基于語音識別的廢舊材料分類系統(tǒng)設(shè)計*

韋冬林，鄭蕊蕊，常恒瑞，陳浩溥，莊博涵，施宇飛

(大連民族大學 信息與通信工程學院，遼寧 大連 116600)

0 引言

隨著科學的進步和時代的發(fā)展，人們在材料的使用和消耗上變得更加頻繁，各種各樣的新型材料出現(xiàn)在我們的面前，材料的運用已經(jīng)逐漸深入各個領(lǐng)域，而新型材料的問世也離不開原材料的使用與回收，所以這也是一個可循環(huán)的產(chǎn)業(yè)。早在1987年的時候，我國就提出了可持續(xù)發(fā)展的理論。

當今，國家在大力倡導垃圾分類，目的就是為了更加高效的處理垃圾。本項目以垃圾分類為研究基礎(chǔ)，研究對象為廢舊材料，該項目的研究也是在走可持續(xù)發(fā)展道路。通過走訪調(diào)查，發(fā)現(xiàn)很多廢舊材料回收廠的回收效率不高，回收的材料中摻雜不同的雜質(zhì)。如果能把回收效率提高，那么就可以制造出更多的原材料，再通過這些原材料做出新的物品供人們使用，從而實現(xiàn)可循環(huán)的功能。因此進行廢舊材料的分類具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本文研究的垃圾分類控制系統(tǒng)由STM32核心控制器、LD3320語音識別模塊、ULN2003步進電機驅(qū)動模塊、ALIENTEK 4.3寸電阻液晶屏模塊、28BYJ-48-5V步進電機組成。利用I2C總線建立STM32與LD3320語音識別模塊通信，實現(xiàn)人機交互功能。將ULN2003步進電機驅(qū)動模塊與STM32核心控制器的I/O口連接，通過STM32核心控制器輸出高低電平驅(qū)動ULN2003，ULN2003收到信號后再驅(qū)動28BYJ-48-5V步進電機工作，完成廢舊材料分類工作。同時，借助液晶顯示屏實現(xiàn)系統(tǒng)界面、材料屬性、后臺數(shù)據(jù)等信息實時顯示。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

圖2 實物圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32F407ZGT6單片機

本設(shè)計主要用的核心控制器為STM32F407最小系統(tǒng)，芯片型號為STM32F407ZGT6，采用的是Cortex—M4內(nèi)核，可直接操作寄存器和使用庫函數(shù)[1]。STM32F4系列的芯片屬于近年來新開發(fā)的芯片，在運算速度上比STM32F1系列的芯片更快更強大，I2C、SPI、SDIO、CAN、TCP/IP等各種通信協(xié)議的串口也比STM32F1的要多[2]，開發(fā)板的功能更加齊全，能實現(xiàn)的功能也更加強大，所以選擇了這款核心控制器。

2.2 LD3320語音模塊

在語音識別功能上，采用的是LD3320語音模塊，要想實現(xiàn)人機交互，必須得讓數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣茸銐蚩?，所以采用的通信方式是：通過I2C總線與STM32建立通信，用I2C通信方式的優(yōu)點在于傳輸速度快，傳輸穩(wěn)定，實時傳輸語音詞條必須快并且準[3]。

2.3 ULN2003步進電機驅(qū)動模塊

在進行材料分類上采用的是ULN2003步進電機驅(qū)動模塊。STM32核心控制器接收到LD3320信號后，根據(jù)詞條信息內(nèi)容，通過普通I/O口輸出高低電平，驅(qū)動相應的步進電機工作，打開材料桶蓋，完成分類工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)上電后，開始工作，液晶屏開始顯示系統(tǒng)界面。按下K1鍵后，進入語音識別模式;不按下，保持在系統(tǒng)初始界面。進入語音識別模式后，LD3320語音識別模塊開始工作，識別完畢后，STM32核心控制器根據(jù)返回的信號驅(qū)動ULN2003步進電機驅(qū)動模塊，驅(qū)使步進電機轉(zhuǎn)動，打開材料桶蓋，完成材料分類。按下K0鍵后，傳感器停止工作，返回系統(tǒng)初始界面，選擇其他工作方式。流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計流程圖

