Đồ án giám sát và điều khiển mô hình nhà thông minh tại HCMUTE

Đồ án nghiên cứu hcmute giám sát và điều khiển mô hình nhà thông minh, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Huỳnh Thanh Hiển
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính
• Đề tài: Giám sát và điều khiển mô hình nhà thông minh
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay
• 1.2. Tính cấp thiết đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Bố cục đồ án
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu về Board Arduino UNO
• 2.2. Giới thiệu về webcam Hyundai
• 2.3. Cảm biến gas
• 2.4. Thiết bị công suất
• 2.5. Phương pháp nhận diện mặt người
• 2.6. Thư viện EmguCV
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
• 3.1. Sơ đồ khối hệ thống
• 3.2. Yêu cầu của hệ thống
• 3.3. Hoạt động của hệ thống
• 3.4. Thiết kế tính toán hệ thống
• 3.5. Khối cảm biến
• 3.6. Khối xử lý trung tâm
• 3.7. Công cụ phần mềm
• 3.8. Ứng dụng phân tích giọng nói
• 3.9. MIT App Inventor
• 3.10. Giao diện của MIT App Inventor
• 3.11. Chương trình phân tích giọng nói trên Điện thoại
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• 4.1. Kết quả phần cứng
• 4.2. Kết quả phần mềm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhà thông minh

Nhà thông minh, hay còn gọi là nhà thông minh, là một khái niệm đang ngày càng trở nên phổ biến trong xã hội hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là Internet of Things (IoT), các thiết bị trong nhà có thể kết nối và tương tác với nhau, tạo ra một môi trường sống tiện nghi và an toàn. Giám sát nhà thông minh không chỉ giúp người dùng quản lý các thiết bị điện tử mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống. Theo nghiên cứu, công nghệ nhà thông minh có thể tiết kiệm năng lượng và tăng cường an ninh cho ngôi nhà. Việc áp dụng các giải pháp như cảm biến chuyển động, camera an ninh và hệ thống khóa thông minh đã trở thành xu hướng tất yếu trong thiết kế nhà ở hiện đại.

1.1. Khái niệm và lợi ích của nhà thông minh

Nhà thông minh là một hệ thống tự động hóa, cho phép người dùng điều khiển các thiết bị điện tử trong nhà thông qua smartphone hoặc máy tính. Điều khiển nhà thông minh mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, tăng cường an ninh và cải thiện sự tiện nghi. Các thiết bị như đèn thông minh, điều hòa không khí và hệ thống an ninh có thể được điều khiển từ xa, giúp người dùng dễ dàng quản lý và theo dõi tình trạng của ngôi nhà. Hơn nữa, việc sử dụng cảm biến thông minh giúp phát hiện các sự cố như rò rỉ khí gas, từ đó bảo vệ an toàn cho người sử dụng.

II. Hệ thống giám sát và điều khiển

Hệ thống giám sát nhà thông minh tại HCMUTE được xây dựng dựa trên nền tảng Arduino và các cảm biến hiện đại. Hệ thống này cho phép người dùng theo dõi và điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua một giao diện thân thiện. Việc sử dụng cảm biến thông minh như cảm biến gas, cảm biến mưa và camera giúp người dùng có thể giám sát tình trạng của ngôi nhà một cách hiệu quả. Hệ thống cũng hỗ trợ điều khiển từ xa, cho phép người dùng thực hiện các thao tác như mở cửa, bật đèn hay điều chỉnh nhiệt độ mà không cần phải có mặt tại chỗ.

2.1. Các thành phần của hệ thống

Hệ thống bao gồm nhiều thành phần quan trọng như board Arduino, cảm biến gas, cảm biến mưa và các thiết bị điện tử khác. Thiết bị thông minh được kết nối với nhau thông qua mạng LAN, cho phép người dùng dễ dàng quản lý và điều khiển. Việc sử dụng công nghệ IoT trong hệ thống giúp tối ưu hóa khả năng giám sát và điều khiển, đồng thời nâng cao tính an toàn cho ngôi nhà. Các thiết bị như khóa cửa tự động và camera an ninh cũng được tích hợp để đảm bảo an ninh cho ngôi nhà.

III. Ứng dụng thực tiễn của nhà thông minh

Ứng dụng của nhà thông minh không chỉ dừng lại ở việc điều khiển các thiết bị điện tử mà còn mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác nhau. Hệ thống có thể được sử dụng để giám sát an ninh, tiết kiệm năng lượng và cải thiện chất lượng cuộc sống. Việc áp dụng giải pháp nhà thông minh trong các khu đô thị lớn tại Việt Nam đã cho thấy tiềm năng phát triển mạnh mẽ của công nghệ này. Các dự án như Phú Mỹ Hưng và Vinhomes Central Park đã tích hợp công nghệ IoT vào thiết kế nhà ở, mang lại sự tiện nghi và an toàn cho cư dân.

3.1. Tương lai của nhà thông minh

Tương lai của nhà thông minh hứa hẹn sẽ còn phát triển mạnh mẽ hơn nữa với sự gia tăng của các công nghệ mới. Các thiết bị sẽ ngày càng thông minh hơn, có khả năng tự học và tự điều chỉnh theo thói quen của người dùng. Hệ thống an ninh cũng sẽ được cải thiện với các công nghệ nhận diện khuôn mặt và phân tích hành vi. Điều này không chỉ giúp nâng cao an ninh mà còn tạo ra một môi trường sống tiện nghi và an toàn hơn cho người dân.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Giám sát và điều khiển mô hình nhà thông minh" được thực hiện bởi sinh viên Huỳnh Thanh Hiển và Cao Hoàng Khang, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Ngô Lâm tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa học 2012–2016, bảo vệ tháng 02/2017).

