Projekt 25b: Sprachsteuerung einer Designerlampe: Unterschied zwischen den Versionen
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== Einleitung == | == Einleitung == | ||
In diesem Artikel wird das Projekt 25b „Sprachsteuerung einer Designerlampe“, welches im Rahmen des Studiengangs „Business and Systems Engineering“ im Fach | In diesem Artikel wird das Projekt 25b „Sprachsteuerung einer Designerlampe“, welches im Rahmen des Studiengangs „Business and Systems Engineering“ im Fach „angewandte Elektrotechnik“ der Hochschule Hamm-Lippstadt, ausführlich beschrieben. Bei dem Projekt handelt es sich um eine IKEA Hängeleuchte, die durch Sprachsteuerung bedient werden soll. Die Ergebnisse der gestellten Aufgabe werden am 18.01.2019 in Form von einer Projektpräsentation vorgestellt. | ||
=== | === Zielsetzung === | ||
Die Amazon Alexa Sprachsteuerung soll verwendet werden, um Aufgaben über | Die Amazon Alexa Sprachsteuerung soll verwendet werden, um Aufgaben über ein Entwicklungsboard durchzuführen. Die wesentliche Aufgabe von diesem Projekt besteht darin, die Kommunikation zwischen der Sprachsteuerung und dem Entwicklungsboard zu realisieren, um den Servomotor, die LEDs und den Lautsprecher zu steuern. Idealerweise sollen die ausgeführten Aufgaben etwas Anschauliches sein. Da die Hängeleuchte in dem Initialzustand mechanisch auf- und zugemacht wird, gilt es zunächst die Hängeleuchte so umzurüsten, dass diese Funktion mit Hilfe von einem Servomotor automatisch ausgeführt wird. Diese Teilaufgabe gilt als die Voraussetzung für die Sprachsteuerung der Leuchte. Weitere Teilaufgaben, die in diesem Projekt angestrebt werden, sind die Steuerung der RGB-LED oder einer Audioausgabe beim Zu- und Auffahren der Leuchte. Dies soll ebenfalls durch die Sprachsteuerung erfolgen. | ||
=== Erwartungen an die Projektlösung === | === Erwartungen an die Projektlösung === | ||
*Recherche bisheriger Lösungen | *Recherche bisheriger Lösungen | ||
*Entwurf der Schaltung , Konstruktion und Beschaffung der Bauteile, damit sich die Lampe elektrisch angetrieben öffnen und schließen lässt | *Entwurf der Schaltung, Konstruktion und Beschaffung der Bauteile, damit sich die Lampe elektrisch angetrieben öffnen und schließen lässt | ||
*Realisierung der Schaltung durch Fertigung eines prototypischen Arduino-Uno-Shields | *Realisierung der Schaltung durch Fertigung eines prototypischen Arduino-Uno-Shields | ||
*Implementierung der Schnittstelle Alexa-Arduino | *Implementierung der Schnittstelle Alexa-Arduino | ||
*Implementierung der Sprachsteuerung | *Implementierung der Sprachsteuerung | ||
*Test und wiss. Dokumentation | *Test und wiss. Dokumentation | ||
* | *Erstellung eines Videos, welches die Funktionen visualisiert | ||
*Live Vorführung während der Abschlusspräsentation | *Live Vorführung während der Abschlusspräsentation | ||
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=== Verwendete Bauteile === | === Verwendete Bauteile === | ||
*IKEA PS 2014 Hängeleuchte | *IKEA PS 2014 Hängeleuchte | ||
*Amazon Alexa Echo Dot (2.Generation) | |||
*360° Servo MG996R | *360° Servo MG996R | ||
*RGD-LED-Streifen 5V | *RGD-LED-Streifen 5V | ||
*Steckernetzteil SNT 600 9V | *Steckernetzteil SNT 600 9V | ||
*Entwicklungsboard ESP8266 NodeMcu V3 | *Entwicklungsboard ESP8266 NodeMcu V3 | ||
*Lautsprecher LSM-57F | *Lautsprecher LSM-57F | ||
