基于語音識別功能的標準化分類垃圾桶設計探究

王玉琪 陳英杰 談貴楊 張琦 季浩南 金馳

【摘要】為實現(xiàn)對垃圾的科學處理及標準化分類，著手進行了一種具備語音識別功能的標準化分類垃圾桶，在配備了相應功能模塊、芯片及合理設計各部分單元構成內(nèi)容的前提下，該垃圾桶能夠用于人體感知檢測及垃圾識別與分類，并能根據(jù)垃圾類型對垃圾桶實行精確的機械控制，進而幫助人們有效識別各種垃圾類型，做好相應的垃圾分類工作。

【關鍵詞】語音識別；標準化；分類垃圾桶

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.048

【基金項目】沈陽化工大學2022年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助項目（202210149007）。

Research on the Design of Standardized Classified Garbage Bin Based on Speech Recognition Function

WANG Yuqi1， CHEN Yingjie1*， TAN Guiyang1， ZHANG Qi1， JI Haonan1， JIN chi2

（1.Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110000， China； 2.Shenyang Institute of Metrology and testing， Shenyang 110000， China）

Abstract： In order to realize the scientific treatment and standardized classification of garbage， a kind of standardized classified garbage bin with speech recognition function was carried out， equipped with corresponding functional modules， chips and reasonably designed components， the trash can can be used for human perception detection and garbage identification and classification， and according to the garbage type of garbage can implement accurate mechanical control， and help people to effectively identify all kinds of garbage types， do the corresponding garbage classification.

Key words： speech recognition； standardization； sorting trash can

0引言

我國對垃圾的處理大多采用了混合收集并掩埋的方式，這種做法導致環(huán)境承受了較為嚴重的負擔，同時也導致可回收再利用的資源被白白浪費。為解決這類問題并緩解我國面臨的資源壓力，一線城市曾向居民推廣垃圾分類知識并嘗試試點執(zhí)行，但執(zhí)行的效果并不理想，基于此，本文嘗試從設備層面出發(fā)，設計了一種以語音識別功能為基礎的標準化分類垃圾桶，將垃圾分類的任務交給設備，進而幫助居民了解垃圾分類的知識和方法。由于該設備具有較高的自動化程度及標準化水準，因此能夠表現(xiàn)出一定的社會效益。

1系統(tǒng)原理闡述

該標準化分類垃圾桶在設計之初就明確了功能上能夠達到的目標，分為“垃圾分類識別”與“垃圾分類知識宣傳”兩方面。針對人體的感應采取了紅外感知策略，同時還匹配相應的機械控制、語音識別及播報、外觀設計、GPS定位及App管理等功能。其中，紅外感知是為了使垃圾桶能夠辨別是否有人靠近，但這并不作為垃圾桶打開桶蓋的前提條件，需要在紅外系統(tǒng)監(jiān)測到且受到語音指令后，即在同時獲得語音及紅外兩方面信息后，機械控制系統(tǒng)才會打開垃圾桶，實現(xiàn)人與垃圾桶的交互[1]，后兩項功能則是為了方便垃圾桶的管理工作，在垃圾桶容量少于標準值時提醒市政人員前來清理，或是在垃圾桶出現(xiàn)故障時上報至App終端申請檢修。

在垃圾桶打開之前還存在另一個前提，即垃圾桶通過辨別用戶的語音信息來判斷待扔的垃圾類型，并為之匹配對應的垃圾桶（根據(jù)垃圾分類的情況確定垃圾桶數(shù)量，并為機械控制功能預留相應的外接模塊，來適應不同的垃圾分類處理需求）。在語音識別成功之后，系統(tǒng)會將垃圾與對應的垃圾分類進行匹配并打開垃圾桶，此時用戶可完成垃圾的投放；如果出現(xiàn)識別失敗的情況，垃圾桶在維持3 s無操作之后，通過語音播報不同分類垃圾的對應垃圾內(nèi)容，供用戶自行判斷垃圾的類別，再次說出對應的垃圾類別之后完成垃圾投放工作。待垃圾完成投放，垃圾桶內(nèi)部內(nèi)置的擋板不會在第一時間打開，而是在內(nèi)置紅外系統(tǒng)辨別垃圾的具體分類之后，重新將其調(diào)整至對應分類的垃圾桶方向，此時擋板會打開使垃圾滑入對應分類的垃圾桶[2]。垃圾桶的地理位置信息會被定位功能上傳并輸送至App終端，以方便進行后續(xù)監(jiān)管工作。

2功能模塊標準化設計

用于為此垃圾桶提供功能分析及軟件設計的平臺為Arduino UNO R3，其IDE軟件能夠為不同功能模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞及功能協(xié)同提供支持，進而順利完成垃圾投放工作。

