Thiết kế Hệ Thống Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh Bằng Giọng Nói | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

1. Mục tiêu thiết kế
Trong thời đại công nghệ 4.0, xu hướng tự động hóa và điều khiển thông minh
đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực nhà thông minh (Smart Home).
Người dùng ngày càng mong muốn tương tác với các thiết bị điện trong nhà một
cách tiện lợi, nhanh chóng và hiện đại hơn thay vì thao tác thủ công.
Đề tài “Điều khiển thiết bị trong nhà bằng giọng nói” được thực hiện nhằm mang
lại trải nghiệm điều khiển tự nhiên thông qua giọng nói, giúp người dùng dễ dàng
bật/tắt các thiết bị như đèn, quạt, máy lạnh,… chỉ bằng các câu lệnh nói đơn giản.
Hệ thống ứng dụng công nghệ IoT (Internet of Things) kết hợp với nhận dạng
giọng nói (Speech Recognition) để xử lý và thực thi các lệnh điều khiển. Người
dùng có thể điều khiển thiết bị thông qua trợ lý ảo Google Assistant, ứng dụng
Blynk / Firebase, hoặc thông qua vi điều khiển (như ESP8266/ESP32) kết nối Internet.
Việc điều khiển bằng giọng nói không chỉ nâng cao tính tiện nghi mà còn hỗ trợ
người cao tuổi, người khuyết tật trong việc sử dụng thiết bị điện dễ dàng hơn.
Hệ thống được thiết kế với các mục tiêu chính sau:
- Xây dựng mô hình điều khiển thiết bị điện trong nhà (đèn, quạt, ổ cắm, v.v.) sử
dụng vi điều khiển kết nối Wi-Fi (ESP8266 hoặc ESP32).
- Tích hợp điều khiển bằng giọng nói thông qua Home Assistant, cho phép
người dùng ra lệnh bằng tiếng Việt hoặc tiếng Anh.
- Hiển thị trạng thái thiết bị theo thời gian thực trên giao diện ứng dụng hoặc web.
- Đảm bảo độ chính xác và độ trễ thấp trong việc thực thi lệnh điều khiển.
- Thiết kế hệ thống dễ mở rộng, có thể thêm nhiều thiết bị khác trong tương lai.
- Đảm bảo an toàn điện và bảo mật dữ liệu trong quá trình truyền – nhận lệnh điều khiển. 2. Danh mục phần cứng 1. ESP32
- ESP32 là một hệ thống vi điều khiển trên chip (SoC) giá rẻ của Espressif
Systems, nhà phát triển của ESP8266 SoC. Nó là sự kế thừa của SoC ESP8266
và có cả hai biến thể lõi đơn và lõi kép của bộ vi xử lý 32-bit Xtensa LX6 của
Tensilica với Wi-Fi và Bluetooth tích hợp.
- Điểm tốt về ESP32, giống như ESP8266 là các thành phần RF tích hợp của nó
như bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, công tắc ăng-
ten, bộ lọc và Balun RF. Điều này làm cho việc thiết kế phần cứng xung quanh
ESP32 rất dễ dàng vì bạn cần rất ít thành phần bên ngoài.
- Một điều quan trọng khác cần biết về ESP32 là nó được sản xuất bằng công
nghệ 40 nm công suất cực thấp của TSMC. Vì vậy, việc thiết kế các ứng dụng
hoạt động bằng pin như thiết bị đeo, thiết bị âm thanh, đồng hồ thông minh, ...,
sử dụng ESP32 sẽ rất dễ dàng. Hình 1: Hình ảnh ESP32
2. Module relay (Module 2 – 4 kênh)
Relay là một thiết bị điện tử có chức năng đóng hoặc ngắt mạch điện nhờ vào
tín hiệu điều khiển điện áp thấp. Trong hệ thống IoT điều khiển thiết bị bằng
giọng nói, relay đóng vai trò trung gian giúp vi điều khiển (ESP32, ESP8266,
Arduino, Raspberry Pi, v.v.) có thể điều khiển các thiết bị điện xoay chiều
(AC) như đèn, quạt, máy bơm, ổ cắm, v.v. một cách an toàn.
Một số ưu điểm của relay:
o Điều khiển thiết bị điện áp cao (AC) bằng tín hiệu điện áp thấp (DC).
o Cách ly an toàn giữa mạch điều khiển và tải.
o Dễ tích hợp với ESP32, Arduino và các hệ thống IoT.
Hình 2: Hình ảnh relay 2 – 4 kênh 3. Nguồn điện
Nguồn điện là một thành phần cực kỳ quan trọng trong hệ thống IoT điều khiển
thiết bị bằng giọng nói. Nguồn cung cấp phải ổn định, đủ dòng và an toàn, vì
nó ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của vi điều khiển (ESP32/ESP8266) và
các module điều khiển như relay, cảm biến, hoặc module Wi-Fi.
Vai trò của nguồn điện bao gồm:
o Cung cấp năng lượng cho vi điều khiển, relay, module cảm biến, và thiết bị phụ trợ.
o Ổn định điện áp đầu ra để hệ thống hoạt động liên tục, tránh reset hoặc treo mạch.
o Cách ly điện áp cao – thấp, đảm bảo an toàn cho người dùng và thiết bị. 3. Sơ đồ tổng quan Hình 3: Sơ đồ tổng quan 4. Mô hình giao tiếp
Mô hình giao tiếp được chia thành 4 đối tượng: Ứng dụng, Home Assistant,
Gemini và các MicroController
Đầu tiên, khi người dùng ra lệnh, ứng dụng sẽ thu nhận lệnh của người
dùng, có thể là lệnh trực tiếp hoặc lệnh bằng giọng nói. Sau khi nhận được lệnh,
ứng dụng sẽ gửi lệnh đến Home Assistant để xử lí.
Home Assistant nhận được lệnh từ ứng dụng, sẽ có 2 cách xử lí lệnh. Nếu
đó là lệnh trực tiếp, Home Assistant sẽ chuyển nó sang dạng lệnh cho phép
MicroController có thể xử lí. Nếu đó là lệnh bằng giọng nói, Home Assistant sẽ
đưa lệnh cho Gemini xử lí. Gemini sẽ chuyển dữ liệu giọng nói thành dạng lệnh
trực tiếp và gửi về cho Home Assistant. Home Assistant sẽ nhận lệnh và chuyển nó
thành dạng lệnh mà MicroController có thể xử lí.
MicroController nhận lệnh từ Home Assistant và thực hiện lệnh, cho phép
tắt/bật các thiết bị trong nhà theo ý muốn của người dùng.
Hình 4: Sơ đồ mô hình giao tiếp