2020年だし念仏唱える

あけましておめでとうございます！

ついに2020年1月1日に公開するはずだったものが出来ました！
やっと年が明けました！(2020/01/18現在)

ネズミ年ですね！

できたもの

遠隔でお経を唱える事ができるマシーン。IoB(*1)

念仏の遠隔操作に成功！

時間あったら全部Githubにアップします。

*1: Internet Of Buddha

きっかけ

2019年の12月24日にブッダマシーンが届いた。折角なので使いたい。

神々しい···#ブッダマシーン pic.twitter.com/hCMnFTHPzs

— みやた@画策中 (@miyata080825) December 24, 2019

どんなサービスを作るか

遠隔で念仏を唱えられるサービス。
ペルソナは、忙しくて念仏唱える暇がない人。
スマホでオッケーグー〇グル、お経読んでと言うとどこかしらでお経が流れる。便利。

どうつくるか想像する

• 念仏処理
  • ESP32とブッダマシーン
  • Webサービスでやる
• インテント解析
  • サーバっていうかPC
  • 文章からお経読むのとかの判断をする
• 音声検知+STT
  • Android

念仏処理のみが最高に難易度高い気がする。
何となくのシーケンスは下記参照

sequenceDiagram;

participant user as User;
participant android as Android;
participant server as Server;
participant nenbutsu as Nenbutsuki

user-->android: 発話
android-->android: STT
android-->server: インテント解析
alt インテント=念仏唱える
  server-->nenbutsu: 起動
  nenbutsu-->>server: 起動結果
  server-->>android: '念仏が始まりました'
end
note right of server: 同様に次・前・停止もある
android-->>user: serverからの戻りを発話

Mermaid対応のエディタでご覧ください。

作る順番は下記の通り(難易度順)

• 1.念仏処理
• 2.インテント解析
• 3.音声検知+STT

念仏処理

念仏機を遠隔で使える様に改造する。

• 念仏機の足を出す。
  • 電源
  • 次の念仏
  • 一時停止/再生(使わない)
  • 前の念仏
• リレー基板とマイコン基板用の電源基板作る
• 念仏機の足を動作させるためのリレー基板作る
• リレー基盤に信号を送るマイコン基板(ESP32)作る
• ESP32用のソフトを組む

ざっと書いたけど結構大変。

念仏機の足を出す

リレーで操作するだけなので極性など気にせずOK線を出すだけ。
スイッチがついている部分にはんだ付け。

後はケースに穴をあけて外に足を出す。

リレー基板とマイコン基板用の電源基板作る

電源はリレー用の5Vとマイコン用の3Vを作る。
回路図はこんな感じ

気が向いたら清書する

念仏機の足を動作させるためのリレー基板作る

フォトカプラ経由でリレーを動作させる。
回路図はこんな感じ。

気が向いたら(ry

リレー基板に信号を送るマイコン基板作る

ESP32を使う。ほかの用途でI2Cを使おうとしてたので無駄に配線が多い。
36, 33と3から出てるスイッチは不要。

気が向い(ry

ESP32用のソフトを組む

やりたいことは念仏機制御用のWebApiインタフェース構築。
久々なので本家のGet Startedを一回やってからやる。
Restで組んでもよかったが様々な事情があり超絶面倒だったので全部Getでやった。
exampleのhttp_server/simpleにGPIOを組み合わせただけ。

static esp_err_t memorialbuddha_poweron_get_handler(httpd_req_t *req)
{
    gpio_set_level(POWER_GPIO, 1);

    const char* resp_str = (const char*) req->user_ctx;
    httpd_resp_send(req, resp_str, strlen(resp_str));

    if (httpd_req_get_hdr_value_len(req, "Host") == 0) {
        ESP_LOGI(TAG, "Request headers lost");
    }
    return ESP_OK;
}

static const httpd_uri_t poweron = {
    .uri       = "/poweron",
    .method    = HTTP_GET,
    .handler   = memorialbuddha_poweron_get_handler,
    .user_ctx  = "poweron"
};

