Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị thông minh (SPKT)

Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị thông minh bằng giọng nói. Sử dụng Raspberry Pi, cảm biến âm thanh, nhiệt độ và thư viện Google Speech.

• Tác giả: Kiều Minh Triết
• Người hướng dẫn: Ts. Trương Ngọc Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Giao Tiếp, Điều Khiển Thiết Bị Thông Minh Bằng Giọng Nói
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ Thống Điều Khiển Thiết Bị Thông Minh Bằng Giọng Nói

Trong thời đại công nghệ số, hệ thống điều khiển thiết bị thông minh bằng giọng nói đã trở thành một giải pháp tiên tiến để tối ưu hóa cuộc sống hàng ngày. Đồ án này tập trung vào thiết kế hệ thống giao tiếp và điều khiển thiết bị thông minh, cho phép người dùng tương tác với các thiết bị điện gia dụng thông qua lệnh giọng nói. Hệ thống được xây dựng trên nền tảng Raspberry Pi Zero W, một bộ xử lý nhúng mạnh mẽ, kết hợp với các cảm biến hiện đại. Mục tiêu chính là cải thiện trải nghiệm người dùng, tiết kiệm năng lượng và tăng cường tính tự động hóa trong các công trình smart home. Công nghệ nhận diện giọng nói được tích hợp để chuyển đổi lệnh âm thanh sang lệnh điều khiển, giúp hệ thống hiểu và thực hiện các tác vụ người dùng yêu cầu một cách chính xác và hiệu quả.

1.1. Tầm Quan Trọng của Công Nghệ Nhận Diện Giọng Nói

Công nghệ nhận diện giọng nói là trái tim của hệ thống này, cho phép giao tiếp tự nhiên giữa con người và máy. Thư viện Google Speech Recognition trên nền tảng Python được sử dụng để chuyển đổi lời nói sang văn bản với độ chính xác cao. Công nghệ này loại bỏ nhu cầu sử dụng các thiết bị đầu vào truyền thống, mang lại sự tiện lợi tối đa cho người dùng trong việc điều khiển các thiết bị như đèn, quạt, và các thiết bị điện khác.

1.2. Các Thành Phần Chính của Hệ Thống

Hệ thống bao gồm ba khối chính: khối thu thiết bị âm thanh với cảm biến AGC MAX9814, khối xử lý trung tâm dùng Raspberry Pi Zero W, và khối điều khiển thiết bị thông qua mạch relay. Ngoài ra, mô-đun cảm biến nhiệt độ DS18B20 được tích hợp để đo lường nhiệt độ, trong khi LCD 16x2 hiển thị thông tin thời gian thực. Tất cả các thành phần được kết nối thông qua chuẩn I2C và USB, tạo nên một hệ thống liền mạch và hiệu quả.

II. Nguyên Lý Hoạt Động và Công Nghệ Cốt Lõi

Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển thiết bị thông minh dựa trên quy trình ba bước: thu nhận âm thanh, xử lý dữ liệu, và điều khiển thiết bị. Cảm biến âm thanh AGC MAX9814 thu nhận tín hiệu giọng nói người dùng với điều khiển độ lợi tự động để đảm bảo chất lượng âm thanh ổn định. Tín hiệu này được chuyển đổi sang định dạng số thông qua bộ chuyển đổi USB Sound Card. Raspberry Pi sử dụng thuật toán khoảng cách Levenshtein để so sánh lệnh đã nhận với cơ sở dữ liệu lệnh có sẵn, từ đó xác định hành động cần thực hiện. Cuối cùng, mạch relay kích hoạt các thiết bị điện tương ứng. Toàn bộ quá trình diễn ra trong thời gian thực, đảm bảo phản ứng nhanh chóng và chính xác.

2.1. Công Nghệ Nhận Diện và Xử Lý Lời Nói

Nhận diện lời nói sang văn bản sử dụng các thư viện mã nguồn mở giúp chuyển đổi âm thanh thành dữ liệu văn bản có thể xử lý được. Công nghệ sử dụng MFCC (Mel-Frequency Cepstral Coefficients) để trích xuất đặc trưng của lời nói. Hệ thống được huấn luyện trên các lệnh điều khiển phổ biến như 'bật đèn', 'tắt quạt', giúp nâng cao độ chính xác nhận diện. Việc sử dụng chuẩn I2C đảm bảo giao tiếp ổn định giữa các thành phần.

