Аппаратная реализация подсистемы голосового управления информационно-измерительных и управляющих систем

УДК 004.934

А. К. Алимурадов, П. П. Чураков

АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОДСИСТЕМЫ ГОЛОСОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

HARDWARE IMPLEMENTATION SUBSYSTEM VOICE CONTROL NEWS MEASUREMENT AND CONTROL SYSTEMS

Аннотация. Актуальность и цели. Объектом исследования является подсистема голосового управления информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС). Предмет исследования - аппаратная реализация подсистемы голосового управления. Целью работы является разработка структурной и электрической принципиальной схемы соединений, выбор и обоснование аппаратных средств подсистемы голосового управления. Материалы и методы. В работе использовался структурно-функциональный метод, позволяющий провести декомпозицию подсистемы голосового управления на структурные компоненты и их функциональную нагрузку, в соответствии с которой осуществлялся выбор аппаратных средств. Результаты. На основании полученных результатов, ранее опубликованных автором, представлена структурная схема модульного типа подсистемы голосового управления в составе ИИУС. В соответствии со структурной схемой проведены выбор и обоснование аппаратных средств для каждого модуля подсистемы. На основании подобранных элементов аппаратной реализации разработана электрическая схема соединений подсистемы голосового управления. Выводы. Предложена аппаратная реализация подсистемы голосового управления в составе ИИУС на основе модульной структуры во главе с одноплатным миниатюрным компьютером Raspberry Pi Model B.

Abstract. Background. The object of the study is a voice control subsystem of information-measuring and operating systems (IMOS). The subject of the study is the hardware realization of a voice control subsystem. The aim is to develop the structural and electrical schematic circuit diagram, as well as the selection and justification of the voice control subsystems hardware. Materials and methods. We have used the structural-functional approach, which allows carrying out both decomposition of the voice control subsystem into structural components, and their functional stress, being the basis of the hardware. Results. Based on the previously published results, the author presents a modular type block diagram of the voice control subsystem of IMOS. In accordance with the block diagram, the hardware selection and justification for each module have been done. The electrical circuit scheme of the voice control subsystem has been developed on the basis of the chosen elements of the hardware realization. Conclusions. A hardware realization of a voice control subsystem of IMOS based on a modular structure, headed by a miniature single-board computer Raspberry Pi Model B.

Ключевые слова: информационно-измерительные и управляющие системы, голосовое управление, Z-Wave, Raspberry Pi Model B.

Key words: information-measuring and operating systems, voice control, Z-Wave, Raspberry Pi Model B.

В каждом современном жилом помещении в той или иной степени функционируют инженерные системы, обеспечивающие комфорт и безопасность [1]. Управление, контроль и измерение параметров инженерных систем обеспечивают информационно-измерительные и управляющие системы. Аппаратная реализация информационно-измерительных и управляю-

И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

A. K. Alimuradov, P. P. Churakov

Введение

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

щих систем (ИИУС) зависит от структуры, вида управления и протоколов взаимодействия инженерных систем.

Данная статья является продолжением ранее опубликованных трудов [2-4] и посвящена вопросу аппаратной реализации подсистемы голосового управления ИИУС, включающей в себя разработку структурной и электрической принципиальной схем соединений, выбор и обоснование аппаратных средств.

На рис. 1 представлена структурная схема ИИУС [2].

Рис. 1. Структурная схема ИИУС домашней автоматизации

24

Подсистема голосового управления ИИУС осуществляет управление инженерными системами с помощью голосовых команд. Голосовая команда регистрируется с помощью микрофона, обрабатывается в подсистеме голосового управления и поступает в подсистему управления в которой происходит ее идентификация и перенаправление в виде управ-

ляющих команд для исполнения. Взаимодействие ИИУС с инженерными системами осуществляется с применением специализированного беспроводного протокола передачи данных 2^ауе [5].

Аппаратная реализация подсистемы голосового управления

На рис. 2 представлена разработанная автором структурная схема подсистемы голосового в составе ИИУС, которая состоит из следующих модулей: обработки, визуализации, регистрации, питания, аудио и Z-Wave [3].

Регистрация сигналов голосовых команд функционально реализована посредством модуля регистрации, состоящего из микрофонов и усилителя.

Алгоритмы обработки голосовых команд реализованы программно и интегрированы в микроконтроллер, который также выполняет вычислительные операции, операции управления и контроля режимами работы подсистемы голосового управления. Микроконтроллер совместно с дополнительным периферийным оборудованием функционально реализован в виде модуля обработки. Периферийное оборудование модуля в соответствии с функционалом обеспечивает нормальную работоспособность подсистем голосового управления.

