Khóa luận Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh: Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Đình Anh Cương
XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU
KHIỂN NHÀ THÔNG MINH:
NHẬN DIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN TRẠNG THÁI VẬT
THỂ QUA IP CAMERA
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
HÀ NỘI - 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Đình Anh Cương
XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU
KHIỂN NHÀ THÔNG MINH:
NHẬN DIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN TRẠNG THÁI VẬT
THỂ QUA IP CAMERA
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Hà
Cán bộ đồng hướng dẫn: Th.S Vũ Quang Dũng
HÀ NỘI - 2009
VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY, HA NOI
COLLEGE OF TECHNOLOGY
Nguyen Dinh Anh Cuong
BUILDING A MONITOR AND CONTROL SMART
HOUSE SYSTEM:
DETECT AND CONTROL DEVICES THROUGH
IP CAMERA
GREDUATION THESIS
Major field: Information Technology
Supervisor: Nguyễn Việt Hà, Dr. Eng
Co-supervisor: Vũ Quang Dũng, Master
HA NOI - 2009
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn tới thầy giáo TS Nguyễn Việt Hà và
ThS Vũ Quang Dũng, hai thầy đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo cho em trong suốt thời
gian làm khóa luận vừa qua.
Em cũng xin bày tở lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Công
nghệ thông tin – Trường Đại học Công nghệ -Đại học Quốc gia Hà Nội. Các thầy cô
đã luôn nhiệt tình dạy dỗ và tạo điều kiện cho chúng em học tập và nghiên cứu trong
suốt những năm học đại học.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên trong tập thể lớp K50CA và
lớp CNPM, các bạn trong phòng thí nghiệm Toshiba đặc biệt là các bạn trong nhóm
nghiên cứu về xây dựng mô hình nhà thông minh là bạn Nguyễn Văn Hiển và bạn
Trần Duy Hưng, đã cho tôi những ý kiến đóng góp giá trị khi thực hiện đề tài này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người luôn ở bên động viên
và tạo điều kiện cho tôi thực hiện tốt khóa luận này.
Hà Nội, ngày 20/05/2009
Nguyễn Đình Anh Cương
i
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
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.
ii
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
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.
iii
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
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
iv
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
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
v
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu
Viết đầy đủ
Giải thích
Tên một không gian
màu cơ sở sử dụng
trong máy tính
Red Green Blue
RGB
Tên một không gian
Hue Saturation Value
Pocket Personal Computer
Object Exchange
HSV
PPC
màu
Giao thức truyền đối
OBEX
tượng qua Bluetooth
Personal computer
Identifier
PC
ID
Giao thức mạng
Internet Protocol
IP
internet
vi
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mô hình nhà thông minh ...............................................................................4
Hình 2.1: Dải mầu xám.............................................................................................. 10
Hình 2.3: Mặt phẳng màu ứng với một độ sáng.......................................................... 11
Hình 2.4: Sự thay đổi độ sáng theo tia phân giác........................................................ 11
Hình 2.5: Mặt phẳng phân bố màu.............................................................................12
Hình 2.6: Phân bố độ xám.......................................................................................... 13
Hình 2.7: Mô tả độ xám............................................................................................. 14
Hình 2.8: Hệ màu HSV.............................................................................................. 15
Hình 2.9: Giao thức Obex.......................................................................................... 17
Hình 2.10: Mô hình mạng cơ sở.................................................................................19
Hình 2.11: Mô hình mạng Ad-hoc ............................................................................20
Hình 3.1: Mô hình hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh.......................... 21
Hình 3.2: Mô hinh thuật toán nhận diện đối tượng trong ảnh số.................................24
Hình 3.3: Một mẫu kí hiệu đánh dấu..........................................................................26
Hình 3.4: Mộ mẫu kí hiệu đánh dấu khác...................................................................27
Hình 4.1: Các kí hiệu sử dụng....................................................................................33
Hình 4.2: Biểu đồ phân bố các màu đỏ, vàng, xanh rêu, xanh lam trong hệ màu HSV34
Hình 4.3: Một số ví dụ về kết quả nhận diện............................................................. 36
Hình 4.4: Một số ví dụ về kết quả nhận diện.............................................................. 37
Hình 4.5: ConsolerServer khi khởi động....................................................................40
Hình 4.6: Màn hình đăng nhập...................................................................................41
Hình 4.7: Hình ảnh đã nhận diện được tái hiện trên PPC............................................42
Hình 4.8: Bảng điều khiển thiết bị .............................................................................43
Hình 4.9: ConsolerServer khi nhận lệnh điều khiển từ PPC .......................................43
Hình 4.10: Thiết bị điều khiển trung gian...................................................................44
vii
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Bảng so sánh Wireless B/G và Bluetooth .............................. 28
Bảng 4.1: Bảng phân bố màu tập trung.................................................. 35
Bảng 4.2: Kết quả nhận diện.................................................................. 37
viii
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
Chương 1. Đặt vấn đề
1.1 Lý do chọn đề tài
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 minh
như điều khiển ánh sáng và khí hậu, điều khiển đóng mở cửa, những hệ thống an ninh
2
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
và 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 triển
3
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
khai các sản phẩm của nước ngoài một cách riêng lẻ rời rạc, chưa đưa ra được những
giải pháp mang tính hệ thống, những giải pháp hoàn chỉnh.
