Krátko o systéme RUDO

Ambientný systém RUDO
v inteligentných budovách

Klasické ponímanie komfortu pri bývaní bolo v minulosti zo stavebného
hľadiska obsiahnuté v optimálnom navrhnutí architektúry, polohy budovy,
vykurovacieho systému, rozvodu vody, elektriny a telefónnych liniek. Pri
ďalšom zvyšovaní komfortu sa prihliadalo na kvalitu vnútorného zariadenia a
elektrických spotrebičov.

Súčasná doba prináša s rozvojom informatiky nové ponímanie komfortu
pri bývaní. Stavebnou súčasťou budov sa stali dátové rozvody počítačových
sietí. Sieť býva dostupná aj pomocou bezdrôtovej technológie WiFi. Budovy
začínajú byť vybavené centrálnym počítačom – domovým serverom – pripojeným
na lokálnu počítačovú sieť.

Domový server môže vyhodnocovať údaje zo senzorov nainštalovaných v
budove a automaticky ovládať najrozličnejšie sofistikované zariadenia. V
domových serveroch moderných budov sú nainštalované informačné systémy,
ktoré nazývame ambientné systémy. Sú zamerané:

-na vzdialenú správu zariadení,
-na odovzdávanie informácií o stave priestorov,
-na zabezpečenie,
-na ovládanie zariadení a úsporu energií.

Budovy vybavené ambientnými systémami, senzormi a zariadeniami sa
nazývajú inteligentné budovy. Informatizácia budov však neponúka len
zvyšovanie komfortu v bežnom ponímaní. Súčasťou ambientných systémov v
inteligentných budovách môžu byť aj asistenčné technológie, ktoré pomáhajú
pri bývaní starým alebo zdravotne hendikepovaným ľuďom. Súčasné ambientné
systémy s asistenčnými technológiami (Ambient Assisted Living, ďalej AAL)
sú prioritne zamerané na asistenčné služby pre starších ľudí. Sú preto
orientované na pomoc:

-pri onemocnení pohybovej sústavy,
-pri slabozrakosti,
-pri ľahšej forme stareckej demencie,
-pri údržbe hygienických potrieb a zvýšení
bezpečnosti.

AAL systémy taxonomicky klasifikujú osoby, ktoré zo zdravotného
hľadiska vyžadujú asistenčnú podporu. Pri tejto činnosti vyhodnocujú dáta z
pohybových senzorov alebo kamier. Pri krízovej klasifikácii systém vyšle
podnet na privolanie opatrovateľskej pomoci alebo zdravotníckeho zásahu.

Súčasťou AAL systémov je prispôsobené alebo adaptabilné používateľské
rozhranie, ktoré môže vhodne kompenzovať zdravotný hendikep. Môžu byť
využité aj doplňujúce služby kontrolujúce hygienické podmienky,
ekoparametre – teplota, intenzita svetla a podobne. Poslednou zmienenou
vlastnosťou AAL systémov je aj ich ekonomické hodnotenie – náklady na
zriadenie, licenčné obmedzenia a náklady na údržbu.

1 Pracovisko na Fakulte prírodných vied UMB

Na Fakulte prírodných vied UMB v Banskej Bystrici bolo v roku 1997
zriadené pracovisko, v rámci ktorého sú vyvíjané asistenčné technológie
zamerané na pomoc pre nevidiacich. V roku 2002 bola dokončená prvá verzia
prototypu ambientného (ďalej AmI Ambient Intelligence) systému RUDO. AmI
systém RUDO bol inštalovaný v priestoroch budovy, kde je v súčasnosti
testovaný vo svojej najnovšej verzii. Jeho posledná implementácia obsahuje
aj moduly automatickej asistencie pri výkone práce v zamestnaní so
zameraním na pomoc nevidiacim pri odbornej práci v oblasti informatiky a

elektroniky. Ambient systému RUDO (ďalej AmIR) bol preto rozšírený aj do
budovy výkonu práce. Zložky ambientu v domácnosti a v zamestnaní sú
prepojené pomocou webového servra Klingon, ktorý je súčasťou AmIR.

2 Otvorený projekt pre všetkých

Projekt vývoja AmIR systému je otvorený, jeho komponenty nie sú
licenčne obmedzené. Delí sa na dve dôležité zložky:

1. nemobilný ambient AmIR systému (hardvér a softvér),
2. mobilná časť systému – modul ROWS (softvér).

2.1 Otvorený projekt, nemobilná časť

Vývoj ambientu má výlučne vedecký charakter. Spadá medzi inžinierske
prístupy a vývoj umelých technických artefaktov. S týmto účelom sa
využívajú metodiky “Design Science Research” (ďalej DSR) [1,2] používané
obzvlášť v oblastiach automatizácie a systémov aplikovanej informatiky.

DSR má typicky iteratívny charakter, pozostávajúci z inžinierskeho
cyklu [3,4], ktorý sa pri vývoji a kontinuálnom vylepšovaní opakuje. Tento
cyklus má zväčša štyri základné fázy výskumu [3]:

1. identifikácia a definícia problému,
2. návrh riešenia,
3. vývoj,
4. overenie.

