Đồ án tốt nghiệp: Giám sát và điều khiển mô hình nhà thông minh – HCMUTE

Phân tích sâu về các phương pháp giám sát và điều khiển hiệu quả cho mô hình nhà thông minh. Khám phá công nghệ tiên tiến và giải pháp tối ưu trong lĩnh vực

• Tác giả: Nguyễn Văn Cường
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm
• 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: Giám sát và điều khiển mô hình nhà thông minh
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Phát triển Hệ thống Giám sát và Điều khiển Nhà thông minh Hướng dẫn Chi Tiết

Hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh là một giải pháp công nghệ tiên tiến, cho phép người dùng kiểm soát và quản lý các thiết bị trong ngôi nhà của họ một cách hiệu quả và tiện lợi. Với sự phát triển của công nghệ, việc xây dựng một hệ thống nhà thông minh đã trở nên dễ dàng và phổ biến hơn bao giờ hết. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các bước cơ bản để phát triển một hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh, từ việc hiểu rõ các thiết bị và cảm biến cho đến thiết kế web server và điều khiển bằng giọng nói.

1.1. Tìm hiểu về Board Intel Galileo và Arduino

Board Intel Galileo và Arduino là những nền tảng phổ biến được sử dụng trong các dự án nhà thông minh. Chúng cho phép kết nối và điều khiển các thiết bị khác nhau, từ cảm biến khí đến khóa cửa tự động. Trong phần này, chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu về các thông số kỹ thuật và nguyên lý hoạt động của các board này, giúp bạn hiểu rõ hơn về cách chúng hoạt động và tương tác với các thiết bị khác.

1.2. Cảm biến Gas và Cảm biến Mưa Vai trò quan trọng trong Nhà thông minh

Cảm biến gas và cảm biến mưa là những thiết bị quan trọng trong hệ thống nhà thông minh. Chúng giúp giám sát môi trường sống và cảnh báo người dùng về các nguy cơ tiềm tàng. Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá cách thức hoạt động của các cảm biến này, cũng như những lợi ích mà chúng mang lại cho việc xây dựng một ngôi nhà an toàn và thông minh.

1.3. Thiết kế Mô hình Thực tế và Web Server

Việc thiết kế mô hình thực tế là bước quan trọng trong quá trình phát triển hệ thống nhà thông minh. Chúng ta sẽ học cách tạo ra một mô hình nhà bằng mica và gỗ, mô phỏng các không gian trong nhà. Ngoài ra, chúng ta cũng sẽ tìm hiểu về việc thiết kế web server, cho phép người dùng giám sát và điều khiển hệ thống từ xa thông qua mạng Internet. Đây là một bước quan trọng để tạo ra một hệ thống nhà thông minh thực sự tiện lợi và dễ sử dụng.

II. Điều khiển Thiết bị bằng Giọng nói Cách thức hoạt động và lợi ích

Điều khiển thiết bị bằng giọng nói là một tính năng tiên tiến và tiện lợi trong hệ thống nhà thông minh. Với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và công nghệ nhận dạng giọng nói, người dùng có thể điều khiển các thiết bị trong nhà chỉ bằng giọng nói của họ. Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá cách thức hoạt động của công nghệ này, cũng như những lợi ích mà nó mang lại cho trải nghiệm người dùng, giúp ngôi nhà trở nên thông minh và thân thiện hơn.

2.1. Công nghệ nhận dạng giọng nói và ứng dụng trong Nhà thông minh

Công nghệ nhận dạng giọng nói đã phát triển đáng kể trong những năm gần đây, cho phép các thiết bị hiểu và phản hồi lại các lệnh bằng giọng nói. Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cách thức hoạt động của công nghệ này, cũng như những thách thức và lợi ích khi áp dụng nó trong hệ thống nhà thông minh. Từ đó, bạn có thể hiểu rõ hơn về cách thức tích hợp và sử dụng công nghệ này một cách hiệu quả.

2.2. Thiết lập và điều khiển bằng giọng nói Hướng dẫn chi tiết

Để có thể điều khiển thiết bị bằng giọng nói, chúng ta cần thiết lập và cấu hình hệ thống một cách chính xác. Trong phần này, chúng ta sẽ cung cấp một hướng dẫn chi tiết về cách thiết lập và điều khiển các thiết bị bằng giọng nói, từ việc cài đặt phần mềm đến việc tạo ra các lệnh giọng nói tùy chỉnh. Bạn sẽ học cách tương tác với hệ thống nhà thông minh của mình một cách tự nhiên và hiệu quả.