Bối cảnh thực tiễn của đề tài gắn liền với xu hướng phát triển của kỷ nguyên Internet of Things (IoT) và nhu cầu tự động hóa trong quản lý nhà ở dân dụng. Tại triển lãm điện tử tiêu dùng quốc tế đầu năm 2015 ở Las Vegas, nhà thông minh đã trở thành một chủ đề trọng điểm; cùng thời điểm, tổ chức tư vấn Gartner dự báo công nghệ IoT sẽ bước vào giai đoạn tăng trưởng mạnh mẽ. Tại Việt Nam, từ năm 2014, các tổ hợp đô thị hiện đại như Phú Mỹ Hưng, Royal City, Times City, Ecopark và Vinhomes Central Park đã bắt đầu đưa tiện ích thông minh vào căn hộ. Đồng thời, chủ đề năm học 2016 của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM là "ứng dụng CNTT và công nghệ cao trong kỷ nguyên IoT để xây dựng trường thành Đại học thông minh", tạo nền tảng định hướng cho nghiên cứu này.

Mục tiêu nghiên cứu là tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử, từ đó thiết kế và chế tạo một mô hình hệ thống quản lý, giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà thông qua mạng máy tính với giao diện phần mềm trên máy tính hoặc điện thoại thông minh; cho phép kích hoạt thiết bị, tiếp nhận dữ liệu cảm biến, mở khóa cửa bằng nhận diện khuôn mặt hoặc thẻ RFID, và điều khiển từ xa qua kết nối không dây.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể qua các nội dung sau:

1. Tìm hiểu các công nghệ đang được sử dụng trong lĩnh vực nhà thông minh hiện nay.
2. Khảo sát nguyên lý và thông số kỹ thuật của các linh kiện điện, điện tử và cơ khí phục vụ hệ thống.
3. Xây dựng hệ thống phơi đồ thông minh sử dụng cảm biến mưa.
4. Xây dựng hệ thống mở cửa tự động bằng nhận diện khuôn mặt kết hợp khóa điện từ Solenoid Lock.
5. Xây dựng hệ thống mở cửa bằng thẻ từ RFID.
6. Thiết lập khả năng điều khiển thiết bị điện qua mạng kết hợp theo dõi, kiểm soát trạng thái ngôi nhà trên giao diện phần mềm viết bằng C#.
7. Xây dựng giải pháp điều khiển thiết bị bằng giọng nói thông qua điện thoại thông minh kết nối Bluetooth.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là các thiết bị điện - điện tử gia dụng (hệ thống chiếu sáng, quạt làm mát, khóa chốt), vi điều khiển, module cảm biến môi trường và công nghệ nhận diện hình ảnh/âm thanh. Phạm vi nghiên cứu dừng lại ở việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm trên một mô hình thu nhỏ thực tế làm từ vật liệu gỗ và mica (alu), vận hành trong không gian phòng thí nghiệm với thời gian thực hiện từ ngày 12/09/2016 đến ngày 13/02/2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý luận và công nghệ, đồ án tiếp cận các khái niệm nền tảng của Internet of Things (IoT) và mô hình nhà thông minh (Smart Home) – nơi các vật dụng được gắn bộ điều khiển điện tử tích hợp cảm biến để tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động.

Các khung lý thuyết và công nghệ chính được tác giả sử dụng gồm:

• Phương pháp nhận diện khuôn mặt Haar-like: Sử dụng các đặc trưng hình chữ nhật Haar-like (Haar-like features) chạy trên ảnh đã xám hóa để trích xuất các điểm khác biệt trên khuôn mặt (như vùng mắt, sống mũi), kết hợp với bộ phân lớp cascade classifier đã qua huấn luyện nhằm xác định vùng chứa mặt người với tỷ lệ phát hiện lý thuyết đạt trên 98%.
• Thư viện EmguCV và OpenCV: EmguCV là thư viện bao bọc (wrapper) cross-platform cho nền tảng .NET, cho phép ngôn ngữ C# gọi trực tiếp các thuật toán thị giác máy tính từ thư viện mã nguồn mở OpenCV (Intel) chạy tối ưu hóa trên kiến trúc đa lõi.
• Nền tảng phát triển ứng dụng di động MIT App Inventor 2: Môi trường lập trình trực quan theo dạng khối (blocks) được phát triển bởi Google và Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), sử dụng API nhận dạng giọng nói từ máy chủ Google để chuyển đổi âm thanh sang văn bản.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai là phương pháp thiết kế kỹ thuật thực nghiệm:

• Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật, thông số linh kiện bán dẫn và chuẩn giao tiếp ngoại vi (UART, SPI, ADC, GPIO, PWM).
• Thiết kế mạch điện tử, tính toán thông số nguồn ổn áp tuyến tính.
• Lập trình nhúng điều khiển ngoại vi trên vi điều khiển Atmega328 và lập trình ứng dụng điều khiển, giám sát trên máy tính (C#) và điện thoại (Android).
• Chế tạo mô hình vật lý và kiểm thử chức năng vận hành trực tiếp của từng khối chấp hành theo các kịch bản thực tế.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm bao gồm tín hiệu analog từ cảm biến khí gas, tín hiệu số logic TTL từ cảm biến mưa, chuỗi định danh UID từ thẻ từ RFID 13.56 MHz, luồng khung hình từ webcam độ phân giải 960x720 và chuỗi ký tự văn bản nhận diện giọng nói từ Google Speech API truyền qua Bluetooth.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân khối chức năng liên kết chặt chẽ giữa phần cứng nhúng và phần mềm điều khiển.