Hình 1.1 Mô hình nhà thông minh
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 và
4
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
mô 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 màu
sắc...
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 hiện
được nếu các nhà sản xuất cung cấp thêm các phương thức kết nối và điều khiển để
5
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
cho 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 dụng
camera và PPC
Trình bày mô hình, các thành phần chính cũng như các giải pháp kĩ thuật được sử
dụng 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.
6
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Chương 2. Các cơ sở lý thuyết
2.1 Tính toán khắp nơi và các ứng dụng
2.1.1 “Tính toán khắp nơi” là gì?
Tính toán khắp nơi (Ubiquitous computing) là một khái niệm kỹ thuật để chỉ một
xu hướng trong việc phát triển các phương pháp tính toán. Thay vì chúng ta tính toán
xử lý trong một chiếc máy tính để bàn hay máy tính xách tay của mình, thì kỹ thuật
này sẽ cho phép chúng ta đưa việc tính toán vào chính môi trường sống của mình, hay
nói một cách đơn giản là việc tính toán xử lý sẽ được thực hiện mọi lúc mọi nơi.
Mark Weiser, người đầu tiên đưa ra khái niệm về tính toán khắp nơi đã nói:”
Tính toán khắp nơi để chỉ làn sóng thứ ba trong công nghệ tính toán, nó đang bắt đầu.
Làn sóng đầu tiên là các máy tính lớn, mỗi máy được chia sẻ bởi nhiều người sử dụng.
Còn bây giờ là kỉ nguyên của máy tính cá nhân, nơi mà con người và máy móc không
dễ gì hiểu nhau qua giao diện làm việc. Tiếp theo sẽ là tính toán khắp nơi, hay thời đại
của "công nghệ lặng lẽ", khi mà kĩ thuật lùi xuống làm nền cho cuộc sống của chúng
ta.”[7]
Mark Weiser cũng mô tả rằng: ”hãy tưởng tượng rằng mỗi con người có hàng
trăm các thiết bị không dây xung quanh với đủ các kích cỡ khác nhau (màn hình từ cỡ
1 inch cho đến lớn bằng cả bức tường), khi đó đòi hỏi phải có những hệ điều hành
mới, những giao diện người dùng mới, những công nghệ mạng, các cách hiển thị mới,
và rất nhiều những việc cần làm khác. Đó chính là “tính toán khắp nơi”.”.
Trong thế giới của tính toán khắp nơi, sẽ có một công nghệ đồng nhất được áp
dụng, nó được triển khai trên tất cả các thiết bị mà ta sử dụng kể cả không gian. Ý
tưởng của công nghệ này khẳng định tính toán sẽ trở nên một công cụ hết sức tự nhiên,
mạnh mẽ và có ích với tất cả những ai sử dụng nó.
2.1.2 Vị trí của “Tính toán khắp nơi”
Với ý nghĩa và tiềm năng to lớn của nó, tính toán khắp nơi đang được nghiên cứu
và phát triển cùng với rất nhiều những lĩnh vực của công nghệ thông tin như tính toán
phân tán (distributed computing), tính toán di động (mobile computing), tương tác
người máy (human-computer interaction), trí tuệ nhân tạo (artifacial intelligence).
7
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
2.2 Tổng quan về nhà thông minh
2.2.1 Định nghĩa nhà thông minh
Nhà thông minh (tiếng Anh: smart-home hoặc intelli-home, home automation) là
kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hoá hoàn toàn hoặc
bán tự động, nó thay thế con người trong việc thực hiện một số thao tác quản lý, điều
khiển…
Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà như các thiết bị phòng ngủ, phòng
khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với internet và điện
thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển từ xa hoặc lập trình cho chúng hoạt động
theo lịch. Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có
khả năng tương tác với nhau… (Wikipedia [8]).
