Luận Văn Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh nhận diện và điều khiển trạng thái vật

TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh nhận diện và điều khiển trạng thái vật
Information
[TABLE]
[TR]
[TD="width: 5%"][/TD]
[TD="width: 90%"]TÓM TẮT

Nhà thông minh đang là một xu hướng đang phát triển trong việc xây dựng các công trình nhà ở, các căn hộ, hay các trung tâm thương mại. Từ lâu, nó đã là một đề tài thu hút được nhiều sự quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học cũng như cộng đồng. Với tiêu chí đó, khóa luận này sẽ trình bày về cách xây dựng mô hình một hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh sử dụng PPC ( Pocket Personal Computer). Trong đó, đưa ra một cách nhận diện và xác định vị trí của các đồ vật thiết bị trong nhà thông qua ảnh số thu được từ camera. Điều này sẽ giúp tăng khả năng tương tác với chúng thông qua các công cụ điều khiển. Ngoài ra, khóa luận cũng sẽ cung cấp một cách tiếp cận đơn giản trong việc kết nối và điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua một máy tính duy nhất.

Từ khóa: nhà thông minh, nhận diện đối tượng trong ảnh số.
ABSTRACT

Smart house or home automation is one of the up and coming trend in developing buildings such as residential houses, apartments, and commercial businesses. For a long time, it is a topic attracting much attention and research of science and the community. Thus, this bachelor thesis will show how to build a model system to monitor and control the smart house with PPC (Pocket Personal Computer). In particular, it proposes a method to identify and determine the positions of the objects through a number of images from the camera. This will help increase the ability to interact with them through the control devices. In addition, the thesis also will provide a simple approach to connect and control devices in the home through a single computer.


Keywords : smart house, home automation, identify objects in images, detect object in digital images.

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i
TÓM TẮT .ii ABSTRACT .iii
MỤC LỤC iv
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ. vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU viii Chương 1. Đặt vấn đề . 2
1.1 Lý do chọn đề tài . 2

1.2 Phạm vi nghiên cứu và hướng tiếp cận 4

1.2.1 Nhận diện đối tượng trong ảnh số thu được từ camera 5

1.2.2 Điều khiển các thiết bị trong gia đình từ máy tính 5

1.3 Nội dung và cấu trúc khóa luận . 6

Chương 2. Các cơ sở lý thuyết 7

2.1 Tính toán khắp nơi và các ứng dụng 7

2.1.1 “Tính toán khắp nơi” là gì? 7

2.1.2 Vị trí của “Tính toán khắp nơi” 7

2.2 Tổng quan về nhà thông minh . 8

2.2.1 Định nghĩa nhà thông minh 8

2.2.2 Các ưu điểm của nhà thông minh 8

2.3 Một số khái niệm trong xử lý ảnh và bài toán nhận diện đối tượng trong ảnh 9

2.3.1 Không gian màu HSV 9

2.3.2 Các cách tiếp cận bài toán nhận diện đối tượng trong ảnh. 15

2.4 Các giao thức và mô hình kết nối. 16

2.4.1 Giao thức Bluetooth . 16

2.4.2 Giao thức wireless chuẩn B/G 17

Chương 3. Mô hình hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh. 21

3.1 Bài toán và mô hình chung của hệ thống . 21

3.1.1 Hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 21

3.1.2 Mô hình đề xuất . 21

3.2 Các thành phần của hệ thống và các giải pháp . 22

3.2.1 Bài toán nhận diện đối tượng trong ảnh số 22

3.2.2 Kết nối và tương tác với PPC . 28

3.2.3 Điều khiển các thiết bị điện điện tử từ máy tính 31

Chương 4. Thực nghiệm và chương trình demo 32

4.1 Cấu trúc của chương trình demo 32

4.2 Các thành phần chính và thực nghiệm trong chương trình demo 33

4.2.1 Mô đun nhận và xử lý ảnh từ camera 33

4.2.2 Mô đun kết nối và tương tác với PPC . 38

4.2.3 Mô đun điều khiển các thiết bị điện, điện tử từ máy tính 38

4.3 Một số hình ảnh và mô tả về chương trình demo . 39

4.4 Kết quả và đánh giá . 44

Chương 5. Kết luận và hướng phát triển . 45

5.1 Kết luận . 45

5.2 Hướng phát triển của đề tài 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47


1.1 Lý do chọn đề tài

Chương 1. Đặt vấn đề


Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung mà công nghệ thông tin nói riêng góp một phần không nhỏ trong sự thay đổi và phát triển của cuộc sống con người. Chiếc máy vi tính ngày càng có nhiều những chức năng mạnh mẽ giúp ích con người thực thi các công việc trong rất nhiều lĩnh vực như khoa học, sản xuất công nghiệp hay các lĩnh vực xã hội khác như kinh tế, chính trị, văn hóa .

