Sistema Avançado de Automação Residencial por Controlo de Voz com Microcontrolador 8051

Sistema de Automação Residencial Controlado por Voz usando Microcontrolador 8051

Automação Residencial Baseada em Reconhecimento de Voz

Com a evolução de dispositivos inteligentes e várias tecnologias de comunicação sem fios, é agora possível aproveitar estas técnicas para os melhores benefícios possíveis para os seres humanos. Um desses benefícios envolve o controlo de eletrodomésticos independentemente da distância, poupando tempo e energia. Este controlo inteligente de eletrodomésticos é o que conhecemos como Automação Residencial, tal como a automação industrial.

Embora existam várias técnicas como Comunicações Sem Fios, Internet das Coisas (IoT), Método de Reconhecimento de Voz, aqui vamos ter uma pequena ideia de como podemos usar o Reconhecimento de Voz para fins de Automação Residencial.

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Antes disso, vamos ter um conhecimento teórico sobre Reconhecimento de Voz.

Reconhecimento de Voz

O reconhecimento de voz implica a receção e interpretação de qualquer ditado linguístico, por uma máquina ou programa. É o processo de reconhecer a fala humana e decodificá-la em forma de texto.

Basicamente envolve a conversão de ondas sonoras analógicas (vibrações no ar causadas por palavras faladas por seres humanos) em sinais digitais, que são decodificados em palavras apropriadas e eventualmente frases.

Um sistema de reconhecimento de fala consiste geralmente num dispositivo de captura de fala (basicamente um microfone e um Conversor Analógico-Digital, que amostragem e digitaliza os sinais sonoros analógicos), um módulo de Processador de Sinal Digital (DSP) (que processa o sinal digital para o converter do domínio do tempo para o domínio da frequência, de modo a reter a informação original), um sistema de armazenamento de sinal pré-processado (um cartão de memória para realizar tarefas adicionais), padrões de fala predefinidos, armazenados na memória como referência para correspondência, e um algoritmo de correspondência de padrões para comparar o sinal de fala de entrada com o padrão de fala de referência.

É de notar que um ser humano normal pode produzir fala a uma taxa de 10 sons por segundo e a taxa de informação necessária é de 50 bits por segundo no sinal de fala. Este sinal acústico é convertido em sinal elétrico pelo microfone, e o sinal analógico é convertido em sinal digital.

Como este sinal digital convertido no domínio do tempo é amostrado 16000 vezes por segundo, não é adequado para localizar padrões de fala. Por isso, é convertido para o domínio da frequência usando a técnica de Transformada Rápida de Fourier (FFT). Esta técnica envolve analisar componente após cada 1/100 de segundo e calcular o espetro de frequência de cada componente.

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Cada gráfico de frequência ou espetro representa os segmentos de sons feitos pelo ditador de fala.

O computador ou controlador compara o segmento de fala desconhecido com a fonética armazenada da língua.

Esta correspondência de padrões pode ser feita usando uma abordagem fonética acústica (usando o Modelo Oculto de Markov, onde o segmento de fala é comparado com o fonema segundo a sua probabilidade), abordagem de reconhecimento de padrões (padrão de fala desconhecido comparado com o padrão de referência determinando a distância entre os sinais) e abordagem de Inteligência Artificial (baseada na utilização de fontes de conhecimento básicas).

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O Modelo Proposto de Automação Residencial Controlada por Voz

Aqui tentámos construir um pequeno sistema de automação residencial baseado em reconhecimento de voz usando comunicação sem fios entre dois microcontroladores 8051.

Aviso: Os circuitos de transmissor e receptor apresentados aqui são teóricos e não testados na prática. Usámos o Multisim que não tem modelo de simulação para HM2007 nem nenhum Modelo de Comunicação. Por isso, a simulação adequada do sistema não foi possível.

O sistema envolve o processamento do comando de voz, do utilizador (na entrada do microfone) pelo IC de reconhecimento de voz, transmissão e receção do sinal usando módulos de comunicação, controlados pelo microcontrolador. O microcontrolador na receção controla a comutação da lâmpada, baseada no comando de voz correto do sistema transmissor.

Agora, vamos ter uma breve ideia de como o sistema funcionaria.

Figura 2: Placa de Reconhecimento de Voz HM2007

O coração do sistema de reconhecimento de voz envolve o IC HM2007, que é um IC de 48 pinos que fornece função de reconhecimento de voz. Funciona em modo Manual ou CPU. Pode reconhecer até 20 palavras, cada uma com duração de 1,92 segundos e opera a 9 a 15 Volts CC. Aqui podemos usar o modo manual para o HM2007.

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Diagramas de Circuito do Sistema de Automação Residencial com Reconhecimento de Voz

Secção Transmissora

Secção Receptora

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Funcionamento do Sistema

1. O utilizador dá entrada de voz no pino MICIN do IC HM2007, através de um microfone.

2. O pino RDY do IC estará em estado LOW ativo, indicando que está pronto para fins de treino.

3. O utilizador pressiona "1" no teclado e depois a tecla "TRAIN", antes de dizer a palavra alvo (ou "ON" ou "OFF")

4. O pino Memory Enable (ME), ligado ao pino correspondente da SRAM externa, que armazena o sinal de dados de 8 bits correspondente ao número

5. Uma vez detetada a entrada de voz, o pino RDY vai a HIGH e o IC inicia o processo de reconhecimento.

6. O resultado do processo de reconhecimento é dado através do barramento de dados ao Microcontrolador 8051.

7. O microcontrolador (chamado uC1) transmite o sinal de dados através do módulo de comunicação.

8. Na extremidade receptora, o microcontrolador (chamado uC2) recebe a entrada de dados e compara-a com o comando armazenado. Uma vez que ambos os dados coincidam, o relé é acionado (conforme o comando dado). Se os dados não coincidirem, o microcontrolador retransmite um sinal de erro de volta.

9. O microcontrolador uC1 recebe este sinal de erro e interrompe o processo em curso, e apresenta a informação de erro no Display de Cristal Líquido (LCD) ligado.

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Limitações do Sistema de Reconhecimento de Voz

1. Palavras faladas continuamente não podem ser aceites pelo sistema devido a sobreposição e, por isso, precisa de haver um silêncio ou pausa entre duas palavras consecutivas. Assim, apenas palavras isoladas seriam viáveis.

2. O sistema é um sistema dependente do locutor. Muitos locutores a falar simultaneamente resultariam em sobreposição de sinais e interrupções.

3. Existe uma limitação no tamanho do vocabulário. Línguas com vocabulário grande são difíceis para comparação de padrões comparadas a línguas com vocabulário pequeno, pois as hipóteses de ter palavras ambíguas são menores.

Independentemente das limitações acima, este sistema de controlo de eletrodomésticos usando método de reconhecimento de voz seria vantajoso considerando que poupa tempo e proporciona segurança.

Apresentei um pequeno modelo de automação residencial baseada em reconhecimento de voz, enquanto que em grande escala, tal sistema, uma vez construído em grande escala, pode ser usado para várias aplicações.

Qualquer outra ideia sobre controlo de eletrodomésticos usando reconhecimento de voz é bem-vinda na secção de comentários abaixo.

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