void app_main(void)
{
    gpio_pad_select_gpio(POWER_GPIO);
    gpio_set_direction(POWER_GPIO, GPIO_MODE_OUTPUT);
    gpio_pad_select_gpio(PREV_GPIO);
    gpio_set_direction(PREV_GPIO, GPIO_MODE_OUTPUT);
    gpio_pad_select_gpio(PAUSE_GPIO);
    gpio_set_direction(PAUSE_GPIO, GPIO_MODE_OUTPUT);
    gpio_pad_select_gpio(NEXT_GPIO);
    gpio_set_direction(NEXT_GPIO, GPIO_MODE_OUTPUT);

    static httpd_handle_t server = NULL;

    ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
    ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());

    /* This helper function configures Wi-Fi or Ethernet, as selected in menuconfig.
     * Read "Establishing Wi-Fi or Ethernet Connection" section in
     * examples/protocols/README.md for more information about this function.
     */
    ESP_ERROR_CHECK(example_connect());

    /* Register event handlers to stop the server when Wi-Fi or Ethernet is disconnected,
     * and re-start it upon connection.
     */
#ifdef CONFIG_EXAMPLE_CONNECT_WIFI
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_register(IP_EVENT, IP_EVENT_STA_GOT_IP, &connect_handler, &server));
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_register(WIFI_EVENT, WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED, &disconnect_handler, &server));
#endif // CONFIG_EXAMPLE_CONNECT_WIFI
#ifdef CONFIG_EXAMPLE_CONNECT_ETHERNET
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_register(IP_EVENT, IP_EVENT_ETH_GOT_IP, &connect_handler, &server));
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_register(ETH_EVENT, ETHERNET_EVENT_DISCONNECTED, &disconnect_handler, &server));
#endif // CONFIG_EXAMPLE_CONNECT_ETHERNET

    /* Start the server for the first time */
    server = start_webserver();
}

インテント処理

受け取った文言がなにか類推して念仏機のサービスを叩く。keras+flaskでやる。構成は以下の通り。

• train.py: 学習
• keywords.txt: 学習に使った語彙データ
• learning-data.txt: 学習データ
• memorial-buddha-intent.h5: 学習結果のモデルデータ
• memorial_buddha_action.py: 念仏機を動かすResource
• server.py: FlaskのWebService
• settings.json: 各種設定
• app_setting.py: setting保持
• common_proc.py: 共通処理

学習

適当に文言とインテント番号を振って、

intent no	description
1	念仏開始
2	次の念仏
3	前の念仏
4	念仏停止

学習データ適当に作る

learnig-data.txt

念仏唱えて 1
念仏が聞きたい 1
今念仏の気分 1
お経唱えて 1
お経聞きたい 1
今日のお経をかけて 1
お経上げて 1
お経あげて 1
念仏かけて 1
次の念仏かけて 2
次のお経唱えて 2
前のお経唱えて 3
前の念仏唱えて 3
次のお経上げて 2
お経止めて 4
お経やめて 4
...

mecabでばらして単語単位にインデックス降って学習させる。

train.py

train.py

import MeCab 
import re
import numpy as np
import keras
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, Dropout, Activation, Flatten

keywords_filename = "keywords.txt"
train_filename = "learning-data.txt"
model_filename = "memorial-buddha-intent.h5"
train_pattern = r'([^ ]+) ([\d]+)'
sentence_tag_length = 64
keyword_length = 64
batch_size = 32 
intent_length = 10

def createWordIndexFromFile():
  global keywords_filename
  global train_filename 
  global train_pattern

  matcher = re.compile(train_pattern)
  tagger = MeCab.Tagger()
  keywords = []
  with open(train_filename, 'r', encoding="utf-8") as f:
    lines = f.readlines()
    for line in lines:
      line = line.replace('\n', '')
      match_result = matcher.match(line)
      if match_result != None:
        text = match_result.group(1)
        print('text: {0}'.format(text))
        tagstring = tagger.parse(text)
        tags = tagstring.split('\n') 
        for index in range(len(tags) - 2):
          taginfos = tags[index].split('\t')
          keywords.append("{0}".format(taginfos[0])) 
  keywords = dict.fromkeys(keywords)
  keywords = sorted(keywords, key=lambda x: len(x) * -1) 
  for index in range(len(keywords)):
    print('{0}: {1}'.format(index, keywords[index]))
  with open(keywords_filename, "w", encoding="utf-8") as f:
    f.write('\n'.join(keywords))

