на печать лифт (1189714), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

- распознавание фонем и слов;

- понимание речи.

Рисунок 3.2 – Модуль распознавания речи FZ0475

(Voicerecognitionmodule V3.1)

Модуль способен распознавать до 15 голосовых команд. Модуль распознавания речи может выполнять функции управления совместно с микроконтроллерами типа Arduino и другими устройствами с помощью голоса.

Характеристики модуля[5]:

• напряжение питания от 4,5 до 5,5 Вольт DC;

  • ток: <40mA;

  • цифровойинтерфейс : 5V TTL level for UART interface and GPIO;

• аналоговый интерфейс: 3,5 мм.моно-канальный разъем для микрофона + микрофон контактный интерфейс;

• комплектация : модуль, микрофон, соединительный шнур.

• Размер: 31mm x 50mm

• Точность распознавание: 99% (в идеальных условиях)

Особенности данной версии:

• Поддержка максимум 80 команд, длиной до 1500 мсек. (одно или два слова)

• Максимально 7 команд в одно и то же время

• Arduino библиотека, которая облегчает процесс подключения, обучения командам и использования

• Легкое управление: UART/GPI

В качестве микропроцессорной платформы реализующей основной алгоритм системы управления с голосовым интерфейсом была выбрана плата Arduino (рисунок 16). Arduino представляет собой линейку электронных блоков-плат, которые можно подключать к компьютеру по USB[7]. Программирование выполняется на интуитивно понятном и простом си-подобном языке в бесплатной среде разработке Wiring (ArduinoIDE) c возможностью подключения сторонних библиотек на C/C++, компилирования и загрузки программного кода в устройство. Порты ввода-вывода микроконтроллеров оформлены в виде штыревых линеек. Микроконтроллеры питаются от 5В или 3,3В, в зависимости от модели платы. Соответственно порты имеют такой же диапазон допустимых входных и выходных напряжений. Программисту доступны некоторые специальные возможности портов ввода-вывода микроконтроллеров, например широтно-импульсная модуляция (ШИМ), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), интерфейсы UART, SPI, I2C. Количество и возможности портов ввода-вывода определяются конкретным вариантом микропроцессорной платы. Помимо портов на платах микроконтроллеров иногда устанавливается периферия в виде интерфейсов USB или Ethernet. Опциональный набор внешней периферии на модулях расширения включает в себя:

• USB Device (как виртуальный COM порт через FTDI FT232, имеются также версии с эмуляцией USB HID Class клавиатур и мышек).

• Проводной и беспроводной Ethernet как на основной плате так и на платах расширения.

• Модуль GSM и другие беспроводные интерфейсы.

• USB Host.

• SD card.

• Модуль управления низковольтным мотором на базе L298. Поддерживаются шаговый и коллекторный двигатели с напряжением до 12В и током до 2А на канал. Могут подключаться также реле, электромагниты и т. п. Модуль не имеет гальванической развязки.

• Графический ЖКИ индикатор.

• Модуль с макетным полем.

Сторонние производители выпускают широкую гамму датчиков и исполнительных устройств, подключаемых к Arduino. Например, гироскопы, компасы, манометры, гигрометры, термометры, релейные модули, индикаторы, клавиатуры и т. п. Arduino-совместимые платы спроектированы таким образом, чтобы их можно было при необходимости расширять, добавляя в устройство новые компоненты. Эти платы расширений подключаются к Arduino посредством установленных на них штыревых разъёмов. Существует ряд плат с унифицированным конструктивом, допускающим конструктивно жесткое соединение процессорной платы и плат расширения в стопку через штыревые линейки. Кроме того, выпускаются платы уменьшенных габаритов (например, Nano, Lilypad) и специальных конструктивов для задач робототехники. Независимыми производителями также выпускается большая гамма всевозможных датчиков и исполнительных устройств, в той или иной степени совместимых с базовым конструктивом Ардуино.

В концепцию Arduino не входит корпусной или монтажный конструктив. Разработчик выбирает метод установки и механической защиты плат самостоятельно.

