基于語音識(shí)別的交互式智能垃圾桶的實(shí)現(xiàn)

祁選寧，周鑫垚，陳可，杜世偉，賈偉偉

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇徐州，221140）

0 引言

在21 世紀(jì)的今天，隨著我們國家經(jīng)濟(jì)日益增長(zhǎng)，人民的生活水平也不斷提高，同時(shí)日益增長(zhǎng)的垃圾也隨之而來，隨著我們國家對(duì)垃圾分類的普及加大，居民也提高了不少對(duì)垃圾分類的了解，但是面對(duì)當(dāng)下繁雜的垃圾，家里的一些老年人容易錯(cuò)放垃圾，加大對(duì)垃圾分類的難度。國內(nèi)現(xiàn)有的智能垃圾桶，無論是按鈕電動(dòng)式、紅外翻蓋式都是功能單一的垃圾桶，沒有對(duì)垃圾進(jìn)行自動(dòng)打包、消殺。因此為了提高垃圾分類的家庭化及自動(dòng)化，本文設(shè)計(jì)出了一款基于語音識(shí)別的智能分類垃圾桶，該垃圾桶可以根據(jù)語音交互來判斷垃圾的種類，以此達(dá)到垃圾智能分類的效果。

1 交互式垃圾桶總框架

本文在設(shè)計(jì)這款基于語音識(shí)別的交互式垃圾桶時(shí)，結(jié)合實(shí)用性考慮，采用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，把整體系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)以及嵌入式軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要包括供電模塊、智能語音模塊、集滿預(yù)警模塊、打包模塊、消殺模塊，其中垃圾桶的系統(tǒng)總框架如下圖1 所示。STM32 微控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，所有功能也是在這個(gè)微控制器上實(shí)現(xiàn)的。首先在語音模塊在沒有收到喚醒指令前整個(gè)垃圾桶處于待機(jī)狀態(tài)，在垃圾桶收到喚醒指令“你好，小凈”，智能語音模塊回答“你好，主人”后根據(jù)語音播報(bào)的相關(guān)垃圾名稱語音模塊完成語音輸入后，經(jīng)過STM32 主控芯片的判斷后輸出PWM 波控制舵機(jī)使垃圾桶進(jìn)行翻蓋，然后丟入相應(yīng)垃圾即可，垃圾滿后，則發(fā)出語音提示信息。

圖1 垃圾桶系統(tǒng)總框架

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)MCU

本設(shè)計(jì)主控芯片采用STM32H750VBT6 單片機(jī)，該單片機(jī)可以提供大量外接的I/O 口來進(jìn)行信號(hào)處理與相應(yīng)的輸出控制，完成垃圾分類的過程以及打包、消殺等內(nèi)容。如圖2 所示為該主控芯片的最小系統(tǒng)，其中包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、基準(zhǔn)電壓電路、RTC-BAT 電路等。

圖2 STM32H750VBT6 最小系統(tǒng)

2.2 語音識(shí)別與播報(bào)模塊

本設(shè)計(jì)使用百科榮創(chuàng)出品的小創(chuàng)智能語音模塊，其中，asrWordlist.txt 文件的功能是編輯識(shí)別內(nèi)容，serialTTS.txt 是編輯合成播放內(nèi)容、串口輸出輸入內(nèi)容，config.ini 是對(duì)小創(chuàng)語音識(shí)別模塊的參數(shù)配置。在編輯對(duì)小創(chuàng)語音的asrWordlist.txt、serialTTS.txt、config.ini 三個(gè)文件中均使用UTF-8 格式編碼，使用文本編輯器軟件編輯好后0，用“小創(chuàng)語音識(shí)別系統(tǒng)串口下載工具.exe”的工具軟件下載到小創(chuàng)語音識(shí)別模塊電路板上，即可實(shí)現(xiàn)本地識(shí)別、本地合成、串口通信的自由定義。小窗語音識(shí)別模塊圖片如下圖3。語音模塊電路圖如下圖4

