automaÇÃo baseada em computador por comando de...
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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA/AUTOMAÇÃO
ALISSON PERICO
CINDI SAYUMI SHINOHARA
CRISTIANO DELLANI SARMENTO
AUTOMAÇÃO BASEADA EM COMPUTADOR POR COMANDO DE
VOZ
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA
2013
ALISSON PERICO
CINDI SAYUMI SHINOHARA
CRISTIANO DELLANI SARMENTO
AUTOMAÇÃO BASEADA EM COMPUTADOR POR COMANDO DE
VOZ
Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase em Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Roberto Cesar Betini, Dr. Eng. Co-Orientador: Prof. João Israel Bernardo, Me. Eng.
CURITIBA
2013
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 4
1.1 TEMA ................................................................................................................ 4
1.1.1 Automação Residencial Baseada em Computador/Domótica ..................... 4
1.1.2 Tecnologia Assistiva .................................................................................... 5
1.1.3 Comando de voz ......................................................................................... 7
1.1.4 Programa de Tecnologia Assistiva (PROTA) ............................................... 9
1.2 PROBLEMA..................................................................................................... 10
1.3 OBJETIVOS .................................................................................................... 12
1.3.1 Objetivo Geral .............................................................................................. 12
1.3.2 Objetivos Específicos ................................................................................... 13
1.4 JUSTIFICATIVA ............................................................................................... 13
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ........................................................ 14
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ........................................................................ 16
1.7 CRONOGRAMA .............................................................................................. 17
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 18
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1 INTRODUÇÃO
1.1 TEMA
1.1.1 Automação Residencial Baseada em Computador/Domótica
A automação difundiu-se amplamente no setor industrial ao longo de sua
história, com o objetivo de substituir a mão-de-obra humana e, assim, aumentar os
ganhos da produção do estabelecimento. Para seu desenvolvimento, foi necessária
a criação de hardwares e softwares cada vez mais modernos e robustos. Mais
recentemente, esse conceito passou a fazer parte também dos projetos residenciais,
utilizando-se das tecnologias já elaboradas pela automação industrial para
automatizar processos dentro de uma unidade residencial e, com isso, propiciar
benefícios em setores como: gerenciamento de recursos, conforto, economia,
prevenção de acidentes e, mais importante, segurança dos usuários.
Segundo Dias (2004), os benefícios provenientes da tecnologia da
automação são mais facilmente incorporados pelas instalações industriais e
comerciais do que pelas residenciais, pelo fato de destinarem-se a reduzir custos
operacionais e objetivarem resultados financeiros. Allameh et al. (2012) afirma ainda
que grande parte das pessoas considera os investimentos na área de automação
residencial como sendo secundários, razão pela qual não possuem o costume de
reservar recursos para este fim.
Apesar dessa resistência, o estudo do tema é justificado, pois, como aponta
Chan et al. (2008), a automação de residências é uma das áreas mais promissoras
para o desenvolvimento de tecnologias eletrônicas. Além disso, segundo o Censo
2010, algo em torno de 24% da população do Brasil afirma possuir algum tipo de
deficiência física (IBGE), o que abre espaço para a aplicação da automação
residencial nos lares de pessoas portadoras de necessidades especiais.
Para se referir ao sistema integrado de tecnologias que constitui a
automação residencial, utiliza-se o termo “domótica”, resultado da união da palavra
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latina domus (residência) e da palavra robótica, que remete ao controle
automatizado de um determinado processo.
O sistema domótico integra uma série de equipamentos de sensoriamento -
a fim de obter informações sobre o meio em que se encontra - com um sistema de
controle, que efetua ações para supervisionar e gerenciar os dispositivos (Dias,
2004).
Werneck (1999) afirma que:
Depois de o público conhecer uma residência automatizada, não haverá como retroceder, toda a cadeia de concepção da moradia, (a arquitetura, construção, etc.), evoluirá, e, principalmente, o ocupante do imóvel. Assim, deverão ser necessários vários profissionais que, interagindo, permitirão o real desenvolvimento das técnicas da domótica.