Рисунок 3.3 – Arduino UNO R3

Микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру (программа и данные находятся в разных адресных пространствах) и систему команд, близкую к идеологии RISC. Arduino UNO R3 является последней версией линейки Arduino на микроконтроллере ATmega328p. Она отличается от своих предыдущих плат (Arduino 168 p и Arduino 328 p) тем, что в ней не используется FTDI USB – последовательный драйвер чип. Вместо этого, плата имеет Atmega16U2 , запрограммированного как USB-последовательный преобразователь. Arduino UNO R3 в сравнении с платой Arduino UNO R2 имеет ряд доработок:

- это более производительный чип Atmega16U2;

- полная совместимость со всеми новшествами Arduino 1.0;

- новая версия аппаратного сброса;

- новый дизайн платы;

- наличие дополнительных портов ввода вывода, для более функционального использования и взаимодействия с другими модулями и платами.

Технические характеристики Arduino UNO R3:

1. Микроконтроллер: ATmega328p.

2. Рабочее напряжение: 5 В.

3. Входное напряжение (рекомендуемое): 7-12 В.

4. Входное напряжение (пределы): 6-20 В.

5. Цифровые порты ввода/вывода: 14 портов (из них 6 с ШИМ).

6. Аналоговые порты ввода: 6 портов.

7. Ток для портов: 40 мА.

8. Ток для 3.3В источника: 50 мА.

9. ППЗУ: 32 KB (из них 2 Кб используются загрузчиком).

10. ОЗУ (SRAM): 2 Кб.

11. ПЗУ (EEPROM): 1 Кб.

12. Тактовая частота: 16 МГц.

13. Поддержка USB интерфейса и питания (без внешнего источника питания).

14. Поддержка ISP загрузки.

15. Поддержка последовательного (Serial UART TTL) соединение через контакты RX TX.

16. Поддержка контакта AREF.

17. Автоматический выбор источника питания (USB или внешний адаптер).

18. Защита USB-порта компьютера от перенапряжения и коротких замыканий (более 500мА – разрыв и дальнейшее восстановление при нормализации).

Размер: 75x54x15 мм

Вес: 25 грамм

Arduino UNO (CH340G) по своим характеристикам не чем не отличается от оригинала Arduino UNO R3. Для максимальной ценовой доступности при производстве данного микроконтроллера используются чипы серии CH340G производства Китай в замену чипам производимым не в Китае. Для подключения к компьютеру, нужно использовать специальный USB драйвер.

3.3 Подбор дополнительного оборудования.

Для разработки прототипа в лабораторных условиях микропроцессорная платформа совместно с голосовым модулем будет подключена к персональному/планшетному компьютеру.

Рекомендуемые системные требования:

Система: 64-разрядная система Windows версии 7 или выше

Процессор: 2-х ядерный

Память: 2 Гб ОЗУ

Свободное место на диске: 6 Гб

Аудио-карта: совместимая с DirectX 9.0c.

Скорость Интернет-соединения: 1024 Kbps или выше

USB-порт

Экран: Сенсорный ввод

Для имитации передачи управляющих сигналов от микроконтроллера к плате центрального контроллера микропроцессорной системы управления лифтом платформа Arduino UNO (CH340G) будет подавать сигналы управления на шаговый электродвигатель посредством платы управления (драйвера). В качестве исполнительного механизма выбран шаговый двигатель 28BYJ-48-5V (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Шаговый двигатель 28BYJ-48-5V

Миниатюрный шаговый двигатель со встроенным редуктором может использоваться в проектах, где нужна высокая точность и большое усилие перемещения.

Технические характеристики:

• Количество фаз: 4;

• Количество шагов: 64;

• Частота: 100 Герц;

• Частота холостого хода по часовой стрелке: > 600 Герц;

• Частота холостого хода против часовой стрелки: > 1000 Герц;

• Крутящий момент > 34.3 мН/м;

• Сопротивление вращению: 600-1200 грамм на сантиметр;

• Класс электробезопасности: A;

• диаметр - 28 мм;

• высота без вала - 19 мм;

• диаметр вала - 5 мм;

• номинальное напряжение питания -5 Вольт DC;

• коэффициент редукции - 1 / 64;

• угол шага - 5,625 °;

• сопротивление обмоток по постоянному току - 100 Ом ± 10%.

Для имитации подачи управляющих сигналов, к микропроцессорному устройству управления лифтом, используется драйвер – плата управления на чипе ULN2003, для контроля шагового двигатель.

Характеристики:

напряжение питания 5 ВDC.