圖3 小創(chuàng)語音識(shí)別模塊

圖4 小創(chuàng)語音識(shí)別模塊電路圖

2.3 舵機(jī)控制模塊

本文采用的舵機(jī)模塊為SG90 模擬舵機(jī)，此舵機(jī)三根線分為：棕色（GND）、紅色（VCC）、黃色（PWM），將這PWM 根線接入對(duì)應(yīng)可以輸出PWM 波控制信號(hào)的IO 即可。

SG90 的舵機(jī)其要求的信號(hào)頻率在50HZ 左右，也就是PWM波的信號(hào)的20ms，根據(jù)信號(hào)脈寬對(duì)應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，具體如表1 所示。

表1 脈寬與舵機(jī)角度表

2.4 超聲波模塊

本文使用的是HC-SR04，該模塊在本設(shè)計(jì)中利用超聲波來測(cè)試?yán)爸欣拇娣帕?。模塊可提供約2cm 到400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，精度可達(dá)到3mm。HC-SR04 模塊TRIG 引腳負(fù)責(zé)發(fā)送超聲波脈沖串。超聲波測(cè)距模塊實(shí)物如圖5 所示。

圖5 超聲波測(cè)距模塊

現(xiàn)已知聲速是340m/s 根據(jù)公式X=VT

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

語音識(shí)別交互式垃圾桶的主程序主要包括語音識(shí)別、語音播報(bào)、垃圾打包、垃圾消殺等模塊。

在聽到提示音“你好，小創(chuàng)”的時(shí)候，準(zhǔn)備識(shí)別語音，根據(jù)語音提示的內(nèi)容判斷垃圾的種類，然后打開相應(yīng)的垃圾桶的蓋子，投入垃圾。根據(jù)超聲波模塊檢測(cè)垃圾桶中垃圾是否已滿，做出相應(yīng)預(yù)警及打包，提示主人丟垃圾。在垃圾存放過程中出現(xiàn)異常氣味時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的紫外線模塊，進(jìn)行消殺。程序流程圖如圖6 所示。

圖6 程序流程圖

4 功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證垃圾桶語音識(shí)別的有效距離，本文在對(duì)距離垃圾桶1m、3m、5m、8m 處進(jìn)行語音喚醒以及垃圾語音提示音，以此對(duì)垃圾桶的語音識(shí)別能力進(jìn)行判斷。

在系統(tǒng)上電后，經(jīng)過語音測(cè)試，僅在8m 處出現(xiàn)三次語音識(shí)別問題，其中三次均為垃圾語音提示音問題，在丟入相應(yīng)垃圾后垃圾桶運(yùn)行正常。

在經(jīng)過語音開啟，丟滿垃圾桶時(shí)，垃圾桶合蓋后3s 進(jìn)行預(yù)警，6s 后打包完整，并發(fā)出語音預(yù)警。在經(jīng)過語音提示音后，丟入有氣味的有害垃圾后，垃圾桶內(nèi)的紫外線燈能夠正常開啟。測(cè)試實(shí)物圖如圖7 所實(shí)。

圖7 語音交互式垃圾桶實(shí)物

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的語音交互式垃圾桶中的功能依靠超聲波傳感器模塊、氣味傳感器模塊、紫外線模塊以及語音模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，然后傳至MCU 進(jìn)行邏輯處理并作出判斷，控制舵機(jī)對(duì)垃圾桶進(jìn)行開合，氣味重或者超過預(yù)定時(shí)間后進(jìn)行紫外線消殺，裝滿時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)警與打包，封裝打包后，垃圾桶開蓋，方便丟取。本文設(shè)計(jì)的垃圾桶為垃圾分類家庭化、個(gè)人化提供了人性化的服務(wù)，同時(shí)在特殊時(shí)降低了交叉感染的意外。在本設(shè)計(jì)方案在陸續(xù)推進(jìn)的過程中，還需要經(jīng)過不斷的完善與優(yōu)化，以此在達(dá)到滿意的效果，從而能夠更好的為實(shí)行垃圾分類，做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。