基于圖像識別與語音識別的智能分類垃圾箱

摘 要：隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，垃圾分類受到了越來越多的重視。設(shè)計了一種以STM32F103C8T6為主控芯片的智能分類垃圾箱，由LD3320語音識別模塊、SYN6288語音播報模塊實現(xiàn)對語音關(guān)鍵詞的識別以及相應(yīng)信息的播報，由OpenMV4 h7 plus實現(xiàn)對垃圾類別的識別，之后語音播報垃圾的種類并且舵機將對應(yīng)的垃圾箱門打開。垃圾被放入垃圾箱時，判斷垃圾箱內(nèi)垃圾容量是否已滿，若已滿則通過藍牙串口將對應(yīng)垃圾箱已滿信息發(fā)送給手機APP；同時還能通過太陽能板對電池充電。經(jīng)過一系列測試，智能分類垃圾箱對各類垃圾的識別率均達到了99%，減少了由于垃圾處理不合理而產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。

關(guān)鍵詞：STM32F103C8T6單片機；垃圾圖像識別；OpenMV4 h7 plus；語音關(guān)鍵詞識別；語音播報；對射式紅外傳感器

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-04

0 引 言

近些年，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展、居民生活水平不斷提升，生活垃圾總量保持增長態(tài)勢，生活垃圾的處理壓力也不斷增大。目前，垃圾分類主要依靠居民自發(fā)進行，雖然取得了一定的效果，但是亂投亂放的現(xiàn)象仍然不可避免。因此，綜合現(xiàn)有垃圾分類的問題，本文設(shè)計了一款基于圖像識別與語音識別的智能分類垃圾箱，該產(chǎn)品不僅能對需要投放的垃圾進行分類，還能夠播報識別的垃圾種類、自動打開垃圾箱門、檢測垃圾箱容量是否已滿、向手機發(fā)送垃圾箱已滿的信息、使用對射式紅外傳感器和太陽能板實現(xiàn)節(jié)能等。該智能分類垃圾箱提高了垃圾分類的效率，為垃圾分類的實現(xiàn)提供了便利渠道。

1 整體方案設(shè)計

基于圖像識別與語音識別的智能分類垃圾箱以STM32F103C8T6作為系統(tǒng)的控制和運算數(shù)據(jù)處理單元，采用語音識別模塊識別用戶說出的關(guān)鍵詞后，舵機打開相應(yīng)的垃圾箱門，同時語音播報模塊播報對應(yīng)垃圾箱的分類。通過OpenMV4 h7 plus對指定位置的垃圾進行識別，并判斷垃圾箱內(nèi)容量是否已滿，若是，則通過藍牙串口發(fā)送垃圾箱容量已滿的信息給手機APP。同時，通過安裝在垃圾箱上的紅外傳感器感應(yīng)是否有人存在，從而使系統(tǒng)處于待機狀態(tài)或者開機模式?；趫D像識別與語音識別的智能分類垃圾箱的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)由STM32F103C8T6單片機、OpenMV4 h7 plus、SYN6288語音播報模塊、對射式紅外傳感器、LD3320語音識別模塊、MG90舵機以及HC-05藍牙模塊組成。系統(tǒng)上電后，語音識別模塊首先識別用戶說出的語音關(guān)鍵詞，之后通過語音播報模塊播報對應(yīng)垃圾箱的分類并控制對應(yīng)舵機打開垃圾箱門。圖像識別部分通過OpenMV4 h7 plus對垃圾進行識別，將識別的結(jié)果通過I/O口發(fā)送電平信號給單片機STM32F103C8T6，之后語音播報垃圾種類，主控制器將對應(yīng)垃圾箱門打開。發(fā)送垃圾箱已滿信息部分則是在檢測到垃圾箱內(nèi)垃圾容量已滿的情況下，通過藍牙串口將對應(yīng)的垃圾箱容量已滿信息發(fā)送給手機。節(jié)能部分通過對射式紅外傳感器感應(yīng)是否有人體存在，從而控制系統(tǒng)的狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控芯片的選擇

STM32為ARM公司出品的高性能、低功耗的32位Cortex-M3 CPU，STM32F1系列的最高工作頻率為72 MHz，該芯片集成了32～512 KB的FLASH存儲器，6～64 KB的SRAM存儲器。STM32F4系列的工作頻率高達168 MHz，具備多種外設(shè)，如ADC、DAC、SPI、DMA、IC和UART等。STM32實時性強，對數(shù)據(jù)的處理速度更快。STM32F103C8T6最小系統(tǒng)包括外部引腳電路、電源濾波電路、晶振電路、降壓電路、復(fù)位電路、LED電路、SWD下載電路、系統(tǒng)時鐘電路和USB電路[1]，綜上可知，該芯片符合本系統(tǒng)對外設(shè)和運算能力的要求。因此，本系統(tǒng)的主控芯片選用STM32F103C8T6。STM32F103C8T6芯片電路如圖2所示。

