基于语音识别的垃圾自动分类装置设计与制作

李文祺 郑定超 余建浙

摘要：垃圾分类能够提高资源利用率与经济价值，但是少部分人群缺乏垃圾分类意识，无法有效、快速地进行垃圾分类，导致乱扔垃圾、投放错误的现象。为此设计一款基于语音识别的垃圾自动分类装置，通过人机对话，由智能垃圾桶自动识别语音从而判断所投放的垃圾類别，进而打开不同的垃圾桶，由人为判断垃圾分类转为自动识别，免除了人为判断;同时自动开关垃圾桶盖，避免了与垃圾桶直接接触，更加方便、卫生、快捷。装置经过设计试运行，语音识别精度高，运行稳定可靠。

关键词：语音识别;垃圾分类;定位联网;资源可回收;自动判断

中图分类号：TP31      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）35-0118-03

Design and Manufacture of Automatic Garbage Sorting Device Based on Speech Recognition

LI Wen-qi， ZHENG Ding-chao， YU Jian-zhe

（Zhejiang Dongfang Polytechnic， Wenzhou 325000， China）

Abstract： Garbage classification can improve resource utilization and economic value， but a small number of people lack the awareness of garbage classification， unable to effectively and quickly carry out garbage classification， leading to littering and putting in the wrong phenomenon. Therefore， an automatic garbage classification device based on speech recognition is designed. Through human-computer dialogue， the intelligent garbage can automatically recognize the speech， so as to judge the type of garbage， and then open different garbage cans， so as to change the manual judgment of garbage classification into automatic recognition， which avoids human judgment; At the same time， the garbage can cover can be automatically opened and closed to avoid direct contact with the garbage can， which is more convenient， sanitary and fast. After design and trial operation， the device has high speech recognition accuracy and stable and reliable operation.

Key words： speech recognition; garbage classification; location networking; recycled; automatic judgment

1 引言

伴随科技发展，人们的生活生产水平不断提高，随之产生的垃圾也越来越多。目前处理垃圾的常用方式主要为填埋和焚烧，垃圾回收处理所占的比例不高。要想进行垃圾回收处理，首先需要对垃圾进行分类。

垃圾分类（Garbage classification），一般是指按一定规定或标准将垃圾分类储存、投放和搬运，从而转变成公共资源的一系列活动的总称。通过垃圾分类，能够提高垃圾的资源价值和经济价值，尽量使其回收可再利用。垃圾的数量不断增多，如果不及时处理，不仅会造成环境污染，还会造成资源浪费。当下，政府主要依靠垃圾分类宣传，提供分类垃圾桶，由投放者自行投放垃圾，但是往往缺乏垃圾分类准则经常出现乱投放的现象，偶尔还会出现垃圾在垃圾桶盖上面的情况。如何实现垃圾快速准确分类是我们需要解决的难题。

2 系统设计

本项目拟采用语音识别技术，设计一个垃圾自动分类装置，通过语音让装置自动识别判断用户所扔的垃圾属于哪一种垃圾，从而打开对应的垃圾桶盖，让用户不再为复杂的垃圾分类而烦恼，能够把人为判断转为垃圾桶自动判断，让更多的人免除了分类判断，而且自动开启和关闭垃圾桶，让人避免了与垃圾桶的直接接触，更加卫生。系统方案设计框图如图1所示。

垃圾自动分类装置除了语音分类功能外，还设计了垃圾溢出报警功能，判断当前垃圾量超过警戒容量时自动报警提醒清理垃圾;增加装置定位以及联网功能，可以向远程控制中心发送数据，实施监控。

3  硬件设计

根据系统方案设计，垃圾自动分类装置的硬件部分主要包括电动垃圾桶的设计制作、单片机语音控制电路的设计制作、定位模块、限位报警模块、无线网络模块的设计制作。单片机通过语音模块识别出语音内容后打开相应的垃圾桶盖子;通过定位模块发送当前位置;通过限位报警模块，当检测到垃圾超过警戒位置时产生报警动作以及通过无线网络模块与服务器连接传输数据。

