語音控制垃圾桶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)大眾對(duì)于垃圾分類出現(xiàn)的現(xiàn)象與問題，文章研究出一款能夠通過智能語音識(shí)別進(jìn)行垃圾分類的智能垃圾分類系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ASRPR0芯片作為控制器，同時(shí)ASRPR0芯片內(nèi)部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器作為主要的語音識(shí)別模塊。該系統(tǒng)通過ASRPRO開發(fā)板音頻接口外接喇叭作為語音播放模塊，采用SG90舵機(jī)作為舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的選型。語音控制垃圾桶不僅可以提高垃圾分類工作，還可以減少垃圾分類的工作量。

關(guān)鍵詞：垃圾分類；ASRPR0；語音識(shí)別

中圖分類號(hào)：TN911.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

智能系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成為軟件研發(fā)市場(chǎng)的主流業(yè)務(wù)，而且在生活中的運(yùn)用也是隨處可見，例如：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和軍事等。此次研究將“智能系統(tǒng)”與“城市生活”相聯(lián)系并設(shè)計(jì)出智能語音識(shí)別垃圾分類系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種隨著垃圾分類事業(yè)和人工智能技術(shù)發(fā)展所結(jié)合的復(fù)合技術(shù)。在綠色、環(huán)保、清潔理念的推廣下，我國把垃圾分類歸類了4種，分別是有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾、可回收垃圾［1-3］。這種復(fù)合技術(shù)被稱為智能語音識(shí)別垃圾分類系統(tǒng)。該系統(tǒng)將ASRPR0芯片作為控制器，同時(shí)ASRPR0芯片內(nèi)部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器為主要的語音識(shí)別模塊。該系統(tǒng)通過ASRPRO 開發(fā)板音頻接口外接喇叭作為語音播放模塊，采用SG90舵機(jī)作為舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的選型［4］。該研究總共包括日常需要的4種不同的垃圾桶。系統(tǒng)中的ASRPR0芯片具有語音識(shí)別、聲紋識(shí)別、語音增強(qiáng)、語音檢測(cè)等功能，實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)垃圾桶的語音操作。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該智能語音識(shí)別垃圾分類系統(tǒng)由ASRPR0芯片、外接喇叭組成。ASRPR0芯片通過麥克風(fēng)收集人聲，經(jīng)濾波、放大后輸入內(nèi)部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器作為人聲處理以及控制端口，負(fù)責(zé)對(duì)接收的人聲進(jìn)行識(shí)別處理。同時(shí)，處理器會(huì)對(duì)人聲指令做出反饋，即對(duì)編好的垃圾種類信息進(jìn)行匹配。ASRPR0芯片根據(jù)匹配好的垃圾種類發(fā)出脈寬調(diào)制操作對(duì)舵機(jī)發(fā)出指令，以完成對(duì)垃圾桶的打開和閉合操作［5］。

1.1 控制器模塊

系統(tǒng)采用ASRPR0芯片作為控制器模塊。開發(fā)板板載RS485、433M無線收發(fā)、紅外收發(fā)、ESP32-C3（2.4 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth 5LE）、SPI彩屏、數(shù)碼管、RGB燈、光敏傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、1路繼電器輸出模塊。系統(tǒng)所用的帶語音識(shí)別的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板，基于32位RISC-V 內(nèi)核，內(nèi)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器。ASRPR0芯片支持 DNNTDN-NRNN 等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及卷積運(yùn)算，支持語音識(shí)別、聲紋識(shí)別、語音增強(qiáng)、語音檢測(cè)等功能，也具備強(qiáng)勁的回聲消除和環(huán)境噪聲抑制能力。開發(fā)板板載RS485、433M無線收發(fā)、紅外收發(fā)、ESP32-C3（2.4 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth 5LE）幾種通信方式；SPI彩屏、數(shù)碼管、RGB燈3種顯示模塊；光敏傳感器、DHT11溫濕度傳感器2種常用傳感器；1路繼電器輸出模塊。ASRPR0芯片搭配天問 Block 圖形化編程軟件，可快速實(shí)現(xiàn)語音交互及控制和各類智能語音物聯(lián)網(wǎng)方案應(yīng)用。