Một ngôi nhà thông minh đầy đủ, thường bao gồm các tính năng:
Phân phối đa phương tiện, là một rạp hát gia đình.
Điều khiển việc chiếu sáng, mành, rèm.
Giám sát, điều khiển môi trưởng (nhiệt độ, độ ẩm…).
Có khả năng liên lạc giữa các phòng.
Giám sát, điều khiển camera an ninh.
Giám sát và điều khiển từ xa.
2.2.2 Các ưu điểm của nhà thông minh
Nhà thông minh sử dụng các thiết bị và công nghệ tự động hóa, thông minh hóa,
giúp cho con người nhàn hạ hơn trong sinh hoạt hằng ngày. Nói cách khác, đây là hệ
thống giúp chủ nhân tận hưởng sự tiện nghi của cuộc sống và dễ dàng quản lý tổng
quát đối với cả tòa nhà. Chỉ với một chiếc điều khiển từ xa, chúng ta có thể điều khiển
tất cả, dù đang ở bất kỳ nơi nào. Chúng ta có thể tưởng tượng ra hiệu quả mà nhà
thông minh mang lại thông qua những hoạt động rất gần gũi, chẳng hạn như nằm trên
giường để mở cổng; sẽ không còn chuyện bị ngã do không nhìn thấy đường bởi đèn
cầu thang sẽ tự sáng lên khi có người; hệ thống đèn trong phòng, bếp, bình nước
nóng... sẽ hoạt động đúng giờ đã định; toàn bộ hệ thống đèn sẽ tự tắt sau khi không
8
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
cần thiết; khống chế nhiệt độ chênh lệch giữa bên ngoài và trong nhà và còn rất nhiều
tiện ích khác.
Không chỉ điều khiển được trong phạm vi ngôi nhà, công nghệ này còn cho phép
tích hợp điều khiển qua điện thoại (cố định hoặc di động), internet hay PDA. Vì vậy,
mọi sinh hoạt có thể được kiểm soát dù chúng ta đang ở công sở hay ngoài đường...
Không chỉ riêng các ngôi nhà nhỏ, chúng ta hoàn toàn có thể thông minh hóa bất kỳ
một không gian sống nào, kể cả trụ sở văn phòng, siêu thị, trung tâm thương mại,
khách sạn, nhà hàng, nhà xưởng sản xuất, ngân hàng, bệnh viện hay các khu phức hợp
khác... nếu lựa chọn công nghệ phù hợp.
2.3 Một số khái niệm trong xử lý ảnh và bài toán nhận diện đối tượng
trong ảnh
2.3.1 Không gian màu HSV
Màu sắc là một phần rất quan trọng các công nghệ xử lý ảnh. Để biểu diễn màu
sắc trên máy tính cũng có rất nhiều dạng khác nhau tùy thuộc theo yêu cầu cần sử
dụng. Phần này sẽ giới thiệu sơ bộ về không gian màu cơ bản RGB và không gian màu
HSV [9].
2.3.1.1 Không gian màu RGB
Do cấu tạo của các thiết bị phần cứng nên các điểm ảnh thường được đặc trưng
bởi ba thành phần màu cơ bản đó là Red, Green và Blue. Một thành phần thường được
định nghĩa bới 1 byte(tức là có 256 giá trị từ 0 đến 255). Sự kết hợp của 3 thành phần
này sẽ cho ta màu sắc của 1 điểm ảnh bất kì.
Ví dụ: R=G=255, B=0 ta có màu vàng.
R=G=B=0 ta có màu đen.
R=G=B=255 ta có mày trắng.
2.3.1.2 Không gian màu HSV
Hue (H): độ đo màu được tổng hợp từ 3 thành phần màu Đỏ(Red), Xanh lam
(blue), xanh lá cây (Green) của một điểm ảnh.
Saturation (S): chỉ độ xám của điểm ảnh. VD: Cùng là một màu nhưng có màu
xám và có màu trong.
Value (V): Chỉ độ sáng của điểm ảnh.
9
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
Mối quan hệ giữa hệ màu RGB và hệ màu HSV:
Giả sử ta cần một dải màu biểu diễn độ xám (grayscale), đơn giản ta sẽ có 1
chuỗi điểm liên tục mà tại mỗi điểm các chỉ sổ R = G= B và tăng dần từ 0->255: ta sẽ
có một dải từ đen-> trắng (như hình 2.1).