Cieľom DSR je predstavenie všeobecného návrhu riešenia vymedzeného
problému, ktorý je využiteľný aj za ďalších, obdobných podmienok.
Sekundárnym výsledkom je inštancia riešenia napr. vo forme prototypu, ktorý
je nainštalovaný v praxi a slúži na evalváciu účelnosti navrhnutého
riešenia.

2.2 Otvorený projekt, mobilná časť

AmIR systém obsahuje mobilnú zložku, ktorá sa nazýva ROWS a môže
fungovať mimo ambientu inteligentných budov. V prípade takejto oddelenej
prevádzky vytvorí modul ROWS z počítača kompenzačnú pomôcku pre
nevidiacich. Systém AmIR nie je licenčne obmedzený, nevidiaci si ho môžu
vyhľadať na internete a bezplatne nainštalovať na svoj počítač. Systém AmIR
im bude fungovať aj napriek tomu, že sa ich počítač nebude môcť pripojiť na
ambient inteligentnej budovy. Počítač budú môcť využiť ako kompenzačnú
pomôcku, budú mať k dispozícii všetky služby ROWS a používateľské rozhranie
HANIBAL.

Ak sa počítač vybavený softvérovou vrstvou modulu ROWS pripojí cez
WiFi k počítačovej sieti, na ktorej je nainštalovaný AmI systém RUDO,
pomôže nevidiacemu obsluhovať dôležité zariadenia v domácnosti, ako je
napríklad vykurovací systém alebo zónová regulácia.

Vyvinutá softvérová vrstva modulu ROWS ponúka širokú zostavu
programov a skriptov, ktoré sa môžu použiť dvomi spôsobmi:

-ako jednoduché príkazy používané na príkazovom riadku
operačného systému LINUX Debian,
-ako softvérová vrstva používaná semigrafickým
používateľským rozhraním pre nevidiacich – HANIBAL.

Nevidiacemu používateľovi sa takto môže ponúkať práca s počítačom na
administrátorskej úrovni na príkazovom riadku, pričom môžu byť používané
príkazy sprostredkované aj semigrafickým používateľským rozhraním HANIBAL.
Návrh uvádzanej softvérovej vrstvy je zameraný:

1. na bežnú prácu s počítačom,
2. na administrátorskú prácu s počítačom,
3. na odbornú prácu v oblasti informatiky,
4. na odbornú prácu v oblasti elektroniky,
5. na bežnú obsluhu zariadení ambientného systému RUDO,
6. na administrátorskú obsluhu ambientného systému RUDO.

3 AmI systém RUDO

Prototyp AmI systému RUDO bol vyvinutý na akademickej pôde Fakulty
prírodných vied UMB v Banskej Bystrici. Je špecifický svojim zameraním na
asistenciu pri bývaní a na asistenciu pri výkone odbornej práce v oblasti
informatiky a elektroniky pre nevidiacich ľudí.

Pre toto svoje špecifikum sa odlišuje od súčasných AAL. Využíva vo
vyššej miere klasické ponímanie systémov domácej automatizácie, ktoré
sprístupňuje nevidiacim pomocou špeciálneho používateľského rozhrania.

Taxonómiu nevyužíva na klasifikáciu nevidiacich, ale naopak na
klasifikáciu zvyšných členov domácnosti a hostí. Na základe vyhodnocovania
a hlásení pomocou umelo produkovanej reči sa nevidiacim ľuďom čiastočne
nahrádza zrak. Pri vytváraní prototypu AmIR systému bol vývoj asistenčných
technológií zameraný na pomoc nevidiacim ľuďom bez vekového obmedzenia.
Jedná sa hlavne o asistenciu:

1. pri obsluhe vykurovacieho systému,
2. pri úspore energií,
3. pri rodičovskom dohľade na deti,
4. pri učení sa do školy a vyhotovovaní dokumentov,
5. pri rozpoznávaní prichádzajúcich osôb,
6. pri sprostredkovaní informácií o interiérových
a exteriérových scénach,
7. pri sprostredkovaní aktuálnych meteorologických údajov,
8. pri dohľade nad starnúcimi členmi domácnosti,
9. pri odbornej práci v oblasti informatiky a elektroniky.

4 História vývoja AmI RUDO

V roku 2016 bol ukončený vývoj štvrtej verzie AmIR systému pre
nevidiacich, ktorá bola ako celok predstavená v [5,6]. Tento systém je
iteratívne vyvíjaný už 20 rokov na Fakulte prírodných vied UMB na
Slovensku.

Prototyp prvého ambientu AmIR systému je implementovaný v
dvojposchodovom rodinnom dome, v ktorom žije nevidiaci výskumník so svojou
rodinou. Druhý ambient systému je implementovaný na Fakulte prírodných vied
UMB, na Katedre informatiky, kde nevidiaci pracuje. Dve nemobilné
počítačové pracovné stanice sú v domácnosti, kde sa nachádza aj domový
server realizujúci sieťové služby AmIR. V zamestnaní je jedna nemobilná
počítačová stanica, ktorá sa môže na domový server pripojiť cez WEB.
Prepojenie realizuje webový server KLINGON, ktorý bol vytvorený v rámci
vývoja AmIR. Nevidiaci zároveň používa notebook, ktorý sa cez WiFi pripája
na ambient systému buď doma alebo v zamestnaní.