2.2 圖像識別部分

OpenMV是一個開源、低成本、功能強大的機器視覺模塊。OpenMV模塊以STM32H7為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，向開發(fā)者提供Python編程接口[2]。OpenMV上的機器視覺算法包括數(shù)字識別、人臉檢測、標志物識別、眼球跟蹤、色塊尋找等。可以實現(xiàn)物體分類、跟蹤固定標記物、二維碼條形碼識別等，并且操作簡單，使用方便。OpenMV利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建跟蹤框架，對圖像中的物體目標進行實時預(yù)測與追蹤，OpenMV攝像頭可獲取每幀圖像的特征，對圖像的顏色、紋理、形狀等特征點進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，將訓(xùn)練好的數(shù)據(jù)模型和原圖進行對照[3]。本系統(tǒng)采用OpenMV4 h7 plus對垃圾進行分類識別，對常見垃圾進行拍照，并且將拍攝的不放垃圾的圖片設(shè)置為空白對照組，之后將模型上傳至云端進行訓(xùn)練。將訓(xùn)練后的模型導(dǎo)入OpenMV4 h7 plus，完成模型訓(xùn)練后，把垃圾放到指定位置時，可以通過OpenMV4 h7 plus對其進行識別。同時，SYN6288語音合成模塊播報對應(yīng)的垃圾分類情況并且將對應(yīng)垃圾箱的門打開。

2.3 語音識別播報

語音識別功能采用LD3320語音識別模塊實現(xiàn)，該模塊能實現(xiàn)對關(guān)鍵詞的識別，具有獨有的快速而穩(wěn)定的優(yōu)化算法，可識別中英文，具有非特定人語音識別等優(yōu)點。LD3320是一款由ICRoute公司出品的語音識別專用芯片，該芯片集成了語音識別處理器和部分外圍電路，包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風接口、聲音輸出接口等[4]，可以很方便地和芯片管腳連接，并且此模塊無需外接其他輔助芯片，即可實現(xiàn)語音識別或者人機交互對話。語音播報采用SYN6288語音合成模塊，該模塊接收需要實現(xiàn)從文本到語音轉(zhuǎn)換的文本數(shù)據(jù)，之后通過喇叭進行語音播報。SYN6288中文語音合成芯片是北京宇音天下科技有限公司于2010年初推出的一款性價比更高、效果更自然的中高端語音合成芯片[5]。該模塊通過軟件將需要的聲音轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)據(jù)并加入代碼。該模塊與單片機通過串口連接，單片機通過串口向該模塊發(fā)送包含聲音內(nèi)容的GB2312編碼，之后該模塊播放接收的聲音[6]。該模塊支持多種格式的文本，能夠?qū)崿F(xiàn)播報相應(yīng)垃圾種類的功能。LD3320模塊電路如圖3所示。SYN6288模塊電路如圖4所示。

2.4 藍牙發(fā)送信息

采用HC-05藍牙模塊實現(xiàn)與手機的無線通信。使用者可以通過該藍牙模塊自帶的LED燈的狀態(tài)判斷藍牙的連接狀態(tài)，該模塊具有使用靈活、成本低、功耗低、易攜帶、部署應(yīng)用簡單等優(yōu)點[7]。選用HC-05藍牙模塊可以實現(xiàn)該模塊與主控芯片的雙向通信，并且能夠?qū)崟r反饋，支持串口通信，有效提高藍牙發(fā)送信息的快速性和穩(wěn)定性[8]。HC-05的工作原理：給所需要的設(shè)計增加雙向（全雙工）無線通信功能。HC-05藍牙模塊可用于單個單片機控制器連接其他藍牙設(shè)備，也可以使用在2個微控制器之間，具有串行功能的通信過程中[9]，通過RX和TX引腳與主控芯片進行信號傳輸。當垃圾放入垃圾箱時，若紅外傳感器持續(xù)被遮擋，則表示垃圾箱容量已滿。單片機通過I/O引腳識別到紅外傳感器的信號發(fā)生變化后，將垃圾箱容量已滿的消息通過藍牙模塊發(fā)送至手機端。HC-05藍牙模塊電路如圖5所示。