Không chỉ máy tính, sự phát triển chóng mặt của các thiết bị di động cầm tay cũng tác động không nhỏ đến đời sống của con người. Những chiếc PDA nhỏ gọn, thông minh không chỉ giúp mọi người liên lạc với nhau dễ dàng hơn, mà nó còn cung cấp rất nhiều những tính năng hữu ích khác như các ứng dụng văn phòng, giải trí, khả năng kết nối mạng để tìm hiểu thông tin Với những tính năng mạnh mẽ ấy cộng với giá thành vừa phải đã khiếp các thiết bị này trở nên rất phổ biến và như vật bất ly thân của rất nhiều người.

Sự ra đời của các mạng máy tính mà điển hình là internet là bước cách mạng trong truyền thông. Các công nghệ mạng ngày càng đa dạng phong phú với những bước tiến nhảy vọt như mạng toàn cầu, mạng không dây . chúng giúp con người hay cụ thể hơn là giúp kết nối các hệ thống máy tính riêng lẻ lại với nhau tạo ra ra sự liên kết bền chặt trong việc trao đổi thông tin.

Kinh tế phát triển, đời sống được nâng cao, nhu cầu của cong người về một cuộc sống thoải mái, an toàn, tiện nghi là điều tất yếu. Chính vì vậy, ý tưởng về nhà thông minh SmartHomes, SmartHouses, hay Home Automation .) đã ra đời như là ý tưởng về một ngôi nhà thân thiện với các thiết bị vận hành một cách tự động theo ý muốn hay trang thái của chủ nhân.

Ý tưởng trên là một ý tưởng thực sự khả thi và đem lại nhiều lợi ích cho con người và nó đã được rất nhiều các nhà khoa học, các tổ chức trong và ngoài nước quan tâm phát triển. Nhà thông minh là một ý tưởng tương đối rộng, nó có thể bảo gồm từ những thiết bị điều khiển đơn giản như điều khiển ti vi bằng điều khiển từ xa cho đến những điều khiển tự động bằng cảm ứng như thay đổi ánh sáng, nhiệt độ phòng tùy theo sở thích của chủ nhân hay thay đổi đề phù hợp với các điều kiện thời tiết thay đổi để tạo sự dễ chịu nhất cho chủ nhân . Cũng vì sự đa dạng ấy nên cũng đã có rất nhiều những kĩ thuật khác nhau đã từng được áp dụng trong các giải pháp về nhà thông minhnhư điều khiển ánh sáng và khí hậu, điều khiển đóng mở cửa, những hệ thống an ninhvà giám sát, điều khiển hệ thống âm thanh giải trí trong gia đính hay các hệ thống tự động chăm sóc vườn cây . Và các thành phần để triển khai những kĩ thuật này có một số loại như sau: các thiết bị điều khiển bằng phần cứng (hardware controller), các phần mềm điều khiển (software controller), các thiết bị cảm ứng (sensors). Việc kết nối các thành phần này cũng sử dụng rất nhiều loại môi trương truyền dân đa dạng như: có dây (cáp quang, cáp mạng, đường dây điện .) hay không dây (các loại sóng radio bao gồm wi-fi, GPRS, bluetooth, .; tín hiệu hồng ngoại .)

