›

Đồ án Ứng dụng Chatbot vào điều khiển nhà thông minh

pdf 91 trang phuongvu95 7220
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Ứng dụng Chatbot vào điều khiển nhà thông minh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_ung_dung_chatbot_vao_dieu_khien_nha_thong_minh.pdf

Nội dung text: Đồ án Ứng dụng Chatbot vào điều khiển nhà thông minh

  1. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CHATBOT VÀO ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS. Nguyễn Mạnh Hùng SVTH: Nguyễn Minh Hùng MSSV: 14141139 Tp. Hồ Chí Minh - 06/2018
  2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CHATBOT VÀO ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS. Nguyễn Mạnh Hùng SVTH: Nguyễn Minh Hùng MSSV: 14141139 Tp. Hồ Chí Minh - 06/2018 i
  3. TRƢỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o Tp. HCM, ngày 28 tháng 06 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Hùng MSSV: 14141139 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử Truyền Thông Mã ngành: 14141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT3B I. TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CHATBOT VÀO ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - 1 chatbot đƣợc tạo ra trên nền tảng Dialogflow. - 1 kit raspberry Pi3 B. - 1 Mạch dimmer điều khiển độ sáng của bóng đèn. - 2 Module Relay 5V 2 kênh điều khiển đóng/mở đèn, quạt. - 1 động cơ servo MG90S điều khiển đóng/mở cửa. - 1 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11. 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu nền tảng Dialogflow và tạo ra chatbot dựa trên nền tảng này. - Tìm hiểu kit Raspberry Pi 3 và ngôn ngữ lập trình Python. - Tạo webhook để nhận dữ liệu từ Dialogflow, xử lí dữ liệu để trả lại đồng thời điều khiển thiết bị trong nhà. - Thiết kế và thi công mạch điều khiển dimmer. - Tìm hiểu cách điều khiển động cơ servo, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11. - Thi công mô hình nhà thông minh, kết nối các module lại với nhau. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/06/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. Nguyễn Mạnh Hùng CÁN BỘ HƢỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii
  4. TRƢỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o Tp. HCM, ngày 28 tháng 06 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Hùng Lớp: 14141DT3B MSSV: 14141139 Tên đề tài: Ứng dụng chatbot và điều khiển nhà thông minh Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1 Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án, (16/03 - 23/03) tiến hành chọn đồ án Tuần 2 GVHD tiến hành xét duyệt đề tài Tuần 3 Viết tóm tắt yêu cầu đề tài đã chọn: đề tài làm cái gì, nội dung thiết kế, các thông số giới hạn của đề tài Tuần 4 Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng các khối Tuần 5 - Tìm hiểu các khái niệm liên quan đến đề tài nhƣ API, webhook - Thực hiên thiết kế trên Dialogflow Tuần 6 - Cài đặt các gói thƣ viện cần thiết cho Raspberry - Thực hiện tạo webhook và xử lí dữ liệu nhận đƣợc Tuần 7 - Thực hiện code phần back-end để hoàn thiện yêu cầu xử lí trả về dữ liệu cho Dialogflow, điều Tuần 8 khiển phần cứng. Tuần 9 - Sử dụng ngrok để public server online iii
  5. Tuần 10 - Thiết kế sơ đồ nguyên lí mạch dimmer - Tiến hành vẽ PCB, chọn linh kiện - Tiến hành thi công mạch - Kiểm tra mạch thi công Tuần 11 - Thi công mô hình đồ án Tuần 12 - Kiểm tra, đánh giá mô hình Tuần 13 - Viết báo cáo những nội dung đã làm Tuần 14 - Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem xét góp ý lần cuối trƣớc khi in và báo cáo Tuần 15 Tiến hành làm silde báo cáo và các nhiệm vụ liên quan đến đồ án tốt nghiệp GV HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv
  6. LỜI CAM ĐOAN  Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và đƣợc sự hƣớng dẫn khoa học của Ts. Nguyễn Mạnh Hùng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trƣớc đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trƣớc đó. Những thông tin phục vụ cho đề tài đƣợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về công trình nghiên cứu của riêng mình! Sinh viên thực hiện Nguyễn Minh Hùng v
  7. LỜI CẢM ƠN  Trong thời gian làm đồ án tốt môn học, em đã nhận đƣợc nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ts. Nguyễn Mạnh Hùng, giảng viên Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh - Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cƣơng cũng nhƣ các môn chuyên ngành, giúp em có đƣợc cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án môn học. Sinh viên thực hiện Nguyễn Minh Hùng vi
  8. MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Cam đoan v Lời cảm ơn vi Mục lục vii Liệt kê hình vẽ xi Liệt kê bảng vẽ xiv Tóm tắt xv Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1 1.2 MỤC TIÊU 1 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2 1.4 GIỚI HẠN 2 1.5 BỐ CỤC 3 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 TỔNG QUAN VỀ CHATBOT 4 2.1.1 Khái niệm về chatbot 4 2.1.2 Phân loại chatbot 4 2.1.3 Xử lý ngôn ngữ tự nhiên (Natural Language Processing) 5 2.2 TỔNG QUAN VỀ API 5 2.2.1 Khái niệm về API 5 2.2.2 Mô hình của một API 6 2.2.3 Các tác vụ thực hiện qua API 6 2.3 WEBHOOK 7 2.3.1 Khái niệm Webhook 7 2.3.2 Hoạt động của Webhook 7 2.4 TỔNG QUAN VỀ DIALOGFLOW 8 2.4.1 Giới thiệu về Dialogflow 8 2.4.2 Cấu trúc của Dialogflow 9 a. Agent 10 vii
  9. b. Intent 10 c. Entities 15 d. Fulfillment 17 e. Integrations 17 2.5 RASPBERRY PI 3 18 2.5.1 Giới thiệu về Board Raspberry Pi 18 2.5.2 Phần cứng của Raspberry Pi 3 18 a. Nguồn cung cấp 20 b. Các cổng giao tiếp 20 c. Các chân giao tiếp GPIO của kit 22 2.5.3 Hệ điều hành Raspbian cho kit Raspberry Pi 23 2.6 ĐỘNG CƠ SERVO 24 2.6.1 Giới thiệu động cơ servo 24 2.6.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ servo 25 2.7 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DHT11 27 2.8 MODULE RELAY 2 CHANNEL 5V 27 2.9 MOSFET 28 2.9.1 Cấu tạo Mosfet 29 2.9.2 Nguyên lí hoạt động 30 Chƣơng 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 31 3.1 GIỚI THIỆU 31 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 31 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 31 a. Sơ đồ khối hệ thống 31 b. Sơ đồ mô hình hệ thống 32 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 32 a. Thiết kế khối Dialogflow 33 b. Thiết kế khối điều khiển raspberry 33 c. Thiết kế khối điều khiển động lực 33 d. Thiết kế khối nguồn 35 Chƣơng 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 36 4.1 GIỚI THIỆU 36 viii
  10. 4.2 THIẾT KẾ DIALOGFLOW 36 4.2.1 Lƣu đồ giải thuật 36 4.2.2 Thiết kế cho yêu cầu điều khiển ON-OFF 37 a. Tạo mới Agent 37 b. Tạo entities 38 c. Tạo Intent 39 d. Fulfillment 42 e. Integrations 43 4.2.3 Mở rộng cho điều khiển ON-OFF 44 a. Thêm mới entities 44 b. Thêm mới intent 45 4.2.4 Kết quả hoàn chỉnh trên Dialogflow 46 a. Intents 46 b. Entities 46 4.3 LẬP TRÌNH TRÊN RASPBERRY PI 3 46 4.3.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Python 46 a. Lịch sử của Python 47 b. Các phiên bản Python đã phát hành 47 c. Đặc điểm của ngôn ngữ lập trình Python 48 4.3.2 Giới thiệu phần mềm lập trình Python 3 IDLE 49 4.3.3 Lƣu đồ giải thuật 50 4.3.4 Viết chƣơng trình hệ thống 51 4.3.5 Public server lên internet bằng ngrok 52 4.4 THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN DIMMER 53 4.4.1 Sơ đồ mạch PCB Dimmer 54 4.4.2 Thi công mạch 55 4.5 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 56 4.5.1 Đóng gói bộ điều khiển 56 4.5.2 Thi công mô hình 57 4.6 KẾT QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG 61 4.7 TÀI LIỆU HƢỚNG DẪN, THAO TÁC 63 4.7.1 Tài liệu hƣớng dẫn sử dụng 63 ix
  11. 4.7.2 Quy trình thao tác 63 Chƣơng 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 65 5.1 DIALOGFLOW 65 5.1.1 Dialogflow 65 5.1.2 Các khái niệm liên quan 65 5.2 RASPBERRY PI 3 66 5.2.1 Raspberry Pi 3 66 5.2.2 Công cụ ngrok 66 5.3 PHẦN CỨNG 66 5.3.1 Mạch điều khiển dimmer 66 5.3.2 Động cơ Servo 67 5.3.3 Module Relay 2 kênh 5V 67 5.3.4 Module cảm biến DHT11 67 5.4 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 67 Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 69 6.1 KẾT LUẬN 69 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 71 x
  12. LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Khái niệm chatbot 4 Hình 2.2: Khái niệm về API 5 Hình 2.3: Giới thiệu Dialogflow 8 Hình 2.4: Các phần của Dialogflow 9 Hình 2.5: Các mục trong một Intent 10 Hình 2.6: Hình ảnh mục context 11 Hình 2.7: Hình ảnh mục Events 12 Hình 2.8: Hình ảnh mục Training Phrases 12 Hình 2.9: Hình ảnh của mục Action & Parameters 13 Hình 2.10: Hình ảnh mục Responses 14 Hình 2.11: Hình ảnh của mục Fulfillment 15 Hình 2.12: Hình ảnh của mục Entities 16 Hình 2.13: Các nền tảng tích hợp trong Integrations 17 Hình 2.14: Board Raspberry Pi 18 Hình 2.15: Phần cứng của Raspberry Pi 19 Hình 2.16: Các cổng giao tiếp trên Raspberry 21 Hình 2.17: Sơ đồ chân GPIO 22 Hình 2.18: Hình ảnh thực tế các chân GPIO 23 Hình 2.19: Giao diện hệ điều hành Raspbian 24 Hình 2.20: Hình ảnh động cơ Servo 24 Hình 2.21: Điều khiển động cơ servo bằng Duty Cycle 26 Hình 2.22: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 27 Hình 2.23: Module Relay 2 channel 5V 28 Hình 2.24: Hình ảnh Mosfet 29 Hình 2.25: Các cực của Mosfet 29 Hình 2.26: Hình ảnh các loại Mosfet 30 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 31 Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế mô hình 32 Hình 3.3: Sơ đồ các khối điều khiển động lực 33 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lí mạch dimmer 34 xi
  13. Hình 4.1: Lƣu đồ thiết kế trên Dialogflow 36 Hình 4.2: Tạo mới Agent 37 Hình 4.3: Cài đặt các thông số cho Agent 38 Hình 4.4: Thực hiện tạo mới Entities 38 Hình 4.5: Hình ảnh entities on-off 39 Hình 4.6: Hình ảnh entities led 39 Hình 4.7: Tạo mới intents 40 Hình 4.8: Bảng Action và Parameters 41 Hình 4.9: Mục Responses 41 Hình 4.10: Kích hoạt Fulfillment cho Intent 42 Hình 4.11: Đặt link webhook trong mục Fulfillment 42 Hình 4.12: Tùy chỉnh trong Integrations 43 Hình 4.13: Giao diện trò chuyện chatbot 43 Hình 4.14: Thêm mới entities room 44 Hình 4.15: Thêm mới entities status 44 Hình 4.16: Thêm mới Intent on-off:condition 45 Hình 4.17: Kết quả thao tác trên Intent mới 45 Hình 4.18: Kết quả hoàn thành Intent 46 Hình 4.19: Kết quả hoàn thành Entities 46 Hình 4.20: Ngôn ngữ Python 47 Hình 4.21: Giao diện Python 3 IDLE 49 Hình 4.22: Thao tác file trên giao diện Python 3 IDLE 49 Hình 4.23: Các phần của giao diện 50 Hình 4.24: Lƣu đồ điều khiển trên Raspberry Pi 51 Hình 4.25: Giới thiệu ngrok 53 Hình 4.26: Hình ảnh chạy ngrok 53 Hình 4.27: Sơ đồ mạch in PCB 54 Hình 4.28: Sơ đồ linh kiện 3D 54 Hình 4.29: Hình ảnh mạch thi công 55 Hình 4.30: Hình ảnh mạch sau thi công 56 Hình 4.31: Đóng gói bộ điều khiển 56 Hình 4.32: Thi công khối đèn xoay chiều 57 xii
  14. Hình 4.33: Kết nối đèn với module Relay 57 Hình 4.34: Kết nối đèn với mạch dimmer 58 Hình 4.35: Kết nối Module DHT11 vào đúng vị trí 59 Hình 4.36: Đặt đúng động cơ servo vào vị trí 59 Hình 4.37: Kết nối với Raspberry Pi 60 Hình 4.38: Hình ảnh mô hình thi công hoàn chỉnh 60 Hình 4.39: Điều khiển thiết bị thông qua giao diện 61 Hình 4.40: Kết quả sau khi nhận yêu cầu điều khiển 61 Hình 4.41: Yêu cầu điều khiển đóng mở cửa 62 Hình 4.42: Thực hiện mở cửa 62 Hình 4.43: Truy vấn thông tin nhiệt độ 63 Hình 4.44: Lƣu đồ hƣớng dẫn sử dụng 64 xiii
  15. LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật của Raspberry Pi 20 Bảng 2.2: Các chân của Servo 25 Bảng 2.3: Hình ảnh xung tƣơng ứng với góc quay 26 Bảng 4.1: Các phiên bản Python đã phát hành 47 Bảng 4.2: Danh sách linh kiện 55 xiv
  16. TÓM TẮT Trong những năm gần đây ngƣời ta thƣờng nhắc nhiều đến AI (trí tuệ nhân tạo) và những ứng dụng rộng rãi của chúng. Nhóm em rất thích thú khi biết những thành tựu mà AI(trí tuệ nhân tạo) sẽ mang lại trong tƣơng lai, đặc biệt là những ứng dụng hiệu quả của chatbot trong kinh doanh và khoa học kỹ thuật. Và để bắt kịp xu hƣớng đó, nhóm chúng em quyết định chọn chatbot làm đối tƣợng nghiên cứu và ứng dụng cụ thể vào điều khiển nhà thông minh. Nhà thông minh đƣợc thiết kế sử dụng Raspberry Pi 3 cho việc điều khiển và giám sát những thiết bị trong nhà thông qua việc giao tiếp với chatbot. Việc mô phỏng các thiết bị trong nhà đƣợc thể hiện bằng làm mô hình ngôi nhà và các thiết bị điện bên trong. Một số thiết bị đƣợc điều khiển thông qua việc trò chuyện với chatbot: Điều khiển mở/tắt các thiết bị dân dụng. Điều khiển tuyến tính các thiết bị. Giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong nhà. Có thể mở/tắt tất cả các thiết bị cùng 1 lúc hoặc từng thiết bị. Đóng mở cửa bằng động cơ servo. xv
  17. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây ngƣời ta thƣờng nhắc nhiều đến AI (trí tuệ nhân tạo) và những ứng dụng rộng rãi của chúng. Nhóm em rất thích thú khi biết những thành tựu mà AI (trí tuệ nhân tạo) sẽ mang lại trong tƣơng lai, đặc biệt là những ứng dụng hiệu quả của chatbot trong kinh doanh và khoa học kỹ thuật. Và để bắt kịp xu hƣớng đó, nhóm chúng em quyết định chọn chatbot làm đối tƣợng nghiên cứu và ứng dụng cụ thể vào điều khiển nhà thông minh. Chatbot là một lĩnh vực của trí tuệ nhân tạo, chatbot thực hiện hội thoại thông minh giữa máy tính với ngƣời dùng thông qua trò chuyện trực tiếp. Với việc cung cấp thông tin cho từng ngữ cảnh để điều khiển các thiết bị khác nhau qua internet. Đồng thời ngày nay mạng lƣới Internet đang ngày càng trở nên phổ biến, điều đó khiến cho việc điều khiển thiết bị từ xa qua mạng Internet trở nên dễ dàng và tiện lợi hơn. Nhà thông minh đƣợc thiết kế sử dụng Raspberry Pi 3 cho việc điều khiển và giám sát những thiết bị trong nhà thông qua việc giao tiếp với chatbot. Ngoài việc điều khiển các thiết bị trong nhà bằng app android nhƣ những đề tài về smarthome đã có, ngƣời dùng có thể giao tiếp với chatbot về mọi thứ và điều khiển thiết bị trong gia đình thông qua việc trò chuyện với chatbot. So với việc điều khiển bằng thao tác cứng nhắt trên các app android thông thƣờng nhƣ các đề tài về IoT đã có trƣớc đây, ngƣời dùng có thể trò chuyện với chatbot nhƣ một trợ lí ảo giúp ngƣời dùng quản lí và điều khiển hoạt động của ngôi nhà. Vì những lý do đó, nhóm sinh viên quyết định thực hiện đề tài “Ứng dụng chatbot vào điều khiển nhà thông minh”. 1.2 MỤC TIÊU Tạo ra đƣợc chatbot giao tiếp với ngƣời dùng và thực hiện nhiệm vụ khi có yêu cầu từ ngƣời dùng thông qua mạng internet. Đồ án đƣợc nghiên cứu, khảo sát, xây dựng với mục định áp dụng những kiến thức đã học và tìm hiểu đƣợc để thiết kế, tạo ra một hệ thống chatbot để điều khiển thiết bị 1 cách hoàn chỉnh. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
  18. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Một số chức năng của hệ thống điều khiển bằng hệ thống chatbot: Điều khiển mở/tắt các thiết bị dân dụng. Điều khiển tuyến tính các thiết bị. Giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong nhà. Có thể mở/tắt tất cả các thiết bị cùng 1 lúc hoặc từng thiết bị. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về khái niệm chatbot và cách tạo ra chatbot. NỘI DUNG 2: Tìm hiểu về các khái niệm về API, Webhook và trang dialogflow.com (tiền thân là API.AI). NỘI DUNG 3: Tìm hiểu các khái niệm intent, entity, fulfillment, và tạo ra một chatbot từ Dialogflow để phục vụ đề tài. NỘI DUNG 4: Tìm hiểu định dạng Json và cách trích xuất dữ liệu liệu để nhận biết yêu cầu từ ngƣời dùng. NỘI DUNG 5: Tìm hiểu về kit raspberry pi 3 và ngôn ngữ lập trình python. NỘI DUNG 6: Lập trình giao tiếp giữa raspberry pi 3 với chatbot bằng webhook thông qua mạng internet. NỘI DUNG 7: Thiết kế, thi công và lập trình khối điều khiển công suất, cảm biến trong nhà. NỘI DUNG 8: Thiết kế, thi công mô hình nhà thông minh. NỘI DUNG 9: Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống. NỘI DUNG 10: Đánh giá kết quả thực hiện. 1.4 GIỚI HẠN Tạo ra chatbot cơ bản có thể trò chuyện với ngƣời dùng và thực hiện điều khiển thiết bị trong nhà khi có yêu cầu từ ngƣời dùng. Thiết kế mô hình ngôi nhà thông minh. Giám sát ngôi nhà bằng cảm biến và giao tiếp với ngƣời dùng qua chatbot. Dùng chatbot để điều khiển đèn, quạt, đóng mở cửa để mô phỏng ngôi nhà thông minh. Hệ thống hoạt động thông qua mạng internet, chatbot giao tiếp đơn giản. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2
  19. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.5 BỐ CỤC Chƣơng 1: Tổng Quan Chƣơng này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chƣơng này trình bày tổng quát về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài. Tìm hiểu về nền tảng Dialogflow.com, các khái niệm API, webhook và tìm hiểu rõ về kit Raspberry pi 3. Chƣơng 3: Thiết Kế và Tính Toán Giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và các tính toán, thiết kế sơ đồ khối hệ thống và các khối . Chƣơng 4: Thi Công Hệ Thống Chƣơng này trình bày kết quả thi công trên phần mềm và phần cứng, quá trình thi công mạch PCB. Xây dựng mô hình nhà thông minh và thực hiện kết nối các module với nhau. Chƣơng 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Chƣơng này trình bày kết quả của cả quá trình nghiên cứu làm đề tài, nêu lên những kiến thức đã học đƣợc từ quá trình làm đồ án, nhận xét và đánh giá sản phẩm. Chƣơng 6: Kết Luận và Hƣớng Phát Triển Trình bày ngắn gọn những kết quả thu đƣợc từ đó tiến hành kết luận, đánh giá sản phẩm có đạt hay không, từ đó đƣa ra hƣớng phát triển để tăng chức năng, khả năng cho sản phẩm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3
  20. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ CHATBOT 2.1.1 Khái niệm về chatbot Định nghĩa một cách đơn giản nhất, chatbot là một chƣơng trình máy tính tƣơng tác với ngƣời dùng bằng ngôn ngữ tự nhiên dƣới một giao diện đơn giản, âm thanh hoặc dƣới dạng tin nhắn. Hình 2.1: Khái niệm chatbot Về cơ bản, chatbot là một hình thức thô sơ của phần mềm trí tuệ nhân tạo. Nó hoạt động độc lập, có thể tự động trả lời những câu hỏi hoặc xử lý tình huống càng thật càng tốt. Phạm vi và sự phức tạp của chatbot đƣợc xác định bởi thuật toán của ngƣời tạo nên chúng. Chatbot là sự kết hợp của các kịch bản có trƣớc và tự học trong quá trình tƣơng tác. Với các câu hỏi đƣợc đặt ra, chatbot sẽ dự đoán và phản hồi chính xác nhất có thể. Nếu tình huống đó chƣa xảy ra (không có trong dữ liệu), chatbot sẽ bỏ qua nhƣng sẽ đồng thời “bắt chƣớc” để áp dụng cho các cuộc trò chuyện thƣờng xuyên (lặp đi lặp lại nhiều lần) về sau. 2.1.2 Phân loại chatbot Theo đúng cách mà chúng tƣơng tác với ngƣời dùng, các chatbot thƣờng đƣợc chia thành 2 loại: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4
  21. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Audiotory (âm thanh): + Siri (Apple). + Google Assistant (Google). + Cortana (Microsoft). + Javis của Tony – Stark. - Textual (tin nhắn): + Thời trang - tƣ vấn quần áo (H&M). + Thực phẩm - order pizza (Dominos Pizza). + Làm đẹp - stylish cá nhân (Sephora). + Giao thông - thông tin tàu điện vùng Kanto (qmau.me). 2.1.3 Xử lý ngôn ngữ tự nhiên (Natural Language Processing) Để chatbot có thể hiểu đƣợc ngƣời dùng nói gì thì ta phải dùng đến NLP (Natural Language Processing). Xử lý ngôn ngữ tự nhiên (NLP) là một nhánh của Trí tuệ nhân tạo, tập trung vào việc nghiên cứu sự tƣơng tác giữa máy tính và ngôn ngữ tự nhiên của con ngƣời. Mục tiêu của lĩnh vực này là giúp máy tính hiểu và thực hiện hiệu quả những nhiệm vụ liên quan đến ngôn ngữ của con ngƣời nhƣ: tƣơng tác giữa ngƣời và máy, cải thiện hiệu quả giao tiếp giữa con ngƣời với con ngƣời, hoặc đơn giản là nâng cao hiệu quả xử lý văn bản và lời nói. NLP đƣợc Dialogflow sử dụng để tạo ra những chatbot thông minh. 2.2 TỔNG QUAN VỀ API 2.2.1 Khái niệm về API Hình 2.2: Khái niệm về API API (Application Programming Interface) là một giao diện lập trình ứng dụng mà một hệ thống máy tính hay ứng dụng cung cấp để cho phép các yêu cầu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5
  22. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT dịch vụ có thể đƣợc tạo ra từ các chƣơng trình máy tính khác, và/hoặc cho phép dữ liệu có thể đƣợc trao đổi qua lại giữa chúng. 2.2.2 Mô hình của một API API bao gồm ba phần: - Ngƣời dùng: ngƣời đƣa ra yêu cầu. - Máy khách: máy tính gửi yêu cầu tới máy chủ. - Máy chủ: máy tính phản hồi yêu cầu. Máy chủ đƣợc xây dựng nó thu thập và lƣu trữ dữ liệu. Khi máy chủ đó đang chạy, các lập trình viên tạo ra dữ liệu, bao gồm các end point (điểm cuối) nơi có thể tìm thấy dữ liệu cụ thể. Sau đó, ngƣời dùng bên ngoài có thể truy vấn (hoặc tìm kiếm) dữ liệu trên máy chủ hoặc xây dựng một chƣơng trình chạy tìm kiếm trên cơ sở dữ liệu và biến thông tin đó thành định dạng có thể sử dụng khác. Nhiều công ty sử dụng các API mở từ các công ty lớn hơn nhƣ Google và Facebook để truy cập dữ liệu không có sẵn. Trong trƣờng hợp này các API làm giảm đáng kể các rào cản phát triển đối với các công ty nhỏ hơn. 2.2.3 Các tác vụ thực hiện qua API API là cách để hai máy tính (phần mềm) giao tiếp với nhau. Có bốn loại hành động mà API có thể thực hiện: GET: yêu cầu dữ liệu từ máy chủ. POST: gửi các thay đổi từ máy khách đến máy chủ khi thêm thông tin vào máy chủ, nhƣ tạo một mục mới. PUT: sửa đổi hoặc thêm vào thông tin hiện có. DELETE: xóa thông tin hiện có. Khi bạn kết hợp các end point (điểm cuối) với các hành động này, bạn có thể tìm kiếm hoặc cập nhật mọi thông tin có sẵn trên API. Bạn sẽ cần phải kiểm tra tài liệu API để tìm hiểu cách mã hóa các hành động này, vì chúng hoàn toàn khác nhau. - Thực hiện một yêu cầu trên một máy chủ: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6