3.2 LD3320語音模塊實現(xiàn)人機交互

本次設(shè)計采用LD3320語音識別模塊，它主要包括語音識別芯片和一些其他的附屬電路，能夠方便的與主控芯片進行通訊，開發(fā)者可以方便的將該模塊嵌入到產(chǎn)品中使用，實現(xiàn)語音交互的目的。所以此次設(shè)計采用LD3320語音識別模塊[4]。

該模塊初始狀態(tài)沒有詞條，需要自行在芯片中添加需要的詞條，該模塊有三種工作模式，可以根據(jù)環(huán)境選擇合適的工作模式。工作流程圖如圖4所示。

圖4 語音識別工作流程圖

3.3 ULN2003步進電機驅(qū)動模塊實現(xiàn)分類功能

如今的社會在飛速發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，這就促進了很多新型材料的問世，大類材料可以分為：紙、塑料、金屬、橡膠等，再細分下去就更多了。各行各業(yè)需要的原材料也參差不齊，例如汽車生產(chǎn)需要各種金屬材料，包裝廠需要紙、塑料、橡膠等材料。

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)材料的分類，可以彌補廢舊材料重復利用率不高的問題。

本文控制系統(tǒng)使用的是ULN2003步進電機驅(qū)動模塊來驅(qū)使步進電機工作，在完成人機交互后，單片機收到相應的信號，處理完后又發(fā)送給ULN2003步進電機驅(qū)動模塊，完成分類工作[5]。流程圖如圖5所示。

圖5 材料分類工作流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 LD3320語音模塊調(diào)試

經(jīng)過測試后，模式一(循環(huán)模式)，模式二(口令模式)在使用時比較方便，但周圍環(huán)境嘈雜的情況下，循環(huán)模式和口令模式受到噪音的影響比較大，識別度降低，模式三(按鍵模式)在嘈雜環(huán)境下就可以避免無法喚醒的現(xiàn)象，但每次都需要按下按鍵喚醒模塊。考慮到存在長時間沒有人員使用垃圾桶的問題，再綜合了其他的條件因素，該系統(tǒng)采用了模式三(按鍵模式)進行語音識別。

4.2 實物測試

經(jīng)過多次性能測試后，該系統(tǒng)的基本功能已經(jīng)實現(xiàn)。單片機核心控制器上電后進入系統(tǒng)界面。進行多次LD3320語音模塊的實物測試，按下K1鍵，進入語音識別模式，LD3320語音識別模塊開始工作，此時對著傳感器說出相應的詞條，觸發(fā)LD3320語音識別模塊工作。

當LD3320識別完詞條后，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳回給STM32核心控制器，接收到的數(shù)據(jù)會顯示在液晶屏上。測試時，發(fā)出的語音信號為“廢紙張”，LD3320接收信號，處理后傳輸給STM32核心控制器，STM32核心控制器接收到信號后，在顯示屏上顯示的接收數(shù)據(jù)為“廢紙張”，然后傳輸一個輸出信號給ULN2003電機驅(qū)動模塊，步進電機工作，打開相應的材料桶蓋[6]。效果如圖6所示。

圖6 識別后的顯示效果

綜上測試結(jié)果，裝置的功能已經(jīng)基本實現(xiàn)，本次設(shè)計的完成，將會為我國的可持續(xù)發(fā)展政策提供巨大的便利。

5 結(jié)語

本文主要研究一種采用單片機作為核心控制器，語音識別傳感器作為信號輸入，步進電機模塊作為輸出信號的廢舊材料分類裝置。語音識別傳感器處理采集詞條信息，步進電機模塊作為驅(qū)動裝置完成材料分類，最終將不同的材料分類到相應的材料桶里實現(xiàn)材料分類。種種結(jié)果表明，語音識別的算法能快速完成語音采集，識別后能驅(qū)動步進電機模塊快速完成分類工作，投入到市場上具有很高的價值，該項目為低碳環(huán)保的研究打下了堅實的基礎(chǔ)，也為國家的綠色生態(tài)文明建設(shè)做出貢獻。