Đồ án Điều khiển thiết bị bằng tiếng nói (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Điều khiển thiết bị bằng tiếng nói (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ÐIỆN – ÐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG TIẾNG NÓI SVTH: TRẦN TUẤN KIỆT MSSV: 12341054 GVHD: ThS.NGUYỄN DUY THẢO SKL003035 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điêṇ - Điện Tử Và Truyền Thông ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG TIẾNG NÓI GVHD: ThS.NGUYỄN DUY THẢO SVTH: TRẦN TUẤN KIỆT Tp. HồChí Minh - 7/2014.
3. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu PHẦN A GIỚI THIỆU
4. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu ĐỒ ÁN ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH Cán bộ hƣớng dẫn: ThS. Nguyễn Duy Thảo Sinh viên thực hiện: Trần Tuấn Kiệt Cán bộ chấm phản biện: Đồ án tốt nghiệp đƣợc bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH. Ngày . tháng 07 năm 2014
5. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu TRƢỜNG ĐH. SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 11 tháng 7 năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Tuấn Kiệt MSSV: 12341054 Chuyên ngành: CNKT Điện tử, Truyền Thông Mã ngành: D510302 Hệ đào tạo: Đại học chính quy (CT) Mã hệ: 3 Khóa: 2012 Lớp: 123412 I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG TIẾNG NÓI II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Tìm hiểu cách chuyển đổi tiếng nói thành văn bản trên nền tảng C#. 2. Cách giao tiếp giữa PIC18F4550 và giao diện trên C#. 3. Truyền dữ liệu giữa hai module RF APC 220-43. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 1 / 4 / 2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11 / 7 / 2014 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Duy Thảo CÁN BỘ HƢỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ThS. Nguyễn Duy Thảo TS. Nguyễn Thanh Hải
6. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu LỜI CẢM ƠN  Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Duy Thảo đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ dạy trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu đề tài. Đồng thời nhóm cũng xin cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Điện - Điện Tử đã tạo điều kiện, cung cấp cho nhóm những kiến thức cơ bản, cần thiết để chúng em có điều kiện và đủ kiến thức để thực hiện quá trình nghiên cứu. Nhóm cũng xin cám ơn các thành viên trong lớp 123412 và các bạn trên các diễn đàn điện tử đã có những ý kiến đóng góp, bổ sung, giúp nhóm hoàn thành tốt đề tài. Cuối cùng, nhóm cũng xin cảm ơn gia đình đã tạo diều kiện và động viên để nhóm hoàn thành đề tài này. Xin trân thành cảm ơn Nhóm thực hiện đồ án Trần Tuấn Kiệt Nguyễn Hữu Phƣớc
7. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển một cách rất nhanh, góp phần đáp ứng nhu cầu của con ngƣời trong đời sống cũng nhƣ trong sản xuất nhằm nâng cao chất lƣợng cuộc sống và hiệu quả trong công việc. Đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ điều tự động vào việc điều khiển đƣợc cho là một trong những hệ thống không thể thiếu. Từ việc phát minh ra máy hơi nƣớc hay những thiết bị công nghệ hiện đại sau này, con ngƣời luôn cải tiến để những công đoạn vận hành nhƣ điều khiển bằng suy nghĩ, cử động, bằng mắt hay lời nói, mà vẫn đạt đƣợc yêu cầu. Việc điều khiển bằng tiếng nói đƣợc cho là cần thiết hiện nay, ngƣời dùng có thể sử dụng tiếng nói của mình để nhập dữ liệu nhƣ trên một số các thiết bị di động hay để đƣa ra thông tin điều khiển thiết bị. Ngoài ra, việc điều khiển bằng tiếng nói sẽ đem lại cho những ngƣời khuyết tật những lợi ít thiết thực cho việc điều khiển hay sử dụng mà bình thƣờng việc này là khó khăn đối với họ nhƣ mở đèn, quạt, Đối với nhiều nƣớc trên thế giới thì việc điều khiển bằng tiếng nói đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng trên nhiều lĩnh vực, nhƣng ở nƣớc ta thì việc này chƣa đƣợc mọi ngƣời chú trọng và ứng dụng. Từ việc nhận thấy tìm năng của việc điều khiển bằng tiếng nói nên nhóm quyết định chọn đề tài “Điều khiển thiết bị bằng tiếng nói”. Mặc dù nhóm thực hiện đề tài đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra và đúng thời hạn nhƣng do khả năng và kiến thức còn nhiều hạn chế nên chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên thông cảm. Nhóm thực hiện đề tài mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên. Xin chân thành cảm ơn!
8. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tp. HCM, ngày tháng 7 năm 2014 Giáo viên phản biện
9. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Tp. HCM, ngày . tháng 7 năm 2014 Giáo viên hƣớng dẫn ThS. Nguyễn Duy Thảo
10. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu MỤC LỤC PHẦN A: GIỚI THIỆU PHIẾU CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP. LỜI CẢM ƠN. LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC LIỆT KÊ HÌNH LIỆT KÊ BẢNG BẢNG VIẾT TẮT PHẦN B: NỘI DUNG CHƢƠNG I: DẪN NHẬP 1.1. Lý do chọn đề tài 2 1.2. Mục đích nghiên cứu 2 1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 1.5. Tình hình nghiên cứu 3 1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu 3 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1. Chuẩn giao tiếp USB 4 2.2. Nhận dạng tiếng nói 11 2.3. Vi điều khiển Pic 18F4550 11 2.4. Giới thiệu module RF ACP220-43 13 2.5. Triac 15 2.6. Opto 17 CHƢƠNG III. 19 3.1. Thiết kế hệ thống 19 3.1.1. Phƣơng án thiết kế 19 3.1.2. Sơ đồ khối và chức năng 19 3.1.3. Nguyên tắc hoạt đông 20
11. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu 3.1.4. Sơ đồ nguyên lý 21 3.2. Thi công phần cứng 28 3.2.1. Sơ đồ mạch in 28 3.2.2. Sản phẩm thực tế 30 3.2.3. Xây dựng phần mềm vi điều khiển 32 3.2.4. Xây dựng giao diện điều khiển 36 CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 38 4.1. Kết luận 38 4.2. Hƣớng phát triển 40 4.3. Hƣớng dẫn sử dụng 40 PHẦN C : PHỤ LỤC – TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 PHỤ LỤC 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
12. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu LIỆT KÊ HÌNH Hình 2.1: Kiến trúc USB bus 5 Hình 2.2: Sơ đồ cáp USB 6 Hình 2.3: Sơ đồ khối Pic 18F4550 12 Hình 2.4: Module RF ACP220-43 14 Hình 2.5: Cấu tạo, ký hiệu và hình dạng thực tế triac 15 Hình 2.6: Đặc tuyến dẫn điện của triac 16 Hình 2.7: Ứng dụng và dạng sóng ngõ ra của triac 17 Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý opto 17 Hình 2.9: Hình dạng thực tế của opto 18 Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát 19 Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 20 Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống chấp hành 20 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý tổng quát 21 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển 22 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối thu phát RF 24 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống chấp hành 24 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý hệ thống chấp hành 25 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối thu phát RF 25 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối công suất của hệ thống chấp hành 26 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn của hệ thống chấp hành 27 Hình 3.12: Sơ đồ mạch in mặt trên hệ thống điều khiển 28 Hình 3.13: Sơ đồ mạch in mặt dƣới hệ thống điều khiển 28 Hình 3.14: Sơ đồ bố trí linh kiện hệ thống điều khiển 28 Hình 3.15: Sơ đồ mạch in mặt trên hệ thống chấp hành 29 Hình 3.16: Sơ đồ mạch in mặt dƣới hệ thống chấp hành 29 Hình 3.17: Sơ đồ bố trí linh kiên hệ thống chấp hành 30 Hình 3.18: Sản phẩm thực tế hệ thống điều khiển 30
13. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu Hình 3.19: Sản phẩm thực tế hệ thống chấp hành 31 Hình 3.20: Giao diện điều khiển 31 Hình 4.1: Biểu tƣợng thiết bị đƣợc kết nối 40 Hình 4.2: Giao diện chƣơng trình điều khiển 41 Hình 43: Nơi hiển thị lệnh từ tiếng nói và thông báo từ chƣơng trình 41 Hình 4.4: Nơi điều khiển bằng tay 42 Hình 4.5: Anten 43 Hình 4.6: Nơi vặn anten 43 Hình 4.7: Kết nối nguồn điện xoay chiều 44 Hình 4.8: Kết nối thiết bị điều khiển 44
14. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu LIỆT KÊ BẢNG Bảng 2.1: Chức năng các chân Module RF ACP220-43 15 Bảng 3.1: Dòng tiêu thụ hệ thống điều khiển 22 Bảng 3.2: Nguồn tiêu thụ hệ thống chấp hành 27
15. Đồ án tốt nghiệp Phần A: Giới thiệu BẢNG VIẾT TẮT ADC Analog Digital Converter. BIOS Basic Input/Output System. CPU Central Processing Unit. DC Direct Current. DOS Disk Operating Systems. EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory. G Gate. GFSK Gaussian Frequency Shift Keying. HID Human Interface Device. IC Integrated Circuit. ISDN Integrated Systens Digjtal Network. LED Light Emitting Diode. PIC Programmable Intelligent Computer. PWM Pulse-width modulation. RF Radio Frequency. RISC Reduced Instructions Set Computer. ROM Read-Only Memory. SRAM Static Random Access Memory. Triac Triode for Alternating Current. UART Universal Asinchonus Receiver Transmitter. USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter. USB Universal Serial Bus.