3.1 单片机最小系统

单片机最小系统是指使用最少的元器件组成能够让单片机正常工作的系统，主要包括电源电路、晶振电路和复位电路。装置设计采用STM32F103C8T6单片机，此款单片机上手容易，外部接口资源丰富，采用Cortex-M3内核，满足设计要求，支持实时仿真和跟踪。STM32单片机最小系统电路设计如图2所示。

单片机作为核心控制器，主要处理语音模块的信号，处理判断后控制对应的电机动作打开相应的垃圾桶盖子;同时需要协同定位、报警、无线网络模块发送与接收数据。

3.2 语音识别技术

语音识别技术（Automatic Speech Recognition），是将语音信号转换为计算机能够识别的信号输入。LD3320声控芯片是基于非特定人语音识别的一款芯片，芯片本身自带模数转换和数模转换接口，无须外接存储芯片就能实现语音识别和人机对话功能。LD3320能够识别的关键词语可以实现动态加减，功能强大、使用方便。

语音识别过程是将用户的语音内容通过频谱转换为特征量，语音特征量再与原先内置的一系列语音关键字进行逐一比较，将比较最匹配的一条作为最终识别结构。系统通过大量的垃圾分数据构造一个合理的关键词列表，由于芯片与算法的限制，每条关键字的长度需要控制在30字以内。语音模块的电路设计如图3所示。

3.3 定位联网模块

垃圾自动分类装置定位功能采用的是ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块，该模块采用 S1216F8-BD 模组，体积小巧，性能优异;自带 IPX 接口，可以连接各种有源天线;自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据等。

联网功能采用ATK-M751全网通产品，支持移动4G/3G/2G、 联通 4G/3G/2G 和电信 4G 手机卡;它支持 TCP/UDP/HTTP/MQTT/DNS/RNDIS/NTP 协议，支持连接多种云服务器，支持自动定时采集任务等，并且支持 RS232 和 RS485 两种串行接口。定位联网模块的连接示意图如图4所示。

4 软件实现

根据系统方案设计，垃圾自动分类装置的软件设计主要包括语音识别程序、限位检测报警程序与位置发送程序的实现。

4.1 语音识别程序

LD3320芯片的语音识别技术是基于“关键词语列表”的识别技术，原理就是接收到声音传感器（麦克风）传来的电压信号以后通过寄存器操作，語音识别的流程如图5所示。

关键词列表的规则是每个识别条目对应一个特定的编号，不同的识别条目的编号可以相同，而且不用连续。

关键词列表示例见表1，表中的“北京”和“首都”对应同一编号，说明这两个词会有相同的结果返回;关键词的编号可以相同，可以不连续，但是数值要小于256（00H-FFH）。

4.2 定位联网无线传输

定位模块通过串口与控制模块连接，输出采用NMEA-0183 协议，是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式，帧格式形如：$aaccc，ddd，ddd， ...，ddd*hh（CR）（LF）。GPS 定位信息（Global Positioning System Fix Data）指令格式如：$GNGGA，（1），（2），（3），（4），（5），（6），（7），（8），（9），M，（10），M，（11），（12）*hh（CR）（LF），具体含义见表2。定位模块上电初始化完成后，会自动进行定位，对定位信息进行字符串切割操作即可获取相应的数据信息。

无线联网模块支持超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）模式传输数据，HTTP是一个简单的请求-响应协议，通常运行在TCP之上;它指定了客户端可能发送给服务器什么样的消息以及得到什么样的响应。HTTP模式请求数据示意图如图6所示。

5 结论

大量的垃圾不仅容易造成环境污染，还是浪费资源，合适、高效地处理垃圾是我们急需解决的难题之一。垃圾处理之前进行垃圾分类，可以提高垃圾回收的效率，通过垃圾分类管理，最大限度地实现资源的可回收再使用。通过研究设计一个基于语音识别技术的垃圾自动分类装置，内置大量的垃圾分类关键词，用户通过说出垃圾的名称，由垃圾桶自动识别分类，从而打开相应的垃圾桶盖，使用户免于垃圾分类的苦恼，另外避免了与垃圾桶直接接触。系统经过运行测试，运行稳定可靠，语音识别精度高，具有良好的应用价值。

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【通联编辑：梁书】