História vývoja systému AmIR sa začína rokom 1999. Podnetom na tento
vývoj bola potreba nevidiaceho človeka v zmysle bezpečnosti oddeliť známe
prichádzajúce osoby od neznámych. Prvá verzia obsahovala preto taxonomický
systém s detektormi pohybu, ktorý pracoval na princípe vyhodnocovania
pomocou neurónovej siete s adaptačným mechanizmom Back Propagation. O tomto
riešení bol publikovaný článok [7].

Ukázalo sa, že takýto domáci asistent je veľmi zaujímavý a pre
nevidiaceho človeka využiteľný aj v iných oblastiach. V druhej verzii bol k

systému RUDO pripojený digitálny multimeter cez sériové rozhranie RS 232,
pre prácu v oblasti odbornej informatiky a elektroniky. V bytovom
reproduktore RUDO čítal pomocou vyhlasovacieho systému nastavené
elektrotechnické veličiny, rozsahy a merané hodnoty. V tejto verzii bol
zároveň implementovaný audiosystém, ktorý nevidiacemu pomáhal pri dohľade
nad deťmi v exteriéri.

Prvé dve verzie pracovali na operačnej platforme 32-bitového
operačného systému FreeDOS. V roku 2005 sa začal vývoj tretej verzie s
vlastným syntetizérom “text to speech” pre operačnú platformu Linux Debian.
Tretia verzia bola dokončená v roku 2010, pracovala pod OS Linux, mala
navyše syntetizér GOBLIN verzie 1.0, softvérové vybavenie na spracovanie
textov pre nevidiacich a ovládač pre klávesnicu, ktorý umožňoval písanie v
Braillovom písme pre nevidiacich. Druhá a tretia verzia systému RUDO neboli
ako celok publikované. Publikované boli len vybrané časti [8,9,10,11].

RUDO sa ukázal ako veľký pomocník a v súvislosti s rozvíjajúcimi sa
systémami domácej automatizácie sa otvorili ďalšie možnosti. V roku 2016
bol ukončený vývoj na štvrtej verzii systému RUDO, ktorá obsahovala navyše
automatizáciu vykurovania, zónovú reguláciu a rozvinutejšie softvérové
podporné prostriedky pre nevidiacich. Stručné predstavenie tejto novej
verzie bolo prezentované v článku [6]. Verzia 4 bola v roku 2017 obsiahle
prezentovaná na medzinárodnej úrovni [5].

Prototyp AmIR je v súčasnosti vyvíjaný a testovaný už vo svojej
piatej verzii. Táto verzia obsahuje nové komponenty a služby zamerané na
starostlivosť o nemocných a starých ľudí a rozvinutejší systém
rozpoznávania scén v interiéri a exteriéri [12] so zameraním pre
nevidiacich ľudí. Systém rozpoznávania scén nahrádza nevidiacemu očný
kontakt v interiéri a pohľad z okna s účelom získania informácie o
aktuálnom počasí. Ďalej obsahuje nové jednotné používateľské rozhranie
HANIBAL, ktoré je možné nainštalovať spolu s vybranými službami aj oddelene
na počítač mimo ambientu inteligentnej budovy. V takomto oddelenom režime
pracuje AmIR ako asistenčný softvér pre nevidiacich. Systém rozpoznávania
interiérových a exteriérových scén bol predstavený na medzinárodnej úrovni
[12].

Piata – súčasná a vyvíjaná – verzia umožňuje pripojenie multimetra
alebo osciloskopu k systému AmIr pomocou sériového rozhrania USB. Je možné
pripojiť ich na domový server pomocou konektoru na pracovnom pongu alebo aj
na ktorúkoľvek pracovnú počítačovú stanicu. S pripojením na notebook
vytvárajú pre nevidiaceho mobilné zariadenie, ktoré umožňuje meranie hodnôt
elektrotechnických veličín na profesionálnej úrovni. Multimeter alebo
osciloskop je od počítača pritom galvanicky oddelený pomocou špeciálneho
kábla s optočlenmi. V prípade pripojenia osciloskopu AmIR realizuje
rozpoznávanie kriviek meraného elektrického signálu a ich interpretáciu
nevidiacemu pomocou umelo produkovanej reči.

5 Architektúra systému RUDO

Prototyp ambientného systému – RUDO v. 5.0 +, 2019 – je
implementovaný na operačnej platforme Linux Debian. RUDO je sieťovo
orientovaný produkt pracujúci v rámci lokálnej počítačovej siete. Pomocou
webového servra Klingon prepája ambient obytnej budovy a ambient budovy
zamestnávateľa. Obsahuje štrnásť nižšie uvedených skupín hardvérových a
softvérových komponentov.