Размер: 27*17 мм

Рисунок 3.5 –Плата управления на чипе ULN2003

3.4 Принципиальная электрическая схема

Для подключения цифрового интерфейса RS-232 к модулю распознавания голоса требуется соединить выводы TX и RX с контактами 2 и 3 микропроцессорной платформы Arduino соответственно. Напряжение питания для модуля можно подать от источника напряжения 5V платы Arduino. К цифровым выходам 4-7 (DigitalOutput) подключается драйвер ULN2003 платы управления шаговым двигателем с соответствующими линиями цифрового ввода IN1-IN4. Питание драйвера можно осуществить от платы Arduino или использовать внешний источник напряжения. Шаговый двигатель подключается к плате управления посредством 5-проводного шлейфа. Если в системе используется графический интерфейс, то плата микроконтроллера подключается по USB к планшетному компьютеру.

Рисунок 3.6 – Принципиальная электрическая схема подключения элементов голосового интерфейса

4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ.

4.1 Описание программы ArduinoIDE

Разработка программного обеспечения для голосового интерфейса выполнялась в программе ArduinoIDE. Arduino — это торговая марка аппаратно-программных средств для построения систем автоматики и робототехники[7]. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат, продающихся как официальным производителем, так и сторонними производителями. Arduino может использоваться как для создания автономных объектов автоматики, так и подключаться к программному обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы.Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino.

Программирование ведется целиком через собственную программную оболочку (IDE), бесплатно доступную на сайте Arduino. В этой оболочке имеется текстовый редактор, менеджер проектов, препроцессор, компилятор и инструменты для загрузки программы в микроконтроллер. Оболочка написана на Java на основе проекта Processing, работает под Windows, Mac OS X и Linux. Язык программирования Arduino является стандартным C++ (используется компилятор AVR-GCC) с некоторыми особенностями, облегчающими написание программы. Программы, написанные программистом на Wiring, называются наброски (скетчи — от англ. sketch) и сохраняются в файлах с расширением ino. Эти файлы перед компиляцией обрабатываются препроцессором Ардуино. Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++. Обязательную в C++ функцию main() препроцессор Arduino создает сам, вставляя туда необходимые «черновые» действия.

В текст своей программы (скетча) программист не обязан вставлять заголовочные файлы используемых стандартных библиотек. Эти заголовочные файлы добавит препроцессор Arduino в соответствии с конфигурацией проекта. Однако пользовательские библиотеки нужно указывать. Менеджер проекта Arduino IDE имеет нестандартный механизм добавления библиотек. Библиотеки в виде исходных текстов на стандартном C++ добавляются в специальную папку в рабочем каталоге IDE. При этом название библиотеки добавляется в список библиотек в меню IDE. Программист отмечает нужные библиотеки и они вносятся в список компиляции. Arduino IDE не предлагает никаких настроек компилятора и минимизирует другие настройки, что упрощает процесс работы для разработчиков и что более важно уменьшает риск возникновения ошибок проблем.

Закачка программы в микроконтроллер Arduino происходит через предварительно запрограммированный специальный загрузчик (все микроконтроллеры от Ардуино производятся с этим загрузчиком). Загрузчик создан на основе Atmel AVR ApplicationNote AN109. Загрузчик может работать через интерфейсы RS-232, USB или Ethernet в зависимости от состава периферии конкретной процессорной платы. В некоторых вариантах, таких как ArduinoMini или неофициальнойBoarduino, для программирования требуется отдельный переходник.

4.2 Алгоритм работы системы управления с голосовым интерфейсом.

На рисунке 4.1 представлен алгоритм работы автоматизированной системы управление с голосовым интерфейсом. Для корректной работы системы при первом запуске производится настройка параметров периферийного оборудования микроконтроллера, инициализация программных переменных и подключение к программному коду дополнительных библиотек для управления голосовым модулем и драйвером шагового двигателя (VoiceRecognitionV3, Stepper).

