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RAE 1. TIPO DE DOCUMENTO: Trabajo de grado para optar por el título de INGENIERO DE SONIDO. 2. TÍTULO: DISPOSITIVO INALÁMBRICO CONTROLADOR DE SISTEMAS...
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Tipo de documento: PROPUESTA TÉCNICA Proyecto: HCDSNS
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DISPOSITIVO INALÁMBRICO CONTROLADOR DE SISTEMAS DE ENTRETENIMIENTO CASERO DE AUDIO Y VIDEO POR MEDIO DE COMANDOS DE VOZ
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO DE SONIDO.
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA, SEDE BOGOTÁ. FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA DE SONIDO BOGOTÁ 2014
A mis padres que me apoyaron siempre.
El autor expresa sus agradecimientos a:
Miguel Pérez y Darío Páez, asesores durante todo el proceso de desarrollo del proyecto.
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN SONY SIRC PARA MANDOS INFRARROJOS………………………………………...…………………….31
MÓDULO DE RECONOCIMIENTO DE VOZ EASYVR………………….34
DIAGRAMA DE PINES EASYVR ARDUINO SHIELD…...………………37
CIRCUITO RECEPTOR DE MENSAJES INFRARROJOS……………...48
CIRCUITO EMISOR DE MENSAJES INFRARROJOS………………….53
MEDICIÓN DE RUIDO DE FONDO………………………………..………70
NORMALIZACIÓN DE NIVELES DE RUIDO DE FONDO………………72
NORMALIZACIÓN DE NIVELES DE COMANDOS DE VOZ……………74
PRUEBA DE NIVELES DE PRESIÓN SONORA EN LA FASE DE ENTRENAMIENTO…………………………………………………………..78
PRUEBA DE NIVELES DE DIFICULTAD PARA COMANDOS DEPENDIENTES…………………………………………………………….82
PRUEBA DE NIVELES DE DIFICULTAD PARA COMANDOS INDEPENDIENTES…………………………………………………….…….86
MEDICIÓN DE RUIDO DE FONDO………………………………………..90
MEDICION DE NIVELES DE PRESIÓN SONORA GENERADOS POR EL EQUIPO DE SONIDO…………………………………….……………..94
NIVELES DE VOZ DE LOCUTORES……………………………………...95
OPTIMIZACIÓN DEL DISPOSITIVO CONTROLADOR………………..105
RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS A FUTURO……….………115
ANEXO A. CÓDIGOS DE PROGRAMACIÓN………………………………….……121 ANEXO B. RESULTADOS PRUEBA ESTÁNDAR……….…………………….……136 ANEXO C. RESULTADOS PRUEBA REAL…….……………………………………167 ANEXO D. ANÁLISIS DE LAS CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS VOCES DE LOS LOCUTORES……………….…………………………………...….177
Descripción pines y conectores EasyVR Arduino Shield……………..38
Lista de fonemas del español……………………………………………43
Mensajes infrarrojos para el televisor…………………………………...49
Mensajes infrarrojos para el equipo de sonido………………………...49
Mensajes infrarrojos para el DVD…………………………………...…..50
Mensajes infrarrojos para el DVD…………………………………...…..50
Codificación lógica de mensajes infrarrojos……………………………52
Características principales del monitor ADAM A8X…………………...66
Características principales del sonómetro SVANTEK 943 A…..…….67
Características de los micrófonos usados en el estudio……………...68
Promedios aritméticos de medición de ruido de fondo prueba estándar…………………………………………………………………….71
Niveles dBFS vs dBSPL……………………………….…………………72
Nivel de presión sonora generado por comandos grabados………....75
Características generales de la voz de los locutores al pronunciar el comando PRENDER………………………………………………….…..75
Niveles de presión sonora óptimos para la fase de entrenamiento….79
Valores representativos de relación señal/ruido en fase de entrenamiento……………………………………………………………..80
Variación de niveles de presión sonora con nivel de relación señal ruido constante…………………………………………………………….80
Medición por niveles de dificultad con micrófono HORN……………..82
Medición por niveles de dificultad con micrófono SM58………………83
Medición por niveles de dificultad con micrófono AT 8015…………...83
Variación de niveles de presión sonora distintos a la fase de entrenamiento.………………………………………………………….…84
Comparación de efectividad para comandos independientes………..86
Niveles de prueba para comandos independientes…………………...87
Promedios aritméticos de medición de ruido de fondo prueba real…90
Niveles de presión sonora generados por el equipo de sonido……...94
Comprobación de niveles de dificultad para comandos dependientes………………………………………………………………96
Datos de efectividad por nivel de ganancia del equipo de sonido con nivel 1 de dificultad…………………………………………………..97
Datos de efectividad por nivel de ganancia del equipo de sonido con nivel de dificultad 5……………………………….……………….…98
Datos de efectividad en prueba a 15 centímetros...…………………..99
Funciones controladas por el dispositivo desarrollado………………106