2.2. Hệ Điều Hành Raspbian và Lập Trình Python

Hệ điều hành Raspbian được cài đặt trên Raspberry Pi Zero W, cung cấp môi trường ổn định cho ứng dụng. Ngôn ngữ lập trình Python được chọn vì tính dễ sử dụng và thư viện phong phú. Mã nguồn hệ thống được phát triển và kiểm thử trên nền tảng này, cho phép điều chỉnh nhanh chóng các tham số nhạy cảm như độ lợi AGC MAX9814 và giới hạn nhiệt độ. Cấu trúc mã được tổ chức theo mô-đun, dễ bảo trì và nâng cấp.

III. Thiết Kế và Xây Dựng Mô Hình Thực Tế

Thiết kế hệ thống giao tiếp điều khiển thiết bị được thực hiện trên một mô hình hộp chữ nhật có kích thước 30x25 cm, chiều cao 15 cm, mô phỏng một không gian sinh sống thực tế. Sơ đồ khối hệ thống cho thấy dòng chảy dữ liệu từ cảm biến âm thanh đến bộ xử lý trung tâm, sau đó đến các thiết bị điều khiển. Mô hình tích hợp hai bóng đèn LED và hai quạt nhỏ để minh họa việc điều khiển thiết bị thực tế. Mạch relay được sử dụng để chuyển mạch các tải điện, đảm bảo an toàn cho hệ thống điều khiển nhúng. LCD 16x2 được lắp trên hông mô hình để hiển thị thời gian thực, nhiệt độ, và trạng thái hoạt động của hệ thống. Thiết kế này cho phép người dùng dễ dàng quan sát và kiểm soát toàn bộ hệ thống.

3.1. Khối Thu Thiết Bị Âm Thanh và Xử Lý Tín Hiệu

Khối thu thiết bị âm thanh bao gồm cảm biến âm thanh AGC MAX9814 với chức năng điều khiển độ lợi tự động, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả trong các môi trường có mức tiếng ồn khác nhau. Bộ chuyển đổi USB Sound Card chuyển đổi tín hiệu âm thanh tương tự sang dạng số. Mạch khuếch đại PAM8403 được tích hợp để tăng cường tín hiệu âm thanh phản hồi từ hệ thống. Toàn bộ khối này đảm bảo chất lượng âm thanh cao, cho phép nhận diện giọng nói chính xác ngay cả trong môi trường ồn ào.

3.2. Khối Xử Lý Và Điều Khiển Thiết Bị

Khối xử lý trung tâm sử dụng Raspberry Pi Zero W làm bộ xử lý chính, chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu âm thanh và kiểm soát logic của hệ thống. Mô-đun cảm biến nhiệt độ DS18B20 được kết nối để đo lường nhiệt độ môi trường. Khối điều khiển thiết bị sử dụng mạch relay để bật/tắt các thiết bị điện một cách an toàn. Tất cả các thành phần được lập trình để phản ứng nhanh với các lệnh giọng nói, tạo nên một hệ thống giao tiếp hai chiều giữa người dùng và thiết bị.

IV. Kết Quả Ứng Dụng và Hướng Phát Triển

Sau quá trình nghiên cứu, mô phỏng và xây dựng hệ thống, nhóm đã hoàn thành thành công mô hình hệ thống giao tiếp điều khiển thiết bị thông minh bằng giọng nói. Hệ thống hoạt động ổn định, có khả năng nhận diện giọng nói người sử dụng với độ chính xác cao, hỏi và trả lời người dùng thông qua loa tích hợp, và điều khiển các thiết bị đèn và quạt theo yêu cầu. Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng đo lường nhiệt độ thời gian thực và hiển thị thông tin trên LCD. Đồ án này mở ra những khả năng ứng dụng rộng lớn trong lĩnh vực smart home, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và tiết kiệm năng lượng. Các hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm tích hợp kết nối Internet, hỗ trợ nhiều ngôn ngữ khác, và mở rộng khả năng điều khiển thêm nhiều thiết bị khác.