* | *Power Supply Module 1pc | ||
=== Verwendete Software === | === Verwendete Software === | ||
* | *Amazon Alexa Voice Service App | ||
*Arduino | *Arduino DIE | ||
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=== Projektplan === | === Projektplan === | ||
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In der Abbildung ?? sieht man den Projektplan. Insgesamt standen zur Bearbeitung des Projektes 16 Wochen zur Verfügung. Diese sind in drei unterschiedliche Phase der Bearbeitung aufgeteilt. In der ersten Phase geht es um die Vorbereitung auf die Umsetzung des Projektes. Den Hauptteil bildet die Hauptphase, denn dabei liegt der Schwerpunkt auf der praktischen Realisierung der Ziele. In der letzten Phase stand vor allem der Test, so wie die Präsentation der praktischen Anwendung der Designerlampe im Soll-Zustand. | |||
Am Anfang der ersten Phase steht die Recherche bereits vorhandener Lösungen zu dem Thema der Sprachsteuerung. Hierbei hat sich gezeigt, dass die Kommunikation zwischen der Alexa und dem Entwicklungsboard ESP 8266 äußerst schnell und effektiv herzustellen ist. Hierfür wird lediglich ein Smartphone und die Amazon-Alexa-App benötigt, um das Entwicklungsboard mit dem Alexa-Lautsprecher zu verbinden. In der Kalenderwoche 41 wurde dann der Systementwurf erstellt und gleichzeitig die für das Projekt benötigten Bauteile bestellt. | |||
Eins der Vorteile bei dem Fach „angewandte Elektrotechnik“ ist es, dass die Studierenden bei der Aneignung der technischen Grundlagen für das Projekt nicht auf sich alleine gestellt waren, denn als Pflichtveranstaltungen wurden vier unterschiedliche Praktiken angeboten, welche in den Kalenderwochen 43,44,46 und 47 stattfanden. Dabei wurden die Themen, von der Erstellung des Leiterplatten-Layouts über das „Rapid Control Prototyping“ und der Einführung in Mikrocontroller mit Arduino bis zu der Abstandsreglung mit dem Lego NXT Baukasten, theoretisch und praktisch durchgearbeitet. Am Ende des letzten Versuchs war die erste Phase der Vorbereitung zu Ende. | |||
In der zweiten Phase geht es um die praktische Umsetzung der Ziele. Diese besteht aus der Realisierung der Schaltung und der Schnittstellenimplementierung Alexa-ESP8266. Die wissenschaftliche Dokumentation wurde zwischen den einzelnen Tätigkeiten in der zweiten und dritten Phase durchgeführt. | |||
Abschließend wurde in der letzten Phase die sprachgesteuerte Lampe getestet, ein YouTube Video erstellt und die Ergebnisse des Projektes in Form von einer Abschlusspräsentation dargestellt. | |||
=== Projektdurchführung === | === Projektdurchführung === | ||
=== Hardware === | === Hardware === | ||
In diesem Kapitel werden die eingesetzten Hauptkomponenten beschrieben. Der Fokus liegt hierbei auf der Funktionalität und Besonderheiten dieser Komponente. Die dazugehörigen Datenblätter sind in dem SVN Projektordner zu finden. | |||
'''Entwicklungsboard ESP8266 NodeMcu V3''' | |||
[[Datei:ESP8266_NodeMcu_V3.png|rechts|mini|200px|Abb.?? ESP8266 NodeMcu <ref> https://de.aliexpress.com/item/Free-Shipping-NodeMcu-Lua-ESP8266-ESP-12E-CH340G-WIFI-Wireless-Module-Network-API-Internet-Development-Board/32790209784.html </ref>]] | [[Datei:ESP8266_NodeMcu_V3.png|rechts|mini|200px|Abb.?? ESP8266 NodeMcu <ref> https://de.aliexpress.com/item/Free-Shipping-NodeMcu-Lua-ESP8266-ESP-12E-CH340G-WIFI-Wireless-Module-Network-API-Internet-Development-Board/32790209784.html </ref>]] | ||