В Ардуино реализована аппаратная поддержка интерфейса последовательной передачи данных через выводы 0 и 1 (которые также используются для связи с компьютером посредством USB). Аппаратная работа с последовательным интерфейсом осуществляется с помощью встроенного в микроконтроллер специального устройства, называемого приемопередатчиком UART. Он позволяет микроконтроллеру Atmega обрабатывать поступающие данные даже во время работы над другими задачами. Подключаемая библиотека SoftwareSerial позволяет реализовать последовательный интерфейс на любых цифровых выводах Ардуино с помощью программных средств, дублирующих функциональность UART. Библиотека позволяет программно создавать несколько последовательных портов, работающих на скорости до 115200 бод. Благодаря такому программно-техническому решению становится возможным подключить к микроконтроллеру Arduino по цифровому интерфейсу с протоколом передачи данных RS-232 и планшетный компьютер и устройство распознавания устной речи одновременно. После настройки COM-порта производится подключение микропроцессора к голосовому модулю. Далее программой микроконтроллера выполняется проверка конфигурации модуля распознавания голоса и определение загруженных в нем голосовых команд. Если все настройки микроконтроллера и голосового модуля верны, то программа выдает информационное сообщение о состоянии системы и о загруженных голосовых командах в последовательный порт, которое можно посмотреть, открыв монитор COM-порта. После этого однократно запускается функция настройки программных постоянных, переменных, используемых в программе компонентов и режимов работы цифровых линий ввода/вывода и других параметров,– setup. В этой части программного кода устанавливается значение скорости вращения шагового двигателя, скорость передачи данных последовательных портов, а также цифровые линии микроконтроллера устанавливаются в режим OUTPUT. После выполнения функции setup вызывается бесконечный, во всем масштабе времени работы микропроцессора, цикл loop. Далее функционирование программного кода разделяется на два последовательно выполняемых цикла for (цикл с фиксированным числом итераций). Такая программная конструкция требуется для имитации ветвления алгоритма или параллельной обработки пользовательских запросов. Другими словами основной рабочий цикл программы разделен на «одновременное» выполнение двух задач.

Многозада́чность (англ. multitasking) — это свойство системы или среды выполнения обеспечивать возможность параллельной (или псевдопараллельной) обработки нескольких задач[7]. Истинная многозадачность возможна только в распределённых вычислительных системах. Однако архитектура процессора ATmega не поддерживает многозадачность, поэтому одновременное выполнение процессов на микропроцессорной платформе Arduino возможно только для задач имеющих аппаратную реализацию, например генерация PWM. В состоянии выполнения в используемой, в данном проекте однопроцессорной системе может находиться только один процесс. Тем не менее, программными средствами, возможно, реализовать режим разделения времени – выделение квантов времени задаче с учетом ее приоритета. Это называется концепцией мультипрограммирования: разделения времени, или циклическое поочередное выделение кванта процессорного времени для каждого приложения/задачи. В соответствии с этой концепцией каждому потоку поочередно для выполнения предоставляется ограниченный непрерывный период процессорного времени — квант. При активизации процесс переходит в состояние выполнения и находится в нем до тех пор, пока либо он сам не освободит процессор, перейдя в состояние ожидания какого-нибудь события, либо будет принудительно освобожден от использования вычислительных ресурсов (например, вследствие истечения отведенного данному процессу кванта процессорного времени). В последнем случае процесс возвращается в состояние готовность. В это же состояние процесс переходит из состояния ожидания после того, как ожидаемое событие произойдет. Таким образом, в соответствии с разработанным алгоритмом, в цикле loop последовательно выполняется обработка текстовых команд поступающих от программных элементов управления графического интерфейса реализуемом на планшетном компьютере в первом цикле for и обработка голосовых команд поступающих от модуля распознавания речи во втором цикле for. Для каждой задачи в программе выделяется период времени для доступа к ресурсам системы. Выполнение программного кода в 1м и 2м циклах производится при вводе соответствующих данных/команд. В первом цикле реализована задача обработки пользовательских запросов выполняемых без использования голосового интерфейса, т. е. если команда на движение лифта подается не голосом, а с помощью ручного ввода, то данный фрагмент программного кода определяет заданный пассажиром лифта этаж и далее формирует соответствующее информационное сообщение для платы центрального контроллера системы управления лифом. Если в течение выделенного кванта времени от компьютера по последовательному интерфейсу не была передана команда микроконтроллеру, то запускаете второй цикл for. Во втором цикле реализован программный код выполняющий обработку распознанных голосовым модулем команд пользователя. После идентификации команды и определения требуемого этажа программа микроконтроллера также формирует и отправляет соответствующие информационные сообщения к микропроцессорной системе управления лифтом.

Характеристики

Список файлов ВКР