Temperatura y longitud de ondas de luz………………………………..29
Representación lógica del protocolo SIRC………………………...…..31
Mensaje infrarrojo en el protocolo SIRC……………………………..…32
Series de bits en el protocolo SIRC………………………………….….33
Repetición de envió de mensajes en el protocolo SIRC...…………...33
Acople entre EasyVR Arduino Shield y Arduino UNO…………..…….36
Diagrama de pines EasyVR Arduino shield…………………………….37
Sección J12 EasyVR Arduino Shield……………………………………39
Pantalla inicial software EasyVR Commander…………………………40
Circuito receptor de mensajes infrarrojos……..………………………..48
Circuito transmisor de mensajes infrarrojos……………………………53
Diagrama de flujo código 1………………………………………………54
Comandos independientes de locutor Wordset 3……………………..55
Entrenamiento de comandos dependientes de locutor……………….56
Conexión EasyVR – Arduino UNO………………………………………60
Diagrama de flujo código 2 y código 3………………………………….61
Diseño de la cubierta………………………………..……………………63
Live Room estudio de grabación 5.1……………………………………69
Puntos de medición de ruido de fondo para la prueba estándar….…70
Recinto prueba real (sala de estar)……………………………………..89
Puntos de medición de ruido de fondo para la prueba real…………..90
Diagrama de flujo Código final……………………………..…………..107
Parte interna del dispositivo controlador………………………………110
En este documento se presenta el desarrollo y el estudio de un dispositivo inalámbrico controlador por medio de comandos de voz, de sistemas de entretenimiento casero de audio y video fabricados por la marca SONY, desarrollado con el fin de obtener los niveles de presión sonora óptimos para el correcto funcionamiento del módulo de reconocimiento de voz EasyVR, el cual fue sometido a diferentes estudios de efectividad realizados bajo diferentes condiciones iniciales. En el capítulo 1 se describe detalladamente el proyecto junto con sus alcances y objetivos, en el capítulo 2 se presenta la información teórica necesaria para llevar a cabo su cumplimiento, exponiendo temas referentes a la radiación infrarroja y al reconocimiento de voz. Posteriormente en el capítulo 3 se muestra el desarrollo ingenieril, haciendo referencia al uso de las diferentes herramientas empleadas a lo largo del desarrollo del proyecto; adicionalmente se explica detalladamente la metodología de las mediciones de efectividad realizadas donde se emplearon tres micrófonos, tres locutores y distintos niveles de relación señal/ruido, cuyo análisis posterior permitió concluir las condiciones para las cuales el dispositivo desarrollado presenta un mayor porcentaje de efectividad, información presente en el capítulo 4. Seguidamente se llevó a cabo una optimización del funcionamiento del dispositivo controlador haciendo referencia al código de programación implementado y a la cubierta de protección, dando paso a la etapa final del proyecto en donde se realizaron ajustes que permitieron obtener un producto que optimiza el proceso de control simultáneo de varios sistemas de entretenimiento casero.
Durante del siglo XX se empezaron a desarrollar diferentes tecnologías que tenían como objetivo optimizar la interacción entre humanos y máquinas, época durante la cual
comunicación, como el reconocimiento de la voz humana y los protocolos de comunicación inalámbrica a través de rayos infrarrojos, tecnologías que se unificaron para el desarrollo de este proyecto. Con el fin de implementar las herramientas más prácticas, se llevó a cabo una investigación previa que sirvió como fundamento para la implementación de un Arduino UNO y un módulo de reconocimiento de voz EasyVR, dispositivos que permiten desarrollar un sistema de emisión de rayos controlado por comandos de voz. Una vez desarrollado el dispositivo controlador se realizó un estudio con el fin de mejorar la experiencia de las personas al controlar varios sistemas de entretenimiento caseros de audio y video de la marca SONY, que para diferentes condiciones iniciales permitiese optimizar el control sobre dichos dispositivos. Dicho estudio permitió exponer las ventajas y desventajas de la implementación de comandos de voz para la realización de cualquier actividad cotidiana, laboral o industrial, dando a conocer las condiciones óptimas de funcionamiento del módulo de reconocimiento de voz EasyVR, referentes a los niveles de presión sonora para los cuales se puede llevar a cabo un proceso de reconocimiento de voz satisfactorio.