2.1紅外感測模塊

此垃圾桶紅外感測模塊分為兩個相互獨立的單元，外部單元用于感知垃圾桶外圍是否有人靠近及靠近者的距離與運動狀態(tài)，內(nèi)部單元則用于探測垃圾的具體狀態(tài)，如結構、強度及形狀特征，進而判斷垃圾的性質(zhì)并對垃圾進行分類。兩個單元的傳感器均應用HC-SR501傳感器，該傳感器能夠同時符合兩種功能需求，且在檢測人體或動物發(fā)射出的紅外線時有著較為精準的表現(xiàn)。

以外部傳感器為例，作為一種紅外熱釋電效應的傳感器，該傳感器能夠在監(jiān)測到活物發(fā)出的紅外線之后輸出電信號。而在與Arduino UNO R3開發(fā)板建立連接之后，傳感器能夠根據(jù)靠近者的距離發(fā)射不同水準的電平，通常該距離以2 m為標準，2 m外發(fā)出低電平，此時LED無反應且其他功能處于靜默狀態(tài)；來者進入2 m范圍內(nèi)之后發(fā)出高電平，此時LED亮且各模塊分別被喚醒，靜待后續(xù)扔垃圾操作，在完成垃圾投放之后用戶離開，傳感器從高電平恢復到低電平，在LED燈熄滅之后，各功能模塊于此時關閉。

內(nèi)部傳感器在功能上類似，感知的對象是垃圾，感知范圍相對有限，且電信號只對垃圾桶內(nèi)置擋板及機械功能模塊發(fā)送，因此在使用強度上要小于外部傳感器。其工作過程是借助紅外對垃圾的形態(tài)、結構及強度進行識別，在完成識別之后向Arduino UNO R3開發(fā)板發(fā)送對應編碼信號，此時開發(fā)板接收信號并辨別之后向機械系統(tǒng)發(fā)出相應編碼指令，對應分類垃圾桶擋板會打開，垃圾在機械模塊功能下落入對應的垃圾桶內(nèi)[3]。這種應用模式降低了Arduino UNO R3開發(fā)板的功率，因此能使后者獲得使用期限的有效提升。

2.2語音功能模塊

語音模塊分為語音識別及語音播報兩個模塊。

語音識別模塊將用于識別用戶說出的關鍵詞，因此模塊中內(nèi)置了相應的語音識別芯片，且芯片中收錄了與垃圾有關的關鍵詞語列表。

應用到的語音識別芯片是LD3320，該芯片可儲存的短語上限為80條，單個短語的字節(jié)數(shù)達到20個，即其短語長度滿足最多十個中文字符，在內(nèi)置語言中以拼音表示，因而能夠有效區(qū)分四種不同類別的垃圾。

在芯片語言中分別對四種垃圾（廚余垃圾、有害垃圾、可回收垃圾、其他垃圾）以0～3的數(shù)字進行編碼，以編碼4表示識別失敗的情況。用戶靠近時紅外感知模塊向芯片發(fā)送電信號，此時芯片準備接受用戶語音信息，并將語音信息與芯片內(nèi)置的短語進行比對識別，完成識別后進行匹配并根據(jù)類別編碼，向機械控制模塊傳輸相應的數(shù)字；如果在識別過程中未能發(fā)現(xiàn)對應的編碼或識別失敗，則匹配編碼4。此時芯片會結合編碼數(shù)字生成對應的指令內(nèi)容，并將該指令內(nèi)容發(fā)送給Arduino UNO R3開發(fā)板，開發(fā)板在識別編碼類型之后向機械控制模塊發(fā)出信號使其打開對應的垃圾桶桶蓋。如果開發(fā)板識別的編碼類型為4，此時就不會向機械功能模塊發(fā)送電信號，而是向垃圾桶的語音播報模塊發(fā)送電信號，觸發(fā)對應的音頻文件并進行播放，而音頻文件的內(nèi)容則是向用戶播放垃圾分類的方法及根據(jù)[4]。

語音播報模塊同樣配置了相應的芯片，這款名為VS1503的芯片被用于解碼MP3文件，且芯片中已經(jīng)提前內(nèi)置了對應的音頻文件，文件中是對各類型垃圾的分類方法及判斷標準。一旦前期語音識別分類失敗，則語音播報系統(tǒng)的功能被觸發(fā)，并在延時3 s之后連接垃圾桶內(nèi)置的音箱播放音頻文件內(nèi)容。此時用戶可結合音頻文件中的科普內(nèi)容重新判斷垃圾的類別，并在音頻播放完成之后再次說出對應的垃圾分類，待語音識別模塊成功識別并激活對應垃圾桶的桶蓋之后，完成垃圾的投放操作。

