Asystent cyfrowy ZW-1

Asystent cyfrowy ZW-1
Pobierz PDF Download icon

Prezentowane urządzenie łączy moc obliczeniową komputerka Raspberry Pi Zero W z kilkoma komponentami umożliwiającymi interakcje z otoczeniem. Całość programowana jest przy pomocy języka Python, dzięki czemu ma naprawdę niebagatelne możliwości.

Podstawowe parametry:
  • bazuje na komputerku Raspberry Pi Zero W,
  • posiada komponenty niezbędne do monitorowania otoczenia i realizacji interfejsu użytkownika,
  • umożliwia łączność poprzez Wi-Fi,
  • programowany przy pomocy języka Python.

Urządzenie przypomina nietypową płytkę ewaluacyjną. Oferuje zasoby sprzętowe ukierunkowane na realizację interfejsu użytkownika i monitorowanie otoczenia, oraz program inicjujący te zasoby i pokazujący, jak z nich korzystać we własnych programach. Natomiast docelowa funkcja urządzenia zależy od kreatywności konstruktora/programisty. Najważniejsze funkcje i możliwości Asystenta cyfrowego to:

  • odtwarzanie komunikatów głosowych,
  • sygnalizacja dźwiękowa przy pomocy buzera,
  • wyświetlanie krótkich treści na wyświetlaczu LCD 2×16,
  • oświetlanie otoczenia przy pomocy diod LED,
  • pomiar temperatury otoczenia,
  • odczytywanie stanu 3 przycisków,
  • wykrywanie ruchu przy pomocy czujnika PIR,
  • możliwość połączenia z siecią Wi-Fi,
  • pozwala obserwować otoczenie przy pomocy kamery.

Budowa urządzenia

Budowę Asystenta cyfrowego ZW-1 można podzielić na dwie części. Pierwsza część to komputer Raspberry Pi Zero W oraz komponenty niezbędne do jego działania i rozszerzające jego funkcje multimedialne:

  • Kamera dla Raspberry Pi 8 Mpx + taśma połączeniowa do kamery o długości 150 mm,
  • Karta dźwiękowa USB + przewód OTG microUSB – USB o długości 120 mm,
  • Karta pamięci mikroSD o pojemności 16 GB,
  • Zasilacz mikroUSB 5 V o wydajności prądowej 2 A.

Połączone komponenty pierwszej części urządzenia pokazuje fotografia 1.

Fotografia 1. Komputer Raspberry Pi Zero W oraz komponenty niezbędne do jego działania i rozszerzające jego funkcje multimedialne

Druga część to płytka drukowana, na której znajdują się elementy elektroniczne, dzięki którym Asystent cyfrowy ZW-1 komunikuje się z użytkownikiem oraz pobiera dane z otoczenia. Schemat ideowy części elektronicznej został pokazany na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat ideowy układu elektronicznego

Złącze J1 służy do podłączenia komputera Raspberry Pi Zero W. Układ scalony oznaczony U1 oraz współpracujące z nim elementy dyskretne C1, C2, C3 oraz R1 ma za zadanie wzmacniać sygnał audio pochodzący z karty dźwiękowej. Wzmocniony sygnał trafia na złącze J2 i jest następnie odtwarzany w głośniku G1. Za pomocą potencjometru montażowego P1 jest ustawiany kontrast wyświetlacza LCD1, a elementy elektroniczne T1, R2 oraz R3 są odpowiedzialne za sterowanie jego podświetlaniem. Przyciski S1, S2 oraz S3 są dołączone do wyprowadzeń GPIO komputerka, ich funkcję można dowolnie zaprogramować. Czujnik U2 typu DS18B20 umożliwia pomiar temperatury otoczenia. Rezystor R4 dołaczony do wyjścia czujnika, magistrali 1Wire, realizuje podciąganie do potencjału dodatniego. Złacze oznaczone MOD2 służy dołączeniu gotowego modułu czujnika ruchu. Moduł ten posiada dwa potencjometry, dzięki którym można ustawić czas trwania stanu wysokiego na jego wyjściu po wykryciu ruchu, oraz zasięg jego działania. Elementy R7 i T2 sterują diodami LED1 i LED2. Prąd płynący przez diody ograniczają rezystory R5 i R6. Element BUZ1 to sygnalizator dźwiękowy z generatorem, sterowany jest bezpośrednio z wyprowadzenia GPIO21 komputerka.

Montaż i uruchomienie

Na rysunku 2 został pokazany schemat płytki drukowanej wraz z rozmieszczeniem elementów.

Rysunek 2. Schemat płytki drukowanej wraz z rozmieszczeniem elementów

Zmontowana płytka wraz z wyprowadzonymi przewodami do podłączenia komputerka Raspberry Pi Zero W oraz karty dźwiękowej została pokazana na fotografii 2.