1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO.
El gran número de marcas y modelos de sistemas de entretenimiento caseros de audio y video presentes en el mercado actual, ha dado paso a que en los hogares se encuentren dos o más mandos a distancia, generando que los usuarios de estos dispositivos tengan que hacer uso de un control remoto distinto para cada sistema de entretenimiento. Teniendo en cuenta que este proceso de control es engorroso y poco práctico al momento de usar varios sistemas simultáneamente, se genera la siguiente pregunta: ¿Es posible mejorar la experiencia del usuario al controlar varios sistemas caseros de entretenimiento de audio y video del mismo fabricante, empleando un único dispositivo controlador inalámbrico que implemente reconocimiento de comandos de voz y un sistema de emisión de rayos infrarrojos?
Se plantea desarrollar un dispositivo único de control inalámbrico controlado por comandos de voz, dependientes e independientes del locutor, que permita controlar hasta diez funciones de tres dispositivos de entretenimiento de audio y video de la marca SONY. Una vez desarrollado el producto, se pretende llevar a cabo un estudio de efectividad del módulo de reconocimiento de voz EasyVR que permita evidenciar las condiciones óptimas de su funcionamiento.
Cada fabricante de sistemas de entretenimiento casero implementa un protocolo de comunicación infrarrojo distinto para su respectiva variedad de productos, además de usar distintos mensajes y códigos para distintos sistemas de la misma marca (DVD, televisor, equipo de sonido, etc.) obligando a los usuarios a hacer uso de un control remoto distinto para controlar cada dispositivo por separado. Con la implementación de un sistema de reconocimiento de comandos de voz y un sistema de emisión de mensajes vía infrarrojo capaz de enviar la información necesaria para controlar varios sistemas de la misma marca simultáneamente con un solo dispositivo controlador, se pretende mejorar y optimizar significativamente el control, la interacción y la experiencia de los usuarios de este tipo de sistemas. Una vez desarrollado el dispositivo y realizado el estudio de las condiciones óptimas de funcionamiento referentes a los niveles de presión sonora permitidos al momento de llevar a cabo el proceso de reconocimiento de comandos voz, se pueden llegar a concluir los campos de acción para los cuales será más apto, práctico y efectivo, aportando significativamente a la optimización de procesos de control en diferentes espacios, permitiendo a cualquier persona controlar diversos dispositivos de forma inalámbrica por medio su voz.
1.4.1. OBJETIVO GENERAL: Construir un dispositivo electrónico inalámbrico capaz de controlar hasta 10 funciones de tres sistemas de entretenimiento caseros de audio y video de la marca SONY por medio de comandos de voz, con el fin de optimizar, innovar y mejorar la experiencia del usuario.
1.4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 
Implementar un sistema de emisión de rayos infrarrojos que permita emplear el protocolo de comunicación respectivo.
Utilizar un módulo de reconocimiento de voz acoplado al sistema de emisión de rayos infrarrojos que permita ejercer control sobre los sistemas de entretenimiento.
Comparar la efectividad del dispositivo controlador a desarrollar, empleando tres micrófonos diferentes con tres locutores distintos.
Identificar las condiciones óptimas de funcionamiento del módulo de reconocimiento de voz con el fin de optimizar el porcentaje de efectividad para comandos dependientes e independientes de locutor.
1.5.1. RECONOCIMIENTO DE VOZ.
Es un proceso que permite identificar y procesar la voz humana, reconociendo la información allí contenida para convertirla en una salida útil que puede llegar a actuar sobre un proceso. Su objetivo principal es permitir la comunicación hombremáquina a través de la voz, en donde se realizan distintos análisis acústicos en presencia de variables dependientes e independientes de cada persona. Entre los primeros intentos por transcribir secuencias de sonidos de la voz humana, alrededor de 1880, Tihamir Nemes fue tachado de irrealista al intentar gestionar una patente para crear un sistema que reconociera sonidos de la voz humana y los pudiese imprimir como texto. Fue allí donde se empezó a vislumbrar la complejidad que podría conllevar un proceso de esta índole, en donde se tendrían que tener en cuenta diversas variables propias de la voz humana que no se habían estudiado anteriormente. Treinta años después, se dio el primer gran paso hacia el reconocimiento de voz automático, cuando la compañía AT&T Bell Laboratories presentó la primera máquina capaz de reconocer la voz humana, logrando identificar y transcribir la pronunciación de los 10 dígitos con un 99% de efectividad, con lo cual se creyó que el reconocimiento automático de voz podría ser un proceso simple que permitiría identificar las palabras pronunciadas por cualquier persona en cualquier idioma con gran facilidad.