[Khối thu thập hình ảnh: Webcam Hyundai D2] ---> [Khối hiển thị & Nhận diện: C# / EmguCV]
                                                              | (USB-Serial)
[Khối cảm biến: MQ-2, Cảm biến mưa] ----------> [Khối xử lý trung tâm: Arduino UNO R3]
[Khối nhận diện thẻ: RFID RC522] ------------>               |
[Khối giọng nói: Android App] -> [Bluetooth HC-05] ---------> |
                                                              v
[Khối nguồn: 220VAC -> 5V, 12V, 24VDC] ---------> [Khối điều khiển: Relay 2 kênh]
                                                              |
                                                              v
                                             [Khối tải: Đèn 220V, Quạt 12V, Khóa 24V]

Cấu tạo và thông số kỹ thuật của các khối chức năng được xác định như sau:

STT	Thiết bị / Module	Thông số kỹ thuật chính ghi nhận trong văn bản	Chức năng trong hệ thống
1	Board Arduino UNO R3	Vi điều khiển Atmega328 8-bit, 16 MHz, 14 chân digital (6 PWM), 6 chân analog 10-bit, Flash 32KB, SRAM 2KB, EEPROM 1KB, tích hợp Atmega16U2 nạp USB-Serial.	Trung tâm tiếp nhận dữ liệu cảm biến, nhận lệnh từ PC/Bluetooth và phát tín hiệu kích relay.
2	Cảm biến Gas MQ-2	Chất bán dẫn SnO2, điện áp 5VDC, công suất tiêu thụ ~350mW, nhiệt độ hoạt động -10°C đến 50°C, ngõ ra analog (0–5V) và digital.	Phát hiện nồng độ khí hóa lỏng LPG, H2 và khí dễ cháy trong nhà để phát tín hiệu cảnh báo.
3	Cảm biến mưa	Tấm cảm biến 54x40mm, mạch so sánh LM393 kích thước 30x16mm, điện áp 5V, ngõ ra số TTL (D0) và ngõ ra tương tự (A0), có chiết áp chỉnh độ nhạy.	Phát hiện nước mưa để truyền tín hiệu tự động phục vụ hệ thống phơi đồ thông minh.
4	Khóa Solenoid Lock	Điện áp 12–24VDC, dòng tiêu thụ 0.35A - 0.6A, kích thước 53x26x23mm, chốt dài 14mm, thời gian mở 1s, vật liệu thép, nguyên lý nam châm điện từ.	Chốt khóa cửa tự động khi nhận lệnh mở từ nhận diện khuôn mặt hoặc quẹt thẻ từ.
5	Module RFID RC522	IC Philips MFRC522, tần số 13.56MHz, nguồn 3.3VDC, giao tiếp SPI (tốc độ tối đa 10Mbit/s), cự ly đọc 0–60mm, hỗ trợ Mifare1 S50, S70.	Đọc mã thẻ từ của người dùng để cấp quyền mở cửa.
6	Module Bluetooth HC-05	Điện thế UART 3.3V, dòng pairing 30mA, dòng truyền nhận 8mA, dải tần 2.4GHz, chuẩn Bluetooth v2.0+EDR, baudrate mặc định 9600, PIN: 1234.	Cầu nối không dây truyền dữ liệu chuỗi ký tự điều khiển từ điện thoại Android sang Arduino.
7	Webcam Hyundai D2	Độ phân giải 960x720, cảm biến 3 Megapixel, tốc độ quét 25fps, kết nối USB 2.0, zoom số 2X, tích hợp microphone.	Thu nhận khung hình phục vụ thuật toán nhận diện mặt người và thu âm giọng nói.
8	Module Relay 2 kênh	Nguồn cấp 5VDC, hỗ trợ kích mức cao/mức thấp, tiếp điểm chịu tải tối đa 10A-250VAC (2500W), 10A-125VAC, 10A-30VDC, 10A-28VDC.	Đóng cắt gián tiếp các thiết bị công suất nhằm bảo vệ board vi điều khiển.