def getWordIndex():
  keywords = []
  with open(keywords_filename, "r", encoding="utf-8") as f:
    lines = f.readlines()
    for line in lines:
      keywords.append(line.replace('\n', ''))
  return keywords

def exchangeSentenceTags2WordIndexes(tags, keywords):
  global sentence_tag_length
  global keyword_length
  global sentence_tag_length
  global keyword_length

  x = [[0.0 for i in range(sentence_tag_length)] for j in range(keyword_length)]
  for tag_index in range(len(tags)):
      for keyword_index in range(len(keywords)):
          if tags[tag_index] == keywords[keyword_index]:
              print("tag: {0}, tag index: {1}, keyword index: {2}".format(tags[tag_index], tag_index, keyword_index))
              x[tag_index][keyword_index] = 1.0
              break
  return x

def getTrainData():
  global train_filename 
  global train_pattern
  global intent_length 
  global sentence_tag_length
  global keyword_length
  keywords = getWordIndex()
  xs = []
  ys = []

  matcher = re.compile(train_pattern)
  tagger = MeCab.Tagger()
  with open(train_filename, 'r', encoding="utf-8") as f:
    lines = f.readlines()
    for line in lines:
      line = line.replace('\n', '')
      match_result = matcher.match(line)
      if match_result != None:
        sentence_tags = []
        text = match_result.group(1)
        print('text: {0}'.format(text))
        tagstring = tagger.parse(text)
        tags = tagstring.split('\n')
        for index in range(len(tags) - 2):
          taginfos = tags[index].split('\t')
          sentence_tags.append("{0}".format(taginfos[0]))
        x = exchangeSentenceTags2WordIndexes(
          sentence_tags, 
          keywords)
        xs.append(x)
        y = [0.0 for i in range(intent_length)]
        intent = int(match_result.group(2))
        print("intent: {0}".format(intent))
        y[intent] = 1.0
        print(y)
        ys.append(y)

  trainx = np.array(xs)
  trainy = np.array(ys)
  print(trainx.shape)
  print(trainy.shape)
  return trainx, trainy

def main():
  global sentence_tag_length
  global keyword_length
  global batch_size
  global model_filename 

  input_vecsize =  sentence_tag_length * keyword_length
  createWordIndexFromFile()
  x, y = getTrainData()

  model = Sequential()
  model.add(Dense(
      input_vecsize, 
      input_shape=(sentence_tag_length, keyword_length, )))
  model.add(Flatten())
  model.add(Dense(2048))
  model.add(Activation('relu'))
  model.add(Dropout(0.1))
  model.add(Dense(1024))
  model.add(Activation('relu'))
  model.add(Dropout(0.1))
  model.add(Dense(1024))
  model.add(Activation('relu'))
  model.add(Dropout(0.1))
  model.add(Dense(10))
  model.add(Activation('softmax'))

  model.compile(
    optimizer='rmsprop',
    loss='categorical_crossentropy',
    metrics=['accuracy'])

  model.fit(x, y, epochs=50, batch_size=batch_size)
  model.save(model_filename)

if __name__ == "__main__":
  main()

テキスト受け付けて結果を返す

Flaskの出番。まずはResource。

memorial_buddha_action.py

import MeCab 
import re
import numpy as np
import keras
import traceback
from keras.models import load_model
from flask import request
from flask_restful import Resource
import urllib.request

from app_setting import AppSetting
from common_proc import CommonProc

class MemorialBuddhaAction(Resource):
  def __init__(self, tagger, model, keywords, sample):
    self.sentence_tag_length = 64
    self.keyword_length = 64
    self.batch_size = 32
    self.setting = AppSetting()
    self.tagger = tagger
    self.model = model
    self.keywords = keywords
    print("Resource param: {0}".format(sample))