A partir de los años 60’s, la mayoría de los investigadores interesados en el tema admitieron que el reconocimiento de voz era un proceso mucho más intrincado y sutil de lo que habían pensado anteriormente, por lo que empezaron a reducir los alcances de sus proyectos y se enfocaron en diseñar sistemas más específicos que dependieran directamente de un locutor, que reconocieran un máximo de 50 palabras y que registraran las pausas o espacios entre palabras pronunciadas [1]. Con el paso del tiempo se fueron perfeccionando este tipo de sistemas, hasta que a principios de los 70’s se creó el VIP100 de Threshold Technology Inc, el primer sistema de reconocimiento de voz que utilizaba un vocabulario pequeño que dependía del locutor, dando paso al surgimiento del interés de las entidades de seguridad, incentivando la investigación y el mejoramiento de esta tecnología. Una vez se adquirió la atención y el interés adecuado, se incluyeron otros tipos de análisis para el reconocimiento automático de la voz (léxico, sintáctico, semántico y pragmático), los cuales permitieron que en los 90’s surgieran los sistemas de vocabulario amplio (más de 1000 palabras), haciendo que empresas reconocidas como Philips, Sensory Circuits, Dragon Systems, Speechworks, Apple, Microsoft y muchas más se interesaran por esta tecnología y la implementaran posteriormente en sus productos [2].
El reconocimiento de voz ha tomado un papel importante en el ámbito tecnológico gracias a que es posible su desarrollo en software y en hardware, dando paso a que actualmente se use la voz como herramienta de control en diferentes campos de acción. Entre las herramientas más comunes se encuentran convertidores de voz a texto, sistemas de seguridad, aplicaciones telefónicas en Smartphone y computadoras, donde también se destaca el control de diversos dispositivos mecánicos y electrónicos por medio de comandos de voz que facilitan y optimizan la interacción hombre-máquina, incluyendo aplicaciones caseras como la regulación de la calefacción y el aire acondicionado, apertura y cierre de cortinas o persianas, o el control sobre el encendido, apagado e intensidad de las luces [4]. Esta tecnología ha sido el tema central de desarrollo para varias compañías, incluyendo a INNOTECH SYSTEMS INC, marca que ha venido desarrollando diversos sistemas interactivos de reconocimiento de comandos de voz, diseñados para controlar funciones de diversos dispositivos modernos como relojes de alarma, televisores, iPod, DVD y decodificadores. Entre sus principales productos se encuentran dos mandos a distancia universales llamados Accenda y SurfBoard, dispositivos que le permiten a cualquier persona controlar diversos sistemas de entretenimiento casero a través de comandos de voz configurables.
Este dispositivo es un control remoto universal que permite controlar cualquier televisor, decodificador, VCR y DVD mediante el protocolo habitual de oprimir botones o por medio de comandos de voz. Accenda le permite al usuario grabar hasta 50 comandos de voz dependientes del locutor para los cuales se puede asignar una función diferente, convirtiendo un comando de voz en un mensaje infrarrojo.
Figura 1. Control remoto Accenda.
Este es un dispositivo con el que se puede hacer uso de 12 comandos dependientes o 5 comandos independientes de locutor para controlar cualquier televisor o decodificador, permitiendo emplear una serie de comandos predefinidos por el fabricante o definidos por el usuario. A diferencia del control remoto Accenda, el SurfBoard tiene una función de aprendizaje de mensajes infrarrojos útil en el caso de que algún mensaje enviado por los mandos a distancia convencionales no esté incluido en la base de datos del dispositivo.
Figura 2. Control remoto Surfboard.
Es un tipo de radiación electromagnética cuya longitud de onda es menor a la de la luz visible, ubicada en la zona límite inferior del color rojo del espectro. Su descubrimiento se remonta a 1800, período en el que William Herschel utilizó un termómetro para medir el calor irradiado por cada color del espectro de la luz visible reflejado por un prisma de cristal. Con esta medición, Herschel descubrió que la temperatura aumentaba en una zona careciente de luz adyacente al color rojo del espectro, comprobando que el calor podía ser transmitido por una forma invisible de luz [8].
