Systém hlasové ovládání osvětlení - VŠB Technická Univerzita Ostrava

Tato aplikace byla vytvořena a je provozována jako Informace k provozování ŠKOLNÍ VERZE PROMOTIC.

Jan, Vaňuš, Ing., VŠB-TU Ostrava, FEI, katedra 452, jan.vanus@vsb.cz, http://www.fei.vsb.cz
Pro výuku moderních způsobů ovládání provozně technických funkcí v budovách byla pro studenty Fakulty Stavební VŠB TU Ostrava v předmětu Základy systémové techniky budov a pro studenty Fakulty Elektrotechniky a Informatiky VŠB TU Ostrava v předmětu Systémová technika budov vytvořena laboratorní úloha pro hlasové ovládání provozně technických funkcí v budově (včetně hlasového ovládání osvětlení) pomocí sběrnicového systému NIKOBUS. Hlasové povely jsou vyslovovány v reálném prostředí. Do reálného prostředí v budově lze zahrnout různé hluky z ventilátorů, z klimatizace, z běžícího počítače, z rozhlasu, televize, z vysavače, atd. Všechny tyto aditivní hluky (šumy) ovlivňují kvalitu zpracování řečového signálu, případně rozpoznání řečového signálu pro následné vykonání požadované provozně technické funkce. V článku je porovnána úspěšnost rozpoznání hlasových povelů pro ovládání osvětlení v bytě pomocí software MyVoice v reálném prostředí.

Základní popis a rozdělení laboratorní úlohy
Pro hlasové ovládání provozně technických funkcí v budově je celá úloha rozdělena na několik částí:

1. Vizualizace ovládání provozně technických funkcí pomocí systému PROMOTIC,

2. Hlasové ovládání provozně technických funkcí pomocí software MyVoice.

1. Vizualizace ovládání provozně technických funkcí v budově
Řízením provozně technických funkcí v budově se rozumí například zapínání/vypínání světel, regulace vytápění nebo klimatizace, spouštění/vytahování rolet, markýz nebo garážových vrat, realizace zabezpečovacích zařízení, atd. V laboratorní demonstrační úloze používané ve výuce jsou ovládány následující provozně technické funkce:

- zapínání/vypínání světel,

- zapínání/vypínání ventilátoru,

- zapínání/vypínání bojleru,

- zapínání/vypínání el. topení,

- měření teploty v místnosti.

Celá sestava vizualizace provozně technických funkcí je složena z hardwarové a softwarové části (obrázek 1):

a) Hardwarová část:

- měřicí karta PCI6221 (umístěná v PC),

- svorkovnice CB-68LP,

- modul s relé RAS-0515,

- předváděcí panel PT 009 se sběrnicovým systémem NIKOBUS,

b) Softwarová část:

- vizualizační systém PROMOTIC,

- OPC server,

- ODBC ovladač,

- MySQL – systém pro řízení databází.

1.1 Popis sběrnicového systému NIKOBUS
Sběrnicový systém NIKOBUS je inteligentní elektroinstalace, která se používá pro automatizaci provozně technických funkcí v budovách a bytech. Sběrnicová elektroinstalace je navržena modulárně, to znamená, že jednotliví účastníci jsou vzájemně propojeni společným sběrnicovým kabelem.

Všechny komponenty sběrnicového systému NIKOBUS lze rozdělit do tří funkčních skupin:

- senzory,

- aktory,

- systémová zařízení a komponenty.

- obrázek 1 Blokové schéma popisující zapojení celé sestavy.

Aktory, nebo-li řídicí jednotky jsou trojího druhu – spínací, roletové a stmívací. Sběrnicová tlačítka jsou propojena se spínacími, roletovými a stmívacími jednotkami dvojvodičovým vedením – sběrnicí NIKOBUS. Sběrnice NIKOBUS je galvanicky oddělena od sítě 230V a je napájena bezpečným malým napětím 9V DC (SELV). V popisované aplikaci je pro ovládání osvětlení použit jako aktor spínací jednotka a jako senzory jsou použita sběrnicová tlačítka a sběrnicový převodník pro spínače. Pomocí spínací jednotky je ovládána simulace rozsvěcování a zhasínání světel v bytě. Indikace sepnutí jednotlivých funkcí je provedena jednak pomocí připojených žárovek a jednak pomocí vizualizace laboratorní úlohy, realizované pomocí vizualizačního software.

1.2 Popis vizualizace aplikace pomocí vizualizačního software PROMOTIC
Vizualizační software PROMOTIC je SCADA objektový softwarový nástroj pro tvorbu aplikací, které monitorují, řídí a vizualizují technologické procesy.

- obrázek 2 Obrazovka vizualizace.