I. Domový miniserver a router

Na počítači “HP Pro-Liant microserver G7” je nainštalovaný operačný
systém Linux Debian.

Výkon – AMD TURION II neo N54 dual core 2.2 GHz.

Výbava – RAM 2 GB, HDD 250, 6 x USB, 1 x LAN, graphics adapter.

Počítač je dovybavený zvukovým zariadením, ktoré je kompatibilné s
ovládačom ALSA pre Linux Debian.

Miniserver je obsluhovateľný štandardným spôsobom pomocou klávesnice
a displeja. Pri realizácii prototypu AmI systému RUDO bol však umiestnený
mimo obytných priestorov. Preto nebol vybavený klávesnicou a displejom. V
tejto implementácii je obsluhovateľný len cez vzdialenú správu z
klientských počítačových staníc alebo cez web.

Domový miniserver realizuje všetky výpočty, ktoré softvérové servre
systému RUDO ponúkajú ako svoje služby. Súčasťou služieb je aj
minimalizačný proces genetického algoritmu, pomocou ktorého sa adaptuje
neurónová sieť taxonomického rozpoznávania. Z tohoto dôvodu nie je
odporúčaný nižší výkon tohoto počítača.

Pripojenie domového miniservra k routru a ďalším zariadeniam pomocou
LAN, USB a audio výstupov je ukázané na blokovej schéme 5-1.

II. Hardvérové V/V zariadenie pripájajúce na lokálnu
počítačovú sieť pohybové senzory a domové zvončeky

Elektronika tohoto zariadenia bola navrhnutá špeciálne pre potreby
systému RUDO. Zariadenie má svoju IP adresu a je pomocou LAN pripojené k
routru (viď 5-1).

Softvérový server komunikuje s týmto zariadením cez sieťové
programové rozhranie MODBUS.

Vstupom servra je zber údajov z pohybových senzorov a tlačítok
domových zvončekov.

Výstupom servra je podnet na prepínanie domových reproduktorov,
pomocou ktorých sa realizujú hlásenia. Systém RUDO si takto volí lokalitu
pre dané hlásenie. Druhým výstupom servra sú všetky taxonomické
kategorizácie – rozpoznávanie osôb, vyhodnocovanie interiérových a
exteriérových scén a podnety na meteorologické hlásenia.

III. Hardvérové V/V zariadenie pripájajúce na lokálnu
počítačovú sieť teplotné senzory, elektromotorické
ventily, pákový ovládač ekvitermického ventila
a ovládače čerpadiel v kotolni

Elektronika tohoto zariadenia bola navrhnutá špeciálne pre potreby
systému RUDO. Zariadenie má svoju IP adresu a je pomocou LAN pripojené k
routru (viď 5-1).

Softvérový server komunikuje s týmto zariadením cez sieťové
programové rozhranie MODBUS.

Vstupmi servra sú:

-zber dát z teplotných senzorov,
-zber dát stavu ventilov.
Výstupmi servra sú:
– ovládanie dvoch elektromotorických ventilov,
– ovládanie čerpadiel,
– ovládanie ekvitermického ventila.

IV. Z-Wave kontrolér

Súčasťou systému RUDO je zónová teplotná regulácia. Teplotná
regulácia v jednotlivých zónach sa realizuje pomocou termostatických Z-Wave
radiátorových hlavíc. Radiátorové hlavice komunikujú bezdrôtovo so Z-Wave
kontrolérom, ktorý je cez USB pripojený k domovému miniservru (viď 5-1).

Softvérový server zónovej teplotnej regulácie, ktorý je nainštalovaný
na domovom miniservri, komunikuje s radiátorovými hlavicami cez Z-Wave
kontrolér.

V. Koncové zariadenia systému RUDO

Na hardvérové V/V zariadenia a Z-Wave kontrolér (viď II., III. a IV.)
sú pripojené koncové zariadenia systému RUDO (viď 5-1), ide o:

-dvanásť pohybových senzorov,

-dverový spínač,

-dve relé na domové zvončeky,

-pákový servoregulátor ekvitermického ventila,

-dva elektromotorické ventily,

-dve čerpadlá,

-plynový kotol,

-sedem teplotných senzorov,

-17 termostatických Z-Wave radiátorových hlavíc,

-multimeter alebo osciloskop,

-dva bytové reproduktory.

VI. Zariadenia používané na kontrolu detí v exteriéri

Súčasťou systému RUDO je audiotechnika prispôsobená na kontrolu
malých detí v exteriéri pomocou sluchu. Audiotechnika sa zároveň používa na
reprodukciu počítačového zvukového výstupu. Táto audio-zostava obsahuje:

-päť kondenzátorových mikrofónov,

-štyri parametrické predzosilovače (spektrálna filtrácia),

-mini mixážne zariadenie,

-zosiľovač,

-reprodukčná sústava.