  23. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HTTP: giao thức truyền siêu văn bản. Đây là cách bạn truy cập trang web bằng cách nhập URL vào thanh tìm kiếm trong trình duyệt của bạn. Đây là một cách thực sự dễ dàng để truy cập dữ liệu. Định dạng văn bản: XML, JSON. Đây là những ngôn ngữ chính để truy cập dữ liệu qua API. Khi bạn nhận đƣợc dữ liệu của mình, bạn sẽ cần phải biết đọc mã XML hoặc JSON để hiểu những gì máy chủ đã cung cấp cho bạn. - Ý tƣởng và các bƣớc trong quy trình API: Hầu hết các API đều yêu cầu key (mã khóa) API. Khi bạn tìm thấy API bạn muốn sử dụng, hãy xem tài liệu về các yêu cầu truy cập. Hầu hết các API sẽ yêu cầu bạn hoàn tất xác minh danh tính, chẳng hạn nhƣ đăng nhập bằng tài khoản Google của bạn. Bạn sẽ nhận đƣợc một chuỗi ký tự và số duy nhất để sử dụng khi truy cập API, thay vì chỉ thêm email và mật khẩu của bạn. Các công cụ sẵn có (và thƣờng miễn phí) giúp bạn điều hƣớng các yêu cầu của mình để truy cập các API hiện có bằng key API mà bạn nhận đƣợc. Bạn vẫn sẽ cần phải biết một số cú pháp từ tài liệu, nhƣng có rất ít kiến thức mã hóa cần thiết. Cách tốt nhất tiếp theo để lấy dữ liệu từ API là tạo URL từ tài liệu API hiện có. Nhìn chung, yêu cầu API trông không khác nhiều so với URL trình duyệt thông thƣờng, nhƣng dữ liệu đƣợc trả về sẽ ở dạng dễ đọc cho máy tính. 2.3 WEBHOOK 2.3.1 Khái niệm Webhook Webhook là một HTTP callback: là 1 công cụ để truy vấn và lƣu trữ dữ liệu của một Event xác định. Khi một trong những sự kiện đƣợc kích hoạt, nó sẽ gửi một HTTP POST đến URL đã đƣợc cấu hình webhook. 2.3.2 Hoạt động của Webhook Một ứng dụng web đang triển khai Webhook sẽ POST một thông báo tới một URL khi một event xảy ra. Events này do ngƣời dùng cấu hình và URL này đƣợc ngƣời dùng đăng ký với trang web. Hay nói cách khác, bằng cách cho phép ngƣời BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7
  24. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT dùng chỉ định một URL cho các sự kiện khác nhau, ứng dụng sẽ POST dữ liệu tới các URL đó khi các sự kiện xảy ra. Sau khi nhận đƣợc thông báo thành công, webhook sẽ trả về status code 200 OK về cho trang web. Những đặc điểm của webhook: Push: nhận dữ liệu theo thời gian thực Bất cứ khi nào một events đã đƣợc cấu hình trƣớc xảy ra thì ngay lập tức dữ liệu sẽ gửi đến URL đã đăng ký ngay lập tức với thời gian thực. Pipes: nhận dữ liệu và truyền đi Một Pipe xảy ra khi WebHook của bạn không chỉ nhận dữ liệu thời gian thực, mà còn tiếp tục thực hiện khi có một event mới, kích hoạt các hành động không liên quan đến sự kiện ban đầu. Plugins: xử lý dữ liệu và trả lại thứ gì đó Đây là nơi mà toàn bộ web trở thành một nền tảng lập trình. Bạn có thể sử dụng Webhook này để cho phép ngƣời khác mở rộng ứng dụng của bạn. Ý tƣởng chung là một ứng dụng web gửi dữ liệu qua Webhook cũng sẽ sử dụng phản hồi từ webhooks để sửa đổi dữ liệu của riêng nó. Theo cách này, webhook thay đổi ứng dụng của bạn nếu bạn muốn cho phép những ngƣời khác thực sự mở rộng và nâng cao khả năng của ứng dụng của bạn. 2.4 TỔNG QUAN VỀ DIALOGFLOW 2.4.1 Giới thiệu về Dialogflow Hình 2.3: Giới thiệu Dialogflow Dialogflow.com (tiền thân là API.AI) là một API do Google cung cấp nhằm giúp các lập trình viên dễ dàng hơn khi lập trình các sản phẩm có giao tiếp giữa BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8
  25. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ngƣời dùng với sản phẩm thông qua các đoạn hội thoại bằng văn bản (text) hoặc giọng nói (voice). Dialogflow là nền tảng về công nghệ tƣơng tác giữa con ngƣời và máy tính dựa trên các cuộc trò truyện bằng ngôn ngữ tự nhiên và có thể đƣợc sử dụng để phát hiện các từ khóa và ý định trong câu của ngƣời dùng. Vai trò của nó là giúp xây dựng chatbots sử dụng Machine Learning. Với DialogFlow hỗ trợ các tích hợp với các nền tảng, dịch vụ khác nhau nhƣ Facebook Messenger, các nền tảng Google, Skype, v.v chatbot của bạn sẽ làm việc với mọi nền tảng này nếu bạn thiết lập tích hợp đúng cách. Dialogflow sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) giúp phân tích ngôn ngữ tự nhiên để hiểu đƣợc những gì ngƣời dùng đƣa vào. Hiện Dialogflow có 2 phiên bản: - Standad: Hoàn toàn miễn phí để sử dụng - Và Enterprise: Cần trả một ít tiền 2.4.2 Cấu trúc của Dialogflow Dialogflow gồm có 5 phần chính là Agent, Intent, Entities, Fulfillment và Intergrations. Hình 2.4: Các phần của Dialogflow BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9
  26. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT a. Agent Agent là khái niệm đƣợc dùng để đại diện cho một mô-đun (module) NLU (Natural Language Understanding – Phân tích để hiểu ngôn ngữ tự nhiên). Agent giúp bạn phân tích những những gì ngƣời dùng đƣa vào (text hoặc voice) để chuyển thành những dữ liệu mà bạn có thể xử lý đƣợc bằng lập trình. Bạn sẽ sử dụng một Agent để quản lý các đoạn hội thoại thông qua Intents, Entities. b. Intent Intent là đại diện cho một ánh xạ giữa những gì ngƣời dùng đƣa vào và hành động sẽ đƣợc thực hiện bởi phần mềm. Một Intent là một tập những gì ngƣời dùng nói mà chúng có cùng một ý nghĩa. Hình 2.5: Các mục trong một Intent Giao diện intent có các phần nhƣ sau: Contexts BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10
  27. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Events Training phrases Action and parameters Responses Fulfillment Contexts Contexts thể hiện ngữ cảnh hiện tại của yêu cầu ngƣời dùng. Điều này giúp cho chatbot hiểu ngƣời dùng đang nói gì bằng việc phân biệt các cụm từ mơ hồ hoặc có ý nghĩa khác nhau. Trong một Intent của Dialogflow có input context và output context nhƣ hình dƣới đây: Hình 2.6: Hình ảnh mục context Input context có nhiệm vụ giúp Dialogflow xác định Intent này chỉ đƣợc thực hiện khi đang có các context tƣơng ứng. Output context đƣợc tạo ra khi một intent đƣợc gọi và dùng để xác định đâu là intent tiếp theo. Mặc định, một context của Dialogflow sẽ hết hạn sau 5 lần requests hoặc 10 phút kể từ khi nó đƣợc tạo ra Events Events là một tính năng cho phép bạn gọi các intents theo tên sự kiện thay vì truy vấn từ ngƣời dùng. Dƣới đây là các tên event đƣợc Dialogflow hỗ trợ khi ngƣời dùng click vào các nền tảng nhắn tin. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11
  28. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7: Hình ảnh mục Events Training Phrases Là những gì mà ngƣời dùng có thể nói để thực hiện một yêu cầu nhất định. Có 2 loại user say trong Dialogflow: @ Là những mẫu (template) văn bản mà nó sẽ tham chiếu đến các entities. “ Là những ví dụ (example) mà ngƣời dùng sẽ có thể nói. Hình 2.8: Hình ảnh mục Training Phrases BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12
  29. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mặc dù Dialogflow hỗ trợ cả hai loại hình trên, nhƣng khuyến cáo chúng ta chỉ nên sử dụng loại số 2 (example) vì nó giúp cho việc học cũng nhƣ xử lý của Dialogflow hoạt động nhanh & tối ƣu hơn. Ngoài ra, chúng ta hãy ghi nhớ khi tạo intents, nếu nhập đƣợc càng nhiều các ví dụ ở user say thì càng giúp cho Chatbot càng “thông minh” hơn. Action and parameters Action (hành động) chính là giá trị mà Dialogflow hỗ trợ để giúp lập trình viên phân biệt đƣợc trong trƣờng hợp này đâu là các văn bản liên quan đến Intent đề cập và đâu là các văn bản khác. Đi kèm với Action là các Parameter (tham số). Hình 2.9: Hình ảnh của mục Action & Parameters Parameters là các tham số thƣờng đƣợc trích xuất trong câu nói của ngƣời dùng, đƣợc liên kết với các entities. Mỗi tham số là giá trị đƣợc trích xuất từ văn bản của ngƣời dùng thông qua việc sử dụng các entities tƣơng ứng, ví dụ: Tham số address, kiểu @sys.location, khi đó, trong văn bản của ngƣời dùng có Hà Nội, hay Đà Nẵng, Tokyo, New York, Paris, thì sẽ đƣợc Dialogflow xử lý để gán vào cho tham số address. Khi định nghĩa các tham số, có các thông tin mà chúng ta cần quan tâm: Constant: Là giá trị mà chúng ta nhập vào ô value, tham số sẽ luôn luôn mang giá trị này. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 13
  30. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Default: Là giá trị mặc định đƣợc gán cho tham số nếu trong văn bản của ngƣời dùng không đề cập đến. IsList: giúp Dialogflow xác định cả 3 giá trị sẽ đƣợc gán vào cho cùng 1 tham số. Required: Khi required đƣợc lựa chọn, nếu trong văn bản của ngƣời dùng mà Dialogflow không tìm đƣợc giá trị để gán vào cho tham số, Dialogflow sẽ đánh dấu để yêu cầu ngƣời dùng đƣa vào. Khi đó câu hỏi từ chatbot để yêu cầu ngƣời dùng cung cấp thông tin sẽ đƣợc viết tại mục Prompt. Respone Respone là những câu trả lời tƣơng ứng với những câu hỏi ngƣời dùng đặt ra ở trên, chúng ta có thể sử dụng giá trị của parameters để trả lời cho ngƣời dùng. Để sử dụng , chúng ta sử dụng theo định dạng $parameter_name. Hình 2.10: Hình ảnh mục Responses Fulfillment Cài đặt để cho phép bạn gửi thông tin từ intent đó khi nó đƣợc ngƣời dùng yêu cầu đến web service và nhận thông tin xử lí từ nó. Thông tin đƣợc gửi dƣới định dạng Json có cấu trúc nhƣ sau: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 14
  31. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.11: Hình ảnh của mục Fulfillment Trong đó, có 4 mục chính là: responseId : Id duy nhất cho mỗi yêu cầu. session: Id làm việc duy nhất. queryResult: Kết quả của yêu cầu đoạn hội thoại. originalDetectIntentRequest: Yêu cầu đến từ một nền tảng tích hợp. c. Entities Khái niệm Entities là những công cụ đƣợc sử dụng để trích xuất các giá trị của tham số từ ngôn ngữ tự nhiên. Bất kỳ những gì mà bạn muốn biết từ nội dung của ngƣời dùng đều sẽ có một Entity tƣơng ứng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 15