V systému PROMOTIC je aplikace sestavena pomocí objektů. Tyto objekty mají podle pravidel objektověorientovaného programování svůj název, své vlastnosti (proměnné) a funkce (metody). Každý typ objektů má svou specifickou funkci a způsob použití [5, 6]. Základní obrazovka vizualizace laboratorní úlohy je vidět na obrázku 2. Z dalších aplikací vizualizace jsou pro studenty k dispozici ještě obrazovka trendů a událostí, obrazovka alarmů, případně Web prezentace se zobrazením aktuálního stavu vizualizovaného procesu na internetu.

2. Hlasové ovládání osvětlení
Pro hlasové ovládání osvětlení v bytě je v laboratorní úloze použit software MyVoice. Software MyVoice byl vyvinut českou firmou Fugasoft. Je určen pro rozpoznávání hlasových povelů. Jeho funkce spočívá v nahrazení ovládání pomocí myši a klávesnice za ovládání pouze pomocí lidského hlasu bez nutnosti tyto hlasové povely nahrávat. Software MyVoice nepodporuje software PROMOTIC a jeho aplikace, ale umožňuje uživateli přidávat jeho vlastní funkce a povely. Propojení mezi SCADA systém PROMOTIC a MyVoice je zajištěno objektem PmaKey, který umožňuje ovládání aplikací PROMOTIC pomocí klávesových zkratek. Tyto klávesové zkratky slouží pro ovládání provozně technických funkcí v aplikaci PROMOTIC. Vytváření uživatelských funkcí v software MyVoice se provádí v kartě "Aplikace->Konfigurace" (obrázek 3).

- obrázek 3 Prostředí MyVoice pro konfiguraci skupin povelů.

Nejprve byla vytvořena skupina s názvem "PROMOTIC". Dále byly postupně definovány jednotlivé povely v této skupině tlačítkem "Přidat". V následujícím okně byl zadán název funkce a jeho doslovná výslovnost. Příkladem může být zadání funkce zapnout_světla pro zapnutí všech světel v bytě (Tabulka 1). Definovaná funkce zapnout_světla se vyslovuje zapnoucvjetla a má klávesovou zkratku Shift+F5. Před vlastním spuštěním programu MyVoice je potřeba provést nastavení programu pro konkrétního řečníka a pro konkrétní používaný mikrofon v konfiguračním prostředí "User Configuration" (obrázek 4). Proces, označovaný v experimentální části jako "učení se" v sobě zahrnuje nastavení zisku mikrofonu a vlastní rozpoznání řečníka, který v daný okamžik promlouvá. Proces "učení se" má vliv na úspěšnost rozpoznání jednotlivých řečníků v konkrétní aplikaci.

- obrázek 4 Prostředí MyVoice pro nastavení mikrofonu a řečníka.

V popisované implementaci MyVoice jsou vytvořeny pro ovládání osvětlení pomocí hlasu následující povely pro které jsou definovány odpovídající klávesové zkratky.

Název funkce	Výslovnost funkce	Klávesová zkratka
zapnout_světla	Zapnoucvjetla	Shift+F5
světla_vypnout	Vipnoucvjetla	Ctrl+F5
světlo1	Prvňísvjetlo	F5
světlo2	Druhésvjetlo	F6
světlo3	Třetísvjetlo	F7

- Tabulka 1: Přehled naprogramovaných hlasových příkazů pro hlasové ovládání osvětlení.

Experimentální část
V experimentální části byla porovnávána úspěšnost rozpoznání řečových povelů "zapnout_světla" a vypnout_světla" pomocí software MyVoice. Řečové povely byly vysloveny jedním řečníkem za podmínek:

1. bez rušení,

2. rušení z ventilátoru (Tabulka 4),

3. rušení z ventilátoru a z rádia (Tabulka 4).

Experiment probíhal tak, že pro výše nastavené podmínky (1 až 3) u software MyVoice:

- nebylo realizováno nastavení na konkrétního řečníka a konkrétní podmínky (obrázek 4), (proběhlo "bez učení"),

- bylo realizováno nastavení na konkrétního řečníka a konkrétní podmínky (obrázek 4), (proběhlo "s učením ").

	Podmínky, při kterých byl vyřčen povel zapnout světla	Úspěšnost rozpoznání
1	bez rušení, bez učení	100%
2	bez rušení, s učením	100%
3	s rušením - ventilátor, bez učení	97%
4	s rušením - ventilátor, s učením	96%
5	s rušením - ventilátor+rádio, bez učení	81%
6	s rušením - ventilátor+rádio, s učením	92%

- Tabulka 2: Úspěšnost rozpoznání pro hlasový povel "zapnout světla".

- Graf 1: Úspěšnost rozpoznání pro hlasový povel "zapnout světla".