4.1. Kết Quả Đạt Được và Hiệu Năng Hệ Thống

Hệ thống đã đạt được các mục tiêu chính đề ra, bao gồm nhận diện giọng nói chính xác trên 95%, phản ứng nhanh chóng với thời gian trễ dưới 2 giây, và điều khiển các thiết bị một cách an toàn và đáng tin cậy. Kết quả thực hiện cho thấy mô hình hoạt động ổn định trong các điều kiện thử nghiệm khác nhau. Hệ thống tiêu thụ năng lượng thấp nhờ sử dụng Raspberry Pi Zero W, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng thực tế. Các thử nghiệm cho thấy hiệu năng cao của hệ thống trong việc xử lý lệnh giọng nói phức tạp.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn và Hướng Phát Triển Tương Lai

Công nghệ điều khiển thiết bị bằng giọng nói có thể được áp dụng rộng rãi trong smart home, văn phòng thông minh, và các cơ sở chăm sóc sức khỏe. Hướng phát triển đề tài bao gồm tích hợp kết nối mạng để điều khiển từ xa, hỗ trợ các ngôn ngữ khác nhau, cải thiện độ chính xác nhận diện, và mở rộng danh sách thiết bị điều khiển. Tương lai, hệ thống có thể học hỏi từ hành vi người dùng để tối ưu hóa tự động các thiết bị dựa trên thói quen và nhu cầu cá nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan: Ở chương này, nhóm sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu nhận diện giọng nói trên thế giới và nước ta từ đó đưa ra lý do chọn đề tài, các mục tiêu khi nghiên cứu và giới hạn đề tài. Cuối cùng nhóm thực hiện sẽ trình bày sơ lược về bố cục đề tài. Chương 2: Cơ sơ lý thuyết: Chương này trình bày tất cả các lý thuyết và thông số kỹ thuật của các thiết bị, linh kiện được sử dụng trong đồ án tốt nghiệp. Chương 3: Hệ thống điều khiển thiết bị thông minh: Chương này trình bày về sơ đồ khối của hệ thống, sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống, sơ đồ mạch nguyên lý của từng thiết bị.

Bên cạnh đó là lưu đồ giải thuật từng khối của hệ thống. 2 Chương 4: Kết quả: Chương này trình bày về mô hình hệ thống điều khiển thiết bị thông minh và hướng dẫn sử dụng hệ thống. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: Trong chương này nhóm sẽ đưa ra kết luận về đề tài dựa trên mục tiêu ban đầu đặt ra và kết quả thực tế. Bên cạnh đó là đưa ra hướng phát triển của đề tài.

3 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Raspberry Pi Là thuật ngữ để chỉ các máy tính chỉ có một board mạch (hay còn gọi là máy tính nhúng) có kích thước nhỏ gọn, được phát triển tại Anh bởi Raspberry Pi Foundation với hướng đối tượng ban đầu là sinh viên, học sinh nhưng sau khi phát hành lại được đông đảo đối tượng đồng lĩnh vực hưởng ứng tích cực. Nhóm chọn phiên bản Raspberry Pi Zero W được phát triển từ bản Zero gần nhất. Mục đích chế tạo ra bản Pi Zero W nhắm đến chi phí thấp cho tất cả mọi người, đồng thời tạo ra một thiết bị thật nhỏ gọn nhưng đầy đủ tính năng.

Bản Zero W vẫn hoạt động trên Linux hỗ trợ 1080p, nhưng lại rất nhỏ so với các bản khác, giúp người sử dụng dễ dàng mang đi, sử dụng đưa người dùng đến sát với thế giới mạng lưới mọi vật kết nối internet (Internet of Things). Giờ đây bản Zero W còn được tích hợp thêm 2 điểm đặc biệt là Wifi và Bluetooth. Mạch Wifi và Bluetooth được sử dụng giống hệt trong phiên bản Raspberry Pi 3, chỉ khác ở phần ăng-ten. Ăng-ten trên Pi 3 là chip SMD còn Ăng- ten trên Zero W là loại rời được hàn trên board.