Với các công nghệ và cách thức áp dụng dựa trên những công nghệ trên đã có một số công ty, tổ chức đưa ra hệ thống nhà thông minh hay các thiết bị thành phần trong nhà thông minh. Trong đó có những công ty triển khai những sản phẩm thông minh mang tính thương mại cho từng công việc trong gia đình, công sở. Ngoài ra cũng có một số dự án nghiên cứu của cộng đồng mà nguồn mở về đề tài này như dự án HCS- Home Control System [5], được phát triển từ năm 2004 đến năm 2007, dự án này xây dựng một hệ thống điều khiển cản nhà dựa trên một mạng các thiết bị với những nốt thông minh và một thiết bị điều khiển chủ. N Nó có thể điều khiển các thiết bị số cũng như các thiết bị tương tự. Một cách đơn giản, kiến trúc của nó gồm một bộ xử lý trung tâm kết nối với các mô đun chức năng (sẽ là các thiết bị cần điều khiển) thông qua một mạng. Việc điều khiển các mô đun được thực hiện bởi bộ xử lý trung tâm. Đặc điểm chính của hệ thống này là đa phần được thực hiện bởi phần cứng (các mạnh, bộ vi xử lý .). Một dự án khác cũng đang được phát triển hiện tại là OpenRemote [6], thành phần chính của giải pháp này là một gói các sản phầm phần mềm và phần cứng bao gồm: một phần mềm giao diện được phát triển trên các thiết bị có màn hình cảm ứng (hiện tại đang tập trung vào màn hình cảm ứng của dòng điện thoại iPhone) có chức năng nhận lệnh điều khiển từ người dùng; một phần mềm điều khiển chức năng là nhận lênh từ thiết bị điều khiển và kết nối tới các thiết bị vật lý (hiện nay nó có hỗ trợ chuẩn X10 – một chuẩn công nghệ sử dụng trong truyền thông giữa các thiết bị điện tử thường dùng trong các hệ thống nhà tự động); một thành phần nữa đó là thành phần tích hợp vào trong các thiết bị điện tử để cho phép chúng có thể kết nối được với hệ thống.
Những dự án trên cho thấy, các hệ thống nhà thông minh đã phát triển một cách khá rộng rãi và đạt được nhiều thành tựu lớn trên thế giới. Tuy nhiên trong phạm vi nước ta, theo tìm hiểu của chúng tôi, thì các các ứng dụng hay các sản phẩm thuộc về ý tưởng nhà thông minh mới chỉ phát triển ở mức hạn chế, đa phần là cung cấp và triểnkhai các sản phẩm của nước ngoài một cách riêng lẻ rời rạc, chưa đưa ra được nhữnggiải pháp mang tính hệ thống, những giải pháp hoàn chỉnh.

Từ thực trạng trên chúng tôi muốn đưa ra mô hình của một hệ thống tính toán khắp nơi thực hiện công việc giám sát và điều khiển một căn nhà thông minh sử dụng camera và PPC (hình 1.1). Hình ảnh thu được từ camera sẽ được server (có thể chỉ là một máy tính trong mạng LAN của một gia đình) xử lý và nhận diện các thiết bị có trong hình sau đó hình ảnh này cùng với tọa độ của các thiết bị sẽ được truyền tới PPC thông qua một giao thức mạng không dây, hình ảnh sẽ được tái hiện lên màn hình cảm ứng của PPC. Tại đây người dùng có quan sát trạng thái và chọn thiết bị sau đó ra lệnh điều khiển, lập tức các tín hiệu điều khiển này sẽ được truyền trả về server, server sẽ phân tích và điều khiển thiết bị thực tế đã được kết nối với server qua một giao thức mạng. Một ứng dụng vừa cho phép kiểm soát an ninh, tai nạn . có thể xảy ra bất thường trong nhà, vừa cho phép điều khiển các thiết bị để có một cuộc sống tiện nghi, tự động.

1.2 Phạm vi nghiên cứu và hướng tiếp cận

Đề tài đưa ra một mô hình tổng quát của hệ thống giám sát và điều khiển một căn nhà thông minh. Tuy nhiên trong phạm vi khóa luận này, chúng tôi xin được tập trung vào hai thành phần chính của hệ thống đó là mô đun xử lý hình nhận về từ camera vàmô đun điều khiển các thiết bị điện trong gia đình được kết nối với máy tính. Thành phần còn lại là kết nối và điều khiển từ PPC sẽ được thực hiện bởi một bạn khác trong nhóm.

1.2.1 Nhận diện đối tượng trong ảnh số thu được từ camera

Như đã biết, nhận diện các đối tượng trong ảnh là một phần rất căn bản và quan trọng trong công nghệ phân tích và xử lý ảnh. Việc nhận diện các đối tượng trong ảnh số một cách tự động giúp máy tính lấy được nhiều thông tin ngữ nghĩa hơn từ những bức ảnh. Điều này có ý nghĩa đặt biệt quan trọng trong những bài toán phân lớp một khối lượng ảnh lớn theo các thuộc tính được quan tâm như chủ đề, sự phân bố màusắc .