Режимы работы подсистемы голосового управления предусматривают предварительную настройку и обучение. Предварительная настройка осуществляется с использованием сенсорного ТУТ-дисплея для ввода и отображения информации о настройках, реализованного в виде модуля визуализации.

Контроль режимов работы системы реализуется модулем аудио, осуществляющим звуковую индикацию режимов работы (динамическая головка).

Для обеспечения устройства необходимым напряжением питания используется модуль питания, который выполняет функции преобразования напряжения для обеспечения бесперебойности работы подсистемы голосового управления.

Подсистема голосового управления ИИУС

МОДУЛЬ ОБРАБОТКИ RaspiMTy Pi Mndol В

МОДУЛЬ РЕГИСТРАЦИИ

Голсихчше ношнды

Омк i

Ммш US

*

DMK2

Микрофонный усшштсп TS922P

-1-

Т Т

+5ÍÍ (.¡N1) -Sli

МОДУЛЬ ПИТАНИЯ

220В

AC/DC' convener TMLOilüS

+5В (¡N[> -5B

Инженерные системы

Порт OPIO

МОДУЛЬ "Z-WAVE"

Шата расширения Single Chip Z-Wavc

!

+SB (iND

Управляющие команды

DODC ecn verter

МОДУЛЬ АУДИО

Динамическая киюька 26CH08FE

Порт Display DSI cormcclor Порт Ethernet Порт USB

Порт HDMI Микрок'ошрахиф Broadcom ВСМ2836 Порт Audio OUT

Слот для карты памяш

+5В (¡ND

МОДУЛЬ ВИЗУАЛИЗАЦИИ Настройка

ТТТ-дисилей 2.8" USB display for Raspberry Pi

—♦-•—

*

+5В GND

Инженерная климатическая система

Инженерная тнерюшчесхая система

Инженерная

система ое (опасности

Инженерная

система мехзннтацш!

Инженерная

система управления

Инжгмериая система мониторинга и святи

Рис. 2. Структурная схема подсистемы голосового управления в составе ИИУС

Выбор и обоснование аппаратных средств подсистемы голосового управления

Модуль обработки является основным компонентом подсистемы голосового управления. При выборе модуля обработки необходимо исходить из его функциональных возможностей и внутренней архитектуры. Выбор зависит от наличия или отсутствия системы обеспечения разработки (программной среды разработки и соответствующего оборудования), интерфейсов подключения периферийного оборудования и плат расширения для взаимодействия с устройствами, работающими по протоколу Z-Wave, размеров и цены. На сегодня существует множество многофункциональных отладочных платформ, используемых для разработки цифровых приложений на микроконтроллерах, среди которых можно выделить три наиболее популярных: Arduino Uno R3 [6], Beagle Bone-Black [7] и Raspberry Pi Model B [8].

Arduino Uno R3 - это отладочная платформа на основе микроконтроллера ATmega 328. В ее состав входит все необходимое для удобной работы с микроконтроллером: 14 цифровых входов/выходов (из них 6 могут использоваться в качестве выходов с широтно-импульсной модуляцией), 6 аналоговых входов, кварцевый резонатор на 16 МГц, разъем USB, разъем питания, разъем для внутрисхемного программирования ICSP и кнопка сброса. Для начала работы с устройством достаточно просто подать питание от AC/DC конвертора или батарейки, либо подключить его к компьютеру посредством USB-кабеля.

Beagle Bone-Black - это отладочная платформа на микроконтроллере AM3359 с архитектурой ARM Cortex-A8 от Texas Instruments с тактовой частотой 1 ГГц, предназначенная для разработчиков и созданная для изучения операционной системы Linux. В ее состав входит оперативная память 512 МБ DDR3L, 2 ГБ eMMC памяти и слот microSD карты. Для подключения внешних устройств имеются интерфейсы Ethernet, USB, HDMI (с аудиовыходом) и разъемы расширения. Платформа работает под управлением операционной системы Linux Angstrom, образ которой уже предустановлен во встроенную eMMC Flash память. Кроме того, плата поддерживает операционные системы Ubuntu, Android и Fedora.

Raspberry Pi Model B - это отладочная платформа, представляющая собой одноплатный миниатюрный дешевый компьютер, основанный на микроонтроллере Broadcom BCM2836 с архитектурой ARM 11 с тактовой частотой 0,7 ГГц (с возможностью разгона процессора до 1 ГГц). В ее состав входит 512 Мб SDRAM оперативной памяти, система ввода-вывода общего назначения - порт GPIO, пригодный для управления внешними устройствами, слот для карты памяти SD/MMC/SDIO, два порта USB, Ethernet 10/100 Мбит. Поддерживаемые операционные системы: Raspbian (Debian, скомпилированный под архитектуру ARM), веб-браузер Midori, предустановленный интерпретатор Python.