VII. Softvérový server syntézy hlasu a orientačných zvukov

Dôležitou súčasťou používateľského rozhrania pre nevidiacich je umelá
produkcia reči. AmI systém RUDO používa svoj vlastný syntetizér – GOBLIN,
ktorý je vyvíjaný špeciálne pre potreby nevidiacich ľudí (viď 5-2, 6.2 a
6.3). Obsahuje šesť dôležitých súčastí:

-syntéza “text to speech”,

-možnosť viacerých druhov hláskovania,
– označovanie veľkých písmen,

-voľba rýchlosti rozprávania,

-možnosť generovania orientačných a emočných zvukov,

-kompatibilita so softvérovým asistentom pri čítaní.

Syntetizér GOBLIN je nainštalovaný na domovom miniservri a tiež na
každom klientskom počítači. Prepojenie softvérových servrov a poskytovanie
ich služieb klientským aplikáciám je zobrazené na blokovej schéme 5-2.

VIII. Softvérový server asistencie pri čítaní

Súčasťou používateľského rozhrania pre nevidiacich je softvérový
asistent pri čítaní. Automaticky vyberá z plochy displeja informácie, ktoré
majú byť čítané prioritne a ktoré čítané byť nemajú (viď 5-2).

Zároveň ponúka nástroje na imperatívny výber textu z plochy displeja
na čítanie pomocou syntetického hlasu. Imperatívny výber sa vykonáva
pomocou klávesnice alebo na základe požiadavky klientskej aplikácie (viď 52).

IX. Softvérový server zabezpečenia a taxonometrie

Táto služba informuje nevidiaceho o pohybe pomocou orientačných
zvukov. Upozorňuje na únik tepla, ak neboli zatvorené dvere smerom do
exteriéru.

Dôležitou súčasťou je rozpoznávanie známych prichádzajúcich ľudí a
identifikácia neznámych pomocou pohybových senzorov. Taxonometriu a
rozpoznávanie vykonáva neurónová sieť alebo algoritmus vytvárania
pohybových vektorov s meraním ich vzdialeností od centroidov (viď 5-2).

Súčasťou taxonometrie je systém kategorizácie interiérových a
exteriérových scén, tiež meteorologické hlásenia vyvolávané zmenou počasia
alebo príslušnou interiérovou scénou [12].

X. Softvérový server obsluhy zariadení kotolne

Systém RUDO obsahuje softvérový automat, ktorý realizuje vykurovací
proces a ohrev vody v bojleri (viď 2-2). Dôraz pri návrhu automatizácie
vykurovania bol daný na dve dôležité potreby nevidiaceho človeka:

-úspora energií,

-plná obsluhovateľnosť vykurovania pomocou špeciálneho
používateľského rozhrania pre nevidiacich.

V súčasnosti sa nevyrábajú vykurovacie systémy, ktoré môžu byť
obsluhované bez potreby zraku.

XI. Softvérový server teplotnej zónovej regulácie

Systém zónovej regulácie umožňuje nevidiacemu zorientovať sa v
teplotách jednotlivých miestností – zón. Ponúka prostriedky na nastavenie
požadovaných teplôt (viď 5-2).

Dôležitou súčasťou tejto služby sú časové harmonogramy, pomocou
ktorých je možné nastaviť vykurovanie v zónach a časoch tak, aby sa kúrilo
len v práve používaných miestnostiach. Vytvára sa tak ilúzia celoplošného
vykurovania, ktorá bez straty komfortu výrazne šetrí energie.

XII. Softvérový server sprostredkujúci údaje
z multimetra alebo osciloskopu

Táto služba automaticky identifikuje na USB portoch na domovom servri
alebo na pracovných staniciach pripojený multimeter alebo osciloskop. Po
pripojení začne nevidiacemu asistovať pri používaní týchto zariadení. Má
štyri dôležité zložky:

-čítanie hodnôt a jednotiek z displeja meracej techniky,

-informovanie o stave prepínačov na meracom zariadení,

-rozpoznávanie kriviek meraného signálu,

-sprostredkovanie informácií pomocou syntetickej reči
v bytovom reproduktore alebo pomocou reprodukčnej sústavy na pracovnej
počítačovej stanici.

XIII. Webový server Klingon

Webový server Klingon prepája ambienty inteligentných budov domova a
zamestnania. Jeho dôležitou súčasťou sú výstražné hlásenia v zmysle
bezpečnosti alebo starostlivosti o starnúcich členov domácnosti.

XIV. Softvérový server času

Časová služba ponúka v bytových reproduktoroch hlásenia kukučkových
hodín. Dôležitou súčasťou tejto služby je ale automatické prestavenie
celého ambientu na letný alebo zimný čas.

V nasledujúcej podkapitole sú podrobnejšie opísané technológie
špeciálneho používateľského rozhrania pre nevidiacich. Systém RUDO využíva
toto rozhranie dvomi spôsobmi:

-na osobnú komunikáciu s používateľom pri práci na
klientskej počítačovej stanici,
-na verejnú komunikáciu pomocou domových reproduktorov.

6 Používateľské rozhranie pre nevidiacich

Prvotný rozvoj informatiky priniesol nové možnosti v oblasti
kompenzácie zrakového hendikepu. Najnovší vývoj prináša výrobky s
dotykovými displejmi, ktoré zväčša neumožňujú inštaláciu asistenčných
technológií.

