Projekt 25b: Sprachsteuerung einer Designerlampe

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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 Hardware

  • IKEA PS 2014 Hängeleuchte
  • Amazon Alexa Echo Dot (2.Generation)
  • 360° Servo MG996R
  • RGD-LED-Streifen 5V
  • Steckernetzteil SNT 600 9V
  • Entwicklungsboard ESP8266 NodeMcu V2
  • Lautsprecher LSM-57F
  • Power Supply Module 1pc

Hardwarebeschreibung

In diesem Kapitel werden die eingesetzten Hauptkomponenten beschrieben. Der Fokus liegt hierbei auf der Funktionalität und den Besonderheiten dieser Komponente. Die dazugehörigen Datenblätter sind in dem SVN Projektordner zu finden.


Entwicklungsboard ESP8266 NodeMcu V2

Abb.?? ESP8266 NodeMcu [1]

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 Servo mit mindestens 4,8V 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

Abb. ??: Power Supply Board 1pc


Dieses Stromversorgungsmodul dient dem Zweck der Energieversorgung von mehreren Komponenten. Damit wird gleichzeitig das Entwicklungsboard und der Lautsprecher mit 3,3V und die RGB-LED, so wie der Servo mit 5V versorgt.

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

Verwendete Software

  • Amazon Alexa Voice Service App
  • Arduino DIE


Projekt

Projektplan

Abb. ??: 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

Abb. ??: Die Strukturübersicht der Designerlampe

Die Schaltung und der Prototyp

Nun werden die einzelnen Komponente zusammengefügt und die dazugehörige Schaltung, so wie der Prototyp erstellt.


Abb. ??: Die Steckplatine für die sprachgesteuerte Designerlampe
Abb. ??: Die Schaltung für die sprachgesteuerte Designerlampe
















Ergebnisse

Zusammenfassung

Lessons Learned

Projektunterlagen

YouTube Video

Weblinks

Literatur

  1. ↑ https://de.aliexpress.com/item/Free-Shipping-NodeMcu-Lua-ESP8266-ESP-12E-CH340G-WIFI-Wireless-Module-Network-API-Internet-Development-Board/32790209784.html


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