26

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Все три модели отладочных платформ находятся доступном ценовом диапазоне, выполнены в компактном форм-факторе и могут использоваться для создания различных цифровых устройств. В табл. 1 представлены сравнительные характеристики трех платформ. Как видно, для аппаратной реализации подсистемы голосового управления оптимальным вариантом является отладочная платформа Raspberry Pi Model B (рис. 3).

Таблица 1

Сравнение основных характеристик отладочных платформ

Платформа Arduino Uno R3 Beagle Bone-Black Raspberry Pi Model B

Ориентировочная цена, руб. 1150,00 2728,60 1930,00

Габаритные размеры, см 7,5 х 5,4 8,6 x 5,3 8,6 x 5,4

Микроконтроллер ATmega 328 AM3359 с архитектурой ARM Cortex-A8 Broadcom BCM2836 с архитектурой ARM 11

Тактовая частота, ГГц 0,016 1 0,7-1,0

ОЗУ, Мб 128 512 512

Flash-память - SD-карта SD-карта

Напряжение питания, В 7-12 5 5

Минимальное энергопотребление, Вт 0,3 0,85 3,5

Инструменты разработки Arduino IDE Phyton, Scratch, Squeak, Cloud9/Linux IDLE, Scratch, Squeak/Linux

Порт Ethernet - 10/100 Мб RJ45 10/100 Мб RJ45

Интерфейс USB - USB 2.0 2x USB 2.0

Видео вход/выход - HDMI HDMI

Аудио вход/выход - Через HDMI 3,5 мм

Рис. 3. Внешний вид отладочной платформы Raspberry Pi Model B

На сегодня одноплатный миниатюрный компьютер Raspberry Pi Model B является одним из самых популярных во всем мире, открывающий перед разработчиками, инженерами и программистами уникальные возможности для реализации научно-технических проектов.

Модуль визуализации. TFT-дисплеи - это активные экраны, основанные на тонкопленочном транзисторе (Thin Film Transistor, TFT). Активные панели обладают более четким, чистым и ярким изображением и большим углом обзора, чем пассивные (т.е. возможностью смотреть на экран как прямо, так и под углом и видеть при этом одинаково яркое изображение).

При выборе TFT-дисплея необходимо исходить из его функциональных возможностей по взаимодействию с ранее выбранным модулем обработки на базе миникомпьютера Raspberry Pi Model B. Выбор также зависит от диагонали и разрешения экрана, размеров, напряжения питания, яркости и рабочей температуры. На сегодня существует множество TFT-дисплеев с возможностями использования с миникомпьютером Raspberry Pi Model B среди которых можно выделить наиболее популярный: 2.8" USB TFT display for Raspberry Pi от компании RoboPeakMini USB Display [9]. На рис. 4 представлен внешний вид TFT-дисплея, а в табл. 2 основные параметры и характеристики.

Рис. 4. Внешний вид 2.8' USB TFT display for Raspberry Pi

Таблица 2

Основные параметры и характеристики 2.8" USB TFT display for Raspberry Pi

Наименование параметра и характеристики Данные параметра и характеристики

Диагональ экрана, дюйм 2,8

Разрешение экрана, пиксель 320x240

Размеры, мм 74x60x4

Тип подсветки LED

Входной интерфейс USB Full-Speed

Опции и состав комплекта сенсорная панель, резистивная

Напряжение питания, В 3,3-5

Яркость, кд/м2 350

Контраст 400:1

Глубина цвета, бит 16

Рабочая температура, °С от -10 до +60

Температура хранения, °С от -20 до +60

Модуль регистрации. При разработке модуля регистрации необходимо исходить из принципа действия применяемых в модуле микрофонов. По принципу действия микрофонов различают: угольные, динамические (электродинамические), конденсаторные и пьезоэлектрические. Выбор микрофона зависит от частотного диапазона и его неравномерности, динамического диапазона и направленности. Для аппаратной реализации модуля регистрации оптимальным вариантом является конденсаторный вид микрофона, так как он обладает большими частотным и динамическим диапазонами, наименьшей неравномерностью и большей направленностью. При выборе конденсаторного микрофона следует учесть, что из-за конструктивных особенностей для миникомпьютера Raspberry Pi Model B невозможно использовать микрофон со стандартным аудио разъемом TRS 3,5 мм.