  32. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.12: Hình ảnh của mục Entities Phân loại Dialogflow định nghĩa ra ba loại Entities: System (là các entities đƣợc tạo bởi Dialogflow) Developer (là các entities đƣợc tạo bởi lập trình viên) User (là entities đƣợc tạo ra cho mỗi lần hỏi của ngƣời dùng) System Entities Đây là những entities đƣợc tạo sẵn bởi Dialogflow (giống nhƣ trong ngôn ngữ lập trình thì String, Number, là những kiểu dữ liệu đƣợc tạo sẵn bởi ngôn ngữ lập trình) để tạo điều kiện cho lập trình viên dễ dàng hơn trong việc xử lý những nghiệp vụ cơ bản của mọi loại Chatbot. Tùy thuộc vào ngôn ngữ là Tiếng Anh, tiếng Pháp, hay tiếng Nhật, mà số lƣợng system entities của mỗi ngôn ngữ sẽ khác nhau. Developer Entities Đây là những entities do lập trình viên tạo ra. Cấu tạo của entities Cấu tạo entities kiểu mapping gồm 2 thành phần: Reference value (Là giá trị mà developer cần nhận đƣợc) Synonyms (Là những từ đồng nghĩa) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 16
  33. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ý nghĩa của nó là khi ngƣời dùng nói có đề cập đến bất kỳ văn bản nào giống nhƣ những văn bản trong phần synonyms thì nó đều đƣợc ánh xạ về giá trị reference. d. Fulfillment Fulfillment (hay Webhook) là một API ở Backend mà chúng ta cần cung cấp để Dialogflow gọi đến khi cần xử lý nghiệp vụ trƣớc khi Dialogflow trả lời lại cho ngƣời dùng. Service của bạn sẽ nhận POST request từ Dialogflow bất kỳ khi nào ngƣời dùng nhắn tin đến Dialogflow. e. Integrations Đây là mục để tích hợp Dialogflow vào các nền tảng nhắn tin khác. Có rất nhiều nền tảng đƣợc Dialogflow hỗ trợ. Hình 2.13: Các nền tảng tích hợp trong Integrations BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 17
  34. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.5 RASPBERRY PI 3 2.5.1 Giới thiệu về Board Raspberry Pi Hình 2.14: Board Raspberry Pi Raspberry Pi là một chiếc máy tính tí hon giá chỉ từ 35$ chạy hệ điều hành Linux ra mắt vào tháng 2 năm 2012. Ban đầu Raspberry Pi đƣợc phát triển dựa trên ý tƣởng tiến sĩ Eben Upton tại đại học Cambridge muốn tạo ra một chiếc máy tính giá rẻ để học sinh có thể dễ dàng tiếp cận và khám phá thế giới tin học. Raspberry Pi (RPi) là một máy tính siêu nhỏ, chỉ có kích thƣớc nhƣ 1 chiếc thẻ ATM rút tiền. Bạn chỉ cần 1 bàn phím, 1 tivi hoặc 1 màn hình có cổng HDMI/DVI, 1 nguồn USB 5V và 1 dây micro USB là đã có thể sử dụng RPi nhƣ 1 máy tính bình thƣờng. Với RPi, bạn có thể sử dụng các ứng dụng văn phòng, nghe nhạc, xem phim độ nét cao (tới 1024p). 2.5.2 Phần cứng của Raspberry Pi 3 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 18
  35. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.15: Phần cứng của Raspberry Pi Thông số kỹ thuật Nội dung 5V DC, dòng cấp tối thiểu Nguồn cung cấp 800 mA. SoC Broadcom BCM2836. ARM Cortex-A7 lõi tứ, CPU xung nhịp 900 MHz. Broadcom VideoCore IV xung nhịp 250 MHz. OpenGL ES 2.0 (tốc độ GPU 24 GFLOPS). MPEG-2 và VC-1, 1080p30 H.264/MPEG-4 AVC. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 19
  36. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1 Gb SDRAM (đƣợc chia RAM sẻ giữa GPU và CPU). Cổng USB 4 cổng USB 2.0. Cổng CSI (15 chân) sử Ngõ vào video dụng chung với module camera. Ngõ ra video HDMI (rev 1.3.và 1.4). Cổng audio 3.5 mm hoặc Ngõ ra audio cổng HDMI. Khe cắm thẻ nhớ Hỗ trợ thẻ MicroSD Cổng Ethernet 10/100 Kết nối mạng Mbit/s, chuẩn RJ45. Ngõ ra khác 17 chân GPIO. Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật của Raspberry Pi Trung tâm của RPi là vi xử lý Broadcom BCM2835 chạy ở tốc độ 700mHz. Đây là vi xử lý SoC (system-on-chip) tức là hầu hết mọi thành phần của hệ thống gồm CPU, GPU cũng nhƣ audio, communication chip đều đƣợc tích hợp trong một. Chip SoC này nằm ngay bên dƣới chip memory Hynix 512 MB màu đen ở giữa board. a. Nguồn cung cấp Kit Raspberry Pi 3 model B (gọi tắt là kit raspberry Pi 3) đƣợc cấp nguồn qua cổng microUSB nhƣ hình 2.1, với mức điện áp là 5V DC, dòng cấp khuyến nghị là 800 mA khi không gắn ngoại vi. Các trƣờng hợp còn lại, ta nên sử dụng nguồn có dòng cấp từ 1000 mA đến 2000 mA. b. Các cổng giao tiếp BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 20
  37. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.16: Các cổng giao tiếp trên Raspberry Trên kit sử dụng các cổng giao tiếp sau: HDMI: Hỗ trợ các độ phân giải từ 640x350 đến 1920x1200 theo cả 2 chuẩn màu PAL và NTSC. Dòng cấp cho cổng HDMI là 50 mA. CSI: Trên kit có cổng kết nối với module camera thƣờng hoặc camera NoIR (dành riêng cho kit Raspberry Pi) gồm 15 chân. Dòng cấp cho camera là khoảng 250 mA. Audio: Kit hỗ trợ xuất âm thanh qua cổng Audio chuẩn 3.5 mm. Cổng Ethernet: Chuẩn giao tiếp RJ45, tốc độ 10/100 Mbit/s. Khe cắm thẻ nhớ microSD: Mọi dữ liệu, bao gồm cả hệ điều hành của kit đƣợc lƣu trữ trên thẻ nhớ. Ta nên sử dụng thẻ nhớ microSD class 10, dung lƣợng tối thiểu là 8Gb để đảm bảo tốc độ cũng nhƣ không gian lƣu trữ. Cổng USB: Trên kit có 4 cổng USB chuẩn A. Mặc định dòng cấp tối đa ở các cổng này là 600 mA. Kit sử dụng IC AP2553W6 để quản lý năng lƣợng trên các cổng USB, do đó ta có thể thay đổi dòng cung cấp từ 0.6A đến 1.2A bằng cách thay đổi giá trị trong tập tin /boot/config.txt. Việc cấu hình sai có thể gây hại cho kit. TFT Touch Screen: nơi đây sẽ giúp cho bạn có thể kết nối Raspberry Pi với màn hình cảm ứng để hiển thị và sử dụng Raspberry một cách trực quan nhất. Chúng ta có thể thực hiện các tác vụ tƣơng đƣơng nhƣ khi sử dụng chuột và bàn phím. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 21
  38. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TV: dùng để kết nối và phát tín hiệu hình ảnh lên Tivi. c. Các chân giao tiếp GPIO của kit Raspberry PI 2 có 40 chân giao tiếp nhƣ hình 2.17 bên dƣới. Các GPIO có thể đƣợc sử dụng để điều khiển ngoại vi nhƣ LEDs, động cơ, relays, Nó cũng có thể đƣợc sử dụng để đọc trạng thái của nút nhấn, switch, hoặc các cảm biến nhƣ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, các module RFID, module cảm biến gia tốc, Lƣu ý là các chân GPIO xuất tín hiệu ở mức điện áp là 3.3V, tổng dòng cấp đồng thời cho tất cả các chân là 50 mA. Nhƣ vậy mỗi chân GPIO có dòng ngõ ra dao động trong khoảng 2mA đến 16 mA. GPIO không đƣợc thiết kế để kéo tải có công suất lớn. Chân nguồn số 2 và số 4 có thể sử dụng để cấp nguồn. Các chân này có dòng cấp phụ thuộc vào nguồn cung cấp cho kit hoạt động. Ví dụ: nguồn cung cấp là 1000 mA thì chúng có thể cung cấp dòng vào khoảng 300 mA. Để lập trình giao tiếp có các GPIO này, ta cần có thƣ viện chân của chúng. Tùy thuộc vào ngôn ngữ lập trình đang sử dụng là C hay Python mà có thƣ viện tƣơng ứng. Đối với ngôn ngữ C, ta cài đặt thƣ viện BCM2835 do Mike McCauley phát triển, tƣơng ứng với Python là thƣ viện RPi.GPIO. Hình 2.17: Sơ đồ chân GPIO BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 22
  39. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT GPIO: Raspberry Pi cung cấp nhiều cổng GPIO, giao tiếp SPI, I2C, Serial. Các cổng GPIO đƣợc sử dụng để xuất/nhận giá trị 0/1 ra/vào từ bên ngoài. Giao tiếp SPI, I2C, Serial có thể đƣợc dùng để kết nối trực tiếp với các vi điều khiển khác. Đặc biệt phù hợp cho những ai cần điều khiển các thiết bị điện tử ngoại vi. Hình 2.18: Hình ảnh thực tế các chân GPIO 2.5.3 Hệ điều hành Raspbian cho kit Raspberry Pi Các Raspberry Pi sử dụng hệ điều hành dựa trên nền tảng Linux. Phần cứng GPU đƣợc truy cập thông qua Image Firmware đƣợc nạp vào GPU vào lúc khởi động từ thẻ SD. Linux là tên gọi của một họ các hệ điều hành mã nguồn mở. Lúc đầu, nó đƣợc phát triển để chạy trên các máy tính PC dựa trên kiến trúc Intel X86 nhƣng hiện nay, Linux đã đƣợc port qua nhiều kiến trúc khác. Cái tên Linux đƣợc gọi do nó sử dụng nhân hệ điều hành là Linux kernel. Linux kernel đƣợc giới thiệu lần đầu vào tháng 10 năm 1991, đƣợc viết và duy trì bởi Linus Torvalds. Từ Linux, ngƣời ta đã phát triển nhiều hệ điều hành khác nhau nhƣ Ubuntu, Debian, CentOS, Red Hat, gọi chung là các bản phân phối. Raspbian là một bản phân phối mã nguồn mở, đƣợc xây dựng dựa trên Debian, nhƣng đƣợc tối ƣu để phù hợp với phần cứng của kit Raspberry Pi. Phiên bản đầu tiên ra đời vào tháng 6 năm 2012. Hiện nay, Raspbian vẫn đang là một trong những bản phân phối phổ biến và đƣợc cộng đồng hỗ trợ nhiều nhất dành cho Raspberry Pi, với hơn 35000 gói phần mềm có sẵn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 23
  40. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Raspbian sử dụng môi trƣờng Desktop (Desktop Evironments) là MATE. Nó đƣợc phát triển từ giao diện GNOME 2, cung cấp một giao diện ngƣời dùng (GUI) hoàn chỉnh bằng cách sử dụng chung một toolkit và thƣ viện để xây dựng các thành phần đồ họa. Hình 2.19: Giao diện hệ điều hành Raspbian Trên kit Raspberry Pi, quá trình boot hệ điều hành Raspbian đƣợc trợ giúp bởi GPU nằm trên SoC. GPU chứa một lõi RISC nhỏ để có thể chạy các đoạn code nằm trên ROM của nó. Nhờ những đoạn code này, GPU có thể khởi tạo cho chính bản thân nó cũng nhƣ cho thẻ nhớ SD-nơi chứa hệ điều hành của kit. 2.6 ĐỘNG CƠ SERVO 2.6.1 Giới thiệu động cơ servo Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt. Không giống nhƣ động cơ thông thƣờng cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi đƣợc điều khiển (bằng xung PWM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o, tuy nhiên còn có loại quay đƣợc từ 0o - 360o. Mỗi loại servo có kích thƣớc, khối lƣợng và cấu tạo khác nhau. Có loại thì nặng chỉ 9g (chủ yếu dùng trên máy bay mô mình), có loại thì sở hữu một momen lực lớn (vài chục Newton/m), hoặc có loại thì khỏe và nhông sắc chắc chắn, BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 24
  41. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.20: Hình ảnh động cơ Servo 2.6.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ servo Động cơ servo đƣợc thiết kế những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ đƣợc nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ đƣợc hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chƣa đạt đƣợc vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt đƣợc điểm chính xác. - Sơ đồ chân: Chân Màu (thƣờng gặp) VCC (+5v) Đỏ GND Đen, Nâu Tín hiệu điều khiển Cam, Vàng Bảng 2.2: Các chân của Servo - Điều khiển động cơ servo bằng pwm: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 25
  42. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.21: Điều khiển động cơ servo bằng Duty Cycle - Công thức tính: Duty Cycle = - Quy định góc quay: Duty Cycle Góc quay 2.5 % 00 7.5 % 900 12.5 % 1800 Bảng 2.3: Hình ảnh xung tƣơng ứng với góc quay Duty Cycle là phần trăm ở mức cao của xung trong 1 chu kỳ xung. Ví dụ: tần số f = 50 hz => T = 1/f = 1/50 = 20 ms. Duty Cycle = time/20ms = 2.5% => time = 0.5 ms (góc 0o). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 26