Ao se projetar uma residência automatizada, deve-se considerar os
seguintes aspectos:
Sistema de comunicação – apresentar soluções para integração entre
Internet, telefone, interfone e televisão, implementar protocolo de
comunicação (X10, Inteligence House Control, Lonworks, European
Installation Bus, tecnologia Wireless);
Sistema de interface com o usuário – mostradores interativos, avisos
sonoros e sinal de saída do computador (porta paralela opto-acoplada);
Cargas controladas – iluminação, som, acesso (portas, portões,
elevadores) e aquecimento, ventilação e ar condicionado (AVAC).
1.1.2 Tecnologia Assistiva
Por ser um termo relativamente novo, há diversos modos de se definir a
tecnologia assistiva, como por exemplo:
[...] uma área do conhecimento, de característica interdisciplinar, que engloba produtos, recursos, metodologias, estratégias, práticas e serviços que objetivam promover a funcionalidade, relacionada à atividade e participação, de pessoas com deficiência, incapacidades ou mobilidade reduzida, visando sua autonomia, independência, qualidade de vida e
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inclusão social (GALVÃO FILHO, 2002, apud COMITÊ DE AJUDAS TÉCNICAS, CAT/SDH/PR, 2007).
Ou ainda: [...] uma ampla gama de equipamentos, serviços, estratégias e práticas concebidas e aplicadas para minorar os problemas funcionais encontrados pelos indivíduos com deficiências (COOK & HUSSEY, 1995).
Fazendo-se uma analogia: Para exemplificar, podemos chamar de tecnologia assistiva uma bengala, utilizada por nossos avós para proporcionar conforto e segurança no momento de caminhar, bem como um aparelho de amplificação utilizado por uma pessoa com surdez moderada ou mesmo veículo adaptado para uma pessoa com deficiência (MANZINI, 2005).
Deve-se salientar que para pessoas sem deficiência, a tecnologia torna as
coisas mais fáceis, sendo meramente um artigo de conforto. Já para pessoas com
deficiência, a tecnologia torna as coisas possíveis, caracterizando, pois, uma
necessidade (RADABAUGH, 1993).
A tecnologia assistiva pode ter duas funções: ser um auxílio para ampliar
uma habilidade funcional deficitária; ou possibilitar a realização de uma que se
encontra impedida por causa de deficiência. Pode-se dizer que o objetivo principal
da tecnologia assistiva é proporcionar independência e qualidade de vida à pessoa
com deficiência, por meio da ampliação da sua mobilidade, controle de ambiente e
comunicação (BERSCH, 2008).
Neste sentido, faz-se necessário discriminar cada tipo de deficiência, para
um melhor desenvolvimento da tecnologia assistiva específica para cada caso.
Dentre as muitas categorias existentes, destacam-se:
Comunicação Aumentativa e Alternativa (CAA) – pranchas de
comunicação com os símbolos PCS ou Bliss além de vocalizadores e
softwares destinados a este fim;
Recursos de acessibilidade ao computador – equipamentos de
entrada e saída (síntese de voz, Braille), teclados modificados, softwares de
reconhecimento de voz;
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Sistemas de controle de ambiente – sistemas eletrônicos que
permitem controlar remotamente aparelhos eletroeletrônicos, os quais
podem ser acionados de forma direta ou indireta (por acionadores de
pressão, de tração, de sopro, de piscar de olhos ou por comando de voz);
Projetos arquitetônicos para acessibilidade – adaptações
estruturais através de rampas e elevadores, que removem ou reduzem as
barreiras físicas;
Auxílios de mobilidade – cadeiras de rodas manuais e motorizadas,
bases móveis e andadores;
Auxílios para cegos ou com visão subnormal – lupas e lentes,
Braille para equipamentos com síntese de voz, grandes telas de impressão e
sistema de display com aumento para leitura de documentos.
Diferentemente de outras áreas de tecnologia de apoio, a tecnologia
assistiva não se destina a áreas específicas de atuação, nem ao uso profissional. A
pessoa com deficiência deve ser capaz de utilizar os recursos sozinha e não ter de
depender de um técnico para intermediar os serviços. Ainda assim, dependendo da
modalidade, o serviço da tecnologia assistiva pode agregar profissionais de
diferentes áreas para o atendimento ao usuário, mas desempenhando papel de
suporte e não de operador.