Hình 2.1: Dải mầu xám
Nếu coi hệ màu RGB tương đương với 1 hệ trục tọa độ đề các (R=x, G=y, B=z)
thì có thể thấy Graysclale chính là 1 đường thẳng nối 1 điểm (0,0,0) với (255, 255,
255). Ta sẽ coi đây là một tia tạm gọi là tia phân giác.
Hình 2.2: Hệ trục tọa độ Đề Các với các hệ mầu RGB
Độ sáng: Độ sáng của một điểm ảnh được tính theo tổng giá trị của 3 thành phần
màu RGB, theo đó một điểm ảnh có chỉ số R+G+B lớn hơn thì sẽ sáng hơn. Để ý thấy
phương trình x+y+z =V chính là phương trình của một mặt phẳng(xem hình 2.3).
10
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Hình 2.3: Mặt phẳng màu ứng với một độ sáng
Nếu di chuyển các mặt phẳng dọc từ (0,0,0) đến (255,255,255) chỉ có độ sáng
của điểm ảnh thay đổi còn các thành phần màu không đổi: đỏ vẫn đỏ, xanh vẫn xanh...
(xem hình 2.4).
Hình 2.4: Sự thay đổi độ sáng theo tia phân giác
Chính vì vậy, ta sẽ định nghĩa tia phân giác chính là độ đo độ sáng V (Value)
trong hệ màu HSV của điểm ảnh. Giá trị tứ 0 đến 1.
Xét một mặt phẳng ta sẽ thấy, các điểm có độ sáng như nhau. Điểm màu xám sẽ
là điểm chính giữa nơi mặt phẳng này cắt tia phân giác. (hình 2.5)
11
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
Hình 2.5: Mặt phẳng phân bố màu
Nếu vẽ một vành màu với tâm là điểm màu xám nằm trên tia phân giác ta sẽ thấy
sự khác nhau giữa các màu sắc sẽ được đánh giá theo phần mà nó nằm trên khuyên
tròn. Nếu quy ước là Red ứng với 0 độ, Green 120 độ, và Blue là 240 độ. Với quy ước
này ta sẽ có màu đỏ ứng với 0 độ, vàng ứng với góc 60 độ, màu cam sẽ ở khoảng góc
30 độ. Giá trị này sẽ ứng với độ đo màu sắc H (Hue)trong hệ màu HSV.
Thành phần còn lại của hệ màu HSV là S (Saturation), độ đo độ xám của điểm
ảnh.
12
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Hình 2.6: Phân bố độ xám
Từ hình vẽ (hình 2.6) ta thấy khoảng cách từ điểm xám (tâm) tới điểm đỏ nhất
(pure red) sẽ quyết định độ xám của điểm ảnh.
Ví dụ: Nếu muốn mô tả một điểm có màu sắc nằm giữa màu đỏ và màu xám
(H=0), và có cũng độ sáng là V trong hệ tọa độ đề các ứng với hệ màu RGB ở trên thì
ta sẽ có:
Điểm đỏ nhất (pure red) là (V, 0, 0)
Điểm màu xám với cùng độ sáng sẽ là (V/3, V/3, V/3)
Điểm nửa đỏ nửa xám sẽ là (V*2/3, V/6, V/6)
13
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
Hình 2.7: Mô tả độ xám
Dễ thấy tất cả các điểm “nửa đỏ nửa xám” sẽ cùng nằm trên một đường thẳng có
PT tham số x=V*2/3, y=V/6, z = V/6.
Do đó, ta có thể định nghĩa độ xám của một điểm chính là tỉ khoảng cách giữa
điểm đó tới điểm xám(gray) so với khoảng cách giữa điểm đó tới điểm trong nhất
(pure).
Tổng kết: Tóm lại ta có thể thay thể hệ màu RGB với bằng một hệ màu mới với
hệ tọa độ là một hình nón. Các màu sắc theo đó sẽ được mô tả như sau:
Độ sáng: V trong khoảng 0(đen)-100(trắng)
Độ xám hay độ sắc nét của màu: S với 0 là xám
Màu sắc: được xác định thông qua góc H (0 ứng với màu đỏ, 60 với vàng,
120 xanh lá, 240 xanh lam...)