Figura 3. Temperatura y longitud de ondas de luz.
transformarla en una señal eléctrica. En la actualidad, para la transmisión y emisión de estos rayos se emplean principalmente sensores de luz infrarroja IRLED y fototransistores. Un IRLED es un diodo emisor de rayos infrarrojos con el mismo aspecto de un led, cuya cápsula envolvente es de color azul o gris, en donde la pata más larga representa el ánodo y la pata más corta al cátodo. Por otro lado, un foto-transistor es un foto-detector cuyo funcionamiento es prácticamente igual al de un transistor clásico, variando principalmente en la carencia de una conexión base que es reemplazada con un cristal fotosensible que desbloquea el transistor al generar una corriente producida al recibir luz. Su aspecto es muy similar al de un led donde la pata larga es el negativo.
Debido a la gran variedad de dispositivos de entretenimiento que emplean sistemas de comunicación vía infrarrojo, se han desarrollado varios protocolos de comunicación entre emisor y receptor, lo que ha permitido tener un control eficaz a distancia sobre diversas funciones de diferentes dispositivos. En su mayoría los protocolos vía infrarrojo de este tipo de sistemas de entretenimiento casero emplean una comunicación serial bit a bit que transmite información binaria con unos y ceros lógicos en forma de pulsos luminosos codificados por longitudes de ancho de pulso específicos, donde un impulso luminoso largo puede interpretarse como un “1” y uno corto como un “0”. Este tipo de codificación es la que permite al receptor infrarrojo determinar la información recibida y la orden a ejecutar [12]. En este caso particular, el protocolo de comunicación vía infrarrojo SIRC emplea una longitud fundamental llamada periodo “T” de 600µs en sus mensajes, donde se usan múltiplos de esta longitud para diferenciar los bits enviados por el emisor.
Figura 4. Representación lógica del protocolo SIRC.
Como en todo protocolo, se emplea un bit de inicio o start cuya función es indicar al receptor que se disponga a recibir los datos emitidos por el emisor, siendo en este caso un pulso de longitud de 4T (2.4ms) a partir del cual los pulsos son más cortos, indicando información útil referente a unos y ceros lógicos [12]. Adyacente al bit de inicio, aparece una serie de siete bits enumerados del 0 al 6 correspondientes al comando de la tecla oprimida en un mando a distancia, conformado por los bit uno y los bit cero, donde el bit uno se representa mediante un pulso de 2T (1.2ms) y de un espacio sin señal adyacente de longitud T, y el bit cero se representa por un pulso de longitud T seguido por un espacio sin señal de igual longitud. [12]. Por último se envía una serie de 5 u 8 bits que hace referencia a la dirección de envío, o al dispositivo que se desea controlar (TV, DVD, etc.), el cual también viene codificado con bits uno y bits cero, completando así un mensaje de 12 bits que permite controlar una función del dispositivo que contiene el receptor respectivo.
Figura 5. Mensaje infrarrojo en el protocolo SIRC.
Adicionalmente, en algunos casos se emplea una serie extendida de 8 bits posterior a la dirección de envío, posibilitando él envió de tres tipos de mensajes diferentes en cuanto al número de bits.
Figura 6. Series de bits en el protocolo SIRC.
Dado el caso en el que el usuario mantenga oprimida cualquier tecla de un mando a distancia, automáticamente se reenvía la misma serie de bits en un intervalo de 45ms, enviando 3 series como mínimo.
Figura 7. Repetición de envío de mensajes en el protocolo SIRC.
MÓDULO DE RECONOCIMIENTO DE VOZ EASYVR.
Es un módulo multipropósito de reconocimiento de voz de bajo costo que permite usar 32 comandos dependientes de locutor en cualquier idioma y 26 comandos independientes de locutor pronunciados en Inglés, Japonés, Italiano, Alemán, Español y Francés, permitiéndole a cualquier usuario hacer uso del dispositivo en mención. [13].
Figura 8. Módulo EasyVR.
26 comandos predefinidos en modo independiente que pueden ser ejecutados en cualquiera de los 6 idiomas soportados [13].
32 comandos en modo dependiente para cualquier idioma.
Dispone de una plataforma virtual para Windows que permite una mejor familiarización con el producto y su respectivo uso.
Dispone de tres pines de entrada/salida configurables.
Posee una salida de audio que permite conectar un altavoz de 8Ohms.
5 niveles de dificultad de reconocimiento de comandos de voz.
El módulo incluye un micrófono electret omnidireccional de referencia HORNEM9745P-382, con las siguientes características:
Sensibilidad de -38dB (0dB=1V/Pa @1kHz).
Impedancia de 2.2 kΩ.
Respuesta prácticamente plana entre 100Hz – 20kHz.
2.4.3. EASYVR ARDUINO SHIELD.
Con el fin de acoplar el módulo de reconocimiento de voz y el Arduino UNO de una manera sencilla, se implementó un Shield o escudo que permite un acople entre las dos tarjetas sin necesidad de usar cable alguno.