Trong thiết kế khối nguồn, để đáp ứng các mức điện áp khác nhau của các thiết bị (Arduino 5V/30mA, Động cơ bước 12V/0.2A, Quạt 12V/0.8A, Khóa Solenoid 24V/0.35A, Đèn 220V/152mA), tác giả thiết kế mạch biến đổi nguồn hạ áp sử dụng biến áp 220V/24V 1A kết hợp cầu diode. Độ gợn sóng được tính toán theo công thức:

$$r% = \frac{1}{4\sqrt{3} f R_L C}$$

Với tần số $f$ và trở tải $R_L$ cố định, tụ lọc được lựa chọn là loại $2200\mu F / 50V$ nhằm tối ưu hóa độ phẳng điện áp. Mạch tích hợp IC ổn áp LM7805 tạo nguồn 5VDC, LM7812 tạo nguồn 12VDC, và IC LM317 tạo nguồn điều chỉnh linh hoạt từ 1.25V đến 37V theo công thức:

$$V_0 = 1.25 \left(1 + \frac{V_R}{R}\right)$$

Với điện trở cố định $R = 270,\Omega$, khi điện áp ra cực đại $V_{0\max} = 37\text{V}$, giá trị biến trở tương ứng là $V_R \approx 7722,\Omega$. Do đó, biến trở $10\text{k}\Omega$ được chọn để kiểm soát đầu ra.

Về phần mềm, chương trình nhúng trên vi điều khiển Arduino UNO được lập trình bằng C/C++ trên Arduino IDE 1.0; giao diện máy tính xây dựng trên Visual Studio C# tích hợp thư viện EmguCV thực hiện chức năng xám hóa ảnh, áp ma trận Haar-like và so khớp cơ sở dữ liệu khuôn mặt; ứng dụng Android tạo lập trên nền web MIT App Inventor 2 xử lý các khối lệnh kết nối Bluetooth (Connect, AddressesAndNames, SendText), ghi nhận giọng nói và gọi Google Speech (GetText, AfterGettingText), kết hợp chức năng dịch tự động YandexTranslate.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu khái quát về làn sóng công nghệ Internet of Things và định nghĩa nhà thông minh dưới dạng một mô hình thu nhỏ của IoT, nơi các thiết bị gia dụng được kết nối qua mạng duy nhất thông qua các bộ điều khiển điện tử và cảm biến. Tác giả phân tích tính cấp thiết của đề tài dựa trên xu thế phát triển quốc tế (triển lãm CES 2015, báo cáo Gartner) và bối cảnh ứng dụng thực tế tại Việt Nam (các khu đô thị cao cấp từ năm 2014, định hướng Đại học thông minh của Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM năm 2016). Chương này xác lập hệ thống mục tiêu, 7 nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể, xác định đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp triển khai toàn bộ đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết cấu tạo phần cứng và cơ sở giải thuật xử lý ảnh. Nội dung phân tích sâu thông số kỹ thuật của board Arduino UNO R3 (vi điều khiển Atmega328, chip nạp Atmega16U2, cấu trúc chân vào/ra), webcam Hyundai D2, module cảm biến mưa (cơ chế so sánh điện áp bằng IC LM393), module cảm biến khí gas MQ-2 (cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 và sự thay đổi độ dẫn điện khi tiếp xúc khí cháy). Tác giả làm rõ thông số của khóa điện từ Solenoid Lock, module đọc thẻ RFID RC522 (tần số 13.56 MHz, giao tiếp SPI), quạt làm mát 12V, module Relay 2 kênh cách ly và module Bluetooth HC-05 (chế độ Master/Slave). Phần lý thuyết xử lý ảnh đi sâu vào thuật toán nhận dạng khuôn mặt bằng các đặc trưng hình chữ nhật Haar-Like kết hợp tập dữ liệu huấn luyện, phân tích kiến trúc thư viện mã nguồn mở OpenCV và thư viện bao bọc EmguCV viết trên C#.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối hệ thống gồm 8 phân khối chức năng. Tác giả tính toán chi tiết thiết kế khối nguồn ổn áp đa mức điện áp (5V, 12V, 24V) sử dụng biến áp 220V/24V, tụ lọc $2200\mu F$ và các IC ổn áp LM7805, LM7812, LM317 kết hợp biến trở $10\text{k}\Omega$. Chương này trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý kết nối các cảm biến mưa, gas vào vi điều khiển, lưu đồ giải thuật vận hành trên vi điều khiển Arduino và lưu đồ chương trình điều khiển trung tâm trên C#. Phần cuối của chương hướng dẫn cấu trúc dự án phần mềm trên Arduino IDE, giao diện điều khiển viết bằng C#, cùng quy trình thiết kế giao diện và kéo - thả các khối chức năng (Blocks) của ứng dụng nhận dạng giọng nói trên môi trường web MIT App Inventor 2.

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương 4 ghi nhận các sản phẩm thực tế đã hoàn thành sau quá trình gia công và lập trình. Tác giả minh chứng kết quả phần cứng thông qua mô hình căn nhà thông minh thu nhỏ được chế tạo từ vật liệu gỗ và mica (alu). Kết quả phần mềm được minh họa qua các giao diện thực thi: giao diện điều khiển và giám sát trên máy tính viết bằng C#, hình ảnh nhận diện khuôn mặt người dùng, ứng dụng nhận dạng giọng nói tiếng Việt trên nền tảng Android. Các kịch bản thử nghiệm tương tác được ghi nhận gồm điều khiển đóng cắt tải công suất (bật/tắt đèn, bật quạt làm mát) thông qua các khẩu lệnh thoại phát qua kết nối không dây Bluetooth.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu đề ra ban đầu của đồ án tốt nghiệp, khẳng định hệ thống đã đáp ứng được việc phối hợp giữa phần cứng nhúng và phần mềm điều khiển. Tác giả chỉ ra các mặt hạn chế còn tồn đọng trong quá trình thử nghiệm mô hình và phác thảo các hướng nghiên cứu nâng cấp nhằm hoàn thiện sản phẩm theo hướng ứng dụng thực tế.

