AUTOMAÇÃO BASEADA EM COMPUTADOR POR COMANDO DE VOZ

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1 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

2 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

3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA Automação Residencial Baseada em Computador/Domótica Tecnologia Assistiva Comando de voz Programa de Tecnologia Assistiva (PROTA) PROBLEMA OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA REFERÊNCIAS... 18

4 4 1 INTRODUÇÃO 1.1 TEMA 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

5 5 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) 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

6 6 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;

7 7 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 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

8 8 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.

9 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.

10 10 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.

11 11 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.

12 OBJETIVOS 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. COMANDO DE VOZ sinal de entrada HARDWARE SOFTWARE PLATAFORMA DE ELEVAÇAO sinal de saída Figura 3 - Diagrama do sistema a ser desenvolvido.

13 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.

14 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.

15 15 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.

16 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.

17 1.7 CRONOGRAMA ATIVIDADE 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

18 18 REFERÊNCIAS ALLAMEH, E.; JOZAM, M. H.; VRIES, B.; TIMMERMANS, H.; BEETZ, J.; MOZAFFAR, F. The role of Smart Home in Smart Real Estate. Journal of European Real Estate Research, v. 5, n. 2, p , BERSCH, Rita. Introdução à tecnologia assistiva, Centro Especializado em Desenvolvimento Infantil (CEDI), Porto Alegre, CHAN, M.; ESTÈVE, D.; ESCRIBA, C.; CAMPO, E. A review of smart homes Present state and fututre challenges. Computer methods and programs in biomedicine, n. 91, p , COMITÊ DE AJUDAS TÉCNICAS, CAT, Secretaria de Direitos Humanos da Presidência da República (SDH/PR), Brasília, 2007, Ata da Reunião VII. COOK, A.M. & HUSSEY, S. M., Assistive Technologies: Principles and Practices. St. Louis, Missouri. Mosby - Year Book, Inc, DA SILVA, Anderson G. Reconhecimento de Voz para Palavras. Trabalho de Graduação, Universidade Federal de Pernambuco, DIAS, César Luiz de Azevedo; PIZZOLATO, Nélio Domingues. Aplicabilidade e Sistemas de Automação Residencial. Disponível em: < Acesso em: março GALVÃO FILHO, Teófilo A. e DAMASCENO, Luciana L. As novas tecnologias e a tecnologia assistiva: utilizando os recursos de acessibilidade na educação especial. Fortaleza, Anais do III Congresso Ibero-americano de Informática na Educação Especial, MEC, GUEDES, Lucas e al. O papel social da automação automação inclusiva e mais sustentável. SNCS, Passo Fundo, nov Disponível em < %C3%A3o%20Urbana%20e%20Habitacional/O%20papel%20social%20da%20auto ma%c3%a7%c3%a3o%20%e2%80%93%20automa%c3%a7%c3%a3o%20inclus iva%20e%20mais%20sustent%c3%a1vel.pdf>. Acesso em: março 2013.

19 19 INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA - IBGE. Censo Demográfico Características gerais da população, religião e pessoas com deficiência. Disponível em: < Acesso em: março MANZINI, E. J. Tecnologia assistiva para educação: recursos pedagógicos adaptados. In: Ensaios pedagógicos: construindo escolas inclusivas. Brasília: SEESP/MEC, p , PEREIRA, Ana P. Como Funciona o Reconhecimento de Voz?, Disponível em < to-de-voz-.htm>. Acesso em: Março RADABAUGH, M. P. NIDRR's Long Range Plan - Technology for Access and Function Research Disponível em: < lrp/fy /lrp_techaf.html>. Acesso em: Março WARNK, Claiton V. Apresentação PROTA Programa de Tecnologia Assistiva, Universidade Tenológica Federal do Paraná, 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.