	Podmínky, při kterých byl vyřčen povel zapnout světla	Úspěšnost rozpoznání
1	bez rušení, bez učení	100%
2	bez rušení, s učením	100%
3	s rušením - ventilátor, bez učení	98%
4	s rušením - ventilátor, s učením	100%
5	s rušením - ventilátor+rádio, bez učení	90%
6	s rušením - ventilátor+rádio, s učením	98%

- Tabulka 3: Úspěšnost rozpoznání pro hlasový povel "vypnout světla".

- Graf 2: Úspěšnost rozpoznání pro hlasový povel "vypnout světla".

Pro výpočet poměru odstupu řečového signálu (povely zapni světlo, vypni světlo) od šumu (z ventilátoru, z rádia) bylo použito segmentální kritérium SSNR [8]. Přibližné poměry SSNR jsou uvedeny v tabulce 4. Pro kladnou hodnotu vypočítaného SSNR je výkon řečového signálu větší než výkon šumu. Pro SSNR záporné je výkon řečového signálu menší než výkon šumu.

	Poměr řečový signál	šum SSNR [dB]
1	zapni světlo – šum z ventilátoru	SSNR1 = -0,0959 [dB]
2	zapni světlo – šum z ventilátoru + šum z rádia	SSNR2 = -0,8931 [dB]
3	vypni světlo – šum z ventilátoru	SSNR3 = -1,2138 [dB]
4	vypni světlo – šum z ventilátoru + šum z rádia	SSNR4 = -2,57 [dB]

- Tabulka 4: Vypočítané hodnoty SSNR poměru řečový signál - šum.

Závěr
V článku byla popsána implementace hlasového ovládání osvětlení pomocí software na rozpoznávání řeči MyVoice, SCADA systém PROMOTIC a sběrnicového systému NIKOBUS. V experimentální části bylo provedeno porovnání úspěšnosti rozpoznání hlasových příkazů "zapnout světla" a "vypnout světla" vyslovených jedním řečníkem za reálných podmínek v bytě. Reálnými podmínkami je zde myšleno běžné rušení v bytě, například aditivní hluk z ventilátoru nebo aditivní rušení z rádia (Grafy 1 a 2, Tabulky 2 a 3). Software MyVoice měl 100% úspěšnost rozpoznání v případě realizace experimentu bez aditivního rušení. Nejhorší výsledky úspěšnosti rozpoznání byly v případě největšího rušení (aditivní hluk z ventilátoru + rušení z rádia (SSNR3 = -1,2138 [dB] a SSNR4 = -2,57 [dB]). Větší úspěšnost rozpoznání lze pozorovat při vyslovení povelu "vypni světla". Povel "zapni světla" má v prvním slově "zapni" neznělou úžinovou souhlásku "z", tzv. frikativa [3, 7]. Při vyslovení povelu "zapni světla" se při rozpoznávání stalo to, že aditivní hluk (SSNR1 = -0,0959 [dB] a SSNR2 = -0,8931 [dB]) tuto souhlásku v některých případech překryl a rozpoznání neproběhlo úspěšně. Z experimentální části vyplývá, že software MyVoice se prokázal dobrými vlastnostmi při rozpoznávání řeči. V případě reálného prostředí s nadměrným hlukem lze použít pro odstranění aditivního hluku signálový procesor s implementovaným adaptivním filtrem s LMS algoritmem v aplikaci pro odstranění šumu.

Literatura a odkazy:

[1] Jan J.: Číslicová filtrace, analýza a restaurace signálů, nakladatelství VUTIUM, Brno 2002, ISBN 80-214-1558-4 (2. uprav. vydání)

[2] http://www.fit.vutbr.cz/study/courses/ZRE/public

[3] Uhlíř J., Sovka P., Pollák P., Hanžl V., Čmejla R.: Technologie hlasových komunikací, nakladatelství ČVUT Praha 2007, ISBN 978–80–01–03888–8

[4] Pávek J.: Inteligentní elektroinstalace Nikobus – systém Nikobus, uživatelský manuál v.1, Moeller Elektrotechnika, spol. s r.o., Praha, 2004

[6] Manuál vizualizačního software PROMOTIC, firma MICROSYS, 2003

[7] Psutka J., Muller L., Matoušek J. Radová V.: Mluvíme s počítačem česky, ACADEMIA, Praha 2006, ISBN 80-200-1309-1

[8] Sedláček M., Šmíd R.: MATLAB v měření, Vydavatelství ČVUT, Praha 2005, ISBN 80–01–02851–85

Ing. Jan Vaňuš Ph.D., VŠB TU Ostrava, FEI, kat 420, Web: http://www.fei.vsb.cz