  def post(self):
    try:
      json = request.get_json(force=True)
      print(json)
      sentence = json['text'] 
      action_no = self.predict(sentence)

      url = ""
      if action_no == 1:
        url = self.getMemorialBuddhaEndpoint("poweron")
      if action_no == 2:
        url = self.getMemorialBuddhaEndpoint("next")
      if action_no == 3:
        url = self.getMemorialBuddhaEndpoint("prev")
      if action_no == 4:
        url = self.getMemorialBuddhaEndpoint("poweroff")

      if url == "":
        return CommonProc.generateResultJsonData(
          succeed=False,
          message="cannnot specified intent.sentence is '{0}'".format(sentence)
        )

      req = urllib.request.Request(url)
      with urllib.request.urlopen(req) as res:
        body = res.read()

      return CommonProc.generateResultJsonData(succeed=True)
    except Exception as e:
      message = "{0}".format(e.args)
      return CommonProc.generateResultJsonData(
        succeed=False,
        message=message
      )

  def getPredictData(self, sentence):
    tagstring = self.tagger.parse(sentence)
    tags = tagstring.split('\n')
    sentence_tags = []
    for index in range(len(tags) - 2):
      taginfos = tags[index].split('\t')
      sentence_tags.append("{0}".format(taginfos[0]))

    x = [[0.0 for i in range(self.sentence_tag_length)] for j in range(self.keyword_length)]
    for tag_index in range(len(sentence_tags)):
        for keyword_index in range(len(self.keywords)):
            if sentence_tags[tag_index] == self.keywords[keyword_index]:
                print("{0}: tag index:{1}, keyword index: {2}".format(sentence_tags[tag_index], tag_index, keyword_index))
                x[tag_index][keyword_index] = 1.0
                break
    xs = []
    xs.append(x)
    return np.array(xs)

  def predict(self, sentence):
    try:
      print("sentence: {0}".format(sentence))
      x = self.getPredictData(sentence)
      print("predict start")
      ys = self.model.predict(x, batch_size=self.batch_size, steps=None)
      print("predict result: {0}".format(ys))
      return np.argmax(ys[0])
    except:
      print(traceback.format_exc())
      return 1

  def getMemorialBuddhaEndpoint(self, endpoint):
    return "http://{0}/{1}".format(self.setting.budda_machine_address, endpoint)

Flaskで書くときはthreadedとdebugの指定に気を付ける。有効にするとkerasが謎エラー吐く。

  app = Flask(__name__)
  api = Api(app)

  api.add_resource(EchoResource, '/')
  api.add_resource(
    MemorialBuddhaAction, 
    '/api/v1/action', 
    resource_class_kwargs={'tagger': tagger, 'model': model, "keywords": keywords})

  app.run(host='0.0.0.0', port=80, threaded=False)

音声検知

ユーザからの音声を受け付けるアプリを組む。アプリで設定する項目は下記点

• サーバアドレス
• 録音開始ボタン

こんな感じ

構成はMVVM

• model
  • AppSettings
  • BuddhaMachineAction
• view
  • MainActivity
  • MainFragment
• vm
  • MainViewModel

とりあえずキモとなるBuddhaMachineAction

BuddhaMachineAction

package jp.miyatama.memorialbuddhaapp.model

import android.app.Application
import android.content.Context
import android.util.Log
import okhttp3.MediaType.Companion.toMediaTypeOrNull
import okhttp3.OkHttpClient
import okhttp3.Request
import okhttp3.RequestBody
import org.json.JSONObject
import java.lang.Exception
import java.util.concurrent.TimeUnit


class BuddhaMachineAction(val app:Application) {
    private val TAG = BuddhaMachineAction::class.java.simpleName

    private val SHARED_PREFERENCE_NAME = "settings"
    private val SERVER_ADDRESS_KEY = "server_address"

    private val SUCCEED_ITEM_NAME = "succeed"
    private val MESSAGE_ITEM_NAME = "message"