Figura 9. Acople de EasyVR Arduino Shield y Arduino UNO.
Con este acople es posible programar ambos dispositivos a través de la plataforma virtual de Arduino, haciendo uso la librería EasyVR. Para tal fin, el shield interconecta internamente los dos dispositivos, conectando los puertos ERX y ETX del módulo de reconocimiento de voz a cualquier par de pines multipropósito del Arduino [14].
DIAGRAMA DE PINES EASYVR ARDUINO SHIELD.
Figura 10. Diagrama de pines EasyVr Arduino Shield.
Tabla 1. Descripción de pines y conectores del EasyVR Arduino Shield.
DESCRIPCIÓN PINES Y CONECTORES EASYVR ARDUINO SHIELD DESCRIPCIÓN SECCIÓN NOMBRE J1 Secciones de pines bajo la misma configuración de J2 los pines del Arduino UNO. J3 J4 J9 LINE OUT Salida para audífonos 3.5mm (16Ω-32Ω). Salida diferencial de audio (8Ω). J10 SPEAKER Entrada de micrófono. J11 MIC IN Selección de modo de operación. J12 MODE JUMPER I/O 1 I/O 2 J13 Pines multipropósito configurables IN/OUT. I/O 3 I/O 4
Como se observa en la figura 10, el módulo de reconocimiento de voz EasyVR viene acoplado al Shield, cuyos pines vienen organizados de manera similar a los pines presentes en un Arduino UNO, específicamente en las secciones J1, J2, J3 y J4, referenciadas en la tabla anterior. Para la configuración y uso de la sección J10, se hace necesario el uso del software libre Sensory Quick Synthesis 5, el cual permite almacenar en la memoria del dispositivo audios mono en formato .WAV exportados a 22050 Hz y 16 bits, los cuales pueden ser reproducidos a través de esta salida. Por último, en la sección J12 se encuentran 4 posibles conexiones para un jumper, el cual según su posición le permite al módulo de reconocimiento de voz entrar en distintos modos de operación [14].
Los cuatro modos de operación en los que puede entrar el EasyVR son UP mode, PC mode, HW mode y SW mode, configurables en la sección J12 del shield.
Figura 11. Sección J12 EasyVR Arduino Shield.
PC Mode: En esta posición se permite la comunicación serial entre el EasyVR y el software EasyVR Commander, el cual permite realizar la fase de entrenamiento de comandos de voz que se acomoden a las necesidades del usuario.
SW Mode: En esta configuración se puede programar y monitorear el módulo de reconocimiento de voz a través de la plataforma virtual de Arduino, permitiendo cargar cualquier código que permita la operación del Arduino y el EasyVR en conjunto.
UP Mode: Se emplea para descargar archivos de audio en la memoria del dispositivo, a través del software Quick Synthesis 5.
Es el software que permite configurar, ordenar y entrenar los comandos de voz, para lo cual solo es necesario conectar el acople del Shield con el Arduino al computador por medio de un cable USB, poniendo el jumper de la sección J12 en la posición PC. En esta plataforma es donde el usuario dispone de los comandos independientes presentes en cualquiera de los 3 grupos de comandos predefinidos llamados “Wordset”, además de tener 15 grupos que permiten la organización de los 32 comandos dependientes que se deseen.
Figura 12. Pantalla inicial software EasyVR Commander.
La voz es el sonido que produce la vibración de las cuerdas vocales en los humanos, las cuales son excitadas por el flujo de aire proveniente de los pulmones. Una vez dicho aire pasa las cuerdas vocales, se encuentra con el tracto vocal donde se le da a la voz de cada persona diferentes características particulares como el tono, el timbre y el acento [15].
Figura 13. Tracto Vocal.
Dado que la fisionomía de cada persona es diferente, dichas características varían según el género y la edad de las personas, presenciando principalmente un mayor tamaño de las cuerdas vocales en hombres adultos, generando un tono de voz más bajo que en las mujeres y en los niños. Entendiendo la voz humana como una señal acústica, es posible su representación en función del tiempo en donde se puede determinar el dominio de la frecuencia, su frecuencia fundamental y sus respectivas frecuencias formantes, las cuales varían según la palabra pronunciada y la persona que la pronuncia. Estas propiedades de la voz humana son las características principales que se emplean en las tecnologías que permiten el reconocimiento de locutor o de comandos de voz, en donde adicionalmente se pueden tener en cuenta las características sonoras propias de un lenguaje en particular denominadas fonemas, que al ser conjugados forman morfemas o palabras. En el caso del idioma español, sin tener en cuenta sus variaciones, existen 22 fonemas específicos que se dividen en consonánticos y vocálicos, para los cuales se tienen en cuenta los sonidos que emite una persona al pronunciar letras del idioma en cuestión.