  43. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.7 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DHT11 DHT11 Là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm rất thông dụng hiện nay, lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire ( giao tiếp digital 1-wire truyền dữ liệu duy nhất). Cảm biến đƣợc tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về đƣợc chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào. Đặc điểm: - Điện áp hoạt động : 3V - 5V (DC) - Dải độ ẩm hoạt động : 20% - 90% RH, sai số ±5%RH - Dải nhiệt độ hoạt động : 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C - Tần số lấy mẫu tối đa: 1 Hz - Khoảng cách truyển tối đa: 20m Sơ đồ chân Cảm biến DHT11 gồm 2 chân cấp nguồn, và 1 chân tín hiệu. Xem hình dƣới: Hình 2.22: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 2.8 MODULE RELAY 2 CHANNEL 5V Module Relay 2-Channel 5V đƣợc dùng nhiều trong các ứng dụng đóng ngắt các thiết bị tiêu thụ dòng điện lớn (<10A). Module có thể đóng ngắt cùng lúc hai kênh bằng tín hiệu điều khiển ( với mức điện áp 3V3 hoặc 5V) từ các vi điều khiển khác nhau nhƣ: Arduino, 8051, AVR, PIC, DSP, ARM, ARM, MSP430, logic TTL, BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 27
  44. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT đồng thời module đƣợc cách ly bằng optocoupler giúp bảo vệ tốt hơn cho các vi điều khiển. Hình 2.23: Module Relay 2 channel 5V Module đƣợc kết nối với các board điều khiển bằng 4 chân header nhƣ sau: - VCC cung cấp nguồn cho các opto. - GND kết nối với GND của board điều khiển. - IN1 và IN2 dùng để điều khiển relay 1 và relay 2, tích cực mức thấp Ngoài ra còn một 3 chân header đƣợc dùng để cấp nguồn cho relay, header này sẽ có một jumper dùng để kết nối chân VCC với chân RY_VCC mục đích dùng chung nguồn VCC (5V) từ header 4 chân cho relay, thông thƣờng jumper đƣợc nối lại với nhau. Nếu nhƣ muốn cách ly tín hiệu điều khiển với nguồn cấp cho relay thì có thể bỏ jumper này ra và cấp nguồn riêng 5V cho chân RY_VCC. Thông số kỹ thuật: Đóng ngắt đƣợc dòng điện cao: AC250V 10A, DC30V 10A 2 led báo trạng thái relay Điện áp điều khiển: 5V Mạch cách ly bằng opto Kích thƣớc: 50x45 mm 2.9 MOSFET Mosfet là Transistor hiệu ứng trƣờng (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 28
  45. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Transistor thông thƣờng mà ta đã biết. Mosfet thƣờng có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT. Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi nhƣ là 1 khóa đóng mở. Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trƣờng để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu. Hình 2.24: Hình ảnh Mosfet 2.9.1 Cấu tạo Mosfet Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ. Hình 2.25: Các cực của Mosfet Cấu tạo của Mosfet ngƣợc Kênh N G : Gate gọi là cực cổng S : Source gọi là cực nguồn D : Drain gọi là cực máng Trong đó : G là cực điều khiển đƣợc cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhƣng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 29
  46. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT (Sio2). Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các hạt mang điện. Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn , còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS ) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từ trƣờng làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ. Kí hiệu Mosfet: Hình 2.26: Hình ảnh các loại Mosfet 2.9.2 Nguyên lí hoạt động Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao. Nhƣng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng. Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs0. Dòng điện sẽ đi từ S đến D. Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp điều khiển đóng là Ugs<=0. Dòng điện sẽ đi từ D xuống S. Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất ngƣời ta thƣờng : Đối với Mosfet Kênh N điện áp khóa là Ugs = 0 V còn Kênh P thì Ugs=~0. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 30
  47. CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Chƣơng 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 GIỚI THIỆU Nhà thông minh đƣợc thiết kế sử dụng raspberry pi 3 cho việc điều khiển và giám sát những thiết bị trong nhà thông qua việc giao tiếp với chatbot. Sau khi nhận đƣợc yêu cầu của ngƣời dùng, chatbot gửi thông tin đến raspberry để thực hiện điều khiển phần cứng, đồng thời xử lí đƣa ra câu trả lời cho ngƣời dùng. Các yêu cầu điều khiển từ ngƣời dùng bao gồm : - Đóng mở các thiết bị nhƣ đèn, quạt. - Điều khiển dimmer để điều khiển độ sáng của bóng đèn. - Thực hiện đóng mở cửa bằng động cơ servo - Gửi thông tin về nhiệt độ, độ ẩm của căn phòng khi có yêu cầu của ngƣời dùng. 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống a. Sơ đồ khối hệ thống Request POST User Dialogflow Fulfillment Webhook Response 200 OK Raspberry (Python) Khối nguồn Device Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 31
  48. CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ User: Là ngƣời dùng trò chuyện trực tiếp với chatbot. Dialogflow: Nhận yêu cầu của ngƣời dùng, và sau khi xử lí thì sẽ trả lời cho yêu cầu của ngƣời dùng. Fulfillment: Là nơi cho phép Dialogflow gửi thông tin đến webhook. Webhook: Là nơi tiếp nhận thông tin từ Dialogflow. Rasberry Pi: Xử lí thông tin nhận đƣợc để điều khiển phần cứng, đồng thời trả về response ngƣợc lại cho Dialogflow. Divice: Là khối công suất, thực hiện yêu cầu điều khiển của ngƣời dùng. Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho raspberry và khối công suất hoạt động. b. Sơ đồ mô hình hệ thống Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế mô hình 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch Phần này, nhóm tiến hành thiết kế, tính toán ra sơ đồ nguyên lí cho từng khối. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 32
  49. CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ a. Thiết kế khối Dialogflow Đây là khối giúp chatbot trò chuyện với ngƣời dùng và phân tích câu nói của ngƣời dùng bằng Natural Language Processing(NLP) thành dữ liệu dƣới định dạng file Json, từ đó gửi đến webhook để xử lí và nhận câu trả lời tƣơng ứng từ webhook để hiển thị cho ngƣời dùng. b. Thiết kế khối điều khiển raspberry Là khối quan trọng nhất, có chức năng tạo ra webhook để nhận dữ liệu đƣợc gửi từ Dialogflow thông qua internet, từ đó tiến hành phân tích, xử lí dữ liệu để điều khiển thiết bị trong nhà theo yêu cầu của ngƣời dùng, đồng thời xử lí để gửi lại câu trả lời cho Dialogflow. c. Thiết kế khối điều khiển động lực Sơ đồ các khối trong mạch điều khiển động lực : Raspberry Pi 3 Module Mạch Servo Cảm biến Relay Dimmer Hình 3.3: Sơ đồ các khối điều khiển động lực Module Relay: Các thiết bị trong nhà sử dụng điện áp xoay chiều 220V nên để điều khiển đóng ngắt, ta dùng Module Relay. Vì ngõ ra điều khiển của raspberry là 3,3V nên ta chọn mạch Relay có áp điều khiển là 5V. Ta có cƣờng độ dòng điện định mức qua đèn là : I = = = 0.05 A (3.1) đm Ta chọn ICont > 2.5 x Iđm = 0.125 A. Ta chọn Module relay có I = 10 A (3.2) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 33
  50. CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Mạch dimmer : Sơ đồ nguyên lí : Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lí mạch dimmer Giá trị điện áp trung bình sau khi qua cầu chỉnh lƣu: VAVG = √ .VRMS )/ = 0.9 x 220 = 198 V (3.3) Cƣờng độ dòng điện khi Mosfet ngƣng dẫn là : I = = 1.9 mA (3.4) Cƣờng độ dòng điện qua led phát quang oppto : I = = = 10 mA (3.5) Khối cảm biến : Để giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong nhà và trả về kết quả khi có yêu cầu của ngƣời dùng, ta dùng một cảm biến DHT11. DHT11 sử dụng nguồn đƣợc cấp trực tiếp từ Raspberry Pi. Khối Servo : BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 34
  51. CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Để thực hiện yêu cầu đóng mở cửa, ta sử dụng động cơ servo MG90S để điều khiển góc quay phù hợp thực hiện yêu cầu đóng mở cửa. d. Thiết kế khối nguồn Sử dụng nguồn 220V AC cung cấp trực tiếp cho raspberry pi3 và các thiết bị sử dụng điện xoay chiều. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 35
  52. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Chƣơng 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 GIỚI THIỆU Chƣơng này gồm phần thi công trên màn hình và kết quả thi công mạch dimmer và xây dựng mô hình nhà thông minh. 4.2 THIẾT KẾ DIALOGFLOW 4.2.1 Lƣu đồ giải thuật Lƣu đồ khi ngƣời dùng yêu cầu điều khiển các thiết bị đến chatbot thông qua text trò chuyện : Can you help you? Yêu cầu điều khiển thiết bị N Prompt Y Y Ngƣời dùng nhập đầy đủ thông tin N Y Gửi dữ liệu đến Webhook Nhận dữ liệu đã xử lí ở Webhook N Y Hiển thị Reponse Hình 4.1: Lƣu đồ thiết kế trên Dialogflow BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36
  53. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Giải thích lƣu đồ: Bƣớc 1: Để trò chuyện đƣợc với chatbot, ngƣời dùng phải truy cập đƣợc internet và có đƣợc link để trò chuyện với chatbot. Bƣớc 2: Phân tích câu nói ngƣời dùng để phát hiện yêu cầu điều khiển thiết bị, nếu ngƣời dùng nhập chƣa đầy đủ thông tin để điều khiển thì chatbot sẽ hỏi lại ngƣời dùng để ngƣời dùng cung cấp đầy đủ thông tin. Bƣớc 3: Lƣu thông tin dƣới dạng file Json rồi gửi đến địa chỉ webhook đã lƣu ở mục Fulfillment để xử lí. Bƣớc 4: Nhận kết quả trả lại từ webhook và hiển thị cho ngƣời dùng. Bƣớc 5: Sẵn sàng nhận yêu cầu trò chuyện hay điều khiển tiếp theo từ ngƣời dùng. 4.2.2 Thiết kế cho yêu cầu điều khiển ON-OFF a. Tạo mới Agent Để bắt đầu với Dialogflow, ta tiến hành tạo mới Agent. Ở đây, nhóm em tạo Agent tên là finalproject, sau khi chọn các cài đặt cần thiết nhƣ múi giờ +7 thì tiến hành lƣu lại Agent. Hình 4.2: Tạo mới Agent BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 37
  54. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Tiến hành chuyển sang tab Languages để chỉnh ngôn ngữ là English. Hình 4.3: Cài đặt các thông số cho Agent Sau khi đã thiết lập các thông số, tiến hành lƣu lại và chuyển sang phần giao diện hỗ trợ cho lập trình viên để tạo 1 chatbot. b. Tạo entities Sau khi đã tạo mới Agent, ta chuyển sang tab entities để tạo mới. Ở đây, ta cần xác định 2 thực thể cần làm việc là điều khiển đèn nào và trạng thái cần điều khiển của đèn đó. Từ đó ta tạo ra 2 thực thể là @on-off và @led (tên entity do ngƣời lập trình viên tự đặt sao cho dễ hiểu và sử dụng nhất). Sau khi đã xác định đƣợc những entities cần tạo, ta tiến hành tạo mới entities. Hình 4.4: Thực hiện tạo mới Entities BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38