ASRPRO開發(fā)板搭載了ASRPRO芯片，體積小，范圍為3.6～5 V。ASRPRO芯片原理如圖1所示。開發(fā)板在語言前端處理中具有降噪、分幀、預(yù)加重的效果，根據(jù)時(shí)域與頻域的特征可進(jìn)行有效提取。語言識(shí)別有訓(xùn)練和識(shí)別2個(gè)環(huán)節(jié)，具有高性能、低延遲、超遠(yuǎn)距離識(shí)別、超短響應(yīng)時(shí)間的特點(diǎn)。

1.2 語音播放模塊

該設(shè)計(jì)選擇SP15喇叭作為語音播放的選型。

它是一種把電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘?hào)的換能器件。在轉(zhuǎn)換器件中，音頻電可以通過電磁、壓電或者靜電效益，使得SP15的膜片振動(dòng)從而與周圍的空氣產(chǎn)生共振發(fā)出聲音。SP15喇叭具有電聲性能好、結(jié)構(gòu)牢固、成本低、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)［6］。SP15喇叭可以滿足該設(shè)計(jì)的智能語音垃圾分類系統(tǒng)中播放器對(duì)音頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化和播放需求。

1.3 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該系統(tǒng)采用SG90舵機(jī)作為舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的選型，SG90舵機(jī)的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)是周期為20ms的控制信號(hào)而且脈沖寬度范圍是0.5～2.5ms，相對(duì)應(yīng)的角度范圍是0～180°，呈現(xiàn)一種線性變化。簡而言之，為SG90舵機(jī)提供一個(gè)范圍內(nèi)的脈寬，SG90的舵機(jī)輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相應(yīng)的角度范圍內(nèi)。在外界轉(zhuǎn)矩變換的情況下，只有給SG90舵機(jī)一個(gè)不同寬度的信號(hào)，SG90舵機(jī)才會(huì)改變自己的輸出角度，移到寬度下新的對(duì)應(yīng)位置上，使得SG90舵機(jī)滿足智能語音識(shí)別垃圾分類系統(tǒng)對(duì)舵機(jī)的需求［7］。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用ASRPR0芯片為軟件主控芯片。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)流程如圖2所示，當(dāng)ASRPR0芯片中的麥克風(fēng)識(shí)別到人聲時(shí)，首先ASRPR0芯片內(nèi)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器判斷所識(shí)別的聲音是否為有效語言。若是，則將有效語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的命令傳遞到ASRPR0芯片；若否，則ASRPR0芯片再次進(jìn)行語音識(shí)別。語音信號(hào)傳遞到ASRPR0芯片后，進(jìn)行舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和語音播報(bào)操作并執(zhí)行打開垃圾桶蓋。由傳感器檢測(cè)垃圾桶的狀態(tài)和垃圾的類型等信息，確保數(shù)據(jù)處理的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

程序開始執(zhí)行時(shí)首先獲取語言識(shí)別模塊開始工作，若成功喚醒則發(fā)送命令字。ASRPR0芯片進(jìn)行語音采集，再進(jìn)行語音識(shí)別。若否，則重新回到獲取語音識(shí)別芯片模塊，重新識(shí)別語言。成功識(shí)別后，ASRPR0芯片將識(shí)別到的命令字與數(shù)據(jù)庫中關(guān)鍵字對(duì)比，再判斷是否為二級(jí)語言指令。若是，則程序結(jié)束，開始對(duì)垃圾桶進(jìn)行操作；若否，則程序回到獲取語言識(shí)別模塊再次開始。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 可行性分析

