一种基于语音识别的垃圾分类投放箱的设计与实现

2021-09-29南京信息职业技术学院袁迎春田佳琪吴学功

电子世界 2021年14期

南京信息职业技术学院袁迎春胡程田佳琪吴学功

本文基于AI语音识别技术，设计了一款智能垃圾分类投放箱，根据关键词判断垃圾所属分类，并自动打开对应垃圾投放口，引导完成垃圾分类投放。以树莓派作为系统的控制平台，集成人体热释电传感器、语音模块、舵机等设备实现来人检测、语音识别、垃圾分类播报、自动开箱、满溢提示等功能，提高垃圾的资源价值和经济价值。

近年来，我国加速推行垃圾分类，国家在“十二五”规划中明确提出“建立健全垃圾分类回收制度”。目前，居民对垃圾分类的认识不足；现有垃圾箱（桶）分类形式过于简单，结构设计不合理，需要居民主观判断垃圾种类后进行投放,投放正确率低。日常的垃圾分类令不少居民，尤其是中老年人感到困惑。为了帮助人们正确的投放垃圾，方便可靠的完成垃圾分类工作，本文设计了一款基于AI语音识别技术的智能垃圾分类投放箱。根据投放者说出的语音关键词判断垃圾所属分类，按照可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾“四分法”，自动打开相关的垃圾投放口，引导完成垃圾的分类投放。

1 系统设计

本设计采用树莓派作为系统的控制平台，它可以提供1.4Ghz的运行频率、支持无线WIFI通信和蓝牙通信，配备有高清的HDMI端口。系统包含语音输入输出模块、人体热释电传感器、超声波检测模块、显示模块、舵机等。智能分类垃圾桶系统框图如图1所示。

图1 智能分类垃圾桶系统框图

其主要功能包括：

（1）人体感应启动，激活系统。

（2）识别语音关键词，并判断垃圾属。

（3）打开对应的垃圾投放口，播放提示语音，引导垃圾投放。

（4）垃圾满溢提示。

2 关键技术

2.1 语音识别

语音识别是将人们的声音信号转化为文字的过程，其核心功能是将物理世界的信息转化成可供计算机处理的信息。由于计算量、训练数据量极大，且需要大量的并行运算，目前语音识别的模型训练部分基本都放在云端进行。与传统的语音识别相比，云端语音识别在终端处只实现语音输入,降噪处理以及特征提取的功能。而转写引擎、语义理解和关键词提取在云端。

本设计采用百度AI语音开放平台，通过百度云语音识别API接口，将音频文件发送到云平台上，再由云平台返回给用户识别出的文字。该方案极大的降低了语音识别的难度，准确率高、便捷可靠。进行识别的流程如图2所示。

图2 识别流程图

2.2 人体感应模块

系统平时处于休眠状态，当检测到有人活动时，激活语音识别功能，监听并采集人们的语音信号，通过云平台完成语音识别功能。该方案能够降低系统功耗，防止噪音干扰。本设计采用热释电传感器进行人体感应，当人体进入传感器的感应范围，输出高电平，直到人离开后延时输出低电平。

2.3 超声波检测模块

当桶内垃圾过多，如果没有及时清运，将会造成垃圾满溢，影响垃圾回收。本设计在桶内安装超声波测距模块，当检测距离小于预设参数时，启动满溢报警，屏幕播放提示信息，并通知后台系统及时清运。

2.4 舵机驱动模块

系统选用4个SG90舵机连接垃圾桶盖。控制器根据语音的比对信息，判定所属的垃圾分类，输出PWM方波信号控制舵机，打开或者关闭垃圾桶的桶盖，完成垃圾投放功能。

3 系统工作流程

开机运行后，系统初始化。当检测到有人出现时，语音识别功能激活。由喇叭播放欢迎词并提示居民说出垃圾名称。麦克风录制语音信号，并通过网络将声音信号传输至百度云平台，由云平台返回语音识别的结果。

系统根据识别出的文字信息，与自身的垃圾分类信息库进行对比，根据关键词判断垃圾所属的分类。4个舵机分别控制着厨余垃圾、有害垃圾、可回收垃圾和其他垃圾对应的垃圾桶盖。当关键词符合时，系统输出PWM波控制对应的舵机，打开垃圾箱。延时一段时间后关闭。若关键词不符合4种分类种的任意一种，则播放语音提示居民再说一遍。垃圾投放完毕后，检测一遍是否满溢，若垃圾超过警戒线，则启动报警，提示尽快转运处理。详细的工作流程如图3所示。