В настоящее время существует множество конденсаторных микрофонов, использующих в качестве аудиовыхода порт USB, среди которых можно выделить наиболее популярный: Мини USB 2.0 микрофон MIC [10]. Особенностью данного микрофона является наличие встроенного микрофонного усилителя с высоким уровнем чувствительности. На рис. 5 представлен внешний вид Мини USB 2.0 микрофон MIC, а в табл. 3 основные параметры и характеристики.

Рис. 5. Внешний вид микрофона Мини USB 2.0 микрофон MIC

28

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Таблица 3

Основные параметры и характеристики Мини USB 2.0 микрофон MIC

Наименование параметра и характеристики Данные параметра и характеристики

Частотный диапазон, Гц от 20 Гц до 20000

Качество записи, бит 16

Отношение сигнал/шум, дБ 96

Чувствительность, дБмВ -67

Рабочая температура, °С от -10 до +60

Температура хранения, °С от -20 до +60

Модуль питания. AC/DC конверторы предназначены для преобразования переменного напряжения сети 220 В частотой 50 Гц в постоянное напряжение.

Для обеспечения работы подсистемы голосового управления ИИУС домашней автоматизации необходимо использовать стабилизированный AC/DC конвертор с выходным напряжением 5 В и номинальным током не менее 1 А. Большинство конверторов имеют схожие характеристики и находятся в одном ценовом сегменте, однако для подсистемы голосового управления важно сохранять компактный форм-фактор.

Выбор AC/DC конвертора зависит от многих параметров: входных и выходных напряжений и тока, коэффициента полезного действия (КПД), выходной мощности, диапазона рабочих температур и габаритных размеров. На сегодня существует множество конверторов. В табл. 4 представлены параметры и характеристики AC/DC конверторов пяти ведущих мировых производителей.

Таблица 4

Параметры и характеристики AC/DC конверторов

Наименование TRACO POWER PEAK POWER LINE RAC04-05SA MEAN WELL NFM-05-5 XP POWER

параметра TML 05105 PPM03-S-ELF VCP05

Входное переменное напряжение, В 90-264 85-264 90-264 85-264 90-264

Частота входного напряжения, Гц 47-440 47-440 47-440 47-440 47-63

Выходное напряжение, В 5 ± 1 % 5 ± 2 % 5 ± 3 % 5 ± 2 % 5 ± 5 %

Выходной ток, А 2,0 0,3-1,2 0,8 1,0 1,0

Выходная мощность, Вт 10 2,3-3,0 4 5 5

Напряжение шумов и помех, мВ > 10 > 100 > 200 > 80 > 150

Диапазон рабочих от -30 от -27 от -40 от -20 от -20

температур, °С до +71 до +70 до +70 до +70 до +60

КПД, % 84 79 72 71 77

Габаритные размеры, мм 52,4x27,2x23,0 37x23x15 36,7x21.0x27,0 58x45x19 58,5x17x35,5

Как видно из табл. 4, для аппаратной реализации модуля питания оптимальным вариантом является конвертор TRACO POWER TML 05105 [11]. Внешний вид AC/DC конвертора представлен на рис. 6.

Рис. 6. Внешний вид AC/DC конвертора TRACO POWER TML 05105

Модуль аудио. Динамическая головка - это громкоговоритель, в котором преобразование электрического сигнала в звуковой происходит благодаря перемещению катушки с током в поле постоянного магнита с последующим преобразованием полученных механических колебаний в колебания окружающего воздуха при помощи диффузора.

Выбор динамической головки для модуля зависит от основных параметров: номинального сопротивления, диапазона воспроизводимых частот, предельной мощности и габаритных размеров. На сегодня существует множество динамических головок. В табл. 5 представлены параметры и характеристики четырех динамических головок.

Таблица 5

Параметры и характеристики динамических головок

Наименование параметра 0,5 ГДШ 36-1-16 20CS08GI 4-V38ND 15CR08F 26CR08FE

Номинальный диаметр, мм 36 20 15 26

Номинальное сопротивление, Ом 16 8 8 8

Диапазон воспроизводимых частот, Гц 400-5000 600-20000 500-5000 450-20000

Предельная мощность, Вт 1 0,5 0,3 0,5

Как видно из табл. 5, для аппаратной реализации модуля аудио оптимальным вариантом является головка 26CR08FE [12]. Внешний вид динамической головки представлен на рис. 7.

Рис. 7. Внешний вид динамической головки 26CR08FE

Модуль Z-Wave реализован в виде платы расширения Single Chip (рис. 8) [13], а также в виде модуля с интегрированным радиочастотным трактом и антенной. В плате расширения Z-Wave используется процессор 8051, флэш память, SDRAM, контроллер Triac, радиомодуль, ввод/вывод, аналого-цифровой преобразователь, универсальный асинхронный приемопередатчик. Система управления на основе Z-Wave представляет собой mesh-сеть с дуплексной беспроводной радиосвязью.