14
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Hình 2.8: Hệ màu HSV
2.3.2 Các cách tiếp cận bài toán nhận diện đối tượng trong ảnh
Đã có rất nhiều những nhà nghiên cứu, tổ chức quan tâm nghiên cứu và đưa ra
các cách tiếp cận khác nhau để giải quyết bài toán này. Trong đó có một vài cách tiếp
cận phổ biến như: thu thập một lượng dữ liệu về hình ảnh lớn chứ đối tượng và thực
hiện việc huấn luyện thông qua học máy. Ví dụ nghiên cứu của: H. Schneiderman và
T. Kanade. A Statistical Method for 3D object detection applied to faces and cars. In
Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition,
năm 2000 [4]; hay H. Rowley, S. Baluja, T. Kanade. Rotation Invariant Neural
Network-Based Face Detection. In Proceedings of the IEEE Conference on Computer
Vision and Pattern Recognition, 1998 [3]...) Tuy nhiên cách này đòi hỏi việc phải thu
thập một lượng lớn dữ liệu thực tế của một đối tượng, điều này là thực sự khó khăn
nếu ta tiến hành trên một nhóm các loại đối tượng khác nhau. Hơn nữa việc đưa ra
những phương pháp học máy cũng đòi hỏi không ít thời gian và công sức. Do đó có
một cách tiếp cận khác đó là đưa ra một bộ luật cho những đặc điểm của đối tượng,
cách này sử dụng tri thức của người phát triển nhiều hơn so với sức mạnh của máy
tính. Tuy nhiên, để đưa ra được những bộ luật như vậy cần rất nhiều hiểu biết cũng
như những nghiên cứu chính xác đặc điểm của loại đối tượng cần nhận diện. Một kết
quả nhận diện tốt phụ thuộc rất nhiều vào bộ luật cho từng loại đối tượng. Ví dụ như
nghiên cứu của Crandall David J và Luo Jiebo đưa ra một cách tiếp cận để nhận diện
các đối tượng có sự kết hợp của các màu sắc một cách cố định như các loại cờ, nhân
vật hoạt hình, đồng phục hay logo. [2]
Cách tiếp cận thứ hai như đã nói phụ thuộc rất nhiều vào bộ luật đưa ra cho mỗi
loại đồ vật. Và để giải quyết vấn đề này trong các bài toán mà loại đồ vật cần nhận
diện đã được chỉ định trước, người ta đã đưa ra một phương pháp tương đối hiệu quả
đó đánh dấu vật cần tìm, theo đó ảnh chụp vật cần tìm sẽ chứ những điểm đặc biệt,
15
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
giúp cho việc nhận diện bằng máy tính là dễ dàng hơn. Ví dụ về một phương pháp sử
dụng cách này là nhiên cứu của nhóm tác giả J. Coughlan, R. Manduchi*, M.
Mutsuzaki* và H. Shen. Rapid and Robust Algorithms for Detecting Colour Targets
trong AIC Colour 05 - 10th Congress of the International Colour Association [11]. Nó
đưa ra một phương thức được triển khai trên các thiết bị di động có camera cho phép
tìm kiếm điểm màu đã được đánh dấu trong khoảng cách gần. Phương pháp này đạt
được độ chính xác tương đối cao 95 % với một vài loại thiết bị đã được thực nghiệm
với thời gian tính toán từ 0,12 đến 0,9 giây cho một bức ảnh.
2.4 Các giao thức và mô hình kết nối
Do hệ thống phải kết nối tới PPC, nên việc lựa chọn, sử dụng giao thức kết nối và
truyền tín hiện với PPC là việc rất quan trọng. Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi
nghiên cứu, đánh giá hai giao thức kết nối chính là Wirless B/G và Bluetooth, từ đó
chọn ra một giao thức kết nối và truyền tín hiệu sử dụng cho chương trình.
2.4.1 Giao thức Bluetooth
2.4.1.1 Giới thiệu giao thức Bluetooth
Bluetooth là một đặc tả công nghiệp cho truyền thông không dây tầm gần giữa
các thiết bị điện tử. Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách
ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây
(Wireless Personal Area Network-PANs).
Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s. Bluetooth hỗ trợ tốc độ
truyền tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m–100 m. Khác với kết nối hồng
ngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tần 2,4 GHz.
Đặc tả Bluetooth được phát triển đầu tiên bởi Ericsson (hiện nay là Sony
Ericsson và Ericsson Mobile Platforms), và sau đó được chuẩn hoá bởi Bluetooth
Special Interest Group (SIG).
2.4.1.2 Giao thức nền OBEX
OBEX (OBject EXchange) là giao thức trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị dùng
cổng hồng ngoại được hiệp hội IrDA (Infrared Data Association) đưa ra lần đầu tiên
năm 1997.