    fun getServerAddress(): String{
        val sp = this.app.getSharedPreferences(SHARED_PREFERENCE_NAME, Context.MODE_PRIVATE)
        return sp.getString(SERVER_ADDRESS_KEY, "")!!
    }
    fun doAction(text: String): String{
        Log.d(TAG, "doAction: ${text}")
        try{
            val client = OkHttpClient.Builder()
                .connectTimeout(5, TimeUnit.SECONDS)
                .writeTimeout(5, TimeUnit.SECONDS)
                .readTimeout(5, TimeUnit.SECONDS)
                .build()

            val address = getServerAddress()
            val url = "http://${address}/api/v1/action"
            Log.d(TAG, "url: ${url}")
            val mediaType = "application/json; charset=utf-8".toMediaTypeOrNull()
            val requestBody = RequestBody.create(mediaType, "{ \"text\": \"${text}\"}")
            val request = Request.Builder()
                .url(url)
                .post(requestBody)
                .build()
            val response = client.newCall(request).execute()
            val jsonString = response.body!!.string()
            Log.d(TAG , jsonString)
            val jsonData = JSONObject(jsonString)

            // error check
            if (!jsonData.has(SUCCEED_ITEM_NAME)){
                return "invalid result json.${SUCCEED_ITEM_NAME} not found."
            }
            if (!jsonData.has(MESSAGE_ITEM_NAME)){
                return "invalid result json.${MESSAGE_ITEM_NAME} not found."
            }
            if (jsonData.get(SUCCEED_ITEM_NAME) !is Boolean){
                return "invalid result json.${SUCCEED_ITEM_NAME} not Boolean."
            }
            if (jsonData.get(MESSAGE_ITEM_NAME) !is Boolean){
                return "invalid result json.${MESSAGE_ITEM_NAME} not String."
            }
            val succeed = jsonData.getBoolean(SUCCEED_ITEM_NAME)
            val message = jsonData.getString(MESSAGE_ITEM_NAME)

            // when error
            if (!succeed){
                return message
            }
            return "Action Succeed!!"
        }catch(e: Exception){
            Log.e(TAG , e.toString())
            return e.toString()
        }
    }
}

MainViewModelはこんな感じ

MainViewModel

package jp.miyatama.memorialbuddhaapp.vm

import android.app.Application
import android.content.Intent
import android.os.Bundle
import android.speech.RecognitionListener
import android.speech.RecognizerIntent
import android.speech.SpeechRecognizer
import android.util.Log
import android.view.View
import androidx.lifecycle.AndroidViewModel
import androidx.lifecycle.MutableLiveData
import jp.miyatama.memorialbuddhaapp.model.AppSettings
import jp.miyatama.memorialbuddhaapp.model.BuddhaMachineAction
import kotlinx.coroutines.Dispatchers
import kotlinx.coroutines.GlobalScope
import kotlinx.coroutines.async
import kotlinx.coroutines.launch
import java.util.*

class MainViewModel(val app: Application) : AndroidViewModel(app) {
    private val TAG = MainViewModel::class.java.simpleName
    val serverAddress = MutableLiveData<String>()
    val information = MutableLiveData<String>()

    lateinit var appSettings: AppSettings
    lateinit var buddhaMachineAction: BuddhaMachineAction

    fun init(){
        appSettings = AppSettings(app)
        buddhaMachineAction =
            BuddhaMachineAction(app)
        serverAddress.value = appSettings.getServerAddress()
    }

    fun onClickSaveServerAddress(view: View){
        appSettings.setServerAddress(serverAddress.value!!)
    }

    fun onClickBuddhaControl(veiw: View){
        var speechRecognizerIntent = Intent(RecognizerIntent.ACTION_RECOGNIZE_SPEECH)
        speechRecognizerIntent.putExtra(RecognizerIntent.EXTRA_LANGUAGE, Locale.getDefault().getLanguage())
        speechRecognizerIntent.putExtra(RecognizerIntent.EXTRA_LANGUAGE_MODEL, RecognizerIntent.LANGUAGE_MODEL_FREE_FORM)
        speechRecognizerIntent.putExtra(RecognizerIntent.EXTRA_CALLING_PACKAGE, this.app.packageName)
        speechRecognizerIntent.putExtra(RecognizerIntent.EXTRA_PREFER_OFFLINE, true)
        var speechRecognizer = SpeechRecognizer.createSpeechRecognizer(this.app)
        speechRecognizer.setRecognitionListener(object: RecognitionListener{
            override fun onReadyForSpeech(p0: Bundle?) {
                Log.d(TAG ,"onReadyForSpeech")
            }