S takýmito bariérami sa používateľ môže stretnúť pri úplne bežných
výrobkoch ako tlačiarne, rádiá, DVD prehrávače, televízory, plynové a
elektrické vykurovacie kotle, práčky a mnoho iných výrobkov. Nevidiaci opäť
zostáva so svojim hendikepom bezradný a často neschopný integrácie do
takého života, aký prináša súčasnosť.

RUDO komunikuje v rámci lokálnej počítačovej siete a WiFi na princípe
server/klient. Preto je obsluhovateľný pomocou klientských aplikácií
nainštalovaných na počítačoch pripojených metalicky alebo cez WiFi.

Obsluha je tiež možná pomocou vzdialenej správy cez internet.

Klientské aplikácie sú vybavené asistenčnými technológiami pre
nevidiacich, ktoré sprostredkujú informácie pomocou syntetického hlasu a
hmatového displeja.

Používateľské rozhranie je prispôsobené tak, aby nevidiacim
obyvateľom nahrádzalo pohľad na displej. Hlasový výstup sa preto
nerealizuje len cez reproduktory klientskej počítačovej stanice. V byte sú
nainštalované navyše dva reproduktory, cez ktoré server ohlasuje dôležité
udalosti.

Napríklad ak sa vybíjajú batérie v niektorej zo Z-Wave hlavíc, systém
RUDO zahlási v bytovom reproduktore stav batérie a umiestnenie radiátora v
budove. Hlásenie sa realizuje asi týždeň pred úplným vybitím a opakuje sa
viackrát denne. Po jednoduchej výmene batérií sa hlásenie automaticky
zruší.

Nevidiaci je takto včas informovaný s presnou špecifikáciou
umiestnenia danej hlavice, čím nedôjde k výpadku vykurovania na danom
radiátore.

Energia batérií pokryje čas od polovice až po celú vykurovaciu
sezónu. Ich spotreba je daná početnosťou automatických teplotných korekcií,
teda závisí od polohy daného radiátora v budove.

Vysielanie Z-Wave signálu nie je energeticky zaťažujúce, lebo hlavice
pracujú v spiacom režime. Čas pravidelného prebúdzania je daný tzv. wakeup
intervalom, ktorý je nastavený na päť minút. Systém RUDO umožňuje tento
interval prestaviť až do 30 minút, čím sa spotreba batérií ešte zníži.
Teplotné korekcie sa totiž vykonajú vždy pri prebudení hlavice.

V testovacom prototype bol zvolený najkratší interval prebúdzania z
dôvodov empirického otestovania najväčšej spotreby.

Kratší interval prebúdzania zvyšuje rýchlosť reakcie hlavice na
podnet používateľa z klientskej aplikácie alebo na automatický podnet zo
servra zónovej regulácie.

6.1 Špeciálny vstup pre nevidiacich

Aby mohol nevidiaci používateľ ovládať AmI systém, je potrebné
prispôsobiť vstup z bežnej klávesnice na vstup v Braillovom – bodovom
písme.

Softvér, ktorý túto funkciu zabezpečuje, číta udalosti bežnej
klávesnice zo zariadenia /dev/input/eventX, pričom toto zariadenie zakáže
pre iné procesy. Zároveň otvorí zariadenie emulácie klávesnice /dev/uinput
na zápis.

Takouto filtráciou udalostí bežnej klávesnice rozšíri jej funkciu aj
na zápis v Braillovom písme pre nevidiacich (viď 6.1-1, 6.1-2 a 6.1-3).
Rozšírená funkcia klávesnice sa ľahko používateľsky zapína alebo vypína, čo
spôsobuje, že táto úprava neobmedzuje vidiacich používateľov.

Pri rozšírenej funkcii klávesnice sú znaky “asdfjkl;” vnímané ako
body Braillovho písma. Preto sa musia tieto klávesy stláčať naraz v
príslušných kombináciách (viď 6.1-1, 6.1-2 a 6.1-3).

Takýto filtračný softvér sa inštaluje na klientské počítače, ale aj
na domový miniserver. Nevidiaci tak môže vykonávať bežnú obsluhu, ale aj
celkovú údržbu systému domácej automatizácie.

Pri programovaní filtra pre nevidiacich pre bežné klávesnice bola
zistená ich hardvérová nespôsobilosť pri väčšine výrobcov a typov
klávesníc.

Pri klávesniciach je uvádzaný parameter KRO-n (Key RollOver), ktorý
určuje, koľko klávesov môže byť naraz stlačených. Pre počítačové Braillove
písmo sa vyžaduje KRO-8, avšak väčšina klávesníc sa pohybuje od KRO-3 až po
KRO-6.

V zmysle humanizácie informatiky sa v tejto veci žiada zaviesť nový
štandard pre klávesnice. Môžu mať zabudovaný hardvérový prepínač alebo
možnosť výberu v BIOSe, ktorý umožní KRO-8, na prácu v Braillovom písme pre
nevidiacich. Takýmto systematickým krokom sa môže podporiť gramotnosť
nevidiacich ľudí v bodovom – Braillovom písme, ktorá je pre nich veľmi
dôležitá.

