基于語(yǔ)音識(shí)別與按鍵觸發(fā)雙模式的智能垃圾分類系統(tǒng)

青島理工大學(xué) 張旭 趙玉琛 李德民 程鈞

本文設(shè)計(jì)了一款包含語(yǔ)音識(shí)別、按鍵觸發(fā)、垃圾智能分類、語(yǔ)音播報(bào)、休眠節(jié)能等功能的智能分類垃圾桶,可以有效提升居民對(duì)垃圾分類知識(shí)的掌握,幫助居民高效準(zhǔn)確分類,幫助居民準(zhǔn)確分類投放垃圾。同時(shí),語(yǔ)音識(shí)別、自動(dòng)打包、滿箱檢測(cè)功能可以幫助居民享受智慧化的物聯(lián)網(wǎng)生活,在實(shí)現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)化發(fā)展的前提下享受更高品質(zhì)的生活,并加快城市垃圾分類系統(tǒng)形成,從而加快垃圾分類在全國(guó)范圍內(nèi)推廣的步伐。

0 引言

近年來(lái),我國(guó)在大力推行垃圾分類政策,但是在垃圾分類工作的推行過(guò)程中,居民普遍存在“垃圾分類知曉率低、投放準(zhǔn)確率低”的問(wèn)題,需要在投放時(shí)反復(fù)確認(rèn),或者被要求重新分類的等問(wèn)題,降低了回收效率,對(duì)后續(xù)城市垃圾處理與回收工作產(chǎn)生的一定阻礙。所以,如何解決居民投放垃圾準(zhǔn)確率低,降低垃圾回收站工作量,則成為繼續(xù)推行垃圾分類政策、加快城市形成高效有序的垃圾分類系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題,我們研發(fā)了一款包含語(yǔ)音識(shí)別、按鍵觸發(fā)、垃圾智能分類、語(yǔ)音播報(bào)、休眠節(jié)能等功能的智能分類垃圾桶,可以有效提升居民對(duì)垃圾分類知識(shí)的掌握,幫助居民高效準(zhǔn)確分類。

1 整體設(shè)計(jì)

垃圾桶頂端設(shè)計(jì)了顯示屏,可以顯示垃圾名稱、時(shí)間、剩余電量等信息。投放口設(shè)置為倒放四棱錐,四棱錐的四個(gè)側(cè)面分別對(duì)應(yīng)四種不同的垃圾種類,當(dāng)單片機(jī)控制系統(tǒng)收到垃圾投放指令時(shí),內(nèi)置語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別分析出垃圾種類,并且控制相應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),使桶蓋以正方形四條邊為軸線向下旋轉(zhuǎn)打開(kāi),垃圾投入后會(huì)自動(dòng)滑落的桶蓋實(shí)現(xiàn)垃圾分類,如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)為核心,由電源模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、按鍵輸入模塊、紅外感應(yīng)模塊、舵機(jī)模塊組成[1-3]。

(1)STM32F103ZET6單片機(jī)。本次設(shè)計(jì)采用的主控為STM32F103ZET6,它是一種嵌入式-微控制器的集成電路(IC),是由ST公司開(kāi)發(fā)的STM32F1系列的其中一種。其時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz,是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。(2)電源模塊。由12V鋰電池供電,為了滿足不同設(shè)備的電壓需求,我們采用了TI公司生產(chǎn)的LMR16020芯片進(jìn)行降壓。通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)電源板,利用LMR16020分別輸出6V、5V和3V3的電壓供模塊使用。(3)語(yǔ)音播報(bào)模塊。語(yǔ)音播報(bào)模塊選用XFS5152CE語(yǔ)音合成芯片。當(dāng)控制器通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別判斷完所投放垃圾種類后,語(yǔ)音播報(bào)模塊會(huì)根據(jù)設(shè)定的程序播報(bào)出該垃圾所屬種類,并且在完成打包后鳴起提示音示意用戶及時(shí)傾倒垃圾和更換垃圾袋。(4)語(yǔ)音識(shí)別模塊。采用LD3320芯片,基于MFCC和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種算法,該模塊設(shè)有語(yǔ)音識(shí)別芯片、數(shù)字轉(zhuǎn)化器、參數(shù)存儲(chǔ)器等,語(yǔ)音信息輸入控制器后會(huì)進(jìn)行識(shí)別,并且按照規(guī)定的形式輸出結(jié)果。(5)紅外感應(yīng)模塊。利用紅外輻射的熱效應(yīng),探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高,進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化來(lái)確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射[4]。當(dāng)傳感器檢測(cè)到用戶靠近時(shí),會(huì)喚醒休眠狀態(tài)下的垃圾桶。(6)舵機(jī)模塊。采用MG996R舵機(jī),舵機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)桶蓋打開(kāi),系統(tǒng)采用四路伺服舵機(jī)與桶蓋相連接,制成電力驅(qū)動(dòng)的開(kāi)合結(jié)構(gòu),根據(jù)系統(tǒng)語(yǔ)音識(shí)別垃圾種類打開(kāi)相應(yīng)桶蓋。整體板設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 整體板設(shè)計(jì)Fig.2 Integral plate design

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別部分中采用MFCC算法進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)特征提取,首先對(duì)接受的時(shí)域信號(hào)通過(guò)傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域,再通過(guò)濾波器對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行選擇,將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的數(shù)據(jù)特征,可通過(guò)梅爾刻度計(jì)算和倒譜分析實(shí)現(xiàn)此過(guò)程。對(duì)于轉(zhuǎn)換得到的語(yǔ)音特征數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行信號(hào)的對(duì)比識(shí)別,并以網(wǎng)絡(luò)誤差平方為目標(biāo)函數(shù)、采用梯度下降法來(lái)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的最小值,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的最優(yōu)分類[5]。