Để giải quyết bài toán nhận diện này thông thường có hai cách tiếp cận đó là sử dụng các phương pháp học máy và sử dụng các bộ luật do người phát triển tự định nghĩa. Cách thứ nhất có ưu thế về độ chính xác, nhưng lại tương đối phức tạp cần khối lượng tính toán lớn, thời gian thực hiện cũng khá cao. Còn cách thứ hai có ưu thế về tính đơn giản, thời gian thực hiện, nhưng độ chính xác không ổn định. Với yêu cầu của bài toán là nhận diện các đối tượng đã chỉ định sẵn nên chúng tôi quyết định sử dụng cách tiếp cận thứ thứ hai để tận dụng ưu thế về thời gian cũng như dễ dàng trong cài đặt và thực hiện.

Phương pháp này sẽ dựa trên ý tưởng kết hợp việc đánh dấu các đối tượng cùng với đưa ra một bộ luật để nhận diện các đối tượng này trong ảnh thu được từ camera. Cách này phù hợp với hoàn cảnh thực hiện, nó có thể được phát triển trong thời gian không quá dài. Hơn nữa với bài toán xử lý ảnh trong giám sát thuật toán còn cần khả năng đáp ứng về mặt thời gian nên ưu thế về tốc độ của phương pháp này đáng để lựa chọn.

1.2.2 Điều khiển các thiết bị trong gia đình từ máy tính

Ngày nay, các thiết bị điện trong gia đình ngày càng phong phú đa dạng, từ những thiết bị đơn giản như đèn, quạt điện hay đến những thiết bị hiện đại như ti vi, tủ lạnh, điều hòa nhiệt độ, bình nóng lạnh . Dễ thấy các thiết bị này đã có rất nhiều những phương thức điều khiển đơn giản và hiệu quả như sử dụng điều khiển từ xa, các chức năng hẹn giờ tắt giờ bật Nhưng đa số chúng chỉ được điều khiển một cách đơn lẻ, riêng biệt, chưa có phương thức cho phép kết nối chung lại một khối và có thể điều khiển một cách tập trung. Ở khía cạnh công nghệ, điều này hoàn toàn có thể thực hiệnđược nếu các nhà sản xuất cung cấp thêm các phương thức kết nối và điều khiển đểcho phép chúng có thể kết nối tới máy vi tính, một thiết bị đặc biệt với những chức năng mạnh mẽ trong việc tính toán xử lý và phối hợp các hành động. Tuy nhiên, do nhiều lý do thực tế mà hiện tại điều này chưa được triển khai trên các thiết bị hiện nay. Và để giải quyết vấn đề này, trong phạm vi khóa luận này, chúng tôi có sử dụng một thiết bị trung gian có khả năng kết nối với máy tính và các thiết bị điện trong gia đình, đồng thời cho phép nhận lệnh từ máy tính để điều khiển một số tính năng đơn giản, cơ bản nhất của thiết bị như tắt, bật.

1.3 Nội dung và cấu trúc khóa luận

Chương 1: Đặt vấn đề

Giới thiệu chung về khái niệm nhà thông minh, tình hình, thực trạng của các công nghệ sử dụng trong việc xây dựng và phát triển các hệ thống về nhà thông minh trong và ngoài nước hiện nay. Đưa ra mô hình đề xuất về việc xây dựng một hệ thống ứng dụng tính toán khắp để thực hiện giám sát và điều khiển nhà thông minh sử dụng camera và PPC. Đồng thời cũng đưa ra phạm vi nghiên cứu cũng như hướng tiếp cận của các bài toán nhỏ. Từ đó chương này giới thiệu về nội dung mà chúng tôi nghiên cứu và thực hiện thông qua việc trình bày về nội dung và cấu trúc khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày về các cơ sở lý thuyết được áp dụng để xây dựng nên mô hình đã đề xuất, cũng như các lý thuyết để áp dụng trong việc giải quyết các bài toán nhở.

Chương 3: Mô hình giám sát và điều khiển nhà thông minh sử dụngcamera và PPC

Trình bày mô hình, các thành phần chính cũng như các giải pháp kĩ thuật được sửdụng được chúng tôi đề xuất để giải quyết bài toán đặt ra.

Chương 4: Thực nghiệm và Demo

Giới thiệu về chương trình demo thực hiện mô hình đã đặt ra.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]



​