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，用戶須要說出指令“垃圾桶”來對(duì)裝置進(jìn)行喚醒，系統(tǒng)采集識(shí)別并確認(rèn)后將回應(yīng)用戶并對(duì)接下來的二級(jí)口令進(jìn)行識(shí)別。當(dāng)二級(jí)口令被進(jìn)一步識(shí)別，該系統(tǒng)會(huì)和所編程序中數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵字進(jìn)行配對(duì)。配對(duì)成功后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行對(duì)應(yīng)垃圾桶開蓋、語音播報(bào)的操作。研究組對(duì)系統(tǒng)分別使用“剩飯菜”“報(bào)紙”“蓄電池”“創(chuàng)可貼”等多個(gè)二級(jí)口令進(jìn)行多次測(cè)試。該系統(tǒng)的識(shí)別正確率可以達(dá)到95%，而且系統(tǒng)的語音控制模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊都能做出預(yù)期的操作，實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)、垃圾桶自動(dòng)開蓋的功能。

3.2 性能分析

系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度也是此設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。研究組對(duì)系統(tǒng)在室內(nèi)無干擾的環(huán)境下進(jìn)行識(shí)別準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度的性能分析，測(cè)試并記錄系統(tǒng)的正確識(shí)別次數(shù)和響應(yīng)時(shí)間。研發(fā)組將對(duì)兒童、青少年、成年男性、成年女性、老年人5類聲音進(jìn)行模擬語音而后完成測(cè)試。該次分析測(cè)試了4條二級(jí)口令，每條二級(jí)口令測(cè)試50次，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

通過測(cè)試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同年齡段人的聲音對(duì)系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確度沒有太大影響，二級(jí)口令的識(shí)別準(zhǔn)確率已經(jīng)可以達(dá)到95%以上?？赡苁怯捎谠谑覂?nèi)無干擾的環(huán)境下，該系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確度比較高。因此，該系統(tǒng)在家里、社區(qū)甚至街道中等無干擾的環(huán)境中都能有較好的性能表現(xiàn)，能做到幫助用戶實(shí)現(xiàn)垃圾分類。

4 結(jié)語

基于ASRPR0芯片將語音識(shí)別模塊運(yùn)用到日常生活中的分類垃圾桶上，推進(jìn)了垃圾分類的事業(yè)和人工智能技術(shù)的發(fā)展。智能語音識(shí)別垃圾分類系統(tǒng)也逐漸成為大眾接受的一種環(huán)保設(shè)施。未來這項(xiàng)技術(shù)會(huì)適應(yīng)越來越個(gè)性化的需求和最終應(yīng)用目標(biāo)。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能算法的不斷創(chuàng)新下，該技術(shù)還將有更加廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展前景。同時(shí)，全社會(huì)的合作意識(shí)和教育是推廣消費(fèi)品普及的關(guān)鍵，不僅要融合更多的高科技元素，也需要更多不拘泥于傳統(tǒng)成規(guī)的方案和模式的思考和動(dòng)員。智能語音識(shí)別垃圾分類系統(tǒng)作為垃圾分類領(lǐng)域的新技術(shù)應(yīng)用，具有巨大的潛力。通過技術(shù)改進(jìn)、用戶體驗(yàn)優(yōu)化、市場(chǎng)推廣和政府支持，智能語音識(shí)別垃圾分類系統(tǒng)有望在未來成為垃圾分類工作的重要工具，為環(huán)境保護(hù)事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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Design and realization of voice-controlled trash cans

Abstract： In view of the phenomena and problems of the public on garbage classification， this paper studies an intelligent garbage classification system that can carry out garbage classification through intelligent voice recognition. The system is based on the ASRPR0 chip as the controller， and the neural network processor inside the ASRPR0 chip is used as the main speech recognition module. The system uses the audio interface of the ASRPRO development board to connect an external speaker as the voice playback module， and uses the sg90 servo as the servo drive selection. Voice-controlled trash can not only improve garbage classification， but also reduce the workload of garbage classification.

Key words： garbage classification; ASRPR0; speech recognition