Para se realizar o projeto de um serviço de tecnologia assistiva deve-se
sempre incluir o usuário para se conhecer seu contexto, ou seja, suas intenções e
necessidades, além de suas habilidades atuais. A equipe de profissionais envolvida
no projeto pode utilizar seus conhecimentos prévios de tecnologia assistiva e apenas
adaptar uma generalização para um caso específico ou desenvolver um projeto
inteiramente novo, no caso de existir uma necessidade especial por parte do
usuário.
1.1.3 Comando de voz
Grandes esforços foram feitos para tornar-se capaz a obtenção de sistemas
que consigam comunicar-se entre si através da fala. Esta área tem sido aprimorada
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a cada dia com o progresso do poder de processamento dos computadores e
sistemas embarcados.
Segundo Silva (2009), reconhecimento da fala consiste no processo de
conversão de um sinal acústico produzido pelo homem em um sinal digital de áudio
através de um hardware associado a um software que identifica o conjunto de
palavras faladas. As palavras reconhecidas podem ser o resultado final do sistema
como no caso de aplicações de comandos de controle ou servir de entrada a outros
sistemas.
De acordo com Pereira (2009), o reconhecimento de voz passa pelo seguinte
processo: o computador precisa encadear uma sequência de passos para realizar o
reconhecimento do som da voz juntamente com a fonética da palavra pronunciada e
depois a realização da aplicação desejada. Primeiramente a fala que se quer
reconhecer deve ser digitalizada, para isso, ele utiliza um conversor analógico-digital
que capta as vibrações criadas pela sua voz e converte essas ondas em dados
digitais.
Em seguida o som digitalizado é filtrado para separá-lo de ruídos e
interferências, aplica-se uma medida para cada onda captada, então se efetua uma
computação das características que representam o domínio espectral (frequências)
contido na voz. Como as pessoas não utilizam o mesmo tom e nem falam na mesma
velocidade, nessa etapa do processo o som pode necessitar ser sincronizado, para
isso pode-se efetuar um ajuste com modelos de som já armazenados na memória
do classificador.
A digitalização do som captado é separado em frações menores, ou seja, em
sons fonéticos não maiores do que uma sílaba, para que o programa compare os
sons captados com fonemas conhecidos e presentes no banco de dados que
corresponda com o que o locutor tenha falado. Em outras palavras, é aplicado um
método de busca para associar as saídas com padrões de palavras e da voz de
quem as emitiu.
Por fim, o sistema analisa o resultado e o compara com frases e palavras
conhecidas, e a partir do que o usuário disse converte-se a uma funcionalidade
desejada.
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1.1.4 Programa de Tecnologia Assistiva (PROTA)
O Programa de Tecnologia Assistiva (PROTA) do campus Curitiba da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, coordenado pelo professor Claiton
Voigt Warnk, é destinado à comunidade externa e interna do Campus e promove a
elaboração de tecnologias assistivas, de serviços e desenvolvimento de recursos
para acessibilidade e assistência técnica.
O objetivo do PROTA é promover o desenvolvimento de atividades
tecnológicas de cunho social, adaptando equipamentos para a reabilitação e
melhoria da qualidade de vida de pessoas que possuem necessidades especiais
(PNEs), permanentes ou temporárias, a fim de proporcionar para elas independência
e autonomia, contribuindo assim nos processos de qualificação, inclusão digital e
social. Além da confecção de bengalas articuláveis, a manutenção de impressoras e
máquinas de escrever em braile para o auxílio aos deficientes visuais, de regletes e
de sensores de emulador de teclado (ETM), e instalação de elevadores para
cadeirantes, a equipe do PROTA disponibiliza equipamentos e softwares para as
Pessoas com Necessidade Específicas - PNEs, atuando de forma integrada com os
demais setores da Instituição (WARNK, 2011). A Figura 1 abaixo mostra o Programa
de Tecnologia Assistiva (PROTA) instalado na UTFPR e sua estrutura.
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Figura 1 – Fotografia PROTA
1.2 PROBLEMA
A Figura 2 mostra a plataforma de elevação existente no PROTA. Ela é
acionada somente por controle remoto atualmente, por isso, ao se fazer o controle
por voz, este deve ser instalado paralelamente ao controle existente. Isso implica
estudos bem aprofundados da tecnologia instalada, para somente depois se poder
dar início à implantação do controle por voz a ser desenvolvido.
