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

i
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.
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
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.
7
MỤC LỤC
L ỜI


TẮT

vi
DANH

M ỤC

H ÌNH

V Ẽ

vii
DANH

M ỤC

BẢNG

BIỂU

viii
Ch ươ ng

1.

Đặt

vấn


diện

đối

tượng

trong

ảnh

số

thu được
từ

camera

5
1.2.2

Điều

khiển

các thiết bị
trúc

khóa

luận

6
Ch ươ ng 2.

Các

c ơ

s ở

lý

thuyết

7
2.1

Tính

toán

kh ắp

nơ


2.1.2

V ị

trí

của
“T ính

toán

kh ắp

nơ i”

7
2.2

T ổng

quan

về nh

à
à
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

ti ếp

cận

b

ài
toán



16
2.4.1

Giao

th ức

Bluetooth

16
2.4.2

Giao

th ức

wireless

ch u ẩn

B/G

17
Chương 3. Mô hình hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh

21
3.1

Bài

điều

khiển

nh

à

thông

minh

21
3.1.2

Mô

hình

đề
xuất

21
3.2

Các



diện
đối

tượng

trong ảnh

số

22
3.2.2

K ết

nối
v

à
t ươ ng



31
Ch ươ ng 4.

Th

ực

nghiệm

v

à
ch ươ ng

trình

demo

32
4.1

C ấu

trúc

của chươ ng

33
4.2.1

Mô

đun

nhận

v à

x ử

lý

ảnh

từ

camera

33
4.2.2

Mô

đun

kết nối


bị

điện,
điện

tử

từ

máy

tính 38
4.3

M ột

số

h ình

ảnh

v à



K ết

luận

v à h ướng

phát

triển

45
5.1

K ết

luận

45
5.2

H ướng

phát

triển

của đề
PC
Personal computer
ID
Identifier
IP
Internet Protocol
Giao thức mạng
internet
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



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
11
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
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


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

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
Nhận diện và điều khiển trạng thái vật thể qua IP camera
1
4
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

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
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

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.
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

• 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
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].

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)
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.
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)

Trích đoạn Mô đun điều khiển các thiết bị điện, điện tử từ máy tính

---