Fotografia 2. Wygląd zmontowanej płytki drukowanej z wyprowadzonymi przewodami do podłączenia komputera Raspberry Pi Zero W oraz karty dźwiękowej

Konstrukcja mechaniczna asystenta cyfrowego ZW-1 jest wykonana z czarnego szkła akrylowego oraz niewielkiej ilości elementów montażowych. Do tylnej ścianki obudowy przymocowano komputerek Raspberry Pi Zero W za pomocą tulei dystansowych M3×6 mm o gwincie obustronnie wewnętrznym. Do zewnętrznych otworów przykręcono dłuższe tuleje dystansowe M3×30 mm o gwincie obustronnie wewnętrznym, będą one potrzebne do montażu płytki drukowanej. Kartę dźwiękową przyklejono z wykorzystaniem rzepa samoprzylepnego o wymiarach ok. 25×25 mm (fotografia 3).

Fotografia 3. Przygotowanie tylnej ścianki obudowy

Za pomocą tulei dystansowych M3×15 mm o gwincie obustronnie wewnętrznym połączono wyświetlacz LCD z płytką, a następnie płytkę przykręcono za pomocą tulei dystansowych M3×20 mm o gwincie wewnętrznym oraz zewnętrznym do przygotowanej wcześniej ścianki tylnej obudowy. Do górnej części obudowy przykręcono czujnik ruchu i kamerę za pomocą śrub oraz nakrętek M2 (fotografia 4).

Fotografia 4. Montaż płytki drukowanej oraz przygotowanie górnej części obudowy

Na zakończenie montażu konstrukcji mechanicznej Asystenta cyfrowego ZW-1, uchwytami LED RTC51 stabilnie przymocowano diody LED oraz przykręcono górną część obudowy.

Oprogramowanie

Przed rozpoczęciem programowania Asystenta cyfrowego ZW-1, konieczne jest zainstalowanie bibliotek języka Python do obsługi wyświetlacza LCD, czujnika temperatury oraz syntezatora mowy. W tym celu łączymy się z komputerkiem np. za pomocą PuTTY i wpisujemy następujące polecenia:

pi@raspberrypi:~ $ git clone https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_CharLCD.git

pi@raspberrypi:~ $ cd Adafruit_Python_CharLCD

pi@raspberrypi:~ / Adafruit_Python_CharLCD  $ sudo python3 setup.py install

pi@raspberrypi:~ $ pip3 install w1thermsensor

pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get install espeak

Aby syntezator mowy prawidłowo wymawiał polskie litery, należy otworzyć plik, w którym zapisane są odpowiednie ustawienia, poleceniem

pi@raspberrypi:~ $  sudo nano /ust/lib/arm-linux-gnueabihf/espeak-data/voices/default

a następnie zmodyfikować treść otwartego pliku:

name default

language pl

gender male

intonation 2

Teraz można uruchomić program prezentujący umiejętności urządzenia, którego kod został pokazany na listingu 1.

Listing 1. Kod programu prezentującego możliwości urządzenia

import os
from time import sleep
import Adafruit_CharLCD as LCD
import w1thermsensor
from picamera import PiCamera
import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(3, GPIO.OUT)
GPIO.setup(13, GPIO.OUT)
GPIO.setup(21, GPIO.OUT)
GPIO.setup(12, GPIO.IN)
GPIO.setup(16, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
GPIO.setup(19, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
GPIO.setup(26, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

lcd = LCD.Adafruit_CharLCD(9, 11, 8, 7, 5, 6, 16, 2)
lcd.create_char(1,[7, 5, 7, 32, 32, 32, 32, 32])
lcd.clear()

def Komunikat_głosowy(tekst):
os.system( ‘espeak "’+tekst+’" --stdout -a 200 -s 180 -p 40 | aplay 2>/dev/null’ )

Zmienna_pomocnicza1 = True
Zmienna_pomocnicza2 = True

Komunikat_głosowy("Witaj, Nazywam się ZW-1,
jestem asystentem cyfrowym,
stworzył mnie Zygmunt Wypich.
Posiadam wiele umiejętności.")

sleep(2)
Komunikat_głosowy("Informuję o zdarzeniach za pomocą buzzera.")
sleep(2)
GPIO.output(21, GPIO.HIGH)
sleep(2)
GPIO.output(21, GPIO.LOW)

sleep(2)
Komunikat_głosowy("Wyświetlam dane na wyświetlaczu LCD.")
sleep(2)
GPIO.output(13, GPIO.HIGH)
lcd.message(‘Witaj!’)
sleep(7)
lcd.clear()
GPIO.output(13, GPIO.LOW)

sleep(2)
Komunikat_głosowy("Oświetlam otoczenie za pomocą diod LED.")
sleep(2)
GPIO.output(3, GPIO.HIGH)
sleep(7)
GPIO.output(3, GPIO.LOW)