III. Kết quả và Ứng dụng Thực tiễn Kinh nghiệm từ Mô hình Nhà thông minh

Sau khi hoàn thành việc phát triển hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh, chúng ta sẽ có được một sản phẩm thực tế và hữu ích. Trong phần này, chúng ta sẽ thảo luận về kết quả đạt được, cũng như những ứng dụng thực tiễn của hệ thống này. Bạn sẽ hiểu rõ hơn về cách thức vận hành của hệ thống, cũng như những lợi ích mà nó mang lại cho cuộc sống hàng ngày. Từ đó, bạn có thể áp dụng những kinh nghiệm này vào các dự án nhà thông minh khác, hoặc thậm chí là cải thiện ngôi nhà của chính mình.

3.1. Nhận xét và Kết luận về Hệ thống Nhà thông minh

Sau khi hoàn thành dự án, nhóm nghiên cứu đã có những nhận xét và kết luận về hệ thống nhà thông minh. Họ đánh giá cao sự tiện lợi và hiệu quả của hệ thống, cũng như những lợi ích mà nó mang lại cho người dùng. Trong phần này, chúng ta sẽ cùng thảo luận về những điểm mạnh và điểm cần cải thiện của hệ thống, giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về quá trình phát triển và ứng dụng thực tế.

3.2. Ứng dụng Thực tiễn Kinh nghiệm từ Mô hình Nhà thông minh

Mô hình nhà thông minh mà chúng ta xây dựng không chỉ là một dự án học thuật, mà còn là một giải pháp thực tế cho cuộc sống hàng ngày. Trong phần này, chúng ta sẽ chia sẻ những kinh nghiệm và ứng dụng thực tiễn từ mô hình này. Bạn sẽ học được cách áp dụng những công nghệ và giải pháp vào ngôi nhà của mình, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và tạo ra một không gian sống thông minh và tiện nghi.

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 Đồ Án Tốt Nghiệp Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Giới thiệu về Bộ xử lý Intel Quart Soc X1000 và Board Intel Galileo 2. Giới thiệu chung về Intel Galileo Board Intel Galileo Gen 1 được bán trên thị trường từ ngày 17/10/2013 bởi Intel Corporation (Tập đoàn Intel) với giá bán 99 USD. Hiện tại Intel Galileo có 2 thế hệ là Intel Galileo Gen 1 và Intel Galileo Gen 2. Galileo là sản phẩm đầu tiên sử dụng chip Intel Quark X1000 - SoC đầu tiên thuộc dòng "Santa Clara" được sản xuất dựa trên dây chuyền công nghệ 14nm với mức độ tiêu thụ điện rất thấp.

Phần lõi của của X1000 là vi xử lí 400MHz dựa trên nền tảng Intel Penti. Trong chương này chúng ta sẽ cùng đi tìm hiểu về cấu trúc cũng như những đặc điểm được tích hợp từ chip Intel Quark SoC X1000, sự hoạt động và cách thức làm việc của bo mạch Intel Galileo. Galileo có chiều dài 10.67cm và rộng 7.11cm với các cổng USB, jack UART, cổng Ethernet và jack nguồn mở rộng ra ngoài kích thước bo mạch.1: Bo mạch Intel Galileo Gen1 2. Giới thiệu về bộ xử lý Intel Quark SoC x1000 Công nghệ Intel® Quark được thiết kế cho những ứng dụng đặt tiêu chí tiết kiệm điện năng và yếu tố kích thước lên trên hiệu năng.

Các sản phẩm xuất thân từ dòng bộ xử lý Intel Quark sẽ phát triển những giải pháp cách tân cho thị trường điện toán rộng khắp và khái niệm "Internet of Things", từ ô tô đến ngành công nghiệp đến những thiết bị điện tử. Sản phẩm đầu tiên trong dòng mới này là Intel Quark SoC X1000. Các sản phẩm như Intel Quark SoC X1000 sẽ mang lại sự linh hoạt cho cấp độ tích hợp cao hơn, điện 5 Đồ Án Tốt Nghiệp năng thấp hơn và tiết kiệm chi phí cho làn sóng mới của những thiết bị kết nối thông minh trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích với bộ chỉ dẫn kiến trúc Intel®. Các đặc điểm kỹ thuật của bộ xử lý Intel Quark SoC x1000 Các tín hiệu từ bộ vi xử lý 32-bit ngoại đi vào các đơn vị bên trong qua các bus.

Ở bên trong thì các bus và các đơn vị bộ nhớ cache liên kết với nhau qua lại qua 1 bus 32- bit. Dữ liệu được truyền từ bộ nhớ cache tới các đơn vị bus trên 1 bus dữ liệu 32- bit. Ngoài ra bộ nhớ cache sử dụng để nhận các toán hạng và các kiểu dữ liệu khác. Các câu lệnh trên bộ nhớ cache có thể truy nhập tới các đơn vị nạp trước câu lệnh, bao gồm một hàng đợi các câu lệnh 32-bit chờ để thực thi.

Các bộ nhớ cache chia sẻ hai bus dữ liệu 32-bit với các đơn vị segment, số nguyên, và dấu chấm động. Hai bus này có thể được sử dụng cùng nhau như một bus 64-bit. Khi một segment 64-bit được chuyển từ bộ nhớ cache tới các đơn vị segment, 32 bit được truyền trực tiếp qua một bus dữ liệu và 32 bit khác được chuyển qua các đơn. Các Intel®Quark Core có bốn chế độ hoạt động: Mode địa chỉ thực, mode bảo vệ, mode ảo và mode quản lý hệ thống (SMM).

Mode địa chỉ thực được yêu cầu chủ yếu để thiết lập Intel® Quark Core cho bảo vệ chế độ hoạt động. Mode bảo vệ cung cấp quyền truy cập vào các phân trang quản lý bộ nhớ và khả năng đặc quyền của các bộ vi xử lý. Trong Mode bảo vệ, phần mềm có thể thực hiện một nhiệm vụ chuyển đổi để tham gia vào chức năng chỉ định như một chức năng của Mode 8086 ảo. Mode quản lý hệ thống (SMM) cung cấp cho các nhà thiết kế hệ thống và phương tiện là phần mềm điều khiển cho các sản phẩm máy tính của chúng mà luôn luôn hoạt động minh bạch cho hệ điều hành (OS) và các ứng dụng phần mềm.

SMM chỉ được sử dụng bởi phần mềm hệ thống, chứ không phải bởi các ứng dụng phần mềm hoặc mục đích chung hệ thống phần mềm. 6 Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.2: Intel Quarlk Core Block Diagram Bảng 2.1: Thông Số Bộ Nhớ của Intel Quark x1000 HIỆU SUẤT Số lõi 1 Số luồng 1 Tần số cơ sở của bộ xử lý 400MHZ TDP 2,2W THÔNG SỐ BỘ NHỚ Dung lượng bộ nhớ tối đa 2GB 7 Đồ Án Tốt Nghiệp Các loại bộ nhớ DDR3 800 Số kênh bộ nhớ tối đa 1 Băng thông bộ nhớ tối đa 1.6GB/s Phần mở rộng địa chỉ vật lý 32-bit THÔNG SỐ GÓI Cấu hình CPU tối đa 1 TJUNCTION 110oC Phạm vi nhiệt độ vận hành 0oC -70oC Kích thước gói 15mm x 15mm Hỗ trợ socket FCBGA393 CÁC TÙY CHỌN MỞ RỘNG Hỗ trợ PCI PCI Express Phiên bản PCI Express 2.0 Cấu hình PCI Express x1 Số cổng PCI Express tối đa 2 Cấu trúc Pileline Không phải mọi câu lệnh đều liên kết đến tất cả các đơn vị bên trong. Khi một lệnh cần sự tham gia của một số đơn vị, mỗi đơn vị hoạt động song song với đơn vị khác trên các câu lệnh ở các giai đoạn thực thi khác nhau. Mặc dù mỗi lệnh được xử lý tuần tự, một số lệnh ở các giai đoạn được thực hiện khác nhau trong bộ xử lý tại bất kỳ thời gian cho trước nào.

Điều này được gọi là pipelining. Câu lệnh nạp trước, câu lệnh giải mã, thực thi vi mã, toán hạng thập phân, các toán hạng floating- point, tất cả các phân trang, quản lý bộ nhớ cache, và các toán hạng giao diện bus được thực hiện đồng thời. Hình dưới cho thấy nguyên tắc xử lý song song cho một lệnh đơn: Nạp câu lệnh, hai giai đoạn giải mã, thực hiện và thanh ghi write-back 8 Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.3: Cấu Trúc Pipeline của Intel Quark x1000 Kết luận: Mỗi giai đoạn trong Pipeline này thực thi trong một chu kỳ clock. Bộ truyền I/O Vận chuyển từ và I/O địa điểm có một số hạn chế để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu: • Lưu trữ - I/O đọc không bao giờ được lưu trữ.