Kết quả và đóng góp

Văn bản đồ án ghi nhận các kết quả thực nghiệm cụ thể:

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình nhà thông minh vật lý thu nhỏ sử dụng vật liệu gỗ và mica (alu), tích hợp đầy đủ hệ thống dây dẫn, khối nguồn hạ áp và các linh kiện chấp hành.
• Xây dựng thành công giao diện C# trên máy tính cá nhân kết nối với Arduino qua cổng COM, hiển thị trực quan trạng thái môi trường và cho phép kích hoạt các thiết bị điện trong nhà.
• Ứng dụng thành công thư viện EmguCV trên C# để nhận dạng khuôn mặt người dùng thu nhận từ webcam Hyundai D2, đưa ra lệnh điều khiển mở chốt khóa Solenoid Lock khi khuôn mặt khớp với dữ liệu đã được lưu trữ.
• Tích hợp module RFID RC522 giao tiếp chuẩn SPI với Arduino, cho phép quét và nhận dạng thẻ từ tần số 13.56 MHz để kích hoạt đóng/mở cửa.
• Thu nhận và xử lý tín hiệu cảnh báo rò rỉ khí gas từ cảm biến MQ-2 và phát hiện nước mưa từ cảm biến LM393 để giám sát nguy cơ cháy nổ và hỗ trợ phơi đồ tự động.
• Xây dựng ứng dụng di động trên nền tảng Android bằng công cụ MIT App Inventor 2, bắt cặp thành công với module Bluetooth HC-05 (chuẩn UART, baudrate 9600, mã PIN 1234) và nhận diện chính xác các khẩu lệnh tiếng Việt:
  • Khi nói "Mở hệ thống": Ứng dụng xử lý chuỗi ký tự, truyền lệnh qua Bluetooth khiến Arduino kích hoạt bật cả 2 đèn chiếu sáng và bật quạt làm mát.
  • Khi nói "Tắt hệ thống": Hệ thống tự động ngắt relay, tắt toàn bộ đèn và quạt.
  • Khi nói "Bật đèn": Hệ thống chỉ kích hoạt sáng đèn.
  • Khi nói "Bật quạt": Hệ thống chỉ kích hoạt mở quạt.

Về mặt đóng góp, đề tài đã hiện thực hóa việc kết hợp đa phương thức điều khiển (nhận diện khuôn mặt qua xử lý ảnh, quét thẻ từ RFID, điều khiển giọng nói qua smartphone và giám sát qua giao diện máy tính) trên nền tảng vi điều khiển giá thành thấp Arduino UNO R3, chứng minh tính khả thi của mô hình tự động hóa nhà ở trong khuôn khổ nghiên cứu cấp độ sinh viên kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được ghi nhận từ nội dung đồ án bao gồm:

• Toàn bộ kết cấu mới dừng lại ở mức độ mô hình thử nghiệm thu nhỏ bằng vật liệu gỗ và mica (alu), chưa được thử nghiệm trong điều kiện môi trường công trình thực tế có tải điện dân dụng lớn và môi trường nhiễu cao.
• Kết nối giọng nói dựa trên chuẩn Bluetooth của module HC-05 nên bị giới hạn nghiêm ngặt về cự ly kết nối (trong phạm vi ngắn), đồng thời ứng dụng trên điện thoại phải phụ thuộc vào đường truyền Internet để gửi dữ liệu âm thanh về máy chủ Google xử lý nhận dạng văn bản.
• Giao diện giám sát phần lớn phụ thuộc vào máy tính kết nối trực tiếp qua cổng COM/LAN cục bộ, chưa phát triển thành hệ thống phân tán qua nền tảng máy chủ web (Web Server) độc lập trên môi trường Internet công cộng.

Các hướng mở rộng và phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Nâng cấp hệ thống Web Server hoàn chỉnh để giám sát và điều khiển các thiết bị nhà ở từ xa qua mạng Internet trên bất kỳ trình duyệt nào.
• Ứng dụng các chuẩn truyền thông không dây tầm xa và ổn định hơn nhằm mở rộng không gian điều khiển mà không bị giới hạn cự ly như kết nối Bluetooth.
• Tối ưu hóa thuật toán nhận diện khuôn mặt để tăng độ chính xác trong các điều kiện môi trường ánh sáng phức tạp hoặc góc nhìn thay đổi.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên thuộc các ngành:

• Công nghệ Kỹ thuật Máy tính và Điện - Điện tử: Tham khảo phương pháp tính toán thiết kế khối nguồn hạ áp đa ngõ ra tuyến tính (LM7805, LM7812, LM317), sơ đồ ghép nối ngoại vi giữa vi điều khiển Atmega328 với các cảm biến (MQ-2, cảm biến mưa), khóa điện từ Solenoid và module relay cách ly.
• Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa và Công nghệ Thông tin: Tham khảo cách thức xây dựng ứng dụng giao tiếp máy tính bằng ngôn ngữ C# kết nối cổng COM, phương pháp tích hợp thư viện EmguCV để áp dụng thuật toán Haar-like vào bài toán thị giác máy tính nhận dạng mặt người.
• Sinh viên nghiên cứu ứng dụng IoT căn bản: Tham khảo quy trình xây dựng ứng dụng Android điều khiển ngoại vi thông qua Bluetooth bằng công cụ trực quan MIT App Inventor 2 kết hợp dịch vụ nhận dạng tiếng nói của Google.