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Figura 2 - Plataforma de Elevação
A placa de interface entre o computador e as cargas não aceita entrada
analógica. Consequentemente, há necessidade de se escolher entre possíveis
soluções, tais como: utilizar o hardware de entrada de voz do próprio computador
central (microfone); ou utilizar um hardware de um dispositivo portátil com sistema
operacional Android. Deve-se levar em conta fatores como disponibilidade de
recursos, custo, conhecimento de programação necessário e velocidade de resposta
para se fazer a melhor escolha.
Como o projeto é destinado a pessoas com necessidades especiais, é
possível que o usuário possua uma dificuldade grave de fala. Com isso, o software
de reconhecimento de voz deve ter uma ampla margem de erro, para que possa
atender a pessoas com diferentes graus de dificuldades.
Deve-se atentar ainda para o fato de que o motor que aciona a plataforma é
alimentado por uma tomada trifásica, enquanto que a interface entre computador e
carga existente possui saída com relé monofásico. Faz-se necessário estudar
formas de se transferir um controle monofásico para uma carga trifásica.
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1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Automatizar a plataforma de elevação localizado no laboratório do Programa
de Tecnologia Assistiva (PROTA) na Universidade Tecnológica Federal do Paraná
através do princípio de automação baseada em computador com a implementação
de controle por comando de voz.
O sistema será constituído por um hardware, um software e a própria
plataforma de elevação. O hardware adquirirá um sinal de entrada (comando de voz)
e, após realizar o processamento em um software específico, fornecerá um sinal de
saída o qual irá abaixar ou elevar a plataforma. Vale ressaltar que o algoritmo
implantado no software para detectar o comando de voz deve considerar uma ampla
faixa de reconhecimento para que diferentes entonações, sotaques e tons de voz
possam ser identificados. A
Figura 3 mostra o diagrama do sistema a ser desenvolvido com seus
componentes base cujas funções foram descritas anteriormente.
Figura 3 - Diagrama do sistema a ser desenvolvido.
COMANDO DE VOZ
HARDWARE
SOFTWARE
sinal de entrada
sinal de saída PLATAFORMA DE
ELEVAÇAO
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1.3.2 Objetivos Específicos
Estudar sistemas de automação baseada em computador e tecnologia
assistiva
Compreender o funcionamento do comando por voz
Analisar e aprimorar o hardware e o software já existentes
Desenvolver o algoritmo de comando de voz
Implementar o sistema na plataforma de elevação
Testar e validar o desempenho do sistema
1.4 JUSTIFICATIVA
Segundo o princípio da sociedade inclusiva, todas as pessoas portadoras de
deficiência devem ter suas necessidades especiais atendidas. Como já citado
anteriormente, quase um quarto da população do país considera possuir algum tipo
de deficiência (mental, motora, visual ou auditiva). Assim sendo, a automação e a
arquitetura inclusiva baseiam-se no conceito de inclusão social visando beneficiar o
portador de necessidades especiais com a melhoria de qualidade de vida e aumento
de autonomia. Este tipo de automação volta-se para a acessibilidade, segurança,
saúde e bem estar do usuário. (GUEDES et al., 2012). Dentro deste contexto de
tecnologia assistiva, o princípio do sistema de automação baseada em computador
por comando de voz desenvolvido poderá ser implementado em diversas áreas,
principalmente na automação residencial, para automatizar os mais variados
dispositivos, diminuindo ou até mesmo eliminando a dificuldade encontrada
diariamente por pessoas com necessidades especiais. Além da aplicação dos
conceitos e teorias adquiridos durante o curso de forma integrada, este trabalho
ultrapassará os limites acadêmicos, pois considerará também o fator humano.
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1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
As etapas descritas abaixo foram organizadas de forma a direcionar o
esforço intelectual e técnico da equipe para que os objetivos propostos neste
trabalho fossem satisfatoriamente atendidos.
