基于語(yǔ)音識(shí)別的智慧分類醫(yī)療垃圾桶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘" 要：以Arduino Nano單片機(jī)為核心，采用SU-03T語(yǔ)音識(shí)別芯片、ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊以及其他模塊，設(shè)計(jì)一款具備語(yǔ)音識(shí)別和聯(lián)網(wǎng)功能的醫(yī)療垃圾分類垃圾桶，實(shí)現(xiàn)了對(duì)醫(yī)療垃圾分類的語(yǔ)音化管理、垃圾溢滿提示、環(huán)境照明和垃圾桶開(kāi)合等自動(dòng)化功能。同時(shí)設(shè)計(jì)移動(dòng)端應(yīng)用程序與聯(lián)網(wǎng)模塊的信息交互，獲取垃圾桶的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾桶容量的查看和分樓層對(duì)垃圾桶的管理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，智慧分類醫(yī)療垃圾桶語(yǔ)音識(shí)別的正確率達(dá)97%，滿足設(shè)計(jì)需要。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療垃圾分類；Arduino；語(yǔ)音識(shí)別；定位聯(lián)網(wǎng)；自動(dòng)判斷；模塊化

中圖分類號(hào)：TN912.34；TP39" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：2096-4706（2024）12-0018-06

Design and Implementation of Intelligent Classification Medical Trash Can

Based on Speech Recognition

HUANG Jiaxing， LYU Tingxin， SHI Qingying， GAO Xiang

（School of Public Health and Management， Guangxi University of Chinese Medicine， Nanning" 530200， China）

Abstract： Using the Arduino Nano Single-Chip Microcomputer as the core and SU-03T speech recognition chip， ESP8266 networking module， and other modules， a medical trash classification trash can with speech recognition and networking functions is designed， achieving automated functions such as speech management of medical trash classification， trash overflow notification， environmental lighting， and trash can opening and closing. Simultaneously， it designs information interaction between mobile applications and networking modules to obtain status information of trash cans， enabling viewing of trash can capacity and management of trash cans by floor. The experimental results show that the accuracy of speech recognition for intelligent classification medical trash cans reaches 97%， meeting the design requirements.

Keywords： medical trash classification; Arduino; speech recognition; positioning and networking; automatic judgement; modularization

0" 引" 言

生態(tài)環(huán)境部公布的數(shù)據(jù)顯示，2020年受新冠疫情影響，我國(guó)醫(yī)療廢物占比增長(zhǎng)20%左右，醫(yī)療垃圾處理問(wèn)題已成為全世界關(guān)注的熱點(diǎn)。相比于普通垃圾，醫(yī)療垃圾中含有大量的細(xì)菌、病毒及化學(xué)藥劑，對(duì)社會(huì)具有極大的危險(xiǎn)性，如若處理不當(dāng)，不僅會(huì)污染環(huán)境，還將成為疾病傳播的源頭[1，2]。如因疏忽造成處理不當(dāng)極易使醫(yī)護(hù)人員、患者和工作人員遭受感染，導(dǎo)致傳染性疾病的流行[3-7]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明由醫(yī)療廢物帶來(lái)的交叉感染占社會(huì)交叉感染的20%，在醫(yī)療廢物中15%被認(rèn)為可能屬于傳染性、化學(xué)性或放射性的危險(xiǎn)物質(zhì)，因此加大力度補(bǔ)齊醫(yī)療廢棄物處理方式的短板刻不容緩。2020年Wulandari [8]設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)Arduino MEGA2560的自動(dòng)垃圾分類系統(tǒng)，具有液晶顯示和聲音通知功能。2021年鄭紅娜[9]使用Arduino微控制器和LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)垃圾分類的智慧垃圾桶，助力了垃圾分類政策的實(shí)施，在疫情期間發(fā)揮了積極的作用。本文主要研究實(shí)現(xiàn)一款基于Arduino單片機(jī)和SU-03T語(yǔ)音識(shí)別模塊的智慧分類醫(yī)療垃圾桶，其可以根據(jù)人們的語(yǔ)音提示自動(dòng)開(kāi)合相應(yīng)的垃圾桶蓋，實(shí)現(xiàn)智能垃圾分類。

1" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

醫(yī)療垃圾分類分為感染性、病理性、損傷性、藥物性、化學(xué)性廢物五類，該設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是能對(duì)醫(yī)療垃圾名稱進(jìn)行識(shí)別和分類，主要實(shí)現(xiàn)的功能是語(yǔ)音喚醒、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音播報(bào)、機(jī)械控制、智能提示、聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)軟件控制。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2" 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，醫(yī)療垃圾自動(dòng)分類裝置的硬件部分主要包括：電動(dòng)垃圾桶的設(shè)計(jì)制作，Arduino Nano單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì)制作，語(yǔ)言識(shí)別與播報(bào)模塊、紅外距離模塊、通信模塊、照明模塊、機(jī)械模塊、蜂鳴器模塊的設(shè)計(jì)制作。單片機(jī)通過(guò)語(yǔ)言識(shí)別模塊識(shí)別出語(yǔ)言內(nèi)容后，由機(jī)械模塊打開(kāi)相應(yīng)的垃圾桶蓋子；通過(guò)紅外距離模塊判斷垃圾桶是否裝滿，并由通信模塊經(jīng)路由器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖?；通過(guò)照明模塊在光線不亮?xí)r提供照明。

2.1" 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用Arduino Nano單片機(jī)模塊作為核心控制器[10]，其主要功能是控制其他模塊。處理器核心是ATMEGA328，它包括了14路的數(shù)字輸入與輸出接口，擁有晶體振蕩器、USB接口、電源插座、ICSP接口和復(fù)位按鍵。該模塊由基于ATMEL AVR單片機(jī)的開(kāi)放源碼和硬件平臺(tái)組成，是一種小巧靈活、易于學(xué)習(xí)的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，并且有使用類似C語(yǔ)言的Processing/Wiring開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用Arduino IDE進(jìn)行程序代碼編寫。該模塊擁有豐富的接口，編寫好相應(yīng)的代碼后就可以控制各種各樣的電子設(shè)備。單片機(jī)作為垃圾桶的處理中心，通過(guò)編寫代碼處理來(lái)自語(yǔ)音識(shí)別模塊、紅外線距離模塊、通信模塊、照明模塊的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)信息控制機(jī)械模塊、蜂鳴器模塊以及通信模塊。

2.2" 語(yǔ)音識(shí)別與播報(bào)模塊設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別模塊將音頻指令轉(zhuǎn)化為信號(hào)指令，讓系統(tǒng)做出相應(yīng)的反應(yīng)。本系統(tǒng)使用SU-03T語(yǔ)音識(shí)別芯片，其是基于非特定人語(yǔ)音識(shí)別（Speaker-Independent Automatic Speech Recognition， SI-ASR）技術(shù)的聲控芯片。模塊內(nèi)置了2 MB的Flash存儲(chǔ)芯片，可以支持存儲(chǔ)150條語(yǔ)音命令，支持中噪音環(huán)境，綜合的語(yǔ)音識(shí)別正確率達(dá)到97%，無(wú)須外置存儲(chǔ)芯片。基于芯片的功能，將垃圾分為五類，語(yǔ)音播報(bào)的垃圾名稱通過(guò)智能公元開(kāi)發(fā)平臺(tái)錄入中文，生成對(duì)應(yīng)的SDK，燒入語(yǔ)音識(shí)別芯片中。語(yǔ)言識(shí)別過(guò)程是將用戶口述的垃圾名稱與存儲(chǔ)在Flash芯片中的垃圾名稱詞條信息進(jìn)行比對(duì)，成功后播報(bào)相應(yīng)的垃圾類別的名稱，并且返回對(duì)應(yīng)分類指令的低電平，通過(guò)對(duì)低電平綁定的值返回到Arduino Nano開(kāi)發(fā)板。Arduino Nano開(kāi)發(fā)板再根據(jù)綁定低電平的返回值判斷該垃圾屬于哪類垃圾，從而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)垃圾桶蓋，引導(dǎo)工作人員將口述的垃圾投入對(duì)應(yīng)的垃圾桶中。若經(jīng)過(guò)3秒延時(shí)時(shí)間工作人員仍未再投入垃圾，紅外線接收模塊沒(méi)有接收到紅外線信號(hào)，將判定垃圾投入完畢，垃圾桶蓋關(guān)閉；若在3秒延遲時(shí)間內(nèi)工作人員繼續(xù)投入垃圾，紅外線接收模塊在3秒內(nèi)能接收到紅外線信號(hào)，垃圾桶蓋在原來(lái)的時(shí)間基礎(chǔ)上再延遲3秒，其間，垃圾桶蓋不關(guān)閉，直至工作人員不再投入垃圾或者投入垃圾的時(shí)間超過(guò)3秒的延遲時(shí)間。如果對(duì)比不成功，電平不變化，則沒(méi)有返回值，Arduino Nano開(kāi)發(fā)板沒(méi)有判斷，舵機(jī)工作狀態(tài)不變。

語(yǔ)音識(shí)別模塊與單片機(jī)模塊需要經(jīng)GND引腳、5 V引腳、TXD引腳連接，其中GND引腳、5 V引腳為語(yǔ)音識(shí)別模塊提供供電，保證模塊的運(yùn)行；TXD引腳為傳輸數(shù)據(jù)的引腳，傳輸信息的方式為語(yǔ)音識(shí)別模塊到單片機(jī)模塊的單向傳輸，將語(yǔ)音識(shí)別模塊的TXD引腳連接到單片機(jī)模塊的3號(hào)引腳才能完成對(duì)垃圾分類信息的傳輸。語(yǔ)音播報(bào)模塊與語(yǔ)音識(shí)別模塊集成于SU-03T中，將模塊的SP+、SP-兩個(gè)引腳連接到揚(yáng)聲器，即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能。SU-03T語(yǔ)音識(shí)別模塊原理圖如圖2所示。

2.3" 紅外距離模塊設(shè)計(jì)

紅外距離模塊使用循跡傳感器TCRT5000 [11]，該模塊安裝在垃圾桶內(nèi)部側(cè)上方，用于檢測(cè)垃圾桶是否溢滿。用高低電平表示垃圾桶的狀態(tài)，高電平為未溢滿，低電平為溢滿。傳感器上的紅外發(fā)射二極管不斷地發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射的紅外線反射的強(qiáng)度不夠時(shí)，紅外線接收器處于未接收狀態(tài)，模塊輸出端輸出高電平，指示二極管處于熄滅狀態(tài)，垃圾桶未溢滿。當(dāng)垃圾桶溢滿后，垃圾擋住紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外線，反射到紅外線接收器的紅外線強(qiáng)度足夠，模塊輸出低電平，指示二極管點(diǎn)亮。傳感器將電平信號(hào)發(fā)回給單片機(jī)模塊，提示用戶關(guān)注垃圾桶溢滿狀態(tài)。

紅外線距離模塊同樣使用5 V供電，引腳1和引腳2分別為電源的正極與負(fù)極，該模塊只需要將紅外感應(yīng)模塊的2號(hào)輸出引腳與單片機(jī)的8、14、15、16、17號(hào)引腳連接即可，傳輸信息的方式為紅外距離模塊到單片機(jī)模塊單向通道，當(dāng)垃圾溢滿時(shí)該模塊紅外模塊的輸出引腳輸出低電平信號(hào)。紅外距離模塊原理圖如圖3所示。

2.4" 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊使用ESP8266Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)與單片機(jī)模塊之間的通信功能，ESP8266Wi-Fi模塊使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持3種網(wǎng)絡(luò)模式：AP、STA和AP+STA模式。模塊使用AP模式，該模式將ESP8266Wi-Fi模塊作為無(wú)線接入點(diǎn)，手機(jī)通過(guò)Wi-Fi連接到ESP8266。ESP8266Wi-Fi模塊主要功能是作為一個(gè)信息傳遞的橋梁，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控垃圾桶是否溢滿，以及為實(shí)現(xiàn)垃圾桶的一鍵開(kāi)關(guān)做好數(shù)據(jù)交互。通過(guò)紅外距離模塊返回到單片機(jī)模塊的信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)垃圾桶是否裝滿。當(dāng)垃圾桶裝滿，垃圾桶狀態(tài)發(fā)生變化，通過(guò)垃圾桶狀態(tài)變化的條件向通信模塊傳輸數(shù)據(jù)，通信模塊通過(guò)路由器傳輸數(shù)據(jù)到軟件，軟件在得到數(shù)據(jù)后改變垃圾桶狀態(tài)。

Wi-Fi模塊在接入電源時(shí)需要通過(guò)穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3V提供3.3 V的電壓，Wi-Fi模塊需用到穩(wěn)定、順滑的直流電流，需要添加C2濾波電容，過(guò)濾交流成分。在與單片機(jī)連接時(shí)需要Wi-Fi模塊的1號(hào)和8號(hào)引腳與單片機(jī)的RXD以及TXD引腳連接，其中RXD為接收信息的引腳，TXD為傳輸數(shù)的引腳，連接這兩個(gè)引腳后單片機(jī)模塊與通信模塊才能進(jìn)行雙向通信。通信模塊原理圖如圖4所示。

2.5" 機(jī)械模塊設(shè)計(jì)

機(jī)械模塊使用舵機(jī)SG90，為每個(gè)垃圾桶配備一個(gè)舵機(jī)，主要負(fù)責(zé)每個(gè)垃圾桶蓋的自動(dòng)開(kāi)合。通過(guò)對(duì)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行設(shè)置，由單片機(jī)模塊發(fā)出電平信號(hào)給舵機(jī)，舵機(jī)開(kāi)始工作，經(jīng)由簡(jiǎn)單傳動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)垃圾桶蓋開(kāi)合。當(dāng)工作人員口述出相應(yīng)的垃圾后，語(yǔ)音播報(bào)模塊播報(bào)該垃圾屬于哪一類垃圾，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的垃圾桶蓋打開(kāi)，經(jīng)過(guò)3秒的延時(shí)后，關(guān)閉垃圾桶蓋。

機(jī)械模塊擁有5個(gè)舵機(jī)，將他們并聯(lián)，通入5 V供電，舵機(jī)的3號(hào)引腳與單片機(jī)的5、6、9、10、11相連。單片機(jī)通過(guò)這些引腳傳輸信息到舵機(jī)，達(dá)到垃圾桶蓋的開(kāi)合效果。機(jī)械模塊原理圖如圖5所示。

3" 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1" 系統(tǒng)整體程序設(shè)計(jì)

軟件程序是各個(gè)模塊相互聯(lián)系的橋梁，各個(gè)模塊的邏輯控制用代碼程序?qū)崿F(xiàn)。該程序使用模塊設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能，擁有相對(duì)獨(dú)立的程序模塊，主要的程序是單片機(jī)Arduino Nano程序設(shè)計(jì)和SU-03T語(yǔ)音模塊程序設(shè)計(jì)。垃圾桶實(shí)物圖如圖6所示。

單片機(jī)模塊從接收到SU-03T語(yǔ)音模塊指令，完成對(duì)垃圾桶蓋的開(kāi)關(guān)、垃圾溢滿檢測(cè)與提示、燈光照明、通信指令接收與發(fā)送的邏輯控制。SU-03T語(yǔ)音模塊完成對(duì)工作人員口述垃圾的識(shí)別、語(yǔ)音的播報(bào)提示的功能。主程序流程圖如圖7所示。

單片機(jī)讀取語(yǔ)音識(shí)別模塊和Wi-Fi模塊程序通過(guò)softSerial1.available（）函數(shù)讀取RX引腳傳遞的16進(jìn)制信息，其中0x43為十進(jìn)制67，對(duì)應(yīng)的字符為C，此標(biāo)志用來(lái)標(biāo)記識(shí)別結(jié)果，command1是標(biāo)記垃圾桶的類別。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

while（softSerial1.available（）gt;0）{

UART_dat1[bz1]=softSerial1.read（）;//暫存串口數(shù)據(jù)

switch （bz1）

{

case 0：

if（UART_dat1[bz1]==0x43）{bz1=1;}else{if （UART_dat1[bz1]==0x42）{bz1=2;}else{bz1=0;}}break;

case 1：//讀命令

command1=UART_dat1[bz1]-0x30;bz1

=0;break;

}

}

垃圾桶蓋開(kāi)合判斷用二級(jí)制或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，command1是語(yǔ)音模塊的返回值，command1==4表示打開(kāi)感染性垃圾桶蓋。command2是手機(jī)通過(guò)Wi-Fi模塊控制垃圾桶蓋開(kāi)合的值，command2==1，表示打開(kāi)感染性垃圾桶蓋。flag_key==1 amp; flag_open1==1同時(shí)滿足表示手機(jī)控制5個(gè)垃圾桶蓋實(shí)現(xiàn)全部開(kāi)合的值，其中flag_open1初始化為1，ds3為延時(shí)計(jì)數(shù)器。當(dāng)判斷通過(guò)時(shí)，執(zhí)行servo1.write（90）控制垃圾桶蓋轉(zhuǎn)動(dòng)90°角，打開(kāi)垃圾桶蓋。隨后，程序達(dá)到延時(shí)時(shí)間，將command、command2以及flag_open1=0的值設(shè)置為0，通過(guò)與運(yùn)算實(shí)現(xiàn)將垃圾桶蓋關(guān)閉。

if （command1==4 | command2==1 | （flag_key==1 amp; flag_open1==1））{//開(kāi)蓋程序1

if （flag_key==1）{flag_sd1=1;}

if （command2==1）{flag_yk1=1;}//

if （flag_open1==1）{

servo1.write（90）;//舵機(jī)開(kāi)啟角度=90°

delay（time_dj）;

flag_open1=0;wreeprom（）;

Serial.println（\"1# OPEN！\"）;

command1=0; command2=0;

ds3=0;

}

}

if （（command1==0 amp;amp; flag_open1==0 amp;amp; ！flag_sd1 amp;amp; ！flag_yk1 amp;amp; ds3gt;time_ys） | （（flag_key==2 amp;amp; flag_open1==0） | （command2==2 amp;amp; flag_open1==0） ））{//關(guān)蓋程序1

flag_sd1=0;flag_yk1=0;

servo1.write（0）;//舵機(jī)開(kāi)啟角度=0°

delay（time_dj）;

flag_open1=1;wreeprom（）;

Serial.println（\"1# CLOSE！\"）;

command2=0;

}

3.2" 語(yǔ)音識(shí)別程序設(shè)計(jì)

智能公元是機(jī)芯智能創(chuàng)新推出的AI產(chǎn)品零代碼平臺(tái)，在智能公元平臺(tái)選擇硬件SU-03T，設(shè)置觸發(fā)方式為命令詞，并填寫命令詞，命令詞的內(nèi)容為各類醫(yī)療垃圾的名稱。同時(shí)設(shè)置回復(fù)語(yǔ)，在識(shí)別到的醫(yī)療垃圾后，通過(guò)揚(yáng)聲器回復(fù)相應(yīng)醫(yī)療垃圾類別。語(yǔ)音識(shí)別程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

3.3" 移動(dòng)端APP設(shè)計(jì)

通過(guò)HBuilder X開(kāi)發(fā)工具使用uni-app框建搭建移動(dòng)端APP，實(shí)現(xiàn)查看垃圾桶狀態(tài)、標(biāo)注垃圾桶位置、增加和刪除垃圾桶的功能。手機(jī)APP通過(guò)垃圾桶的Wi-Fi模塊所連接局域網(wǎng)的IP地址以及端口連接到垃圾桶，即可直接查看垃圾桶的狀態(tài)信息，界面如圖9、圖10所示。

4" 系統(tǒng)測(cè)試

4.1" 系統(tǒng)測(cè)試方法

根據(jù)《醫(yī)療廢物分類目錄》，分別對(duì)感染性垃圾、病理性垃圾、損傷性垃圾、藥物性垃圾、化學(xué)性垃圾類別中的各項(xiàng)垃圾進(jìn)行語(yǔ)音測(cè)試。當(dāng)識(shí)別失敗時(shí)，垃圾桶會(huì)進(jìn)行語(yǔ)音提示，要求重新進(jìn)行語(yǔ)音輸入；當(dāng)識(shí)別成功，會(huì)播報(bào)相應(yīng)的垃圾類別并且打開(kāi)相應(yīng)的垃圾桶蓋，3秒后垃圾桶桶蓋自動(dòng)關(guān)閉。

測(cè)試步驟如下：

1）語(yǔ)言喚醒垃圾桶。

2）工作人員說(shuō)出垃圾名稱，如“針頭”。

3）“針頭”對(duì)應(yīng)的垃圾桶的桶蓋開(kāi)啟，工作人員投入垃圾，在3秒的延遲時(shí)間里不再投入垃圾則垃圾桶蓋關(guān)閉。

4）本次投放結(jié)束。

4.2" 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表1所示，對(duì)于感染性、病理性、藥物性、化學(xué)性垃圾，均正確識(shí)別，識(shí)別率為100%；對(duì)于損傷性垃圾，未能識(shí)別載玻片，其他正確識(shí)別，識(shí)別率為88.89%。

對(duì)于載玻片，該系統(tǒng)未能識(shí)別的原因?yàn)檎Z(yǔ)音識(shí)別芯片中沒(méi)有錄入相應(yīng)的垃圾名稱。而后本系統(tǒng)再對(duì)具體的載玻片等信息進(jìn)行具體的完善后發(fā)現(xiàn)均能正確識(shí)別。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)識(shí)別正確率高，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

5" 結(jié)" 論

本文設(shè)計(jì)的智能語(yǔ)音識(shí)別醫(yī)療垃圾桶是直接從源頭上把醫(yī)療垃圾分類做好，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊的語(yǔ)音識(shí)別功能，同時(shí)添加了垃圾溢滿提示和手機(jī)APP監(jiān)控功能，在垃圾溢滿時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)以及處理。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、精確度高，能出色地完成醫(yī)療垃圾分類工作，具有一定的實(shí)用價(jià)值，達(dá)到了避免二次分類以及防止細(xì)菌滋生的目的。

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作者簡(jiǎn)介：黃佳興（2002—），女，漢族，江西萍鄉(xiāng)人，本科在讀，研究方向：嵌入式開(kāi)發(fā)；通訊作者：高翔（1989—），男，漢族，廣西南寧人，副教授，博士研究生，研究方向：醫(yī)學(xué)信息工程。