3.1 語(yǔ)音識(shí)別及分類功能

基于收到的語(yǔ)音信息進(jìn)行分類處理,首先進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,獲取多類別語(yǔ)音數(shù)據(jù),利用特征提取算法構(gòu)造特征向量,輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,構(gòu)建3層語(yǔ)音識(shí)別網(wǎng)絡(luò)。然后輸入待檢測(cè)的語(yǔ)音信號(hào),利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對(duì)待檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別,獲得識(shí)別結(jié)果,驅(qū)動(dòng)操作模塊進(jìn)行垃圾自動(dòng)分類。

語(yǔ)音數(shù)據(jù)庫(kù)代碼(部分):

3.2 按鍵控制功能

按鍵輸入,通過(guò)按鍵控制垃圾桶蓋的定位以及自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉。單片機(jī)接收按鍵輸入垃圾類別信號(hào)后,會(huì)控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟相應(yīng)桶蓋,經(jīng)一定延遲時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉。

3.3 超聲波容量檢測(cè)

容量檢測(cè)的原理是計(jì)算距離,需要在Trig管腳輸入一個(gè)10US以上的高電平,系統(tǒng)便可發(fā)出8個(gè)40kHz的超聲波脈沖,然后檢測(cè)回波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)后,通過(guò)Echo管腳輸出。根據(jù)Echo管腳輸出高電平的持續(xù)時(shí)間可以計(jì)算距離值,即距離值為:(高電平時(shí)間*340m/s)/2。當(dāng)接收到US-015通過(guò)Echo管腳輸出的高電平脈沖后,便可進(jìn)行下一次測(cè)量,所以測(cè)量周期取決于測(cè)量距離,當(dāng)US-015距離被測(cè)物體很近時(shí),Echo返回的脈沖寬度較窄,測(cè)量周期就很短;當(dāng)US-015距離被測(cè)物體比較遠(yuǎn)時(shí),Echo返回的脈沖寬度較寬,測(cè)量周期也就相應(yīng)的變長(zhǎng),脈沖寬度最長(zhǎng)80ms對(duì)應(yīng)最遠(yuǎn)測(cè)量距離[6]。

3.4 語(yǔ)音播報(bào)功能

語(yǔ)音播報(bào)與主控制器之間選用IIC通訊方式,按照規(guī)律向SD卡中存儲(chǔ)提前錄制好的音頻,軟件中包括音頻文件的選取、音量設(shè)置等。根據(jù)語(yǔ)音數(shù)據(jù)庫(kù)的編碼以及超聲波測(cè)距的返回值作為基準(zhǔn)進(jìn)行特定的語(yǔ)音播報(bào)。

3.5 低功耗休眠功能

在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有收到指令后,主控單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式,此時(shí)將各個(gè)功能停止,置于垃圾桶上方的紅外傳感器啟動(dòng),當(dāng)再次檢測(cè)到垃圾桶上方有人體時(shí),垃圾桶再次啟動(dòng),正常給各個(gè)部分供電,這樣的處理將大程度上減少無(wú)人使用期間智能垃圾桶電量的消耗。

3.6 低功耗休眠功能

在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有收到指令后,主控單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式,此時(shí)將各個(gè)功能停止,置于垃圾桶上方的紅外傳感器啟動(dòng),當(dāng)再次檢測(cè)到垃圾桶上方有人體時(shí),垃圾桶再次啟動(dòng),正常給各個(gè)部分供電,這樣的處理將大程度上減少無(wú)人使用期間智能垃圾桶電量的消耗。

4 樣機(jī)調(diào)試和功能測(cè)試

設(shè)計(jì)系統(tǒng)通電,連接數(shù)據(jù)庫(kù),選擇樣本數(shù)據(jù)測(cè)試,測(cè)試識(shí)別分類速度和準(zhǔn)確性,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test result

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種以STM32F103ZET6單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)?；谡Z(yǔ)音識(shí)別與按鍵觸發(fā)的雙模式,含語(yǔ)音識(shí)別、垃圾智能分類、語(yǔ)音播報(bào)等基本功能。當(dāng)用戶觸發(fā)位于垃圾桶上方的紅外感應(yīng)器來(lái)啟動(dòng)智能垃圾桶,用戶無(wú)法確認(rèn)垃圾種類時(shí),說(shuō)出垃圾的名稱,智能分類垃圾桶通過(guò)構(gòu)建好的語(yǔ)音信號(hào)識(shí)別模塊確認(rèn)垃圾種類,然后舵機(jī)驅(qū)動(dòng)垃圾桶蓋定位至打開(kāi)狀態(tài),同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)該垃圾所屬種類。

引用

[1] 趙東升,劉忠富,張笑彤.基于STM32單片機(jī)的智能家庭電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù),2021(1):3-5+7.

[2] 耿子進(jìn).基于單片機(jī)的語(yǔ)音播報(bào)器的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2021(10):188-189.

[3] 王乾.基于VOIP的語(yǔ)音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)高新科技,2020(24):61-63.

[4] 劉小莉,邵晶,肖帥,等.基于STM32單片機(jī)的人體紅外感應(yīng)系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2018(1):7-9.

[5] 程春雨,劉正龍,顏科宇,等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的用電器識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2021(2):11-16.

[6] 李曉麗,王娟.超聲波檢測(cè)技術(shù)中的數(shù)字信號(hào)處理方法[J].電子測(cè)試,2021(7):98-99+67.