1ª Etapa: Revisão Bibliográfica
Nesta etapa será levantado material a respeito dos temas abordados em
livros e artigos:
Automação baseada em computador
Domótica
Tecnologia assistiva
Comando por voz
2ª Etapa: Análise do hardware e desenvolvimento do software
Durante esta etapa será analisado o funcionamento do hardware já existente
e será feito o aprimoramento do software. O hardware representado na Figura 4 fará
a interface de transmissão de dados entre o computador e a plataforma de elevação
por meio da porta paralela de saída do computador opto-acoplada a relés
monofásicos. Além disso, será responsável por fazer a conversão A/D do sinal de
entrada. O software já está desenvolvido para acessar a porta paralela do
computador. O desenvolvimento restante irá focar nos algoritmos de reconhecimento
da palavra através da comparação com uma referência previamente estabelecida e
no processamento de dados.
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Figura 4 - Fotografia do hardware já existente que será utilizado no sistema de estudo
3ª Etapa: Implementação do sistema de comando de voz na plataforma de
elevação
Como já foi citado anteriormente, a placa de interface não aceita entradas
analógicas, por esta razão será desenvolvido um sistema complementar para
entrada de voz no computador. Com relação à saída do sinal, deve-se lembrar que o
acionamento já é feito por controle remoto. Assim o controle por voz deverá ser
paralelo ao atual.
4ª Etapa: Teste e análises
Após a finalização das atividades anteriores serão realizados testes para
avaliação do novo sistema automatizado por comando de voz. Também nesta etapa
será realizada a análise dos resultados obtidos e as correções necessárias serão
efetuadas.
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1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho será composto de cinco capítulos. O primeiro capítulo será
destinado à introdução sendo subdividido em tema, problema, objetivo geral,
objetivos específicos, justificativa e procedimentos metodológicos.
O segundo capítulo explicará detalhadamente através de pesquisa
bibliográfica os principais conceitos que envolvem a automação residencial baseada
em computador, domótica, tecnologia assistiva, comando por voz e parâmetros
eletroeletrônicos das portas de comunicação.
O terceiro capítulo tratará da análise e aprimoramento do hardware para
aquisição do comando de voz assim como envio do comando de saída para
plataforma de elevação. O desenvolvimento do software de reconhecimento de fala
também será abordado. Quanto à implementação, nesta parte serão listadas as
diretrizes referentes à metodologia executada.
O quarto capítulo realizará um estudo sobre a eficiência do sistema de
reconhecimento de voz e descreverá as dificuldades encontradas com as
consequentes correções aplicadas.
O quinto e último capítulo apresentará as principais conclusões obtidas com
o desenvolvimento da pesquisa realizada.
1.7 CRONOGRAMA
ATIVIDADE
2013 2014
FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ JAN FEV MAR
Revisão bibliográfica e estudo do elevador
Compreender Sistemas de automaçao baseada em PC e o funcionamento de comando de voz
Analisar e aprimorar software/hardware ja existentes
Desenvolver algoritmo de comando de voz
Implementar sistema na plataforma de elevação
Testes no elevador
Análises e correções
Testes finais
Documentação
Submissão de pelo menos um artigo científico a revistas ou congressos da área
Defesa do TCC
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REFERÊNCIAS
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19
INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA - IBGE. Censo Demográfico 2010 - Características gerais da população, religião e pessoas com deficiência. Disponível em: <http://www.censo2010.ibge.gov.br>. Acesso em: março 2013. MANZINI, E. J. Tecnologia assistiva para educação: recursos pedagógicos adaptados. In: Ensaios pedagógicos: construindo escolas inclusivas. Brasília: SEESP/MEC, p. 82-86, 2005. PEREIRA, Ana P. Como Funciona o Reconhecimento de Voz?, 2009. Disponível em <http://www.tecmundo.com.br/curiosidade/3144-como-funciona-o-reconhecimen to-de-voz-.htm>. Acesso em: Março 2013. RADABAUGH, M. P. NIDRR's Long Range Plan - Technology for Access and Function Research – Disponível em: <http://www.ncddr.org/new/announcements/ lrp/fy1999-2003/lrp_techaf.html>. Acesso em: Março 2013. WARNK, Claiton V. Apresentação PROTA Programa de Tecnologia Assistiva, Universidade Tenológica Federal do Paraná, 2011. WERNECK, Siva Bianchi de Frontin. Domótica: União de arquitetura e tecnologia da informação na edificação residencial urbana. Tese de Mestrado em Arquitetura, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 1999.