Bei dem ESP8266 handelt es sich, um einen Mikrocontroller, welcher einen WLAN Funkmodul besitzt. Dieser ist mit der Arduino Software kompatibel und kann somit als Schnittstelle | Bei dem ESP8266 handelt es sich, um einen Mikrocontroller, welcher einen WLAN Funkmodul besitzt. Dieser ist mit der Arduino Software kompatibel und kann somit als Schnittstelle mit der Alexa Dot eingesetzt werden. Über den Micro-USB Anschluss erfolgt die Programmierung und die Stromversorgung. Außerdem ist der ESP8266 ein reiner 3.3V Mikrocontroller. Es bedeutet, dass alle Eingänge und Ausgänge ausschließlich mit 3.3V betrieben werden. Da der Arduino mit 5V arbeitet, muss an dieser Stelle ein Spannungsteiler eingesetzt werden. Die Rolle des Spannungsteilers übernimmt das Power Supply Modul 1pc. | ||
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*Gewicht: 10g | *Gewicht: 10g | ||
'''Power Supply Module 1pc''' | |||
Technische Daten: | |||
*Maße: 53,3 x 35,5 x 20mm | |||
*Ein- und Ausschaltknopf mit eingebauter LED | |||
*Eingangsspannung: 6,5-9V | |||
*Ausgangsspannung: 3,3 oder 5V | |||
*Maximaler Strom: 700mA | |||
*Anschlusspins für ein Breadboard | |||
*USB-Anschluss zur Versorgung von externen Geräten | |||
'''Servo 360° MG996R''' | |||
Mit dem Servomotor wird die Schnur reguliert, an die die Verkleidung der Designerlampe befestigt ist. Damit wird die Lampe auf- oder zugemacht. | |||
Technische Daten: | |||
*Maße: 40,7 x 19,7 x 42,9mm | |||
*Gewicht: 55g | |||
*Drehgeschwindigkeit: 0,17 s/60° (4,8V), 0.14s/60°(6V) | |||
*Eingangsspannung: 4,8-7,2V | |||
*Stromversorgung 500-900mA (6V) | |||
*Arbeitstemperatur: 0-55°C | |||
'''Amazon Alexa Echo Dot''' | |||
Die Amazon Alexa Echo Dot wurde von dem amerikanischen Unternehmen Amazon entwickelt. Dabei handelt es sich um ein sprachgesteuertes Gerät mit dem viele verschiedene Funktionen des Alltags durchgeführt werden können. Diese sind z.B. die Wiedergabe der Musik, Steuerung der Haushaltsgeräte oder die Informationenbereitstellung. Um auf solche Funktionen zugreifen zu können, muss die Dot mit dem Alexa Voice Service (AVS) verbunden werden. Die AVS bildet die Grundlage für die Funktionen, denn hier werden die jeweiligen Sprachbefehle in einer Cloud gespeichert und verarbeitet. Hierfür benötigt die Dot eine WLAN-Verbindung. | |||
Technische Daten: | |||
*Maße: 83,5 x 83,5 x 32mm | |||
*Gewicht: 163g | |||
*Dualband-WLAN unterstützt 802.11 a/b/g/n (2,4 und 5GHz) Netzwerke | |||
*Integrierter Lautsprecher | |||
*Verbindung mit externen Lautsprechern über 3,5 mm-Stereokabel oder Bluetooth | |||
*7 integrierte Fernfeld-Mikrofone | |||
== Ergebnisse == | == Ergebnisse == | ||
Version vom 30. Dezember 2018, 18:53 Uhr
Autoren: Simon Kohfeld, Ilja Scheremeta
Betreuer: Prof. Schneider
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Einleitung
In diesem Artikel wird das Projekt 25b „Sprachsteuerung einer Designerlampe“, welches im Rahmen des Studiengangs „Business and Systems Engineering“ im Fach „angewandte Elektrotechnik“ der Hochschule Hamm-Lippstadt, ausführlich beschrieben. Bei dem Projekt handelt es sich um eine IKEA Hängeleuchte, die durch Sprachsteuerung bedient werden soll. Die Ergebnisse der gestellten Aufgabe werden am 18.01.2019 in Form von einer Projektpräsentation vorgestellt.