Phần đáng tham khảo nhất trong văn bản là các bước tính toán thông số điện áp nguồn, lưu đồ giải thuật phối hợp giữa Arduino và C#, cùng hệ thống khối lệnh chi tiết của ứng dụng nhận dạng giọng nói trên MIT App Inventor 2.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa cửa tự động trong mô hình sử dụng linh kiện gì và hoạt động theo nguyên lý nào?
Hệ thống sử dụng khóa điện từ Solenoid Lock bằng thép, kích thước 53x26x23mm, hoạt động ở dải điện áp 12–24VDC (dòng 0.35A - 0.6A). Khóa hoạt động theo nguyên lý nam châm điện: khi được cấp nguồn, lực từ sẽ kéo thụt chốt dài 14mm vào trong vòng 1 giây để mở cửa; khi ngắt điện, chốt trở về trạng thái ban đầu để khóa cửa.

2. Thuật toán và thư viện nào được nhóm tác giả lựa chọn để nhận diện khuôn mặt?
Nhóm tác giả sử dụng thuật toán dựa trên các đặc trưng Haar-Like (chạy các cửa sổ hình chữ nhật trên ảnh xám để tìm điểm khác biệt và đối chiếu với tập dữ liệu phân lớp đã huấn luyện) thông qua thư viện EmguCV – một thư viện bao bọc chạy trên nền tảng .NET/C# gọi các hàm từ thư viện thị giác máy tính OpenCV của Intel.

3. Khối nguồn của hệ thống được tính toán và ổn áp ra các mức điện áp nào?
Khối nguồn chuyển đổi từ điện lưới 220VAC qua biến áp 220V/24V 1A và cầu diode với tụ lọc $2200\mu F / 50V$. Mạch sử dụng các IC LM7805 để ổn áp ra 5VDC, LM7812 ra 12VDC và LM317 kết hợp biến trở $10\text{k}\Omega$ để điều chỉnh điện áp ngõ ra trong dải từ 1.25V đến 37V.

4. Ứng dụng điều khiển bằng giọng nói trên điện thoại được xây dựng bằng công cụ nào và có cơ chế hoạt động ra sao?
Ứng dụng được viết trên môi trường web MIT App Inventor 2 dành cho hệ điều hành Android. Khi người dùng bấm nút nói, điện thoại ghi âm và gửi dữ liệu về máy chủ Google để chuyển thành văn bản, sau đó gửi chuỗi ký tự tương ứng qua module Bluetooth HC-05 (kết nối UART, baudrate 9600) tới Arduino để kích hoạt hoặc ngắt các relay điều khiển đèn và quạt.

5. Module RFID RC522 trong đề tài sử dụng giao tiếp gì với vi điều khiển và hỗ trợ những loại thẻ nào?
Module RFID RC522 sử dụng IC Philips MFRC522, hoạt động ở tần số 13.56 MHz với nguồn 3.3VDC và giao tiếp với board Arduino qua chuẩn nối tiếp ngoại vi SPI (Serial Peripheral Interface). Module hỗ trợ các loại thẻ Mifare: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare UltraLight, mifare Pro và mifare Desfire.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Giám sát và điều khiển mô hình nhà thông minh" của sinh viên Huỳnh Thanh Hiển và Cao Hoàng Khang đã thiết kế và chế tạo thành công một mô hình thực nghiệm thu nhỏ tích hợp các giải pháp điều khiển thiết bị dân dụng cơ bản. Nghiên cứu kết hợp vi điều khiển Arduino UNO R3 với các cảm biến môi trường (mưa, khí gas), cơ chế mở cửa tự động bằng nhận dạng khuôn mặt (EmguCV trên C#) và thẻ từ RFID, cùng khả năng điều khiển thiết bị bằng giọng nói qua module Bluetooth HC-05 trên ứng dụng Android. Dù còn hạn chế về cự ly kết nối không dây và chưa triển khai phân tán hoàn chỉnh trên nền tảng điện toán đám mây, đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực hành rõ ràng cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật máy tính và tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN Giới thiệu sơ lược về tình hình nghiên cứu hiện nay cũng như tính cấp thiết của đề tài. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nêu các lý thuyết cần thiết để sử dụng trong đề tài. Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG Trình bày sơ đồ hệ thống và giải thích hoạt động của hệ thống. Đưa ra các phương pháp lựa chọn phần cứng và xác định lựa chọn phù hợp với yêu cầu của đề tài.

Tính toán đưa ra giải thuật, thuật toán phần mềm. Chương 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ SO SÁNH Trình bày kết quả đã thực hiện về phần cứng và phần mềm, đưa ra nhận xét. Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nêu các ưu điểm và nhược điểm của đề tài, hướng khắc phục và phạm vi sử dụng trong thực tế. 4 do an Đồ Án Tốt Nghiệp Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Giới thiệu về Board Arduino UNO Arduino UNO hiện nay đang được sử dụng rất phổ biến. Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3) đó là Arduino Uno R3. Cáp USB Dây cáp dùng để cắm vào máy tính để nạp chương trình cho bo và dây đồng thời cũng lấy nguồn từ nguồn usb của máy tính để cho bo hoạt động. Ngoài ra cáp USB còn được dùng để truyền dữ liệu từ bo Arduino lên máy tính.

Dây cáp có 2 đầu, đầu 1a được dùng để cắm vào cổng USB trên bo Arduino, đầu 1b dùng để cắm vào cổng USB trên máy tính. IC Atmega 16U2 IC này được lập trình như một bộ chuyển đổi USB –to-Serial dùng để giao tiếp với máy tính thông qua giao thức Serial (dùng cổng COM) 3. Cổng nguồn ngoài Cổng nguồn ngoài nhằm sử dụng nguồn điện bên ngoài như pin, bình acquy hay các adapter cho bo Arduino hoạt động. Nguồn điện cấp vào cổng này là nguồn DC có hiệu điện thế từ 6V đến 20V, tuy nhiên hiệu điện thế tốt nhất mà nhà sản xuất khuyên dùng là từ 7 đến 12V.

Cổng USB Cổng USB trên bo Arduino dùng để kết nối với cáp USB 5. Nút Reset Nút reset được sử dụng để reset lại chương trình đang chạy. 5 do an Đồ Án Tốt Nghiệp 6. ICSP của ATmega 16U2 ICSP (In-Circuit Serial Programming) đây là các chân giao tiếp SPI của chip Atmega 16U2.

Các nhân xuất tín hiệu ngõ ra Có tất cả 14 chân xuất tín hiệu ra trong Arduino Uno, những chân có dấu ~ là những chân có thể điều chế độ rộng xung (PWM) 8. IC Atmega 328 IC Atmega 328 là nhân của bo mạch Arduino Uno, IC này được sử dụng trong việc thu thập dữ liệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu, xuất tín hiệu ra,… 9. Chân ICSP của Atmega 328 Các chân ICSP của Atmega 328 được sử dụng cho các giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface). Chân lấy tín hiệu analog Các chân này lấy tín hiệu Analog (tín hiệu tương tự) từ cảm biến để IC Atmega 328 xử lý.

Có tất cả 6 chân lấy tín hiệu Analog, từ A0 đến A5. Chân cấp nguồn Các chân này dùng để cấp nguồn cho các thiết bị bên ngoài như role, cảm biến, RC servo,…trên khu vực này có sẵn các chân GND (chân nối đất, chân âm), chân 5V, chân 3. 6 do an Đồ Án Tốt Nghiệp Bảng 2.8: Thông số kỹ thuật của board Arduino UNO R3. Đặc tính Giá trị Vi điều khiển Atmega328 (8bit) Điện áp hoạt động 5VDC ( cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16Mhz Dòng tiêu thụ 30Ma Điện áp vào lý tưởng 7-12 VDC Điện áp giới hạn 6-20 VDC Số chân I/O số 14 (6 chân PWM) Số chân I/O tương tự 6 (độ phân giải 10 bit) Dòng tối đa trên mỗi chân 30Ma Dòng ra tối đa (5V) 500Ma Dòng ra tối đa (3V) 50Ma Bộ nhớ flash 32KB với 0.5KB dùng bởi bootloader SRAM 2KB EEPROM 1KB 2.2 Giới thiệu về webcam Hyundai 7 do an Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.0 Webcam D2 là sản phẩm Webcam có thiết kế đẹp và kích thước nhỏ gọn.

Kết nối USB thông dụng phù hợp khi sử dụng cho máy vi tính, laptop,.Đặc biệt có thể thu giọng nói thông qua mic tích hợp trên webcam. Thông số kỹ thuật: Độ phân giải ảnh : 960x720. Số điểm ảnh : 3 triệu. Tốc độ khung: 25fps Kết nối: Usb 2.0, Usb Tính năng: Zoom số 2X.

Cảm biến mưa Chúng ta có thể dễ dàng nhận biết mưa bằng mắt thường hoặc cảm nhận ở da. Và trong mạch điện tử củng vậy, các hệ thống điện tử phát hiện mưa cũng chia ra làm hai loại: thứ nhất là dùng camera để nhận biết và loại thứ hai là dùng cảm biến (tương tự da của con người). Ở đây, nhóm em dung cảm biến mưa như hình 2.: Cảm biến mưa Mạch cảm biến mưa gồm 2 bộ phận: + Bộ phận cảm biến mưa được gắn ngoài trời + Bộ phận điều chỉnh độ nhạy cần được che chắn Mạch cảm biến mưa hoạt động bằng cách so sánh hiệu điện thế của mạch cảm biến nằm ngoài trời với giá trị định trước (giá trị này thay đổi được thông qua 1 biến trở màu xanh) từ đó phát ra tín hiệu đóng / ngắt rơ le qua chân D0. Khi cảm biến khô ráo (trời không mưa), chân D0 của module cảm biến sẽ được giữ ở mức cao (5V-12V).

8 do an Đồ Án Tốt Nghiệp Khi có nước trên bề mặt cảm biến (trời mưa), đèn LED màu đỏ sẽ sáng lên, chân D0 được kéo xuống thấp (0V).: Sơ đồ mạch cảm biến mưa Mô tả: - Raindrops và bộ điều khiển riêng biệt, dễ dàng nối dây. - Tấm cảm biến mưa lớn, thuận lợi để phát hiện mưa. - Board có lỗ định vị dễ dàng lắp đặt - LM393 khoảng so sánh điện áp rộng Thông số kĩ thuật: - Kích thước tấm cảm biến mưa: 54 x 40mm - Kích thước board PCB: 30 x 16mm - Điện áp: 5V - Đầu ra: đầu ra kỹ thuật số (0 và 1) và đầu ra tương tự điện áp A0 ; - Lỗ cố định bu lông dễ dàng để cài đặt - Có đèn báo hiệu nguồn và đầu ra - Đầu ra TTL, tín hiệu đầu ra TTL có giá trị thấp. Có thể điều khiển trực tiếp relay, buzzer, a small fan.

- Độ nhạy có thể được điều chỉnh thông qua chiết áp 9 do an Đồ Án Tốt Nghiệp - LED sáng lên khi không có mưa đầu ra cao, có mưa, đầu ra thấp LED tắt. - Các chân kết nối: Chân Chức năng Vcc Nguồn (5V) GND 0V D0 Đầu ra tín hiệu TTL chuyển đổi A0 Đầu ra tín hiệu Analog 2. Cảm biến Gas MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy. Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2.

Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch. Nhưng khi trong môi trường có chất ngây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay. Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn giản để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp. Module Gas GND Dout VCC Aout 1 2 3 4 Hình ảnh thực tế Sơ đồ chân Hình 2.5: Cảm biến Gas MQ2 Thông số kỹ thuật: - Nguồn cung cấp: 5V DC.

- Hai dạng tín hiệu đầu ra: digital và analog. - Tín hiệu analog từ 0~5V. - Công suất tiêu thụ: khoảng 350mW. - Nhiệt độ hoạt động: -10C đến 50C.

- Kích thước: 33 x 20 x 16mm. Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao. 10 do an Đồ Án Tốt Nghiệp MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp.

Khóa Solenoid Lock Hình 2.6: Khóa Solenoid lock Thông số kỹ thuật: - Hoạt động ở mức điện áp 12-24 VDC, 0.35A - Kích thước: 53 x 26 x 23mm - Dòng điện hoạt động : 0.6A - Nhiệt độ hoạt động ổn định: -50C đến 550C - Chiều dài chốt khóa: 14mm - Thời gian mở khóa: 1s - Vật liệu: thép - Trọng lượng: 142g Nguyên lý hoạt động: Khóa hoạt động dựa theo nguyên lý của nam châm điên từ. Khi có nguồn điện khóa sẻ đóng lại, ngược lại khi không được cấp nguồn khóa sẻ trở về trạng thái ban đầu. 11 do an Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.7: Khóa Solenoid lock 2. Module RFID Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 của Phillip dùng để đọc và ghi dữ liệu cho thẻ NFC tần số 13.56mhz, với mức giá rẻ thiết kế nhỏ gọn, module này là sự lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng về ghi đọc thẻ RFID.

Thông số kỹ thuật:  Nguồn: 3.3VDC, 13 - 26mA  Dòng ở chế độ chờ: 10-13mA  Dòng ở chế độ nghỉ:  Tần số sóng mang: 13.56MHz  Khoảng cách hoạt động: 0～60mm（mifare1 card）  Giao tiếp: SPI  Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s  Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare UltraLight, mifare Pro, mifare Desfire  Kích thước: 40mm×60mm 12 do an Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2. 9: Quạt Điện áp hoạt động: 12V DC Dòng hoạt động:0.8 Khối thiết bị công suất Dòng điện ngõ ra của board rất nhỏ, không thể dùng trực tiếp để điều khiển tải công suất ( bóng đèn, Quạt 12VDC, Khóa 24VDC ) vì thế cần phải sử dụng Module Relay để điều khiển. 13 do an Đồ Án Tốt Nghiệp Relay có tác dụng như một công tắc có thể lập trình đóng/mở với nguồn điện cấp bên ngoài. 1 2 3 4 5 6 RELAY 2 KENH GND Vcc IN1 IN2 Hình 2.10: Module Relay 2 kênh Thông số kỹ thuật  10A-250VAC: dòng tải tối đa với nguồn 250V xoay chiều là 10A, công suất tối đa là 2500W  10A-125VAC: dòng tải tối đa với nguồn 125V xoay chiều là 10A, công suất tối đa là 1250W.

 10A-30VAC: dòng tải tối đa với nguồn 30V xoay chiều là 10A, công suất tối đa là 300W.  10A-28VAC: dòng tải tối đa với nguồn 28V xoay chiều là 10A, công suất tối đa là 280W.  Có thể hoạt động ở 2 chế độ, chế độ kích mức thấp (relay hoạt động khi tín hiệu kích ở mức thấp, đóng tiếp điểm thường mở), chế độ kích mức cao (relay hoạt động khi tín hiệu kích ở mức cao, đóng tiếp điểm thường mở).  Nguồn cung cấp: 5VDC  Hai chân IN1, IN2: Chọn relay 1 hay relay 2 14 do an Đồ Án Tốt Nghiệp 2.

Module Bluetooth HC05 H C 05 GND VCC RXD TXD Hình ảnh thực tế Sơ đồ chân Hình 2.11: Module Bluetooth HC05 Module bluetooth HC05 dùng để thiết lập kết nối Serial giữa 2 thiết bị theo chuẩn bluetooth. Điểm đặc biệt của module bluetooth HC-05 là module có thể hoạt động được ở 2 chế độ: MASTER hoặc SLAVE.