2.5 節(jié)能部分

節(jié)能部分采用太陽能充電板與對射式紅外傳感器實現(xiàn)。紅外傳感器通常被稱為紅外探測器。對射式紅外傳感器采用FTR9606高靈敏度槽型光耦器件進行感應(yīng)，其由一個紅外發(fā)光二極管和光電三極管組成，通過比較器輸出，具有波形好、靈敏度高、信號干凈、驅(qū)動能力強等優(yōu)點，通過檢測人體是否存在，從而實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的控制；并且系統(tǒng)裝載了太陽能充電板，可將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并儲存在蓄電池中。硅太陽能電池作為一種可以通過光化學效應(yīng)或者光電效應(yīng)直接將接收的光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在經(jīng)過陽光的照射后，可將太陽能轉(zhuǎn)化為可輸出的電壓及電流，現(xiàn)在已被廣泛用于生產(chǎn)、生活[10]。太陽能電池能夠?qū)﹄姵爻潆?，更?jié)能環(huán)保。對射式紅外傳感器電路如圖6所示。

3 軟件程序設(shè)計

3.1 語音識別+播報程序的實現(xiàn)

使用LD3320語音識別模塊識別用戶需要投放垃圾的語音，之后將識別的信息傳送到單片機進行分析處理，再由SYN6288語音播報模塊自動播報識別出的垃圾種類，同時將對應(yīng)垃圾種類的垃圾箱門打開，從而實現(xiàn)對垃圾的精準分類。語音識別+播報程序如圖7所示。

3.2 圖像識別+播報程序的實現(xiàn)

對于垃圾圖像識別及語音播報的實現(xiàn)，首先通過OpenMV4 h7 plus的攝像頭識別放在指定位置的垃圾，再通過I/O口將識別的垃圾種類信息傳至單片機進行處理，若沒有識別到垃圾，則不播報垃圾種類信息。之后由SYN6288語音播報模塊播報攝像頭識別的垃圾種類，并且舵機將相應(yīng)的垃圾箱門打開。圖像識別+語音播報程序如圖8所示。

3.3 垃圾箱容量檢測+無線通信程序的實現(xiàn)

對于垃圾箱容量檢測及無線通信的實現(xiàn)，首先初始化對射式紅外傳感器和藍牙模塊，若垃圾箱內(nèi)的紅外傳感器檢測到垃圾遮擋時，則發(fā)送低電平給STM32F103C8T6，之后通過藍牙串口將垃圾箱容量已滿的信息發(fā)送到手機端。本功能實現(xiàn)了對垃圾箱垃圾的及時處理。垃圾箱容量檢測+無線通信程序如圖9所示。

3.4 系統(tǒng)節(jié)能程序的實現(xiàn)

對于系統(tǒng)節(jié)能程序的實現(xiàn)，首先通過對射式紅外傳感器感應(yīng)是否有人體存在，若感應(yīng)到人體存在，則開啟工作模式，所有外設(shè)準備工作；若未感應(yīng)到人體存在，則系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗。系統(tǒng)可通過太陽能充電板對電池充電。系統(tǒng)節(jié)能程序如圖10所示。

4 實驗測試結(jié)果

垃圾箱系統(tǒng)實物如圖11所示。將各模塊搭建完成后，通過測試垃圾識別準確率、語音識別準確率、信息發(fā)送準確率等，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可正常運作。系統(tǒng)上電后，用戶說出需要投放的垃圾名稱，語音識別模塊能夠正確識別對應(yīng)的垃圾種類，舵機能夠準確打開相應(yīng)的垃圾箱門。將要識別的垃圾放到待識別區(qū)域，垃圾能夠被準確識別。垃圾箱識別到垃圾如圖12所示。垃圾箱未識別到垃圾的準確率圖如圖13所示。垃圾箱識別到垃圾的準確率圖如圖14所示。

5 結(jié) 語

根據(jù)國家統(tǒng)計局和生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2018年全國大、中城市固體廢物污染環(huán)境防治年報》可知，目前，我國城市生活垃圾的產(chǎn)生量已經(jīng)高達22 802萬噸/年，與此同時，這個數(shù)據(jù)還在不斷增長。因此，垃圾分類對改變我國目前的垃圾現(xiàn)狀尤為重要。本文介紹了基于圖像識別與語音識別的智能分類垃圾箱，實現(xiàn)了垃圾種類的圖像識別播報、語音識別垃圾種類及播報相應(yīng)垃圾種類、檢測垃圾箱容量是否已滿、發(fā)送垃圾箱容量已滿信息以及通過太陽能板對電池充電等功能，經(jīng)過實驗測試，系統(tǒng)能夠達到預(yù)期要求?；趫D像識別與語音識別的智能分類垃圾箱能夠解決垃圾焚燒產(chǎn)生的環(huán)境問題以及垃圾填埋占用大量土地資源且可能造成二次污染的問題，具有較大的研究和應(yīng)用價值。

注：本文通訊作者為黃志芳。

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