Test klávesnice na parameter KRO-n je veľmi jednoduchý. V akomkoľvek
editore sa naraz stlačia klávesy “asdfjkl;”. V editore sa zobrazia buď
všetky špecifikované znaky, alebo len ich obmedzený počet.

 

Prvých desať znakov neobsahuje body s indexami 3 a 6. Druhá desiatka
je podobná prvej, ale obsahuje navyše bod s indexom 3. Tretia desiatka je
neúplná a podobná druhej, obsahuje navyše bod s indexom 6. Výnimkou je znak
“w”.

Čísla sú veľmi podobné prvej desiatke znakov, lebo sú v nich body
znížené o jeden bodový riadok nadol, ako je vidieť v 6.1-2. Základné
Braillove písmo sa preto veľmi ľahko zapamätá. Je potrebné pamätať si len
prvých desať písmen abecedy podľa 6.1-1.

Braillove znaky v 6.1-2 sú kódované podľa štandardu amerického
počítačového bodového písma. Kombinácia slovenského Braillovho písma s
americkým počítačovým bodovým písmom umožňuje pomocou jedného stlačenia
klávesov zápis všetkých znakov – bežné, znaky s diakritikou, číselné znaky,
počítačové programátorské znaky.

Navyše umožňuje pri čítaní na hmatovom displeji použitie 6-bodového
módu, čím sa enormne urýchli čítanie pomocou hmatu. V 6.1-3 sú ukázané
Braillove znaky s diakritikou, ktoré sú používané v slovenskom a českom
jazyku. V znakoch s diakritikou je použitý navyše bod s indexom 8.

Ak chce nevidiaci používateľ zapísať veľké písmeno, pridá ku
kombinácii bodov navyše aj kláves medzerník. Znaky s diakritikou budú mať
potom navyše body s indexom 7 a 8.

6.2 Špeciálny výstup pre nevidiacich

AmI systém RUDO má implementovaný syntetizér GOBLIN (viď 5-2), ktorý
môže spolupracovať s filtrom klávesnice pre nevidiacich, s hmatovým –
bodovým displejom alebo sa môže použiť pri bežnom sprostredkovaní
informácií.

Pri sprostredkovaní informácií z bežného displeja GOBLIN spolupracuje
s navigačným – asistenčným softvérovým servrom, ktorý pomáha nevidiacemu
orientovať sa na obrazovke a čítať tie informácie, ktoré sú pre neho v
danej chvíli dôležité.

GOBLIN je nainštalovaný na klientských počítačoch, kde využíva
zvukové zariadenie príslušných počítačov.

Zároveň je tiež nainštalovaný na domovom miniservri (viď 5-2). Táto
implementácia realizuje hlásenia v bytových reproduktoroch. Je ale možné
použiť ju aj na bežné sprostredkovanie informácií v prípade, že klientský
počítač nemá k dispozícii zvukové zariadenie alebo sa toto zariadenie
používa na iné účely.

GOBLIN ponúka niekoľko režimov a rýchlostí rozprávania, medzi ktorými
je aj niekoľko typov hláskovaní, ktoré sa používajú na spätnú opravu
napísaných textov.

V inteligentných budovách môžu bývať napríklad aj rodičia s
nevidiacim dieťaťom, ktoré potrebuje asistenciu pri výučbe do školy, pri
písaní domácich úloh a podobne.

6.3 Syntetizér GOBLIN

Pri vývoji technológie syntézy pre AmI systém RUDO boli stanovené dva
ciele, ktoré ovplyvnili výber metodiky a priorít.

1.

Syntetizér musí byť navrhnutý výslovne pre potreby nevidiacich
používateľov počítačov. Znamená to naplnenie šiestich nižšie uvedených
bodov:

-syntéza “text to speech”,

-možnosť viacerých druhov hláskovania,
– označovanie veľkých písmen,

-voľba rýchlosti rozprávania,

-možnosť generovania orientačných a emočných zvukov,

-kompatibilita so softvérovým asistentom pri čítaní.
Dôraz na hláskovanie a označovanie veľkých písmen je pre nevidiaceho
veľmi dôležitý pri spracovaní textov a ich spätných opravách.

Nastavenie rýchlosti rozprávania a zručnosť pri využívaní
softvérového asistenta pri čítaní dominantne ovplyvňuje konečnú
produktivitu nevidiaceho používateľa.

Orientačné a emočné zvuky používateľa informujú o udalostiach, ktoré
sú v danej chvíli pre neho dôležité. Špecifické zvuky sú pritom priradené
konkrétnym udalostiam.

2.

Druhým cieľom bolo, aby si mohol nevidiaci sám laicky a pomerne
rýchlo vytvoriť hlasový korpus. Prakticky to znamená, naučiť počítač
rozprávať hlasom napr. svojej manželky alebo dcéry. Zachovanie hlasu
blízkeho človeka je zaujímavou náhradou fotografie, ktorú nevidiaci vidieť
nemôže.