Zielsetzung
Die Amazon Alexa Sprachsteuerung soll verwendet werden, um Aufgaben über ein Entwicklungsboard durchzuführen. Die wesentliche Aufgabe von diesem Projekt besteht darin, die Kommunikation zwischen der Sprachsteuerung und dem Entwicklungsboard zu realisieren, um den Servomotor, die LEDs und den Lautsprecher zu steuern. Idealerweise sollen die ausgeführten Aufgaben etwas Anschauliches sein. Da die Hängeleuchte in dem Initialzustand mechanisch auf- und zugemacht wird, gilt es zunächst die Hängeleuchte so umzurüsten, dass diese Funktion mit Hilfe von einem Servomotor automatisch ausgeführt wird. Diese Teilaufgabe gilt als die Voraussetzung für die Sprachsteuerung der Leuchte. Weitere Teilaufgaben, die in diesem Projekt angestrebt werden, sind die Steuerung der RGB-LED oder einer Audioausgabe beim Zu- und Auffahren der Leuchte. Dies soll ebenfalls durch die Sprachsteuerung erfolgen.
Erwartungen an die Projektlösung
- Recherche bisheriger Lösungen
- Entwurf der Schaltung, Konstruktion und Beschaffung der Bauteile, damit sich die Lampe elektrisch angetrieben öffnen und schließen lässt
- Realisierung der Schaltung durch Fertigung eines prototypischen Arduino-Uno-Shields
- Implementierung der Schnittstelle Alexa-Arduino
- Implementierung der Sprachsteuerung
- Test und wiss. Dokumentation
- Erstellung eines Videos, welches die Funktionen visualisiert
- Live Vorführung während der Abschlusspräsentation
Kür: Miniaturisierung (z.B. Arduino Nano)
Verwendete Bauteile
- IKEA PS 2014 Hängeleuchte
- Amazon Alexa Echo Dot (2.Generation)
- 360° Servo MG996R
- RGD-LED-Streifen 5V
- Steckernetzteil SNT 600 9V
- Entwicklungsboard ESP8266 NodeMcu V3
- Lautsprecher LSM-57F
- Power Supply Module 1pc
Verwendete Software
- Amazon Alexa Voice Service App
- Arduino DIE
Projekt
Projektplan
In der Abbildung ?? sieht man den Projektplan. Insgesamt standen zur Bearbeitung des Projektes 16 Wochen zur Verfügung. Diese sind in drei unterschiedliche Phase der Bearbeitung aufgeteilt. In der ersten Phase geht es um die Vorbereitung auf die Umsetzung des Projektes. Den Hauptteil bildet die Hauptphase, denn dabei liegt der Schwerpunkt auf der praktischen Realisierung der Ziele. In der letzten Phase stand vor allem der Test, so wie die Präsentation der praktischen Anwendung der Designerlampe im Soll-Zustand. Am Anfang der ersten Phase steht die Recherche bereits vorhandener Lösungen zu dem Thema der Sprachsteuerung. Hierbei hat sich gezeigt, dass die Kommunikation zwischen der Alexa und dem Entwicklungsboard ESP 8266 äußerst schnell und effektiv herzustellen ist. Hierfür wird lediglich ein Smartphone und die Amazon-Alexa-App benötigt, um das Entwicklungsboard mit dem Alexa-Lautsprecher zu verbinden. In der Kalenderwoche 41 wurde dann der Systementwurf erstellt und gleichzeitig die für das Projekt benötigten Bauteile bestellt. Eins der Vorteile bei dem Fach „angewandte Elektrotechnik“ ist es, dass die Studierenden bei der Aneignung der technischen Grundlagen für das Projekt nicht auf sich alleine gestellt waren, denn als Pflichtveranstaltungen wurden vier unterschiedliche Praktiken angeboten, welche in den Kalenderwochen 43,44,46 und 47 stattfanden. Dabei wurden die Themen, von der Erstellung des Leiterplatten-Layouts über das „Rapid Control Prototyping“ und der Einführung in Mikrocontroller mit Arduino bis zu der Abstandsreglung mit dem Lego NXT Baukasten, theoretisch und praktisch durchgearbeitet. Am Ende des letzten Versuchs war die erste Phase der Vorbereitung zu Ende. In der zweiten Phase geht es um die praktische Umsetzung der Ziele. Diese besteht aus der Realisierung der Schaltung und der Schnittstellenimplementierung Alexa-ESP8266. Die wissenschaftliche Dokumentation wurde zwischen den einzelnen Tätigkeiten in der zweiten und dritten Phase durchgeführt. Abschließend wurde in der letzten Phase die sprachgesteuerte Lampe getestet, ein YouTube Video erstellt und die Ergebnisse des Projektes in Form von einer Abschlusspräsentation dargestellt.
