Thiết kế bộ điều khiển nhà thông minh sử dụng máy tính nhúng Jetson TX2

SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 81

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG JETSON TX2

SMART HOME CONTROLLER DESIGN USING JETSON TX2 EMBEDDED COMPUTER Nguyễn Đắc Kha1, Đỗ Văn Trúc2, Vũ Trí Huy3,*, Nguyễn Văn Long3, Phạm Văn Chiến4 TÓM TẮT Thiết kế bộ điều khiển nhà thông minh sử dụ

ng máy tính nhúng Jetson TX2

tận dụng công nghệ thông minh và máy tính nhúng để cải thiện tiện ích và hiệ

quả trong cuộc sống hàng ngày. Nghiên cứu nhằm thiết kế và triển khai một hệthống điều khiển nhà thông minh toàn diện, sử dụ

ng máy tính nhúng Jetson TX2

để triển khai tính năng trí tuệ nhân tạo và xử lý hình ảnh, kết hợp với vi điều khiể

STM32F103C8T6 để tương tác với các thiết bị và cảm biế

n khác trong ngôi nhà

thông minh. Mục tiêu cuối cùng là đánh giá, thử nghiệm và triển khai thực tế hệthống để nâng cao sự tiện ích của nhà thông minh trong cuộc sống hàng ngày. Từ khóa: Nhà thông minh, máy tính nhúng Jetson TX2, điều khiển và tương tác.ABSTRACT Designing a smart home controller using

Jetson TX2 embedded computer to

harness intelligent technology and improve convenience and efficiency in daily

life. The study aims to design and deploy a comprehensive smart home control

system, utilizing the Jetson TX2 embedded computer to implement arti

ficial

intelligence and image processing features, combined with the STM32F103C8T6

microcontroller for interaction with other devices and sensors within the smart

home. The ultimate goal is to evaluate, test, and practically deploy the system to

enhance the convenience of smart homes in everyday life. Keywords:

Smart Home, Jetson TX2 embedded computer, control and

interaction. 1Lớp Điện tử Truyền thông 02 - K14, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội2Lớp Điện tử Truyền thông 05 - K14, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nộ

3Lớp Kỹ thuật Máy tính 02 - K15, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nộ

4Khoa Điện tử, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: trihuy2001yd@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Thiết kế bộ điều khiển nhà thông minh sử dụng máy tính nhúng Jetson TX2 tập trung vào việc tận dụng tiềm năng của công nghệ thông minh và máy tính nhúng để tạo ra một hệ thống nhà thông minh toàn diện. Mục tiêu của nghiên cứu là tận dụng công nghệ thông minh để cải thiện tiện ích và hiệu quả trong cuộc sống hàng ngày thông qua sự tự động hóa và điều khiển các chức năng trong ngôi nhà, phát triển và ứng dụng các công nghệ nhúng và trí tuệ nhân tạo vào việc thiết kế và điều khiển hệ thống nhà thông minh. Phạm vi của nghiên cứu bao gồm việc thiết kế hệ thống nhà thông minh sử dụng máy tính nhúng Jetson TX2 của NVIDIA và vi điều khiển STM32F103C8T6 của STMicroelectronics. Mục tiêu là tạo ra một hệ thống nhà thông minh toàn diện, tận dụng tính thông minh và hiệu suất của máy tính nhúng và đáp ứng nhu cầu thị trường và người dùng. Hệ thống nhà thông minh mang lại nhiều lợi ích như tăng cường sự tiện nghi và tiện ích, nâng cao an ninh và an toàn, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường và khả năng mở rộng và tương thích. 2. MÁY TÍNH NHÚNG JETSON TX2 Một trong những công nghệ và công cụ chính được sử dụng là máy tính nhúng Jetson TX2. Máy tính nhúng Jetson TX2 là một nền tảng tích hợp mạnh mẽ của NVIDIA, được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng trí tuệ nhân tạo và học sâu. Với GPU NVIDIA CUDA, CPU ARM Cortex-A57 và sự hỗ trợ của nhiều giao tiếp ngoại vi, Jetson TX2 cung cấp khả năng xử lý cao và khả năng tính toán song song mạnh mẽ. Jetson TX2 được lựa chọn để thiết kế bộ điều khiển nhà thông minh vì khả năng tích hợp và hiệu suất của nó. Với khả năng xử lý đồ họa mạnh mẽ, Jetson TX2 có thể xử lý các nhiệm vụ nhận diện hình ảnh, xử lý âm thanh và trí tuệ nhân tạo một cách nhanh chóng và hiệu quả. Hình 1. Máy tính nhúng Jetson TX2

CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023

KHOA H

ỌC

3. CÔNG NGHỆ VÀ CÔNG CỤ ĐƯỢC SỬ DỤNG Vi điều khiển STM32F103C8T6: là một trong số các vi điều khiển ARM Cortex-M3 thuộc dòng STM32F1 của STMicroelectronics. Nó được thiết kế với kiến trúc RISC 32-bit và được phát triển để cung cấp hiệu năng cao và tính linh hoạt cho các ứng dụng nhúng. Hình 2. Kit phát triển STM32F103C8T6 USB CDC: Giao tiếp qua USB CDC (USB Communication Device Class) là một trong những phương pháp giao tiếp thông qua cổng USB trên vi điều khiển STM32F103C8T6. USB CDC cho phép vi điều khiển được nhận diện như một thiết bị giao tiếp và truyền thông với máy tính hoặc thiết bị khác thông qua giao diện USB. Hình 3. Vi điều khiển STM32F103C8T6 có cổng giao tiếp qua cổng USB - Micro Ngôn ngữ lập trình Python và C: là hai ngôn ngữ lập trình quan trọng được sử dụng trong nghiên cứu. Hệ điều hành Linux: là một hệ điều hành mã nguồn mở và rất phổ biến trong lĩnh vực máy tính nhúng và hệ thống nhúng. Nó cung cấp một môi trường hoạt động ổn định và linh hoạt cho việc phát triển và triển khai các ứng dụng nhúng phức tạp. Các phần mềm: PyCharm, Cube32MX, KeilV5 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG JETSON TX2 Thiết kế hệ thống: Hệ thống được thiết kế theo hai phần chính: phần cứng và phần mềm. Bộ điều khiển nhà thông minh sử dụng Jetson TX2 chủ yếu tập chung phát triển giao tiếp lập trình phần mềm trên máy tính nhúng Jetson TX2. Hình 4. Lưu đồ thuật toán trên vi điều khiển STM32F103C8T6 Hình 5. Lưu đồ thuật toán trên máy tính nhúng Jetson TX2

SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 83

Vi điều khiển STM32F103C8T6 làm nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển từ Jetson TX2 và điều khiển các thiết bị phần cứng như cảm biến, bóng đèn, quạt và thiết bị khác. Nó cũng có khả năng gửi trạng thái hoạt động của các thiết bị này trở lại cho Jetson TX2 để có thể xử lý và hiển thị thông tin cho người dùng. Hình 6. Sơ đồ thiết kế vi điều khiển STM32F103C8T6 trên Cube32MX Lập trình STM32F103C8T6 trên KeilV5: Đoạn mã sau là một phần quan trọng trong hệ thống điều khiển nhà thông minh. Nó sử dụng vi điều khiển STM32 và máy tính nhúng Jetson TX2 để đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, truyền dữ liệu qua giao thức USB CDC, điều khiển các thiết bị như đèn và quạt, và cập nhật thông tin kết nối và trạng thái của các thiết bị. Hình 7. Lập trình STM32F103C8T6 trên KeilV5 Kết nối và giao tiếp với vi điều khiển STM32F103C8T6: Vi điều khiển STM32F103C8T6 và máy tính nhúng Jetson TX2 được kết nối qua giao diện USB CDC, cho phép truyền thông hai chiều. Giao tiếp dựa trên gói tin dữ liệu, với việc sử dụng hàm CDC_Transmit_FS() để gửi từ Jetson TX2 đến STM32F103C8T6 và hàm CDC_Receive_FS() để nhận từ STM32F103C8T6 về Jetson TX2. Dữ liệu nhận được được xử lý và điều khiển thiết bị, và cập nhật trạng thái thông qua mảng Rx_Buffer. Đoạn mã cũng hiển thị dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm từ thiết bị ngoại vi qua cổng giao tiếp USB-CDC. Lớp Application quản lý giao diện người dùng, trong đó hàm update_data cập nhật dữ liệu từ thiết bị ngoại vi và hiển thị nhiệt độ và độ ẩm lên hai nhãn tương ứng. Hình 8. Lập trình hiển thị nhiệt độ độ ẩm trên phần mềm Pycharm - Jetson Tx2 Hình 9. Giao diện App điều khiển trên máy tính nhúng Jetson TX2 Để tương tác với hệ thống Smart Home, người dùng cần mở App giao diện đã được thiết kế trên máy tính nhúng Jetson TX2 gồm các chứng năng cơ bản như: giám sát, điều khiển các thiết bị, cảnh báo… Giao diện của App hoàn toàn được thiết kế bởi Grid Layout thư viện Tkinter của Python. Việc sử dụng thư viện giao diện của Tkinter - Python sẽ giúp dễ dàng thay đổi và nâng cấp giao diện của ứng dụng Smart

CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023

KHOA H

ỌC

Home. Grid Layout trong Tkinter cho phép bạn sắp xếp các thành phần trên giao diện theo lưới ô vuông, giúp tạo ra các bố cục linh hoạt và dễ dàng điều chỉnh. 5. KẾT LUẬN Sau quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, nhóm tác giả đã thành công trong việc áp dụng máy tính nhúng Jetson TX2 vào hệ thống nhà thông minh. Jetson TX2 đã chứng tỏ khả năng kết nối và tích hợp tốt, độ ổn định và tin cậy, thân thiện với người dùng, an ninh và bảo mật, cũng như hiệu suất giá trị của sản phẩm. Tuy nhiên, còn tồn tại một số hạn chế như giá cả và khả năng mở rộng. Để khắc phục, có thể sử dụng các bộ chuyển đổi và bộ mở rộng cổng, tận dụng kết nối không dây và hỗ trợ kỹ thuật tốt hơn. Định hướng phát triển của sản phẩm có thể tích hợp xử lý ảnh tận dụng tối đa hiệu suất của máy tính nhúng Jetson TX2 và sử dụng công nghệ truyền thông không dây Zigbee để kết nối các thiết bị và cảm biến trong hệ thống Smart Home. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phan Long, 2021. Bo mạch vi điều khiển STM32F103C8T6 blue-pill. blog.mecsu.vn [2]. R. Dodda, M. S. Vinay, R. Vijaykumar, 2015. A Smart Home Automation System Using Raspberry Pi and STM32 Microcontroller. International Journal of Engineering Research and General Science, 3, 2. [3]. H. A. Mahmood, 2017. Smart Home Automation System based on STM32F103 Microcontroller. International Journal of Scientific and Research Publications, 7, 1. [4]. A. Bhattacharya, R. Roy, 2019. Smart Home Automation and Security System Using IoT and Raspberry Pi. International Journal of Computer Sciences and Engineering, 7, 6. [5]. M. Uddin, S. Ahmed, A. Uddin, R. Islam, 2018. Design and Implementation of a Smart Home System Using STM32 Microcontroller and IoT. Proceedings of the International Conference on Robotics, Electrical and Signal Processing Techniques (ICREST). [6]. J. S. Senosi, H. A. Mahdi, F. H. Chirove, 2019. Design and Development of a Smart Home Automation System Using STM32F407 Microcontroller. International Journal of Engineering and Advanced Technology, 9, 1. [7]. S. Gupta, R. Choudhary, 2014. Implementation of Smart Home Automation System Using STM32 Microcontroller. International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, 4, 12. [8]. S. Choudhary, S. Ahmed, 2014. Smart Home Automation System Using STM32 Microcontroller and Android Application. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 4, 7.