Pretože vývoj syntézy bol pre systém RUDO dominantný, rozhodujúca
bola aj rýchlosť prípravy prvej verzie syntetizéra GOBLIN.

Hlasový korpus bol preto minimalizovaný, pre slovenský jazyk obsahuje
102 častíc hlasu a približne 100 navigačných zvukov.

Takáto syntéza nie je veľmi kvalitná, jadro syntetizéra musí
obsahovať generátor koartikulačných prechodov, ktoré sa v hlasovom korpuse
priamo nenachádzajú.

V druhej verzii, ktorá je v súčasnosti vyvíjaná, sa vychádza z
technológie “text to speech” – tzv. “unit selection”. Keďže ku každej
hlasovej vzorke bol priradený jej popisný vektor tak, aby mohla byť
dodatočne modifikovaná, rozšírenie bolo nazvané “object selection” – vzorka
a jej vektor vytvárajú objekt.

Aby mohol byť hlasový korpus minimalizovaný, pri syntéze prebieha
rozdeľovanie textu na tzv. slabú, strednú a silnú syntézu.

V texte so slabou syntézou sú potlačené koartikulácie.

V texte so strednou syntézou sú dominantné koartikulácie.

V texte so silnou syntézou sú dominantné mikrokoartikulačné javy.

Podľa druhu syntézy sa volia na kompozíciu buď fonémy a koartikulačné
prechody sa umelo generujú alebo sa volia difóny alebo pri silnej syntéze
trifóny.

Pre slovenský jazyk je navrhnutý hlasový korpus, ktorý má niečo vyše
500 hlasových objektov.

Automatické vytváranie hlasového korpusu prechádza jednotlivými
vzorkami a nastavuje vhodne ich popisné vektory. Využíva sa pritom
spektrálna a kepstrálna analýza vzoriek.

Pretože do vytvárania hlasového korpusu vstupuje automat, čas
prípravy sa skráti na niekoľko minút. Používateľ – laik – nahrá do
mikrofónu asi tri strany A4 špeciálne pripraveného textu, čo trvá približne

1.5 hodiny.

Druhá verzia syntetizéra GOBLIn je vo vývoji. empirické testovanie na
čiastkovej verzii hlasového korpusu je však veľmi uspokojivé. Kvalitou sa
dostáva niekde medzi kvalitu syntézy difónov a trifónov.

7 Zdroje

1.
Johannesson, P.; Perjons, E.
An Introduction to Design Science;
Springer: Berlin, Germany, 2014.
2.
Winter, R.
Design science research in Europe,
European Journal of Information Systems, 17 (2008), 470-475.
DOI: 10.1057/ejis.2008.44
3.
Dresch, A.; Lacerda, D.P.; Antunes J.A.V. Jr;
Design Science Research:
A Method for Science and Technology Advancement,
Springer, Berlin, 2015. DOI: 10.1007/978-3-319-07374-3
4.
Wieringa, R. J.
Design Science Methodology
for Information Systems and Software Engineering,
Springer: Berlin, 2014. DOI: 10.1007/978-3-662-43839-8
5.
Hudec, M.; Smutný, Z.
RUDO: A Home Ambient Intelligence System for Blind People.
Sensors MDPI 2017, 17, 1926.
6.
Hudec, M.
Inteligentné budovy s asistentom pre nevidiacich
[Intelligent Buildings with the Assistance for Blind People].
Acta Inf. Pragensia. 2016, 5, 4Ô17.
7.
Hudec, M.
Vektorový priestor pohybu osôb,
[Vector space of personsÔ movement],
in: ITAT 2002:
Information Technologies – Applications and Theory,

G. Andrejkova, R. Lencses,
eds., Pavol Jozef Safarik University,
Kosice, 2002, pp. 103-111.

8.
Hudec, M.
Kompenzačný softvér pre nevidiacich
v oblasti vedeckej informatiky,

[Compensation Software for the Blind
in the Field of Scientific Informatics],
in: Proceedings of the 17th annual national conference
DidInfo 2011,

G. Andrejková, ed., FPV UMB, Banska Bystrica, 2011

9.
Hudec, M.
Vývojové prostredie na prácu
s hlasom a neurónovou sieťou
pre zrakovo hendikepovaných,
[Development Environment for Work
With the Voice and Neural Networks
for the Visually Handicapped],
Informatika v škole (2008), 37-43
10.
Hudec, M.
Konštrukcia neurónových sietí
skladaním jednotiek stratovej kompresie,
[Construction of Neural Network
Folding of the Loss-making Compression Units],
FPV UMB, Banska Bystrica, 2009
11.
Hudec, M.
Naprogramujte si svoj rečový syntetizér
s neurónovou sieťou,
[Program Your Speech Synthesizer
With Neural Network],
FPV UMB, Banska Bystrica, 2013.
12.
Hudec, M.; Smutný, Z.:
Advanced Scene Recognition System for Blind People in Household
ACM USA, 2018