16
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Ban đầu, giao thức này chỉ giới hạn cho các thiết bị sử dụng môi trường ánh sáng
hồng ngoại, nhưng rất nhanh sau đó nó được tổ chức Bluetooth SIG (Bluetooth Special
Interest Group) đưa vào hầu hết các thiết bị Bluetooth của mình.
Cũng giống như các giao thức khác, giao thức OBEX được xây dựng trên nền mô
hình OSI (Open Systems Interconnection) (hình 2.9) bao gồm hai thành phần chính:
OBEX session protocol (giao thức phiên OBEX): mô tả cấu trúc gói tin
trong phiên làm việc giữa hai thiết bị.
OBEX application framework: tập các dịch vụ OBEX cung cấp cho các
ứng dụng đầu cuối như truyền file, in ảnh...
Hình 2.9: Giao thức Obex
2.4.2 Giao thức wireless chuẩn B/G
2.4.2.1 Giới thiệu giao thức wireless chuẩn B/G
WLAN là một loại mạng máy tính nhưng việc kết nối giữa các thành phần trong
mạng không sử dụng các loại cáp như một mạng thông thường, môi trường truyền
thông của các thành phần trong mạng là không khí. Các thành phần trong mạng sử
dụng sóng điện từ để truyền thông với nhau.
17
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản
xuất giới thiệu những sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz. Những giải pháp
này (không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp tốc độ truyền dữ liệu
1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng cáp hiện
thời.
Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g mà có thể
truyền nhận thông tin ở cả hai dãy tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữ
liệu lên đến 54Mbps. Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể
tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b. Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đến
tốc độ 108Mbps-300Mbps.
2.4.2.2 Mô hình kết nối cơ sở (Basic service sets (BSSs))
Bao gồm các điểm truy nhập AP (Access Point) gắn với mạng đường trục hữu
tuyến và giao tiếp với các thiết bị di động trong vùng phủ sóng của một cell. AP đóng
vai trò điều khiển cell và điều khiển lưu lượng tới mạng. Các thiết bị di động không
giao tiếp trực tiếp với nhau mà giao tiếp với các AP.Các cell có thể chồng lấn lên nhau
khoảng 10-15 % cho phép các trạm di động có thể di chuyển mà không bị mất kết nối
vô tuyến và cung cấp vùng phủ sóng với chi phí thấp nhất. Các trạm di động sẽ chọn
AP tốt nhất để kết nối. Một điểm truy nhập nằm ở trung tâm có thể điều khiển và phân
phối truy nhập cho các nút tranh chấp, cung cấp truy nhập phù hợp với mạng đường
trục, ấn định các địa chỉ và các mức ưu tiên, giám sát lưu lượng mạng, quản lý chuyển
đi các gói và duy trì theo dõi cấu hình mạng. Tuy nhiên giao thức đa truy nhập tập
trung không cho phép các nút di động truyền trực tiếp tới nút khác nằm trong cùng
vùng với điểm truy nhập như trong cấu hình mạng WLAN độc lập. Trong trường hợp
này, mỗi gói sẽ phải được phát đi 2 lần (từ nút phát gốc và sau đó là điểm truy nhập)
trước khi nó tới nút đích, quá trình này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn và tăng trễ
truyền dẫn.
18
Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh
Hình 2.10: Mô hình mạng cơ sở
2.4.2.3 Mô hình kết nối Ad-hoc (Independent Basic Service sets (BSSs))
Các nút di động(máy tính có hỗ trợ card mạng không dây) tập trung lại trong một
không gian nhỏ để hình thành nên kết nối ngang cấp (peer-to-peer) giữa chúng. Các
nút di động có card mạng wireless là chúng có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau,
không cần phải quản trị mạng. Vì các mạng ad-hoc này có thể thực hiện nhanh và dễ
dàng nên chúng thường được thiết lập mà không cần một công cụ hay kỹ năng đặc biệt
nào vì vậy nó rất thích hợp để sử dụng trong các hội nghị thương mại hoặc trong các
nhóm làm việc tạm thời. Tuy nhiên chúng có thể có những nhược điểm về vùng phủ
sóng bị giới hạn, mọi người sử dụng đều phải nghe được lẫn nhau.
19
Tải về để xem bản đầy đủ
58 trang
05/07/2025
80
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh: Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- khoa_luan_xay_dung_he_thong_giam_sat_va_dieu_khien_nha_thong.pdf