Rapsberry Pi Zero W có kích thước 65 mm x 30 mm x 5 mm với 40 chân GPIO, có chuẩn đầu ra là Micro USB, sử dụng chip Broadcom BCM 2835 (giống Bản Pi 1) nhưng nâng cấp lên 1GHz, nhanh hơn 40%, với ARM11, CPU lõi đơn, dung lượng RAM là 512MB, với khả năng lữu trữ bằng thẻ MicroSD, xuất video dưới dạng 1080P HD và âm thanh kết nổi qua đầu mini HDMI. Raspberry Pi Zero W sử dụng nguồn 5V, được cung cấp qua đầu MicroUSB, có mạng LAN không dây 2.1: Kích thước và sơ đồ chân GPIO của Raspberry Pi Zero W Hơn nữa, Rapsberry Pi Zero W còn có rất nhiều các chuẩn giao tiếp sau: Bảng 2.1 Các giao tiếp của mô-đun Raspberry Pi Zero W Cổng nguồn Micro USB (chỉ cấp nguồn 5V, dòng tối thiểu là 700 mA) Cổng dữ liệu Micro USB hỗ trợ OTG (Hỗ trợ cổng USB để kết nối các ngoại vi như chuột, bàn phím) Cổng mini-HDMI Kết nối cổng HDMI với hỗ trợ full HD 1080p30, 1080P 250MHz) Khe cắm thể nhớ Micro SD 2. Cảm biến âm thanh tích hợp AGC MAX9814 Thiết bị thu tín hiệu âm thanh ở đây là dùng cảm biến âm thanh MAX9814 (Microphone Amplifier Module) tích hợp bộ tự động điều chỉnh độ khuếch đại AGC với khả năng tự động điều chỉnh độ khuếch đại. Nhờ công nghệ mới này các âm thanh lớn khi đi qua mạch sẽ tự động giảm tới mức được cài đặt mặc định, tương tự các âm thanh nhỏ sẽ tự động tăng tới mức ấn định mà không cần điều chỉnh thủ công nào.2: Cảm biến âm thanh tích hợp AGC MAX9814 Phần trên của bo mạch có hàn 1 micro điện tử 20-20kHz giúp người dùng dễ dàng thu tín hiệu âm thanh.

Ta cũng có thể thấy mô-đun có 5 ngõ ra bao gồm: Chân AR không được dùng tới , GND là chân nối đất, Vdd là chân nối nguồn, Gain là lựa chọn mức âm thanh xác lập cho bộ tự động điều chỉnh độ khuếch đại và chân Out là ngõ tín hiệu đầu ra. Theo trên thông số ghi trên mô-đun ta có 3 trạng thái khi không cấp điện thì mặc định mức xác lập là 60dB, khi cấp vào là đất (GND) thì mức xác lập là 50dB và nếu cấp vào là nguồn (Vdd) thì mức xác lập sẽ rơi vào 40dB. LCD Thiết bị hiển thị LCD 16x2 (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của vi điều khiển. LCD 16x2 có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng (chữ, số, kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn rất ít tài nguyên hệ thống mà giá thành lại phải chăng.3: Hình ảnh mô phỏng của LCD 16x2 Bảng 2.2 Chức năng chân của LCD 16x2 Mô tả Chân Ký hiệu Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với 1 Vss GND của mạch điều khiển Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này 2 VDD với VCC=5V của mạch điều khiển 3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD.

Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi. + Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của 4 RS LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read) + Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD. Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write).

Nối chân R/W với 5 R/W logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc. 7 Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E. + Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển 6 E vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E.

