng hoạt động là 915MHz, 868MHz (1 kênh tín hiệu và tốc độ đường truyền dữ liệu có thể đạt tới 20kbps) và 2. Dãy 868 và 915MHz dùng kỹ thuật điều chế pha nhị phân, còn ở dải 2.4GHz thì lại dùng kỹ thuật điều chế tín hiệu số có dịch pha (Offset quadrature phase shift keying – O-QPSK). Tham khảo từ tài liệu [8], Z-Wave cũng là giao thức truyền không dây, hoạt động như mạng lưới sử dụng sóng vô tuyến năng lượng thấp để truyền dữ liệu từ nút này đến nút khác (cho phép 232 nút liên kết) với khoảng cách 30m.
Z-Wave được thiết kế để cung cấp độ tin cậy cao, độ trễ thấp truyền các gói dữ liệu nhỏ với tốc độ dữ liệu lên đến 100kbit/s. Z-Wave hoạt động ở 868.42 MHz ở châu Âu, ở 908.42 MHz ở Bắc Mỹ và sử dụng tần số khác ở các nước khác tùy thuộc vào các quy định. Z- Wave dùng kỹ thuật Manchester để mã hóa. Z-wave hiện tại được dùng chủ yếu trong Home Automation.
7 do an Tham khảo từ tài liệu [9], WiFi thường là sự lựa chọn hiển nhiên đối với nhiều nhà phát triển, đặc biệt là tính phổ biến của WiFi trong môi trường gia đình bên trong mạng LAN. Hiện tại, chuẩn WiFi phổ biến nhất được sử dụng trong nhà và nhiều doanh nghiệp là 802.11n, chuẩn WiFi này cung cấp truyền thông trong phạm vi hàng trăm megabit/giây, rất tốt cho việc truyền file, bù lại có thể sẽ kém cho nhiều ứng dụng IoTs. Tần số hoạt động của WiFi: 2.4GHz và 5GHz bands với tầm hoạt động tùy thuộc và thiết bị phát giao động khoảng 15 đến ~50m, Tốc độ truyền dữ liệu: Tối đa 600 Mbps, nhưng phổ biến là 150-200Mbps, còn tùy thuộc vào tần số kênh được sử dụng và số ăng-ten (chuẩn 802.11-ac mới nhất nên cung cấp tốc độ 500Mbps đến 1Gbps).2 TỔNG QUAN VỀ GIỌNG NÓI Giọng nói là âm thanh phát ra từ miệng người. Nghiên cứu giọng nói chính là tìm hiểu cơ cấu hệ thống phát âm của cơ thể người.
Với phổi đóng vai trò là cái bơm không khí, tạo năng lượng hình thành âm. Đôi dây thanh (vocal fold, vocal cord) là hai cơ thịt ở trong cuống họng, có hai đầu dính nhau, còn hai đầu dao động với tần số cơ bản là Fo, tiếng Anh gọi là pitch, fundamental frequency. Fo của nam giới nằm trong khoảng 100-200 Hz, của nữ giới là 300-400 Hz, của trẻ em là 500-600 Hz. Thanh quản và vòm miệng đóng vai như là hốc cộng hưởng, tạo ra sự phân biệt tần số khi tín hiệu dao động từ đôi dây thanh phát ra.
Đáp ứng tần số của hốc cộng hưởng này có nhiều đỉnh cộng hưởng khác nhau được gọi là các formant. Miệng đóng vai trò phát tán âm thanh ra ngoài. Lưỡi thay đổi để tạo ra tần số formant khác nhau. Từ cơ cấu phát âm của người có thể chia thành hai loại âm.
Âm hữu thanh là âm khi phát ra có sự dao động của đôi dây thanh, nên nó tuần hoàn với tần số Fo. Vì vậy phổ của nguyên âm là phổ vạch, khoảng cách giữa các vạch tính bằng Fo. Còn âm vô thanh phát ra khi đôi dây thanh không dao động. Phổ tín hiệu có dạng là nhiễu trắng, phổ phân bổ đều.3 LÝ THUYẾT NHẬN DẠNG GIỌNG NÓI 2.1 Tổng quan nhận dạng giọng nói Nhận dạng giọng nói là một hệ thống tạo khả năng để máy nhận biết ngữ nghĩa của giọng nói.
Về bản chất, đây là quá trình biến đổi tín hiệu âm thanh thu được của người nói qua Micro, đường dây điện thoại hoặc các thiết bị khác thành một chuỗi các từ. Kết quả của quá trình nhận dạng có thể được ứng dụng trong điều khiển thiết bị, nhập dữ liệu, soạn thảo văn bản bằng lời, quay số điện thoại tự động hoặc đưa tới một quá trình xử lý ngôn ngữ ở mức cao hơn.