  55. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Sau khi nhấn vào tạo mới, ta tiến hành đặt tên cho entity và tiến hành nhập vào các giá trị. Nhƣ hình dƣới đây, đèn chỉ có 2 trạng thái là ON và OFF nên ta điền giá trị ON và OFF vào refence value, còn phần synonym, ta điền vào các từ đồng nghĩa hoặc ngầm hiểu là điều khiển on hoặc off đèn tƣơng ứng nhƣ hình dƣới đây: Hình 4.5: Hình ảnh entities on-off Sau khi đã hoàn thành, ta tiến hành nhấn Save để lƣu lại. Ta cũng thực hiện tƣơng tự đối với entity @led. Hình 4.6: Hình ảnh entities led c. Tạo Intent BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 39
  56. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Ta tiến hành tạo mới intent để phân tích câu nói của ngƣời dùng đƣa vào, từ đó ta xử lí và đƣa ra kết quả phù hợp cho ngƣời dùng. Tƣơng tự nhƣ tạo mới Enities, ta nhấp chọn Create Intent để tạo mới Intent. Ta tiến hành thao tác để tạo ra Intent on-off giúp chatbot hiểu yêu cầu ON- OFF các thiết bị từ ngƣời dùng và đƣa ra hành động hợp lí. Hình 4.7: Tạo mới intents Ở mục Training Phrases, ta tiến hành nhập các câu nói mà ngƣời dùng có thể nói để điều khiển thiết bị, Dialogflow sẽ tự động hightlight các giá trị của tham số trong entities vừa tạo ở trên để trích xuất lấy dữ liệu từ câu nói của ngƣời dùng, từ đó xử lí và đƣa ra kết quả phù hợp. Ta cũng có thể chỉnh sửa thủ công bằng cách bôi đen các từ muốn Dialogflow gắn tham số. Các giá trị tham số của Training Phrases sẽ đƣợc hiển thị trong phần Action and parameters. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40
  57. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.8: Bảng Action và Parameters Ở đây action là on:off. Action này sẽ giúp chúng ta xác định đâu là Intent đƣợc gửi tới webhook để có thể xử lí và đƣa ra kết quả phù hợp đối với yêu cầu ngƣời dùng. Và nhƣ ta thấy ở trên thì hai tham số là on-off và led vừa tạo ở entity đƣợc sử dụng để lấy giá trị dữ liệu từ ngƣời dùng. Ở đây, ta yêu cầu ngƣời dùng cung cấp đầy đủ thông tin bằng việc tích vào mục Required. Tiếp theo là mục Response, đây là nơi chúng ta sẽ trả lời đáp án tƣơng ứng cho ngƣời dùng mỗi khi Intent đƣợc gọi. Ở đây, nhóm em sử dụng giá trị của tham số trong chính câu nói của ngƣời dùng để trả lời. Nhƣ hình dƣới đây, ta có thể thấy đƣợc sau khi ngƣời dùng yêu cầu “Turn on led 1” thì chatbot sẽ trả lời đáp ứng yêu cầu của ngƣời dùng theo định dạng ta đã đặt ở Text response. Hình 4.9: Mục Responses Cuối cùng là mục fulfillment, click on “Enable webhook call for this intent” để khi Intent đƣợc gọi thì sẽ chuyển thông tin dƣới dạng Json đến webhook, server sẽ nhận và xử lí thông tin và cuối cùng trả về cho ngƣời dùng câu trả lời cho câu hỏi tƣơng ứng của ngƣời dùng thay vì trả lời theo định dạng mặc định ở mục Response ở trên. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 41
  58. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.10: Kích hoạt Fulfillment cho Intent Sau khi đã hoàn thành, ta nhấn Save để lƣu mới Intent. d. Fulfillment Hình 4.11: Đặt link webhook trong mục Fulfillment Đây là nơi đặt link của webhook, Dialogflow sẽ gọi đến địa chỉ này mỗi khi có Intent đã kích hoạt webhook đƣợc gọi đến. Đây sẽ là nơi tiếp nhận thông tin để serve có thể xử lí và trả lại kết quả cho Dialogflow để hiển thị cho ngƣời dùng. Ta cần kích hoạt Enable ở mục webhook và đặt link của webhook cần gọi vào mục URL, tiến hành nhấn Save để hoàn tất. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42
  59. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG e. Integrations Ta tích hợp chatbot vào các nền tảng nhắn tin, ở đây nhóm em sử dụng webdemo do Dialogflow hỗ trợ để tạo giao diện nhắn tin với ngƣời dùng. Enable web demo để kích hoạt tính năng này. Hình 4.12: Tùy chỉnh trong Integrations Sau khi enable web demo, chúng ta sẽ thấy đƣờng link. Chúng ta sẽ trò chuyện với chatbot thông qua đƣờng link này. Hình 4.13: Giao diện trò chuyện chatbot Đây là giao diện khi ta click vào đƣờng dẫn ở trên, ta trò chuyện với chatbot thông qua hộp thoại này. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 43
  60. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.3 Mở rộng cho điều khiển ON-OFF a. Thêm mới entities Trong một số trƣờng hợp ngƣời dùng thay vì yêu cầu điều khiển trực tiếp các đèn thì ngƣời dùng có thể yêu cầu thắp sáng hay tắt thiết bị ở phòng nào, lúc nào chúng ta cần lập trình cho chatbot hiểu đƣợc ngƣời dùng đang muốn gì để đáp ứng đúng yêu cầu ngƣời dùng. Lúc này ta phải tạo mới 2 enities là @room và @status để đáp ứng nhu cầu thắp sáng hay tắt của từng phòng. Hình 4.14: Thêm mới entities room Hình 4.15: Thêm mới entities status BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 44
  61. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG b. Thêm mới intent Chúng ta tiến hành thêm mới Intent và thao tác tƣơng tự nhƣ các bƣớc ở trên. Ở đây nhóm em đã tạo ra Intent on-off:condition. Sau đây là hình ảnh của Intent này: Hình 4.16: Thêm mới Intent on-off:condition Vẫn tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp ON-OFF thông thƣờng ở trên, khi ngƣời dùng cung cấp thiếu thông tin thì chatbot sẽ hỏi ngƣời dùng để cung cấp đầy đủ thông tin. Hình 4.17: Kết quả thao tác trên Intent mới Các bƣớc tiếp theo, nhóm em thực hiện tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp ON-OFF thông thƣờng ở trên. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 45
  62. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.4 Kết quả hoàn chỉnh trên Dialogflow Chúng ta thực hiện tƣơng tự nhƣ các bƣớc ở trên để đáp ứng những yêu cầu của ngƣời dùng nhƣ đóng mở thiết bị, điều khiển dimmer hay đọc giá trị từ cảm biến. Sau đây là một số hình ảnh thực hành hoàn chỉnh trên Dialogflow. a. Intents Hình 4.18: Kết quả hoàn thành Intent b. Entities Hình 4.19: Kết quả hoàn thành Entities 4.3 LẬP TRÌNH TRÊN RASPBERRY PI 3 4.3.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Python BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 46
  63. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Python là ngôn ngữ lập trình hƣớng đối tƣợng, cấp cao, mạnh mẽ, đƣợc tạo ra bởi Guido van Rossum. Nó dễ dàng để tìm hiểu và đang nổi lên nhƣ một trong những ngôn ngữ lập trình nhập môn tốt nhất cho ngƣời lần đầu tiếp xúc với ngôn ngữ lập trình. Python hoàn toàn tạo kiểu động và sử dụng cơ chế cấp phát bộ nhớ tự động. Python có cấu trúc dữ liệu cấp cao mạnh mẽ và cách tiếp cận đơn giản nhƣng hiệu quả đối với lập trình hƣớng đối tƣợng. Cú pháp lệnh của Python là điểm cộng vô cùng lớn vì sự rõ ràng, dễ hiểu và cách gõ linh động làm cho nó nhanh chóng trở thành một ngôn ngữ lý tƣởng để viết script và phát triển ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, ở hầu hết các nền tảng. a. Lịch sử của Python Python là một ngôn ngữ khá cũ đƣợc tạo ra bởi Guido Van Rossum. Thiết kế bắt đầu vào cuối những năm 1980 và đƣợc phát hành lần đầu tiên vào tháng 2 năm 1991. Hình 4.20: Ngôn ngữ Python b. Các phiên bản Python đã phát hành Phiên bản Ngày phát hành Python 1.0 (bản phát hành chuẩn đầu tiên) 01/1994 Python 1.6 (Phiên bản 1.x cuối cùng) 05/09/2000 Python 2.0 (Giới thiệu list comprehension) 16/10/2000 Python 2.7 (Phiên bản 2.x cuối cùng) 03/07/2010 Python 3.0 (Loại bỏ cấu trúc và mô-đun trùng lặp) 03/12/2008 Python 3.6 (Bản mới nhất tính đến thời điểm viết bài) 23/12/2016 Bảng 4.1: Các phiên bản Python đã phát hành BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 47
  64. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG c. Đặc điểm của ngôn ngữ lập trình Python - Ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ học: Python có cú pháp rất đơn giản, rõ ràng. Nó dễ đọc và viết hơn rất nhiều khi so sánh với những ngôn ngữ lập trình khác nhƣ C++, Java, C#. - Miễn phí, mã nguồn mở: Bạn có thể tự do sử dụng và phân phối Python, thậm chí là dùng cho mục đích thƣơng mại. Vì là mã nguồn mở, bạn không những có thể sử dụng các phần mềm, chƣơng trình đƣợc viết trong Python mà còn có thể thay đổi mã nguồn của nó. Python có một cộng đồng rộng lớn, không ngừng cải thiện nó mỗi lần cập nhật. - Khả năng di chuyển: Các chƣơng trình Python có thể di chuyển từ nền tảng này sang nền tảng khác và chạy nó mà không có bất kỳ thay đổi nào. Nó chạy trên hầu hết tất cả các nền tảng nhƣ Windows, macOS, Linux. - Khả năng mở rộng và có thể nhúng: Giả sử một ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp rất lớn,bạn có thể dễ dàng kết hợp các phần code bằng C, C++ và những ngôn ngữ khác (có thể gọi đƣợc từ C) vào code Python. Điều này sẽ cung cấp cho ứng dụng của bạn những tính năng tốt hơn cũng nhƣ khả năng scripting mà những ngôn ngữ lập trình khác khó có thể làm đƣợc. - Ngôn ngữ thông dịch cấp cao: Không giống nhƣ C/C++, với Python, bạn không phải lo lắng những nhiệm vụ khó khăn nhƣ quản lý bộ nhớ, dọn dẹp những dữ liệu vô nghĩa, Khi chạy code Python, nó sẽ tự động chuyển đổi code sang ngôn ngữ máy tính có thể hiểu. Bạn không cần lo lắng về bất kỳ hoạt động ở cấp thấp nào. - Thƣ viện tiêu chuẩn lớn để giải quyết những tác vụ phổ biến: Python có một số lƣợng lớn thƣ viện tiêu chuẩn giúp cho công việc lập trình của bạn trở nên dễ thở hơn rất nhiều, đơn giản vì không phải tự viết tất cả code. Những thƣ viện này đƣợc kiểm tra kỹ lƣỡng và đƣợc sử dụng bởi hàng trăm ngƣời. - Hƣớng đối tƣợng: Mọi thứ trong Python đều là hƣớng đối tƣợng. Lập trình hƣớng đối tƣợng (OOP) giúp giải quyết những vấn đề phức tạp một cách trực quan. Với OOP, bạn có thể phân chia những vấn đề phức tạp thành những tập nhỏ hơn bằng cách tạo ra các đối tƣợng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 48
  65. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.3.2 Giới thiệu phần mềm lập trình Python 3 IDLE Cả ngôn ngữ lập trình Python 2 và Python 3 đều đƣợc cài đặt sẵn khi cài hệ điều hành Raspbian nên ta có thể sử dụng cả Python 2 và Python 3 để lập trình. Để khởi động phần mềm lập trình Python 3 IDLE, ta tiến hành click chọn : Start => programing => Python 3 (IDLE). Ngay lập tức giao diện IDLE sẽ đƣợc hiển thị. Hình 4.21: Giao diện Python 3 IDLE Giao diện IDLE rất đơn giản và dễ sử dụng, để tạo File mới hoặc Open một file có sẵn ta click chọn File rồi chọn các mục tƣơng ứng. Hình 4.22: Thao tác file trên giao diện Python 3 IDLE BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 49