Tabla 2. Lista de Fonemas en Español.
LISTA DE FONEMAS DEL ESPAÑOL VOCÁLICOS SÍMBOLO /a/ /e/ /i/ /o/ /u/
DESCRIPCIÓN Fonema vocálico de apertura máxima Fonema vocálico palatal de apertura media Fonema vocálico palatal y apertura mínima Fonema vocálico velar de apertura media Fonema vocálico velar de apertura mínima CONSONÁNTICOS SÍMBOLO DESCRIPCIÓN /B/ Fonema obstruyente bilabial sonoro (grafías: b , v y w ). /č/ Fonema africado palatal (grafía ch ). /D/ Fonema obstruyente coronal-alveolar sonoro /f/ Fonema labial, fricativo, sordo, oral, en muchas zonas fricativo bilabial /G/ Fonema obstruyente velar sonoro (grafías g y gu , como en gato y guerra) /x/ Fonema fricativo velar (grafías g y j , como en giro y jirafa) /k/ Fonema oclusivo velar sordo (grafías c , qu y k ). /l/ Fonema lateral (coronal-)alveolar. /m/ Fonema nasal labial /n/ Fonema nasal (coronal-)alveolar /ñ/ Fonema nasal palatal /p/ Fonema oclusivo (bi)labial sordo. /r/ Fonema vibrante simple (grafía -r -, como en arado) /r/(rr)/ Fonema vibrante múltiple (grafía -rr -y r -, como en carro y rosa) /s/ Fonema fricativo (coronal-)alveolar (grafía s , en algunas variedades z y c ) /t/ Fonema oclusivo (coronal-)alveolar sordo Fonema sonorante palatal (grafía y , en las zonas yeístas también ll ) /y/ [29]. http://www.gramaticas.net/2011/05/fonemas-definicion-y-ejemplos.html
Para este proyecto, el ruido se puede definir como todo sonido no deseado que interfiere con el reconocimiento de los comandos de voz por parte del módulo EasyVR. En el caso particular de un ambiente casero, debido a que estos sonidos no tienen un aspecto audible característico, es necesario realizar un análisis con una señal de ruido rosa que permita caracterizar cualquier tipo de sonido.
2.6.1. RUIDO ROSA. Es un tipo de ruido en donde el nivel de presión sonora es inversamente proporcional a la frecuencia, cuyas bandas de octava mantienen el mismo nivel sonoro. Teniendo en cuenta que al aumentar de banda de octava se duplica el ancho de la misma, se tiene un decremento de 3dB por octava [16].
Figura 14. Espectro Ruido Rosa.
Para este proyecto, la relación señal ruido hace referencia a la diferencia de presión sonora, representada en decibeles [dB], entre el ruido de fondo y un nivel de referencia, en este caso el ruido presente en un ambiente casero y el nivel de presión sonora generado por el usuario que desee controlar sus sistemas de entretenimiento por medio de comandos de voz.
Figura 15. Relación señal/ruido.
Señal Relación Señal Ruido Ruido Tiempo .
El siguiente diagrama representa el flujo de la información procesada por el dispositivo desarrollado, la cual está disponible a partir de la entrada de micrófono del módulo de reconocimiento de voz EasyVR, proceso que se finaliza con el envío de los mensajes infrarrojos destinados a controlar diversas funciones de los sistemas de entretenimiento casero.
Figura 16. Diagrama de Bloques.
Reconocimiento de Comandos de Voz EasyVR.
Control de Sistemas de Entretenimiento.
Una vez el transductor de entrada convierte la energía acústica en energía eléctrica, se lleva a cabo la preamplificación de la señal y su posterior conversión análogo-digital en el módulo de reconocimiento de voz. Después de realizado el 46
proceso de reconocimiento, el Arduino lleva a cabo los procesos de control sobre los ledes de colores y el IRLED emisor que posteriormente envía la información infrarroja a cada uno de los sistemas de entretenimiento casero a controlar.
Inicialmente se dio paso al desarrollo de un modo de operación denominado “PELÍCULAS”, el cual permitiese controlar un televisor, un equipo de sonido y un DVD, haciendo uso de las funciones más usadas de cada sistema a la hora de ver una película en un centro de entretenimiento casero.
Tabla 3. Funciones a controlar.