2.3機械控制模塊

垃圾桶內(nèi)置的機械控制模塊主要實現(xiàn)三個功能：

垃圾桶桶蓋的開合、垃圾桶擋板的開合、垃圾桶內(nèi)部擋雨防臭機械臂的開合?？紤]到需要滿足以上三方面功能，需要為垃圾桶內(nèi)部配置相應的舵機，在為舵機配備四臺機械臂連接到四個桶蓋上之后，就能夠完成對垃圾桶桶蓋開合的自動控制，在此基礎上再額外附加四臺機械臂，就能夠實現(xiàn)對垃圾桶內(nèi)擋板的有效控制，并額外配置兩臺機械臂用于將垃圾推進固定垃圾桶；而第三部分的擋雨防臭功能，則需要在桶內(nèi)裝置機械臂來實現(xiàn)垃圾袋的開口與封口，進而達成擋雨防臭的功能[5]。在設計之后發(fā)現(xiàn)所有功能均由一臺舵機實現(xiàn)，會導致單個舵機技術難度大幅增加，因此可設計為由兩個舵機負責不同功能，第一臺舵機負責前兩項功能，第二臺舵機負責最后一項功能。

3垃圾桶其他標準化設計

在垃圾桶的功能模塊得到明確之后，需要在其他設計上予以配合，來使垃圾桶滿足相應的功能需求，因此需考慮在結構、外觀及終端上對垃圾桶進行合理的設計及調(diào)整。

3.1內(nèi)部結構設計

垃圾桶內(nèi)部結構應當分為上下兩部分，兩部分之間的區(qū)別由擋雨防臭的機械臂加以區(qū)分，隔板則設計在桶蓋與機械臂之間。大部分情況下機械臂處于閉合狀態(tài)，以滿足垃圾桶擋雨防臭的需要，而隔板則應當設計為可旋轉的狀態(tài)，隔板上方還需配置兩臺相互垂直的機械臂，用以在辨明垃圾的類型之后，將垃圾橫向及縱向推向對應的垃圾桶內(nèi)。四個桶蓋位置呈“田”字格并在中央留有隔斷，當垃圾桶蓋打開時，隔板上方的兩臺機械臂歸位居于一側邊緣，四個垃圾桶上的隔板均處于關閉狀態(tài)，等待用戶將垃圾投入；待用戶投入垃圾之后，桶蓋閉合，對應分類位置隔板打開，機械臂將垃圾推入對應位置垃圾桶；之后機械臂復位，隔板閉合，下方機械臂打開使垃圾落入桶底。這種結構在設計上雖然相對麻煩，但保證了垃圾分類的有效性。

3.2外觀設計

垃圾桶也需要進行一定程度的外觀設計，其目的除了幫助用戶以更簡單的方式區(qū)分垃圾類別之外，對于所在區(qū)域及環(huán)境同樣有一定的裝飾及美化作用。外觀上垃圾桶應當采取一體化設計，只是在內(nèi)部下半部分內(nèi)容分成四個空間，上方的桶蓋和擋板也呈“田”字形布局，且不同類別的桶蓋應配備不同的顏色，并在桶蓋上以醒目的顏色寫上該類別中較為常見的垃圾，方便用戶加以識別。在此基礎上可對垃圾桶進行一定的外觀創(chuàng)作，也可采用主題設計的方法，為其刷上鮮艷活潑的色彩或是圖案，提升用戶在使用過程中的體驗。

4結束語

本文詳細講解了一款以語音識別技術為基礎功能支持的標準化分類垃圾桶，通過在結構、功能模塊及遠程控制上的配合，垃圾桶能夠在有效識別垃圾類別的同時，以打開或關閉對應桶蓋及擋板的方式實現(xiàn)垃圾標準化分類。這種垃圾桶表現(xiàn)出高度的自動化水平，在幫助用戶實現(xiàn)垃圾分類的同時，也能使用戶逐漸意識到垃圾分類的方法與根據(jù)。

不足之處在于這種類型的垃圾桶依然會在一定程度上受到環(huán)境的影響，且標準化水平相對不高，體現(xiàn)出的社會效益及經(jīng)濟效益尚未達到理想的程度，還具有較大的優(yōu)化設計空間，因而能夠進行更進一步的完善。

【參考文獻】

[1]孫景偉，丁學用.基于智能語音識別的智能分類垃圾桶設計[J].無線互聯(lián)科技，2022，19（3）：75-76.

[2]曾新紅，謝超強，李維堅.基于語音識別的智能分類垃圾桶設計[J].黑龍江科學，2022，13（6）：23-25.

[3]賀連升，周揚理，于新暢，等.基于語音識別的智能垃圾桶設計與實現(xiàn)[J].機電工程技術，2022，51（1）：122-125.

[4]吳杭，趙川東，吳成玉，等.語音控制智能分類垃圾桶的設計與實現(xiàn)[J].安徽電子信息職業(yè)技術學院學報，2020，19（6）：20-23.

【作者簡介】

王玉琪，女，2001年出生，學士，研究方向為環(huán)境設計。

通訊作者：陳英杰，男，1978年出生，副院長，副教授，研究方向為環(huán)境設計，郵箱為410483987@qq.com。

（編輯：謝飛燕）