  66. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình dƣới đây chỉ ra chức năng các phần và thanh công cụ của Python 3 IDLE: Hình 4.23: Các phần của giao diện 4.3.3 Lƣu đồ giải thuật Giải thích lƣu đồ: Các bƣớc thực hiện đƣợc miêu tả bởi lƣu đồ dƣới (Hình 4.24). Bƣớc 1: Ta cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống bắt đầu khởi động và kết nối với mạng internet. Bƣớc 2: Sau khi khởi tạo hệ thống, nếu có dữ liệu đƣợc từ Dialogflow gửi đến thì hệ thống sẽ thực hiện xử lí, phân tích dữ liệu nhận đƣợc, từ đó thực hiện yêu cầu điều khiển thiết bị và tạo ra câu trả lời phù hợp với từng yêu cầu điều khiển từ ngƣời dùng. Bƣớc 3: Tiếp đến raspberry sẽ gửi câu trả lời đến Dialogflow để hiển thị câu trả lời cho ngƣời dùng. Bƣớc 4: Sẵn sàng nhận dữ liệu tiếp theo từ Dialogflow để xử lí và điều khiển thiết bị. Lƣu đồ điều khiển trên raspberry: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 50
  67. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Bắt đầu Khởi tạo hệ thống Nhận dữ liệu từ Webhook N Y Xử lý phân tích Điều khiển thiết bị N Gửi dữ liệu cho Dialogflow N Y Hình 4.24: Lƣu đồ điều khiển trên Raspberry Pi 4.3.4 Viết chƣơng trình hệ thống Ở đây ta tiến hành viết chƣơng trình tạo webhook để nhận dữ liệu từ Dialogflow và sử dụng dữ liệu đó để điều khiển khối điều khiển động lực, đồng thời gửi phản hồi về cho Dialogflow. Dƣới đây là một đoạn ngắn của chƣơng trình tạo webhook, vì soucre code khá dài nên nhóm em xin phép để đầy đủ source code ở phần phụ lục. #!/usr/bin/env python import urllib import json import os BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 51
  68. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG import RPi.GPIO as GPIO import Adafruit_DHT GPIO.setwarnings(False) GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(16, GPIO.OUT) GPIO.setup(23, GPIO.OUT) GPIO.setup(24, GPIO.OUT) GPIO.setup(25, GPIO.OUT) GPIO.setup(18, GPIO.OUT) pwm = GPIO.PWM(18, 500) pwm.start(100) GPIO.setup(13, GPIO.OUT) pwm1 = GPIO.PWM(13, 50) from flask import Flask from flask import request from flask import make_response # Flask app should start in global layout app = Flask(__name__) @app.route('/webhook', methods=['POST']) def webhook(): req = request.get_json(silent=True, force=True) print("Request:") print(json.dumps(req, indent=4)) res = makeWebhookResult(req) res = json.dumps(res, indent=4) print(res) #t = str(res["speech"]) r = make_response(res) #t= str(r.decode('utf-8')) print("*") print (r) #print ("*") r.headers['Content-Type'] = 'application/json' return r if __name__ == '__main__': port = int(os.getenv('PORT', 5000)) print("Starting app on port %d" %(port)) app.run(debug=True, port=port, host='0.0.0.0') 4.3.5 Public server lên internet bằng ngrok BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 52
  69. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Ở phần trên ta chỉ mới tạo ra webhook ở local host, để public server lên internet ta cần dùng ngrok. Vậy ngrok là gì ? Ngrok là công cụ tạo đƣờng hầm (tunnel) giữa localhost của bạn và internet. Giúp ngƣời khác mạng có thể truy cập đƣợc localhost của bạn thông qua custom domain của ngrok. Hình 4.25: Giới thiệu ngrok Ngrok có bản trả phí lẫn miễn phí, tuy nhiên bản miễn phí sẽ có nhiều hạn chế. Để có thể sử dụng ngrok ta tiến hành các bƣớc sau: - Đăng ký tài khoản free trên trang web: - Download ngrok về máy, tiến hành giải nén. - Vào folder bạn vừa giải nén, chạy câu lệnh ./ngrok http [port bạn muốn mở]. Ví dụ kết quả sau khi chạy port 5000 nhƣ hình dƣới: Hình 4.26: Hình ảnh chạy ngrok 4.4 THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN DIMMER BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 53
  70. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.4.1 Sơ đồ mạch PCB Dimmer Hình 4.27: Sơ đồ mạch in PCB Hình 4.28: Sơ đồ linh kiện 3D Dƣới đây là danh sách các linh kiện: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 54
  71. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Tên linh Kí kiện hiệu Giá trị Opto 4N35 OP1 Điện trở R3 6k8 Điện trở R1 100k Tụ điện C1 100uF/450V Điện trở R4 330 Ohm Diode Bridge D1 2A Diode D2 Diode Zenner R2 DIODE Zener Header 2 pin C2 Header2 MOSFET IRF840 Q1 IRF840 Domino J1, J2 KF2 Bảng 4.2: Danh sách linh kiện 4.4.2 Thi công mạch Một số hình ảnh thi công mạch hoàn chỉnh Hình 4.29: Hình ảnh mạch thi công BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 55
  72. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.30: Hình ảnh mạch sau thi công 4.5 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 4.5.1 Đóng gói bộ điều khiển Để bảo vệ raspberry pi 3 khỏi tác động bên ngoài, chúng em dùng vỏ nhựa để bảo vệ raspberry. Đồng thời trên vỏ cũng trang bị quạt tản nhiệt mini để giúp raspberry hoạt động tốt hơn. Dƣới đây là một số hình ảnh : Hình 4.31: Đóng gói bộ điều khiển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 56
  73. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.5.2 Thi công mô hình Để tạo mô hình nhà thông minh, nhóm em sử dụng vật liệu là bìa cứng. Sử dụng các dụng cụ để cắt ghép các phần lại với nhau để tạo mô hình ngôi nhà hoàn chỉnh. Thực hiện đính các thiết bị đèn vào một khối cố định nhƣ hình dƣới. Hình 4.32: Thi công khối đèn xoay chiều Sau đó kết nối đèn với thiết bị điều khiển công suất Relay, dimmer. Hình 4.33: Kết nối đèn với module Relay BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57
  74. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.34: Kết nối đèn với mạch dimmer Tiếp đến là rắp ráp cảm biến DHT11 và động cơ servo vào đúng vị trí. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58
  75. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.35: Kết nối Module DHT11 vào đúng vị trí Hình 4.36: Đặt đúng động cơ servo vào vị trí BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 59
  76. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Cuối cùng ta kết nối các bộ phận với bộ điều khiển raspberry pi 3. Hình 4.37: Kết nối với Raspberry Pi Hình 4.38: Hình ảnh mô hình thi công hoàn chỉnh BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 60
  77. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.6 KẾT QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG Sau khi ngƣời dùng nhập “Turn on led 2” thì ngay lập tức đèn 2 mở, đồng thời chatbot trả lời lại cho ngƣời dùng. Hình 4.39: Điều khiển thiết bị thông qua giao diện Hình 4.40: Kết quả sau khi nhận yêu cầu điều khiển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 61
  78. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Tƣơng tự khi ngƣời dùng yêu cầu mở cửa. Hình 4.41: Yêu cầu điều khiển đóng mở cửa Hình 4.42: Thực hiện mở cửa BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 62
  79. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Và trả lời thông tin nhiệt độ, độ ẩm khi đƣợc ngƣời dùng yêu cầu. Hình 4.43: Truy vấn thông tin nhiệt độ 4.7 TÀI LIỆU HƢỚNG DẪN, THAO TÁC 4.7.1 Tài liệu hƣớng dẫn sử dụng - Bƣớc 1: Cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống hoạt động sử dụng nguồn 220V AC. - Bƣớc 2: Sau khi khởi động hệ thống, tiến hành mở ứng dụng chatbot và trò chuyện với chatbot thông qua text message. - Bƣớc 3: Trò chuyện và yêu cầu điều khiển thiết bị đối với chatbot. 4.7.2 Quy trình thao tác Để giúp ngƣời sử dụng dễ dàng thao tác, dƣới đây là lƣu đồ quy trình vận hành hệ thống: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 63
  80. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.44: Lƣu đồ hƣớng dẫn sử dụng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 64
  81. CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Chƣơng 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Để thực hiện yêu cầu đề tài, nhóm em đã tập trung ghiên cứu và hoàn thiện đề tài đƣợc giao. Quá trình nghiên cứu đƣợc thực hiện trong 15 tuần, trong quá trình đó nhóm em không những biết đƣợc nhiều kiến thức mới mà còn ôn lại nhiều kiến thức cũ đã quên. Dƣới đây là những kiến thức mà chúng em học đƣợc. 5.1 DIALOGFLOW 5.1.1 Dialogflow Biết đƣợc cách sử dụng và khai thác sức mạnh của Dialogflow cung cấp cho ngƣời lập trình để tạo ra một chatbot thông minh. Biết đƣợc ý nghĩa của từng phần trong Dialogflow nhƣ: Agent Intents Contexts Events Training Phrases Action and parameters Responses Fulfillment Entities Integrations Training History Analytics Prebuilt Agents 5.1.2 Các khái niệm liên quan BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 65
  82. CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hiểu đƣợc các khái niệm nhƣ API, webhook, định dạng file Json và cách trích xuất dữ liệu từ định dạng file Json để phục vụ cho yêu cầu của đề tài. 5.2 RASPBERRY PI 3 5.2.1 Raspberry Pi 3 Biết cách cài đặt hệ điều hành cho raspberry, thiết lập IP tĩnh cho mạng Lan để điều khiển raspberry qua VNC khi raspberry pi 3 không có kết nối mạng. Thực hiện cài đặt, cập nhật các gói (package) cần thiết cho raspberry. Sử dụng ngôn ngữ Python để lập trình, cài đặt các thƣ viện Python cần thiết để lập trình phục vụ đề tài. Biết cách sử dụng các hàm các của thƣ viện nhƣ: GPIO.setwarnings() GPIO.setmode() GPIO.setup() GPIO.PWM() Hiểu đƣợc điện áp cấp từ Raspberry Pi 3 cũng nhƣ ý nghĩa các chân trên Raspberry, chẳng hạn nhƣ các chân của Raspberry chỉ đọc đƣợc Input là tín hiệu Digital, không có chân đọc Analog nhƣ Arduino. Cũng nhƣ tìm hiểu các chuẩn giao tiếp trên Raspberry. 5.2.2 Công cụ ngrok Biết cách sử dụng ngrok để public server, thực hiện xem xét quản lí những tác vụ đã thực hiện trên server. 5.3 PHẦN CỨNG 5.3.1 Mạch điều khiển dimmer Tìm hiểu nguyên lí của dimmer từ đó thực hành làm mạch mô phỏng dimmer để điều khiển thiết bị. Từ đó, ôn lại các kiến thức về linh kiện nhƣ Triac, Mosfet. Biết cách sử dụng phần mềm Altium Designer để vẽ mạch PBC phục vụ cho đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 66
  83. CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Biết cách hoàn thiện một mạch điện tử qua nhiều công đoạn khác nhau. 5.3.2 Động cơ Servo Tìm hiểu nguyên lí điều khiển động cơ servo bằng PWM để từ đó thực hiện yêu cầu điều khiển góc quay để đóng mở cửa. 5.3.3 Module Relay 2 kênh 5V Hiểu đƣợc cách hoạt động của module Relay, tính toán đƣợc dòng cần thiết để kích hoạt Relay. Từ đó thực hiện tác vụ điều khiển thiết bị. 5.3.4 Module cảm biến DHT11 Biết cách sử dụng module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 để cung cấp dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm hiện tại cho đề tài. 5.4 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ Nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thành những yêu cầu của đề tài đặt ra, đồ án nghiên cứu có những ƣu điểm nhƣ: Đề tài có tính thực tế cao, đặc biệt là trong những năm gần đây việc ứng dụng các lĩnh vực liên quan đến AI, Machine Learning vào các lĩnh vực đời sống ngày càng nhiều và đem lại hiệu quả cao. Chi phí xây dựng hệ thống không cao, tƣơng đối dễ sử dụng và vận hành. Qúa trình bảo trì hệ thống cũng khá đơn giản. Giao diện chatbot dễ sử dụng, đặc biệt có thể tích hợp với các nền tảng nhắn tin nhƣ Facebook message, Skype, Slack, để tăng tính thiết thực, gần gũi với ngƣời dùng. Hệ thống điều khiển trên thời gian thực, khi có yêu cầu điều khiển của ngƣời dùng thì ngay lập tức điều khiển các thiết bị trong ngôi nhà. Dựa trên lịch sử chat, ngƣời dùng có thể xem xét lịch sử đóng mở các thiết bị trong nhà. Tuy nhiên, hệ thống cũng có những hạn chế nhƣ: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 67
