一種基于語音識別的垃圾分類投放箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 袁迎春 胡 程 田佳琪 吳學(xué)功

本文基于AI語音識別技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款智能垃圾分類投放箱，根據(jù)關(guān)鍵詞判斷垃圾所屬分類，并自動打開對應(yīng)垃圾投放口，引導(dǎo)完成垃圾分類投放。以樹莓派作為系統(tǒng)的控制平臺，集成人體熱釋電傳感器、語音模塊、舵機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)來人檢測、語音識別、垃圾分類播報、自動開箱、滿溢提示等功能，提高垃圾的資源價值和經(jīng)濟(jì)價值。

近年來，我國加速推行垃圾分類，國家在“十二五”規(guī)劃中明確提出“建立健全垃圾分類回收制度”。目前，居民對垃圾分類的認(rèn)識不足；現(xiàn)有垃圾箱（桶）分類形式過于簡單，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，需要居民主觀判斷垃圾種類后進(jìn)行投放,投放正確率低。日常的垃圾分類令不少居民，尤其是中老年人感到困惑。為了幫助人們正確的投放垃圾，方便可靠的完成垃圾分類工作，本文設(shè)計(jì)了一款基于AI語音識別技術(shù)的智能垃圾分類投放箱。根據(jù)投放者說出的語音關(guān)鍵詞判斷垃圾所屬分類，按照可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾“四分法”，自動打開相關(guān)的垃圾投放口，引導(dǎo)完成垃圾的分類投放。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用樹莓派作為系統(tǒng)的控制平臺，它可以提供1.4Ghz的運(yùn)行頻率、支持無線WIFI通信和藍(lán)牙通信，配備有高清的HDMI端口。系統(tǒng)包含語音輸入輸出模塊、人體熱釋電傳感器、超聲波檢測模塊、顯示模塊、舵機(jī)等。智能分類垃圾桶系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 智能分類垃圾桶系統(tǒng)框圖

其主要功能包括：

（1）人體感應(yīng)啟動，激活系統(tǒng)。

（2）識別語音關(guān)鍵詞，并判斷垃圾屬。

（3）打開對應(yīng)的垃圾投放口，播放提示語音，引導(dǎo)垃圾投放。

（4）垃圾滿溢提示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 語音識別

語音識別是將人們的聲音信號轉(zhuǎn)化為文字的過程，其核心功能是將物理世界的信息轉(zhuǎn)化成可供計(jì)算機(jī)處理的信息。由于計(jì)算量、訓(xùn)練數(shù)據(jù)量極大，且需要大量的并行運(yùn)算，目前語音識別的模型訓(xùn)練部分基本都放在云端進(jìn)行。與傳統(tǒng)的語音識別相比，云端語音識別在終端處只實(shí)現(xiàn)語音輸入,降噪處理以及特征提取的功能。而轉(zhuǎn)寫引擎、語義理解和關(guān)鍵詞提取在云端。

本設(shè)計(jì)采用百度AI語音開放平臺，通過百度云語音識別API接口，將音頻文件發(fā)送到云平臺上，再由云平臺返回給用戶識別出的文字。該方案極大的降低了語音識別的難度，準(zhǔn)確率高、便捷可靠。進(jìn)行識別的流程如圖2所示。

圖2 識別流程圖

2.2 人體感應(yīng)模塊

系統(tǒng)平時處于休眠狀態(tài)，當(dāng)檢測到有人活動時，激活語音識別功能，監(jiān)聽并采集人們的語音信號，通過云平臺完成語音識別功能。該方案能夠降低系統(tǒng)功耗，防止噪音干擾。本設(shè)計(jì)采用熱釋電傳感器進(jìn)行人體感應(yīng)，當(dāng)人體進(jìn)入傳感器的感應(yīng)范圍，輸出高電平，直到人離開后延時輸出低電平。

2.3 超聲波檢測模塊

當(dāng)桶內(nèi)垃圾過多，如果沒有及時清運(yùn)，將會造成垃圾滿溢，影響垃圾回收。本設(shè)計(jì)在桶內(nèi)安裝超聲波測距模塊，當(dāng)檢測距離小于預(yù)設(shè)參數(shù)時，啟動滿溢報警，屏幕播放提示信息，并通知后臺系統(tǒng)及時清運(yùn)。

2.4 舵機(jī)驅(qū)動模塊

系統(tǒng)選用4個SG90舵機(jī)連接垃圾桶蓋?？刂破鞲鶕?jù)語音的比對信息，判定所屬的垃圾分類，輸出PWM方波信號控制舵機(jī)，打開或者關(guān)閉垃圾桶的桶蓋，完成垃圾投放功能。

3 系統(tǒng)工作流程

開機(jī)運(yùn)行后，系統(tǒng)初始化。當(dāng)檢測到有人出現(xiàn)時，語音識別功能激活。由喇叭播放歡迎詞并提示居民說出垃圾名稱。麥克風(fēng)錄制語音信號，并通過網(wǎng)絡(luò)將聲音信號傳輸至百度云平臺，由云平臺返回語音識別的結(jié)果。

系統(tǒng)根據(jù)識別出的文字信息，與自身的垃圾分類信息庫進(jìn)行對比，根據(jù)關(guān)鍵詞判斷垃圾所屬的分類。4個舵機(jī)分別控制著廚余垃圾、有害垃圾、可回收垃圾和其他垃圾對應(yīng)的垃圾桶蓋。當(dāng)關(guān)鍵詞符合時，系統(tǒng)輸出PWM波控制對應(yīng)的舵機(jī)，打開垃圾箱。延時一段時間后關(guān)閉。若關(guān)鍵詞不符合4種分類種的任意一種，則播放語音提示居民再說一遍。垃圾投放完畢后，檢測一遍是否滿溢，若垃圾超過警戒線，則啟動報警，提示盡快轉(zhuǎn)運(yùn)處理。詳細(xì)的工作流程如圖3所示。

圖3 智能分類垃圾箱工作流程圖

結(jié)束語：本文設(shè)計(jì)的智能垃圾分類投放箱，通過AI語音識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垃圾識別過程的智能化，解決了不少中老年人的困惑，減少了垃圾分類所需的成本、人工費(fèi)用和工作量，提高了垃圾的資源價值和經(jīng)濟(jì)價值，貼合當(dāng)前社會發(fā)展的需求。