16. Đồ án tốt nghiệp Phần B: Nội dung PHẦN B NỘI DUNG Trang 1
17. Đồ án tốt nghiệp Phần B: Nội dung CHƢƠNG I: DẪN NHẬP 1.1. Lý do chọn đề tài Khoa học ngày càng phát triển vượt bậc, những công nghệ mới lần lượt ra đời, đi song song với việc phát minh quá trình ứng dụng những công nghệ này nhằm phục vụ cuộc sống ngày một tốt đẹp hơn, tiện ích hơn. Việc sử dụng tiếng nói để điều khiển thiết bị bằng tiếng nói không phải là vấn đề mới nhưng ít được mọi người chú ý. Khoảng vài năm trở lại đây thì nền tảng android ra đời làm cho công nghệ này được mọi người chú ý. Tuy nhiên việc điều khiển bằng tiếng nói vẫn còn đang ở giai đoạn đầu nên việc tìm hiểu và nghiên cứu là rất cần thiết. Vì lý do đó mà nhóm đã chọn đề tài “Điều khiển thiết bị bằng tiếng nói”. 1.2. Mục đích nghiên cứu Đề tài “Điều khiển thiết bị bằng tiếng nói” được thực nghiệm nhằm góp phần tạo nền tảng cho việc nghiên cứu ứng dụng của tiếng nói và mong muốn góp phần đưa công nghệ này vào cuộc sống phục vụ nhu cầu của con người trong thời gian tới. 1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Khai thác tiếng nói của con người để điều khiển thiết bị. - Phạm vi nghiên cứu: + Để điều khiển thiết bị gia đình: đèn, quạt. + Giao tiếp máy tính qua cổng USB, giao diện trực quan, có thể điều khiển bằng tiếng nói và bằng tay. + Điều khiển không dây qua sóng RF. 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kiến thức đã học được trên ghế nhà trường để hoàn thành đề tài theo thời gian quy định. - Ý nghĩa thực tiễn: Việc thực nghiệm đề tài này sẽ đem lại cho con người những lợi ít thiết thực như: + Đơn giản hóa việc điều khiển. + Có thể sử dụng trong công nghiệp và dân dụng. Trang 2
18. Đồ án tốt nghiệp Phần B: Nội dung 1.5. Tình hình nghiên cứu Hiện nay có rất nhiều công ty đã thành công với những sản phẩm trên thị trường và đặt biệt là phần mềm hỗ trợ điều khiển thiết bị bằng tiếng nói việt sử dụng trên điện thoại Smartphone. Trên diễn đàn điện tử cũng rất sôi động về các thiết bị điều khiển bằng tiếng nói và cũng được rất nhiều bạn đọc quan tâm. Với những cơ sỡ dữ liệu tìm kiếm được, cộng với kiến thức tích lũy được nhóm thực nghiệm chọn đề tài “Điều khiển thiết bị bằng tiếng nói”, dựa trên phần mềm điều khiển kết hợp với giao diện máy tính để điều khiển các thiết bị. 1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu Do đây là một đề tài khá mới mẽ nên trong thời gian thực hiện đồ án nhóm thực nghiệm đề tài gặp nhiều khó khăn về việc xây dựng giao diện điều khiển, cũng như việc truyền dữ liệu giữa 2 modul RF. Nhóm sử dụng hai phương pháp chủ yếu: - Phương pháp tham khảo tài liệu: + Nguồn tài liệu chủ yếu được tham khảo trên các diễn đàn. + Tham khảo đồ án của các anh chị khóa trước. - Phương pháp thực nghiệm: Song song với việc đọc tài liệu nhóm thực hiện đề tài đã thực hành để thử nghiệm nhiều lần để có được kết quả của ngày hôm nay. Trang 3
19. Đồ án tốt nghiệp Phần B: Nội dung CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Chuẩn giao tiếp USB 2.1.1. Khái niệm USB USB là một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính. USB sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết kế dưới dạng các đầu cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn cắm là chạy mà với tính năng cắm nóng thiết bị (nối và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống). 