FUNCIONES A CONTROLAR TELEVISOR E. DE SONIDO DVD Encendido Encendido Encendido Fast Forward Apagado Apagado Apagado Rewind Mute Volumen + Play Arriba Volumen Pausa Abajo Stop Derecha
Izquierda Enter Eject Menú
ADQUISICIÓN DE MENSAJES INFRARROJOS.
Seguidamente se inició la adquisición de los datos que envían los respectivos mandos a distancia para cada una de las funciones mencionadas anteriormente, empleando un circuito receptor de infrarrojos que permitiese digitalizar los datos en mención a través de un software de captura y edición de audio, visualizando la señal eléctrica generada por un receptor infrarrojo conectado a la entrada de micrófono de un computador, al momento de recibir información proveniente de los mandos a distancia.
CIRCUITO RECEPTOR DE MENSAJES INFRARROJOS.
El circuito implementado para adquirir la información necesaria incluye un receptor infrarrojo y un conector mono de 3.5mm, permitiendo transformar los mensajes enviados por un control remoto en una señal eléctrica que posteriormente puede ser digitalizada por medio de la entrada de micrófono de un computador.
Figura 17. Circuito receptor de mensajes Infrarrojos.
Una vez conectado el circuito, se configuró el software de captura de audio a un sample rate de 96000 Hz, permitiendo visualizar los mensajes mostrados en las tablas 4, 5, 6 y 7, cuyas representaciones lógicas se exponen en la tabla 8.
Definida la forma de adquirir los mensajes enviados por los mandos a distancia, se inició el proceso de captura y digitalización necesario para llegar a controlar las funciones mencionadas en la tabla 3.
Tabla 4. Mensajes infrarrojos para el televisor.
MENSAJES INFRARROJOS TELEVISOR SONY MENSAJE INFRARROJO DIGITALIZADO.
Tabla 5. Mensajes infrarrojos para el equipo de sonido.
MENSAJES INFRARROJOS EQUIPO DE SONIDO SONY. MENSAJE INFRARROJO.
Tabla 6. Mensajes infrarrojos para el DVD.
MENSAJES INFRARROJOS DVD SONY MENSAJE INFRARROJO.
Tabla 7. Mensajes infrarrojos para el DVD.
MENSAJES INFRARROJOS DVD SONY MENSAJE INFRARROJO.
Una vez realizada la digitalización de los comandos infrarrojos de 12 y 20 bits usados en el envío de información por parte de los mandos a distancia de la marca SONY, se llevó a cabo su respectiva transcripción a los valores lógicos de cada mensaje a enviar, los cuales hacen referencia a los diferentes tiempos durante los cuales el IRLED transmisor infrarrojo debe prenderse y apagarse sucesivamente.
Tabla 8. Codificación lógica de mensajes infrarrojos.
MENSAJES CODIFICADOS DISPOSITIVO FUNCIÓN MENSAJE # BITS On/Off 101010010000 12 Televisor Mute 001010010000 12 On/Off 101010000001 12 E. de Sonido Volumen + 010010000001 12 Volumen 110010000001 12 ON/Off 10101000101110010010 20 Play 01001100101110010010 20 Pause 10011100101110010010 20 Stop 00011100101110010010 20 Fast Forward 11000100101110010010 20 Rewind 01000100101110010010 20 Dvd Arriba 10011110101110010010 20 Abajo 01011110101110010010 20 Derecha 00111110101110010010 20 Izquierda 11011110101110010010 20 Enter 11010000101110010010 20 Eject 01101000101110010010 20 Menu 11011000101110010010 20
CIRCUITO EMISOR DE MENSAJES INFRARROJOS.
Una vez se adquirieron los mensajes que el dispositivo controlador en desarrollo debía enviar a cada uno de los sistemas de entretenimiento, se implementó un circuito emisor de rayos infrarrojos que consta de un Arduino UNO y un IRLED transmisor.
Figura 18. Circuito emisor de mensajes infrarrojos.
El IRLED transmisor se conectó a tierra y al pin 3 del Arduino, para lo cual se desarrolló un código que incluyera la librería IRremote, la cual permite enviar mensajes infrarrojos basados en los protocolos SIRC, NEC, RC5, RC6 y RAW.
Dicho código permite enviar 3 series de un mismo comando infrarrojo cada 5 segundos, con el fin de comprobar si los mensajes adquiridos anteriormente correspondían a las funciones a controlar en los tres sistemas de entretenimiento, cuyo funcionamiento se ve reflejado en la figura 19.
[Ver Anexo A, Código 1].
Figura 19. Diagrama de flujo Código 1.
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