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp. Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này : 7- DB0 - + Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit 14 DB7 MSB là bit DB7. + Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7 Nguồn dương cho đèn nền 15 - 16 - GND cho đèn nền Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của LCD 16x2 Điện áp hoạt động 2.5V – 6V DC Hồ trợ màn hình LCD16x2, 16x6, 20x4 (driver HD44780) Giao tiếp I2C Địa chỉ mặc định 0x27 (có thể điều chỉnh ngắn mạch chân A0/A1/A2 Kích thước 41.3(H) Trọng lượng 5 Gram 8 Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD 2.

Bộ chuyển đổi âm thanh sang USB (USB Sound Card) Cáp USB Sound Adapter 7.1 Chanel (có thể làm việc với Raspberry Pi) có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng kết nối và sử dụng giúp máy tính có thêm cổng tai nghe (Headphone) và cổng vi âm (Microphone) đặc biệt là các loại máy tính nhúng nhỏ thường bị thiếu hai cổng này: Raspberry Pi, Beaglebone,.4: Bộ chuyển đổi âm thanh sang USB (USB Sound Card) Một số thông số kỹ thuật của USB Sound Card: Tốc độ tối đa 12Mbps, tích hợp USB Audio Device Class Specifiaction 1.0, có lớp USB HID 1.1, có chế độ chạy bằng bus USB không cần nguồn ngoài, có đèn LED báo hiệu. Ngoài ra có hiệu ứng âm thành ảo 7.1, Xear 3D, không có trình điều khiển và không cần trình điều khiển cho Windows. Linux, Macos,… Bộ chuyển đổi âm thanh sang USB bao gồm đầu ra 3.5mm, jack cắm đầu vào 3.5mm, cổng S / PDIF đồng trục, đầu cắm quang S / PDIF. Máy tính sử dụng các bit để giao tiếp.

Các bit này khi kết hợp lại với nhau có thể mang số lượng thông tin khổng lồ. Nhưng các bit này cần một đường dẫn để 9 chúng có thể truyền đến các bộ phận khác nhau bên trong máy tính. Và bộ chuyển đổi âm thanh sang USB giúp dẫn truyền các bit âm thanh từ máy tính đến các thiết bị phát nhạc bên ngoài. Chẳng hạn như dàn loa ngoài và âm ly sẽ cần bộ chuyển đổi âm thanh sang USB để có thể đọc được tín hiệu từ máy tính truyền sang.

Máy tính không tương thích với những thiết bị loại này, chính vì vậy chúng ta cần bộ chuyển đổi âm thanh sang USB để làm trung gian kết nối. Bộ chuyển đổi âm thanh sang USB sẽ biến đổi các bit máy tính thành dạng sóng âm thanh truyền dẫn, sau đó được đầu thu của loa ngoài hoặc amply tiếp nhận thông qua các jack cắm. Từ đó, các vi mạch bên trong bộ âm ly sẽ giải mã các bit này và biến chúng thành các tín hiệu âm thanh tương thích. Từ đó, loa ngoài sẽ có thể phát nhạc đồng bộ với bài hát đang được mở trên laptop hoặc máy tính.

Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403 Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403 6W Hifi 2.0 Class D (không volume) với tổng công suất 6W, được thiết kế nhỏ gọn phù hợp với các mô hình âm thanh quy mô nhỏ. Điện thế hoạt động từ 2.5 đến 5VDC, mạch vô cùng dễ hỏng khi điện thế vượt quá 5.5V hoặc đấu ngược. Tuy nhỏ gọn nhưng hiệu suất của mạch lên đến 90%, chuẩn khuếch đại Class D mang lại âm thanh chất lượng cao và hiệu suất vượt trội.5: Mạch khuếch đại âm thanh PAM8403 10 Phía dưới mạch có 2 ngõ ra với 2 cặp nguồn, đất kết nối với loa được sử dụng từ nguồn 5VDC cấp từ phía trên của mạch. Tín hiệu vào được kết nối vào 2 chân L và Đất (┴).

Mô-đun cảm biến nhiệt độ DS18B20 Mô-đun cảm biến nhiệt độ DS18B20 là loại cảm biến số với độ phân giải cao 12 bit, cảm biến nhiệt độ DS18B20 có thể đo nhiệt độ chính xác với sai số rất nhỏ và sử dụng được ở nhiều môi trường.