Projektdurchführung
Hardware
In diesem Kapitel werden die eingesetzten Hauptkomponenten beschrieben. Der Fokus liegt hierbei auf der Funktionalität und Besonderheiten dieser Komponente. Die dazugehörigen Datenblätter sind in dem SVN Projektordner zu finden.
Entwicklungsboard ESP8266 NodeMcu V3
Bei dem ESP8266 handelt es sich, um einen Mikrocontroller, welcher einen WLAN Funkmodul besitzt. Dieser ist mit der Arduino Software kompatibel und kann somit als Schnittstelle mit der Alexa Dot eingesetzt werden. Über den Micro-USB Anschluss erfolgt die Programmierung und die Stromversorgung. Außerdem ist der ESP8266 ein reiner 3.3V Mikrocontroller. Es bedeutet, dass alle Eingänge und Ausgänge ausschließlich mit 3.3V betrieben werden. Da der Arduino mit 5V arbeitet, muss an dieser Stelle ein Spannungsteiler eingesetzt werden. Die Rolle des Spannungsteilers übernimmt das Power Supply Modul 1pc.
Technische Daten:
- Controller: ESP8266
- Anschluss: Micro-USB
- CPU: 80 MHz, 32Bit RISC
- RAM: 96kB
- Flash: 4 MB
- WiFi (Client, AccessPoint Mode)
- 10 digital IOPins, 1 ADC (10Bit)
- Integrierte WLAN Antenne
- Grösse: 60 x 31 x 13mm
- Gewicht: 10g
Power Supply Module 1pc
Technische Daten:
- Maße: 53,3 x 35,5 x 20mm
- Ein- und Ausschaltknopf mit eingebauter LED
- Eingangsspannung: 6,5-9V
- Ausgangsspannung: 3,3 oder 5V
- Maximaler Strom: 700mA
- Anschlusspins für ein Breadboard
- USB-Anschluss zur Versorgung von externen Geräten
Servo 360° MG996R Mit dem Servomotor wird die Schnur reguliert, an die die Verkleidung der Designerlampe befestigt ist. Damit wird die Lampe auf- oder zugemacht.
Technische Daten:
- Maße: 40,7 x 19,7 x 42,9mm
- Gewicht: 55g
- Drehgeschwindigkeit: 0,17 s/60° (4,8V), 0.14s/60°(6V)
- Eingangsspannung: 4,8-7,2V
- Stromversorgung 500-900mA (6V)
- Arbeitstemperatur: 0-55°C
Amazon Alexa Echo Dot Die Amazon Alexa Echo Dot wurde von dem amerikanischen Unternehmen Amazon entwickelt. Dabei handelt es sich um ein sprachgesteuertes Gerät mit dem viele verschiedene Funktionen des Alltags durchgeführt werden können. Diese sind z.B. die Wiedergabe der Musik, Steuerung der Haushaltsgeräte oder die Informationenbereitstellung. Um auf solche Funktionen zugreifen zu können, muss die Dot mit dem Alexa Voice Service (AVS) verbunden werden. Die AVS bildet die Grundlage für die Funktionen, denn hier werden die jeweiligen Sprachbefehle in einer Cloud gespeichert und verarbeitet. Hierfür benötigt die Dot eine WLAN-Verbindung.
Technische Daten:
- Maße: 83,5 x 83,5 x 32mm
- Gewicht: 163g
- Dualband-WLAN unterstützt 802.11 a/b/g/n (2,4 und 5GHz) Netzwerke
- Integrierter Lautsprecher
- Verbindung mit externen Lautsprechern über 3,5 mm-Stereokabel oder Bluetooth
- 7 integrierte Fernfeld-Mikrofone
Ergebnisse
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
YouTube Video
Weblinks
- Projekt 25: Umbau einer Designerlampe zu einer aktiven steuerbaren Lampe
- NodeMCU ESP8266 mit Alexa (Amazon Echo) steuern
- Alexa gesteuerte SmartHome-Lampe
- Verbindung von Arduino mit Alexa über ESP8266
- gutes Echo mit ESP8266
- Nutzung des WIFI-Moduls
- ESP8266 flashen
Literatur
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