• Đọc lại đặt hàng - I/O lần đọc không bao giờ được tái đặt hàng trước của đệm để viết bộ nhớ. Điều này đảm bảo rằng các bộ vi xử lý đã hoàn thành việc cập nhật tất cả các bộ nhớ địa điểm trước khi đọc trạng thái từ một thiết bị. Các Intel®Quark Core không đệm đơn các bộ ghi I/O; đọc không được thực hiện cho đến khi các bộ ghi I/O được hoàn thành. Kiến trúc của Board Intel Galileo Hình 2.4: Kiến trúc bo mạch Intel Galileo 2.

Các tính năng hỗ trợ cho Arduino Shield Galileo tương thích với các Arduino UNO shield và được thiết kể để làm việc với các shield chạy ở cả 2 mức điện áp 3. Giống như Arduino UNO phiên bản 3, Galileo có: - 14 chân Digital I/O, trong đó 6 chân có thể phát xung PWM. Chúng có thể được sử dụng ở cả 2 chế độ INPUT và OUTPUT, sử dụng được với các hàm pinMode(), digitalWrite(), và digitalRead() như trên các mạch Arduino. 10 Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2.5: Cấu trúc của Board Intel Galileo Gen 1 - Các chân giao tiếp có thể hoạt động ở 2 mức điện áp 3.

Dòng cấp tối đa là 10mA, dòng đỉnh là 25 mA. -6 chân Analog từ A0 đến A5 giao tiếp qua chip AD7298 (chuyển đổi Analog-toDigital). -SPI: chạy ở xung mặc định là 4MHz để làm việc với các Arduino shield, có thể lập trình lên đến mức 25MHz. -VIN: chân cấp nguồn cho Galileo khi nó sử dụng nguồn ngoài (trái ngược với điện áp chuẩn 5V từ chân cắm nguồn).

Ta có thể cấp nguồn cho Galileo từ chân này, hoặc, nếu cấp nguồn từ chân cắm nguồn phía trước, ta có thể lấy ra điện áp chuẩn 5V từ chân này. -Chân 5V output: chân này cấp nguồn ra 5V từ nguồn ngoài cấp cho Galileo hay từ nguồn USB. Dòng ra tối đa ở chân này cho các shield là 800mA.3V output: cấp điện áp ra 3.3V được điều chế từ các mạch điều áp trên Galileo. Dòng ra tối đa ở chân này cho các shield là 800mA.

-GND: chân nối cực âm của nguồn điện. 11 Đồ Án Tốt Nghiệp -IOREF: cho phép các shield điều chỉnh hoạt động phù hợp với điện áp hoạt động trên Galileo. Chân IOREF được kiểm soát bởi các jumper trên mạch để lựa chọn 2 mức điện áp làm việc của shield là 3. -RESET: chân/nút nhấn RESET.Kéo chân này xuống GND để reset chương trình đang chạy trên Galileo.

Thường chân này được dùng để reset các shield. -AREF: không được sử dụng trên Galileo. Trên Arduino, chân này cung cấp một điện áp tham chiếu ngoài cho các chân đọc tín hiệu analog. Chi tiết về các tính năng hỗ trợ Intel Architecture Các bộ xử lí của Intel và các tương thích I/O của SoC đi kèm cung cấp hầu như tất cả các tính năng cần thiết cho cộng đồng người dùng cũng như tầng lớp học sinh sinh viên.

Điều này cũng cực kì hữu ích cho các nhà nghiên cứu chuyên nghiệp - những người luôn có những khát khao từ các môi trường lập trình giá rẻ và hiệu quả đến những thiết kế vi xử lí Intel Atom hay những thết kế dựa trên Intel Core-processor như Galileo: - Bộ xử lí 400Mhz Intel Pentium 32bit tương thích với kiến trúc tập lệnh ISA (ISAcompatible). - 16KB bộ nhớ đệm L1. - 512KB bộ nhớ SRAM on-die embedded. - Dễ dàng lập trình: đơn luồng, đơn nhân, xung nhịp cố định (single thread, single core, constant speed).

- Mạch thời gian thực tích hợp (RTC intergrated) với 1 pin nút áo 3V. - Cổng kết nối 10/100 Ethernet. - Cổng PCI Express mini-card với chuẩn PICe 2. - Có thể hoạt động với card mini-PCIe half-sized với tùy chọn chuyển đổi.

- Cung cấp cổng USB 2.0 Host tương đương ở cổng mini-PCIe. - Cổng kết nối USB 2. - Hỗ trợ tới 128 thiết bị USB đầu cuối. - Cổng kết nối USB Client dùng để lập trình.

- Ngoài chức năng là một cổng lập trình, nó cũng có thể đóng vai trò như một USB Host chuẩn 2.