2.1.2. Các mục tiêu hướng tới khi sử dụng USB - Dễ dàng mở rộng các thiết bị đầu cuối của máy tính. - Cung cấp giải pháp chi phí thấp song vẫn hỗ trợ truyền dẫn tốc độ cao lên đến 480 Mb/s. - Hỗ trợ ứng dụng thời gian thực như: voice, audio, video, - Giao thức linh hoạt cho các chế độ hỗn hợp. - Tích hợp công nghệ thiết bị tiện nghi. - Được Windows và các hệ điều hành khác hỗ trợ do đó có thể không cần driver mức thấp cho các thiết bị USB. - Đa năng, do đó nhiều thiết bị có thể ghép nối với PC thông qua chuẩn USB. - Độ tin cậy cao. 2.1.3. Mô tả hệ thống USB Một hệ thống USB được mô tả bởi 3 định nghĩa: - Kết nối USB. - Các thiết bị USB. - USB host. Kết nối USB được hiểu là kiểu kết nối mà trong đó các thiết bị USB được kết nối và giao tiếp với máy tính chủ. Kết nối USB bao gồm các vấn đề sau: - Kiến trúc BUS: Mô hình kết nối giữa các thiết bị USB và Host. - Những mối quan hệ Inter- Layer: dưới dạng một tập khả năng, các tác vụ USB được thực hiện tại mỗi lớp trong hệ thống. - Các mô hình luồng dữ liệu: là hình thức mà trong đó dữ liệu di chuyển trong hệ thống USB. Trang 4
20. Đồ án tốt nghiệp Phần B: Nội dung - Lập trình USB: USB cung cấp một sự kết nối dùng chung. Việc truy cập tới kết nối được lập trình theo thứ tự để hỗ trợ truyền dữ liệu đẳng thời khử sự phân xử ban đầu. 2.1.4. Kiến trúc BUS Bus tuần tự đa năng nối các thiết bị USB với Host USB. Về mặt kết nối vật lý USB đó là một kiến trúc tầng sao. Một Hub ở tại trung tâm của mỗi sao. Mỗi đoạn dây là một kết nối từ điểm tới điểm giữa Host và một Hub hoặc một chức năng nào đó, hoặc một Hub nối tới Hub khác hoặc chức năng khác. Với 7 bit địa chỉ, ngoài máy chủ USB ra nó có thể quản lý tối đa 127 thiết bị ngoại vi. Hình sau sẽ minh hoạ kiến trúc của USB. Hình 2.1: Kiến trúc USB bus Máy chủ USB: Chỉ có duy nhất một Host trong một hệ thống USB bất kỳ. Giao diện USB tới hệ thống máy chủ được xem như bộ điều khiển Host. Bộ điều khiển Host có thể được thực hiện trong một kết hợp gồm phần cứng, vì chương trình hoặc phần mềm (firmware). Một Hub gốc (root hub) được tích hợp chỉ trong hệ thống Host để cung cấp một hoặc nhiều điểm lắp thêm. Các thiết bị USB có thể là 1 trong các thiết bị sau: - Hub: cung cấp điểm lắp thêm vào USB. - Các chức năng: cung cấp khả năng cho hệ thống như một kết nối ISDN, Digital Joystick hoặc Speaker. Trang 5
21. Đồ án tốt nghiệp Phần B: Nội dung - Thiết bị hiểu được giao thức USB. 2.1.5. Cáp USB USB truyền tín hiệu qua 1 cáp 4 sợi như hình dưới. Hình 2.2: Sơ đồ cáp USB Có 3 tốc độ truyền dữ liệu: - USB tốc độ cao (USB high-speed): 480Mb/s. - USB toàn tốc (USB full-speed): 12Mb/s. - USB tốc độ thấp (USB low-speed): 1.2Mb/s. Cáp USB bao gồm 4 dây, D+ và D- được dùng để truyền tín hiệu, Vbus và GND để cấp nguồn cho thiết bị (Thường thì Vbus =5V còn GND=0V tại nguồn). USB cho phép chiều dài các đoạn cáp có thể thay đổi lên tới vài mét. Ở phía máy chủ Host thì D+ và D- được nối đất qua các điện trở Rpd còn về phía thiết bị ngoại vi, các đầu dây D+, D- được bảo vệ bởi điện trở cuối (đó chính là các điện trở Rpu. Thiết bị tốc độ cao hoặc toàn tốc cần có điện trở nối +3.3 V cho đầu D+, thiết bị tốc độ thấp cần có điện trở nối lên 3.3 V cho đầu D-. Những điện trở này tạo nên các mức điện thế khác nhau giữa D+ và D- giúp cho máy chủ phát hiện được việc cắm vào hay rút ra của thiết bị cũng như tốc độ truyền dữ liệu của thiết bị. 2.1.6. Các loại truyền dữ liệu USB USB truyền dữ liệu thông qua một ống dẫn (đường truyền) giữa một bên là bộ nhớ đệm được liên kết với một phần mềm trên máy chủ với một bên là một điểm cuối trên thiết bị USB. USB cung cấp các dạng truyền tải khác nhau đã được tối ưu hoá để đáp ứng một cách thích hợp nhất các nhu cầu của phần mềm khách và chức năng. USB cung cấp 4 loại truyền dữ liệu: - Truyền điều khiển (control transfer). - Truyền ngắt (interrupt transfer). - Truyền đẳng thời (isochronous transfer). Trang 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4