sleep(2)
Komunikat_głosowy("Mierzę aktualną temperaturę otoczenia.")
sleep(2)
GPIO.output(13, GPIO.HIGH)
lcd.clear()
sensor = w1thermsensor.W1ThermSensor()
temp = sensor.get_temperature()
temp = round(temp, 1)
temperatura = str(temp)
lcd.message(‘Temperatura:’)
lcd.set_cursor(0,1)
lcd.message(temperatura + ‘\x01’ + ‘C’)
sleep(7)
lcd.clear()
GPIO.output(13, GPIO.LOW)

sleep(2)
Komunikat_głosowy("Odczytuję stan trzech przycisków ogólnego przeznaczenia.")
sleep(1)
while (Zmienna_pomocnicza1 == True):
if GPIO.input(19) == False and Zmienna_pomocnicza2 == True:
sleep(0.2)
Komunikat_głosowy("Został naciśnięty górny przycisk.")
Zmienna_pomocnicza1 = False
Zmienna_pomocnicza2 = GPIO.input(19)
sleep(1)
Zmienna_pomocnicza1 = True
Zmienna_pomocnicza2 = True
while (Zmienna_pomocnicza1 ==True):
if GPIO.input(16) == False and Zmienna_pomocnicza2 == True:
sleep(0.2)
Komunikat_głosowy("Został naciśnięty środkowy przycisk.")
Zmienna_pomocnicza1 = False
Zmienna_pomocnicza2 = GPIO.input(16)
sleep(1)
Zmienna_pomocnicza1 = True
Zmienna_pomocnicza2 = True
while (Zmienna_pomocnicza1 ==True):
if GPIO.input(26) == False and Zmienna_pomocnicza2 == True:
sleep(0.2)
Komunikat_głosowy("Został naciśnięty dolny przycisk.")
Zmienna_pomocnicza1 = False
Zmienna_pomocnicza2 = GPIO.input(26)

sleep(2)
Zmienna_pomocnicza1 = True
Komunikat_głosowy("Wykrywam ruch w swoim otoczeniu.")
sleep(2)
Komunikat_głosowy("Proszę opuść pomieszczenie na dziesięć sekund, a następnie ponownie się w nim pojaw. Kiedy wykryję twój ruch, poinformuję cię o tym.")
sleep(10)
while (Zmienna_pomocnicza1 == True):
if GPIO.input(12) == True:
Komunikat_głosowy("Twój ruch został wykryty.")
Zmienna_pomocnicza1 = False

sleep(2)
Komunikat_głosowy("Obserwuję otoczenie za pomocą kamery.")
sleep(2)
Komunikat_głosowy("Za pięć sekund zaświecę diody LED, a następnie zrobię zdjęcie, które zapiszę na pulpicie.")
sleep(5)
GPIO.output(3, GPIO.HIGH)
Kamera = PiCamera()
Kamera.start_preview()
Kamera.capture(‘/home/pi/Desktop/Zdjęcie.jpg’)
Kamera.stop_preview()
sleep(5)
GPIO.output(3, GPIO.LOW)

sleep(2)
Komunikat_głosowy("Dziękuję za uwagę.")

Więcej informacji na temat asystenta cyfrowego ZW-1 oraz film prezentujący jego umiejętności znajduje się na stronie internetowej www.zw-robotics.pl.

Zygmunt Wypich
zygmunt.wypich@zw-robotics.pl

Wykaz elementów:
Rezystory:
  • R1: 10 Ω
  • R2: 33 Ω
  • R3, R4, R7: 4,7 kΩ
  • R5, R6: 220 Ω
  • P1: potencjometr montażowy 10 kΩ
Kondensatory:
  • C1: 10 μF/25 V
  • C2: 220 μF/25 V
  • C3: 47 nF ceramiczny
Półprzewodniki:
  • LED1, LED2: dioda LED 5 mm biała
  • T1, T2: BC337
  • U1: LM386L DIP8
  • U2: DS18B20
Inne:
  • S1…S3: przycisk 6×6 mm i długości 22,5 mm
  • G1: głośnik 8 Ω, 0,5 W, średnicy 30 mm
  • BUZ1: buzzer z generatorem 3 V
  • J1: gniazdo IDC 40 pin + wtyk IDC kątowy 40 pin + przewód taśmowy o długości 140 mm
  • LCD1: wyświetlacz LCD 2×16 HD44780
  • MOD2: czujnik ruchu PIR HC-SR501
  • wtyk jack 3,5 z przewodem o długości 240 mm
  • Raspberry Pi Zero W + osprzęt (wykaz w tekście)
  • elementy mocujące – tuleje, śruby, nakrętki, itd.
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
październik 2020
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Materiały dodatkowe

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik kwiecień 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio marzec 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje marzec 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna marzec 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów