语音控制智能分类垃圾桶的设计与实现

2021-01-23赵川东吴成玉林钦阳杨嘉琦王晓平

安徽电子信息职业技术学院学报 2020年6期

吴杭，赵川东，吴成玉，林钦阳，杨嘉琦，王晓平

（浙江大学宁波理工学院，浙江宁波 315000）

一、引言

垃圾分类作为垃圾处理的前端环节，其作用早已得到世界的公认。分类收集不仅能大幅度减少垃圾给环境带来的污染、节约垃圾无害化处理费用，更能使宝贵的自然资源得到重复利用[1]。本项目基于单片机和语音识别技术设计并实现了智能分类垃圾桶，具有一定的创新性，值得深入研究。

二、设计过程

本项目针对垃圾分类问题，通过语音识别、报警、提示功能、单片机的控制功能和垃圾监测功能对办公场所、寝室等环境下进行方便和有效地垃圾分类投放。以单片机作为核心系统，利用电机及其驱动模块控制垃圾桶的开盖及转动角度。考虑到步进电机可以简单并且精确地控制其输出轴旋转角度和方向，因此本项目使用步进电机来驱动垃圾桶开盖。在本项目的众多模块中语音识别和控制是关键功能模块，本项目使用了LD3320“语音识别”专用芯片。当用户使用此垃圾桶时，说出所投垃圾的相关词汇，例如“玻璃”、“塑料”等，通过语音识别和控制模块，检索LD3320芯片中已经录入的垃圾种类关键词可以将桶盖打开并旋转到相应位置，从而实现垃圾分类投放的目的。

智能分类垃圾桶的原理结构图如图1所示。图2是实现四种垃圾分类的筒体和桶盖的示意图。

图2 智能垃圾桶四种分类示意图

三、硬件系统设计

本系统的主要硬件设备包括STC11L08XE单片机控制系统[2]、LD3320语音识别模块、语音自动打开和关闭桶盖、负责垃圾桶盖开合的ULN2003控制28BYJ-48的4相5V步进直流电机以及9V的电源，电源需要分别给控制板模块和电机模块供电。

语音识别芯片LD3320是一块基于非特定人语音识别技术的声控芯片。芯片上集成了高精度的 A/D 和 D/A 接口，不再需要外接辅助的Flash和RAM，识别的关键词语列表可以动态编辑，事先只需要设定好要识别的关键词语，并把这些关键词语以字符的形式传送到LD3320内部进行转换，然后就可以对用户说出的关键词语进行识别，再做出相应的操作，避免了因识别模糊而造成的困扰。语音识别模块直接分析处理原始语音，提高了识别速度，符合垃圾分类对语音识别的要求。系统工作流程如图3所示。

图3 工作流程图

STC11L08XE单片机控制系统根据识别到的关键词直接控制电机打开桶盖并旋转到相应位置。垃圾投放完毕之后，系统会自动关闭垃圾桶盖，避免垃圾异味扩散。5V步进电机马达和ULN2003驱动板5V测试模块板安装方便、操作简单。电机马达可以用ULN2003直接驱动[3]，也可以接成2相使用。另外，有四个发光二极管指示四相步进电机工作时的状态，如果出现问题能够及时显示出来。系统配有步进电机的标准接口，检修以及使用时可以随时插拔。

四、软件设计

（一）语音识别模块驱动设计

本项目中的语音识别模块控制以中断响应为主，其具体流程如图4所示。

图4 语音识别模块流程图

首先是程序的初始化，包括寄存器的设置、软复位、时钟频率设定、FIFO设定等，用于激活芯片内部的数据模块，等待输入。

第二步是写入识别列表，即需要识别的语音关键词，项目中使用的LD3320芯片可支持最多50个识别条目，每个识别条目必须是标准普通话的汉语小写拼音，每2个字(汉语拼音)之间需插入一个空格间隔。同时每个识别条目对应一个编号，编号可以任意设置，但在数值上必须小于256 (00H—FFH)，将识别条目按照顺序存储在寄存器中。本项目共设置了16个识别条目，即各种垃圾的名称拼音，如su liao、dian chi等。

然后，输入音频。对单片机说出某些语音，系统开始识别，程序进入中断，如图5所示。在经历了语音频谱分析、特征值提取之后，将特征值保存在另一寄存器中，与写入的识别列表进行比较匹配，找到匹配度最高的识别条目作为输出。