  84. CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hệ thống điều khiển thông qua internet nên yêu cầu phải có đƣờng truyền mạng ổn định và duy trì lâu dày. Tính bảo mật hệ thống không cao, bất cứ ai có link trò chuyện đều sẽ trò chuyện đƣợc với chatbot. Hệ thống sử dụng API Dialogflow của google để lập trình, nếu google ngƣng cung cấp API này thì hệ thống không hoạt động. Sử dụng mới ngrok sẽ cho địa chỉ url khác nhau nên mỗi lần thay đổi cần phải cung cấp địa chỉ webhook mới trong phần fulfillment của Dialogflow. Độ trễ của hệ thống phụ thuộc vào tốc độ và độ ổn định của đƣờng truyền. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 68
  85. CHƢƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN Từ những yêu cầu đã đặt ra ở chƣơng 1, nhóm thực hiện đề tài nhận xét hệ thống hoạt động khá ổn định và đáp ứng những yêu cầu của đề tài đặt ra. Đó là hệ thống thông qua việc trò chuyện với chatbot để điều khiển các thiết bị trong nhà với giao diện đơn giản, dễ sử dụng và có thể trò chuyện với ngƣời dùng. Mô hình thiết kế nhà thông minh đơn giản, dễ nhìn giúp dễ dàng hình dung hình ảnh ngôi nhà ngoài thực tế. Việc bố trí các module cũng nhƣ các thiết bị khá hợp lí. Tính an toàn của hệ thống đƣợc đảm bảo, an toàn cho ngƣời sử dụng. Tuy nhiên, hệ thống còn có những hạn chế là phụ thuộc vào đƣờng truyền internet, tính bảo mật chƣa đƣợc cao, chatbot có thể trò chuyện với ngƣời dùng những câu trò chuyện đơn giản, không thông minh khi yêu cầu ngƣời dùng phức tạp, khó hiểu. 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN Tích hợp chatbot vào các nền tảng nhắn tin để thân thiện và tiện lợi hơn cho ngƣời dùng. Đồng thời, ngoài việc trò chuyện đơn giản với ngƣời dùng thì chúng ta có thể tích hợp thêm nhiều API khác để chatbot thông minh hơn và sẽ trả lời đƣợc hết những đoạn thoại của ngƣời dùng nhƣ một con ngƣời thật sự. Đó là các API về thời tiết, API về đọc báo, API về mua sắm, vv và đặc biệt là tích hợp API simsimi của ứng dụng chatbot nhắn tin nổi tiếng. Từ đó, chatbot đƣợc xem nhƣ một trợ lí của ngôi nhà, trò chuyện, hỗ trợ mua sắm, cung cấp thông tin, báo chí cho ngƣời dùng. Có thể tích hợp thêm API Voice để chatbot giao tiếp với ngƣời dùng bằng lời nói thay vì nhắn tin text thông thƣờng. Có thể linh hoạt mở rộng thêm nhiều thiết bị cần điều khiển đối với những ngôi nhà, dự án khác nhau. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 69
  86. TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thu Hà, “Giáo trình điện tử cơ bản”, NXB ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2013. [2] Hoàng Ngọc Văn, “Giáo trình thực hành điện tử công suất”, Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, 2015. [3] Matt Richardson and Shawn Wallace, “Getting Started with Raspberry Pi”, Pushlished by O’Reilly Media, Inc., 2012. [4] Cao Văn Tiến và Nguyễn Văn Nghĩa, “Điều khiển thiết bị qua internet dùng raspberry pi 2 thông qua wifi”, Trƣờng ĐH SPKT Tp.HCM, 2016. [5] Nick Quinlan, “What’s a webhook”, www.sendgrid.com, 2014. [6] Sachin Kumar, “How to create a chatbot using Dialogflow Enterprise Edition and Dialogflow API V2”, 2018. [7] Jestin Cubetech, “Safe and simple AC pwm dimmer for Arduino/ Raspberry pi”, 2013. [8] Tài liệu trên website Dialogflow: [9] Trang chủ của Raspberry : [10] Website datasheet linh kiện: alldatasheet.com BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 70
  87. PHỤ LỤC PHỤ LỤC #!/usr/bin/env python import urllib import json import os import RPi.GPIO as GPIO import Adafruit_DHT GPIO.setwarnings(False) GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(16, GPIO.OUT) GPIO.setup(23, GPIO.OUT) GPIO.setup(24, GPIO.OUT) GPIO.setup(25, GPIO.OUT) GPIO.setup(18, GPIO.OUT) pwm = GPIO.PWM(18, 500) pwm.start(100) GPIO.setup(13, GPIO.OUT) pwm1 = GPIO.PWM(13, 50) from flask import Flask from flask import request from flask import make_response # Flask app should start in global layout app = Flask(__name__) @app.route('/webhook', methods=['POST']) def webhook(): req = request.get_json(silent=True, force=True) print("Request:") print(json.dumps(req, indent=4)) res = makeWebhookResult(req) res = json.dumps(res, indent=4) print(res) #t = str(res["speech"]) r = make_response(res) #t= str(r.decode('utf-8')) print("*") print (r) #print ("*") r.headers['Content-Type'] = 'application/json' return r def makeWebhookResult(req): #if req.get("queryResult").get("action") != "on-off": # return {} #if req.get("queryResult").get("action") != "on-off.condition": # return {} sp1="" sp2="" sp3="" BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 71
  88. PHỤ LỤC sp4="" sp5="" sp6="" sp7="" sp8="" sp9="" sp10="" sp11="" sp12="" sp13="" sp14="" result = req.get("queryResult") parameters = result.get("parameters") val = parameters.get("on-off") val2 = parameters.get("led") val3 = parameters.get("status") val4 = parameters.get("percentage") val5 = parameters.get("status-door") val6 = parameters.get("temperature") val7 = parameters.get("unit-temperature") val8 = parameters.get("humidity") val9 = parameters.get("room") val10 = parameters.get("hot-cold") if req.get("queryResult").get("action") == "on-off": if len(val)==len(val2): for i in range (0, len(val)): for j in range (0, len(val2)): if i == j: if val[i] =="on": if val2[j] == "all": GPIO.output(16, GPIO.HIGH) GPIO.output(23, GPIO.HIGH) GPIO.output(24, GPIO.HIGH) GPIO.output(25, GPIO.HIGH) sp11 = "turn on all" if val2[j] == "led 1": GPIO.output(16, GPIO.HIGH) sp1 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "led 2": GPIO.output(23, GPIO.HIGH) sp2 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "led 3": GPIO.output(24, GPIO.HIGH) sp3 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "fan": GPIO.output(25, GPIO.HIGH) sp4 = val[i] + " " + val2[j] if val[i] =="off": if val2[j] == "all": GPIO.output(16, GPIO.LOW) GPIO.output(23, GPIO.LOW) GPIO.output(24, GPIO.LOW) GPIO.output(25, GPIO.LOW) sp12 = "turn off all" if val2[j] == "led 1": GPIO.output(16, GPIO.LOW) sp5 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "led 2": GPIO.output(23, GPIO.LOW) sp6 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "led 3": BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 72
  89. PHỤ LỤC GPIO.output(24, GPIO.LOW) sp7 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "fan": GPIO.output(25, GPIO.LOW) sp8 = val[i] + " " + val2[j] else: for i in range (0,len(val)): for j in range (0, len(val2)): if val[i] =="on": if val2[j] == "led 1": GPIO.output(16, GPIO.HIGH) sp1 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "led 2": GPIO.output(23, GPIO.HIGH) sp2 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "led 3": GPIO.output(24, GPIO.HIGH) sp3 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "fan": GPIO.output(25, GPIO.HIGH) sp4 = val[i] + " " + val2[j] if val[i] =="off": if val2[j] == "led 1": GPIO.output(16, GPIO.LOW) sp5 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "led 2": GPIO.output(23, GPIO.LOW) sp6 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "led 3": GPIO.output(24, GPIO.LOW) sp7 = val[i] + " " + val2[j] if val2[j] == "fan": GPIO.output(25, GPIO.LOW) sp8 = val[i] + " " + val2[j] speech = "OKK, " + sp1 + " " + sp2 + " " + sp3 + " " + sp4 + " " + sp5 + " " + sp6 + " " + sp7 + " " + sp8 + " " + sp11 + " " + sp12 elif req.get("queryResult").get("action") == "on-off:condition": if val3 =="light": if val9 == "room 1": GPIO.output(16, GPIO.HIGH) if val9 == "room 2": GPIO.output(23, GPIO.HIGH) if val9 == "room 3": GPIO.output(24, GPIO.HIGH) #if val2 == "room 4": #GPIO.output(25, GPIO.HIGH) if val3 =="dark": if val9 == "room 1": GPIO.output(16, GPIO.LOW) if val9 == "room 2": GPIO.output(23, GPIO.LOW) if val9 == "room 3": GPIO.output(24, GPIO.LOW) #if val2 == "room 4": #GPIO.output(25, GPIO.LOW) speech = "OKK, " + val3 + " " + val9 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 73
  90. PHỤ LỤC elif req.get("queryResult").get("action") == "action.dimmer": a="" for i in val4: if i =="%": break a=a+i #print a dc = 100.0 - float(a) pwm.ChangeDutyCycle(dc) speech = "OK, dimmer " + a + "%" elif req.get("queryResult").get("action") == "action.door": if val5 == "open": pwm1.start(5) if val5 == "close": pwm1.start(10) speech = "OK, " + val5 + " door" elif req.get("queryResult").get("action") == "action.temperature": if val6 == "temperature": if val7 == "C": humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(11, 27) sp9 = "temperature is " + str(temperature) + " C" if val7 == "F": humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(11, 27) temperature1 = temperature*1.8 + 32 sp10 = "temperature is " + str(temperature1) + " F" speech = sp9 + " " + sp10 elif req.get("queryResult").get("action") == "action.humidity": if val8 == "humidity": humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(11, 27) speech = "the humidity is " + str(humidity) + "%" elif req.get("queryResult").get("action") == "action.dht11": if val6 == "temperature" and val8 == "humidity": humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(11, 27) speech = " The temperature is " + str(temperature) + " C and the humidity is " + str(humidity) + "%" elif req.get("queryResult").get("action") == "action.fan": if val10 == "hot": GPIO.output(25, GPIO.HIGH) sp13 = "i turn on fan" if val10 == "cold": GPIO.output(25, GPIO.LOW) sp14 = "i turn off fan" speech = "OK, " + sp13 + " " + sp14 else: return {} print("Response:") print(speech) return { "fulfillmentText": speech, #"fulfillmentMessages": speech , #"data": {}, #"contextOut": [], #"source": "BankRates" } if __name__ == '__main__': port = int(os.getenv('PORT', 5000)) print("Starting app on port %d" %(port)) app.run(debug=True, port=port, host='0.0.0.0') BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 74
  91. PHỤ LỤC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 75