            override fun onRmsChanged(p0: Float) {
                Log.d(TAG ,"onRmsChanged")
            }

            override fun onBufferReceived(p0: ByteArray?) {
                Log.d(TAG ,"onBufferReceived")
            }

            override fun onPartialResults(p0: Bundle?) {
                Log.d(TAG ,"onPartialResults")
            }

            override fun onEvent(p0: Int, p1: Bundle?) {
                Log.d(TAG ,"onEvent")
            }

            override fun onBeginningOfSpeech() {
                Log.d(TAG ,"onBeginningOfSpeech")
            }

            override fun onEndOfSpeech() {
                Log.d(TAG ,"onEndOfSpeech")
            }

            override fun onError(error: Int) {
                Log.d(TAG ,"onError")
                var message = "speech recognizer unknown error"
                when (error) {
                    SpeechRecognizer.ERROR_AUDIO -> message = "Audio recording error"
                    SpeechRecognizer.ERROR_CLIENT -> message = "Other client side errors"
                    SpeechRecognizer.ERROR_INSUFFICIENT_PERMISSIONS -> message = "Insufficient permissions"
                    SpeechRecognizer.ERROR_NETWORK -> message = "Network related errors"
                    SpeechRecognizer.ERROR_NETWORK_TIMEOUT -> message = "Network operation timed out"
                    SpeechRecognizer.ERROR_NO_MATCH -> message = "No recognition result matched"
                    SpeechRecognizer.ERROR_RECOGNIZER_BUSY -> message = "RecognitionService busy"
                    SpeechRecognizer.ERROR_SERVER -> message = "Server sends error status"
                    SpeechRecognizer.ERROR_SPEECH_TIMEOUT -> message = "No speech input"
                }
                information.value = message
            }

            override fun onResults(results: Bundle?) {
                val result = results!!.getStringArrayList(android.speech.SpeechRecognizer.RESULTS_RECOGNITION)!!
                if(result.count() <= 0){
                    return
                }
                Log.d(TAG, "detect text: ${result.get(0)}")
                GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) {
                    async(Dispatchers.Default) {
                        buddhaMachineAction.doAction(result.get(0))
                    }.await().let {
                        information.value = it
                    }
                }
            }

        })

        speechRecognizer.startListening(speechRecognizerIntent)

    }
}

ふりかえり

何回やっても思うが、「電子工作からWebサービスまで」を作成するのは大変。
ざっと上げるだけでも

• 作業時間の確保
• 作業場所の確保
• ネットワーク環境の確保(dns入れる入れないとかssl対応するかどうかとか)
• 部品の買い出しで心が折れる
• Androidの新しい書き方に慣れてない(coroutineっていうかcoroutine)
• ESP32のサンプルが動かない
• etc

ブッダマシーンが2019.12.24に届いてからざっと1カ月ないぐらいなのだが、
体感的には3カ月ぐらいかかった気がする。
月に1回ぐらいAndroidアプリ組むなり電子工作するなりしとかないと、腕は落ちるもんだと思い知らされた。ていうか落ちてた。

進みの早いIT業界。多分今回の経験も、半年後には半分ぐらいしか役に立たなくなってると思う。
フレームワークとか規格とか方針とか、自然現象ではないものは所詮人が作ったもの。
間違ってたり変わったりが当たり前なので、たまに無理して勉強するぐらいがちょうどいいんだと思う。

あんまり関係ないけど、2020年初めての幸運がフエラムネ

フエ星人ゲット!2020年なんかあるぞコレ!#フエ星人 pic.twitter.com/LNFG2WY6FF

— みやた@画策中 (@miyata080825) January 18, 2020