Рис. 8. Внешний вид платы расширения Single Chip Z-Wave

Компания Sigma Designs, владеющая технологией Z-Wave, выдает лицензию на конструирование, стековое программное обеспечение и интерфейсы прикладного программирования (Application Programming Interface, API) для изготовителей Z-Wave устройств. Это гарантирует

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

качественную и ускоренную разработку изделий. На сегодня Z-Wave является мировым лидером на рынке беспроводного управления.

На основании подобранных элементов аппаратной реализации разработана схема электрическая соединений подсистемы голосового управления, используемая в составе ИИУС (рис. 9).

Рис. 9. Схема электрическая соединений подсистемы голосового управления

30

Заключение

Рассмотрен вопрос аппаратной реализации подсистемы голосового управления. Представлена структурная схема модульного типа подсистемы голосового управления в составе ИИУС. В соответствии со структурной схемой проведены выбор и обоснование аппаратных средств для каждого модуля подсистемы. На основании подобранных элементов аппаратной реализации разработана схема электрическая соединений подсистемы голосового управления во главе с одноплатным миниатюрным компьютером Raspberry Pi Model B.

Список литературы

1. Волгунов, А. Д. Обзор функциональных возможностей и перспектив развития информационно-измерительных управляющих систем домашней автоматизации / А. Д. Волгунов // Молодой ученый. - 2015. - № 8. - С. 199-202.

2. Алимурадов, А. К. Разработка и исследование системы голосового управления высокоинтеллектуальным комплексом «УМНЫЙ ДОМ» / А. К. Алимурадов, А. Ю. Тычков, Ф. Ш. Муртазов // Автоматизация и IT в энергетике. - 2013. - № 9 (50). - С. 49-52.

3. Алимурадов, А. К. Устройство голосового управления системой домашней автоматизации Z-Wave / А. К. Алимурадов, П. П. Чураков, Ю. С. Квитка // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 2 (8). - С. 48-58.

4. Алимурадов, А. К. Разработка и исследование системы управления средствами технического назначения для людей с ограниченными возможностями / А. К. Алимурадов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2013. - № 2 (6). -С. 139-144.

5. Умный дом на базе Z-Wave. - URL: http://habrahabr.ru/post/160493/ (дата обращения: 20.06.2015).

6. Arduino Uno R3 [на английском языке]. - URL: http://www.arduino.cc/en/Main/ ArduinoBoardUno (дата обращения: 20.06.2015).

7. Beagle Bone-Black [на английском языке]. - URL: http://beagleboard.org (дата обращения: 20.06.2015).

8. Raspberry Pi Model B [на английском языке]. - URL: https://www.raspberrypi.org (дата обращения: 20.06.2015).

9. Описание TFT-дисплея «2.8» USB TFT display for Raspberry Pi» от компании RoboPeak Mini USB Display. - URL: http://www.robopeak.com (дата обращения: 20.06.2015).

10. Описание микрофона «Мини USB 2.0 микрофон MIC» [на русском языке]. - URL: http://www.miniinthebox.com/ru/mini-usb-2-0-microphone-for-pc_p2066339.html (дата обращения: 20.06.2015).

11. Официальная страница AC/DC конвертора «TRACO POWER TMLM 05105» [на английском языке]. - URL: www.tracopower.com/ (дата обращения: 20.06.2015).

12. Описание динамической головки «26CR08FE» [на русском языке] URL: http://www.elec.ru (дата обращения: 20.06.2015).

13. Официальный сайт компании Sigma Designs Inc. Z-Wave home control. - URL: http:// z-wave.sigmadesigns.com/new_to_z-wave (дата обращения: 20.06.2015).

Алимурадов Алан Казанферович

соискатель,

кафедра информационно-измерительной техники и метрологии, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: alansapfir@yandex.ru

Чураков Петр Павлович

доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: iit@pnzgu.ru

Alimuradov Alan Kazanferovich

applicant,

sub-department of information

and measuring equipment and metrology,

Penza State University

Churakov Petr Pavlovich

doctor oftechnical sciences, professor, sub-department of information and measuring equipment, Penza State University

УДК 004.934 Алимурадов, А К.

Аппаратная реализация подсистемы голосового управления информационно-измерительных и управляющих систем / А. К. Алимурадов, П. П. Чураков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2015. - № 4 (14). - С. 23-31.