STM32F103C8T6的语音识别智能垃圾桶

南开大学滨海学院 马浚刚 朱振兴 杨梦龙 曾庆之

在互联网和自动化技术不断发展的影响下，智能家居已经成为了当今物联网技术发展的重要热点方向之一。本设计基于OWL Micro F1开发板，以STM32F103C8T6为核心，利用语音识别模块ASR-M08B、语音播报模块WT2003S-16和SG90模拟舵机实现垃圾桶的智能化声音识别和语音控制，完成不同语音指令控制对应垃圾桶垃圾盖的自动闭和和对垃圾种类进行语音播报，实现人机交互。通过在模拟工作环境下对于设计正确识别率进行检测，统计出垃圾桶在正常工作环境中的正确识别的概率达到89.4%，可以在4m距离内有效完成设计动作和功能。

智能垃圾桶是利用自动化控制技术、互联网技术开发、新型的传感器检测装置和机械传动装置对传统的垃圾桶进行的改造，随着互联网技术的发展，开始慢慢出现符合市场需求的智能家居产品。例如我们所制作的智能垃圾桶，其能够拾取人体的热红外信号，然后通过智能垃圾桶内置的单片机芯片进行处理数据；通过控制装置或传统的机械装置，实现智能垃圾桶的智能开合，同时无需进行接触。但随着智能垃圾桶行业的不断发展和进步，其系统一般具有自动开合、填充物超过警戒线后自动报警等功能，但是这已经不能满足用户的需求。此外，由于目前红外热释光传感器的感知距离有限，使得许多智能垃圾桶对人类的感知距离不足1m，无法实现人机更有效的互动，与我们对于设计智能家居的理念背道而驰。我们本次设计采用STM32F103C8T6单片机作为系统的控制核心，采用ASS-M08B模块、语音识别模块WT2003S-16和SG90模拟舵机实现垃圾桶的智能语音识别和语音控制，实现了各种语音命令对于控制相应垃圾桶盖的自动开合和对垃圾种类进行语音播报，从而实现我们所需要的人机交互。

1 硬件结构

1.1 ASR-M08B语音识别模块

ASR-M08B的语音识别部分采用的是LD3320芯片，然后集成了通过STC11L16XE的单片机做的一些指令、数据处理，相比于其他的LD3320的模块，操作更加简单，用户不需要进行太多的编程，直接串口发送指令设置关键词即可识别。ASR-M08B模块是支持三种识别检测模式的，即：循环检测模块、口令检测模式和按钮检测模式，在我们这个智能垃圾桶项目中，我们使用的是“口令检测模式”，所谓的“口令检测模式”，就意味着，我们先要对上口令，才能够进行下一步操作。

1.2 WT2003S-16S语音播报模块

这个“语音播报模块”是集成到了OWL Micro F1扩展板上，主芯片使用的是WT2003S-16S这一MP3芯片的模拟U盘版本，其只支持SP-FLASH，可通过USB接口连接到电脑，直接将电脑里面的语音下载到FLASH模拟的可移动盘符中（模拟U盘），以实现指定地址播放、指定插播地址播放、音量级数、上下曲、播放停止、循环模式等。

1.3 SG90模拟舵机

其工作原理是：舵机内部中有一个参考电压，微处理器产生的PWM信号通过信号线进入舵机，产生直流偏置电压，与舵机基准电压比较，从而获得输出的电压差。正负的电压差用来驱动芯片，从而决定了正反转方向。当转向控制装置开始转动时，电位计由转向控制装置内的级联减速器驱动，使电压差为零，发动机停止旋转。所以在每个垃圾桶上，都安装了一个SG90的舵机，舵机用热熔胶固定在了垃圾桶上，通过杠杆原理的简单运用，舵机旋转带动垃圾桶的上盖进行开合动作。

2 软件设计

2.1 ASR-M08B非特定语音识别流程

首先将ASR-M08B设置软件将语音识别模块里面的所有指令全部擦除，之后添加关键词，在“ASR-M08B设置软件”的“数据发送区”发送唤醒指令（一级指令）“00，la ji tong，254，$”，如果出现“写入成功！”，唤醒指令的关键词就设置完成，其余二级指令同理写入。需要注意“00”为关键词所在的行，如果只有一位数时，前面十位一定要0补齐；“la ji tong”为识别的词语其拼音之间需要用空格隔开；“254”是规定为口令模式中的口令，此外二级指令中“255”是规定的屏蔽词，用来屏蔽本项目中语音播报的“可回收垃圾”等几条语音，使其不被语音识别模块识别到。ASR-M08B语音识别操作流程如图1所示。

图1 ASR-M08B语音识别操作流程图

2.2 WT2003S-16S语音播报流程

首先用Micro USB线将扩展板跟电脑连接，在电脑盘符里面，将出现模块的FLASH格式化，通过“语音文字转换软件”生成音频文件，再将音频文件按生成顺序依次复制到语音播报模块当中，若不按顺序，则会造成语音播报时的混乱。之后进行测试音频语音播报，通过USB转TTL模块给OWL Micro F1扩展板供电，在串口调试助手中输入“指定SPIFLASH索引播放”功能的指令帧格式（如表1），如果语音播报模块在播报“可回收垃圾”音频，同时，串口助手也会返一个“00”字符（第一条音频文件），则说明语音播报模块调试成功。

表1 指令帧格式码

2.3 SG90模拟舵机程序设计

SG90要求控制舵机的PWM信号频率在50Hz左右，即周期为20ms的PWM信号，当该信号的高电平部分在0.5ms～2.5ms之间时，对应舵机转动的角度，具体对应情况如表2。

表2 脉宽与转动角度关系表

3 系统工作流程（见图2）

图2 系统流程图

4 实验结果分析

在系统故障搜索中，首先，系统中的每个模块都是独立的，以确保它能够独立工作。在这种情况下，将搜索到的所有模块集成到软件部分，然后进行总体功能搜索和参数改进。其次是模块的安装，根据每个模块的大小和尺寸确定安装位置。比如SG90舵机，其体积较小可以用热熔胶固定在了垃圾桶背面方便控制垃圾盖。特别注意的是，由于离线式语音识别芯片ASR-M08B的局限性，导致了识别率只能在90%左右，与在线式语音识别芯片还是有一定差距其次关键词数量有限（最多50条），致使能够写入的关键词数量不多，有一定的局限性。

结束语：设计针对现有智能垃圾桶无法满足智能家居的要求，我们提出将语音识别和语音播报结合起来，并使用非特定的语音识别芯片。例如：使用ASR-M08B芯片的智能控制，可以有效的帮助我们评估垃圾的种类，做好垃圾的分类。因此，有必要进一步研究和改进非特定语音识别算法，提高与语音识别的有效距离和语音识别的成功率。垃圾分类是一项国家工程，不仅需要政府的行动，还需要相关社会组织、企业、群众等的合作，作为条例的实施者，要积极参加环保讲座，学习环保和垃圾分类的相关知识，培养自己的环保理念，理解条例精神，使条例得以贯彻执行。