一种室内智能语音识别垃圾分类系统的设计

李继超，贺晓倩，权亚腾，党康博

（西安工业大学 电子信息工程学院，西安710021）

随着经济的快速发展，人们生活水平不断提高，我国垃圾产生量也在逐年递增。据统计，仅城市生活垃圾年产量超过2 亿吨，年增长率为8%～10%。我国的城市生活垃圾资源利用率不到5%，但是在国外却超过60%[1]，面对愈演愈烈的“垃圾围城”现象，研究一种有效的垃圾分类方法已经十分紧迫。

针对垃圾的收集，国外市场开始出现智能垃圾桶[2-3]，如美国的Transhbot[4]和BigBelly、芬兰的Enevo[5]，大多基于实时监测、自动报警、液晶显示屏进行设计[6-8]。国内也进行了相关研究，主要分为感应性垃圾桶、 太阳能垃圾桶与商业广告垃圾桶，使得垃圾桶具有自动分类、报警和监测可用容量等功能，但尚无法满足自动识别分类的需求[9]。本文针对当前现状，设计了一个室内智能语音识别垃圾分类系统，该分类系统采用语音识别技术，指导扔垃圾者对可回收、厨余、有害和其他垃圾4 类垃圾进行正确的分类和投放，主动进行垃圾分类[10-16]知识的播报和宣导。其次，该系统有效避免垃圾分类错误导致的二次分拣等问题。综上所述，室内智能语音识别垃圾分类系统可以节约人力资源，自动化程度高，有良好的经济效益和社会效益。

本设计采用STM32F103ZET6 单片机为核心控制器，以翻盖垃圾桶实物为依托，配备智能语音库，实时处理采集的数据信息，包括语音指令、手部感应和容量检测信息等，实现在室内环境下，有效地进行垃圾种类的识别和回收。

1 系统总体方案

本文设计的室内智能语音识别垃圾分类系统具备语音播报、语音识别、串口通信、人机交互等功能。

本设计对原有脚踩垃圾桶进行机械改造，采用MG995，TBS2701 舵机（15 kg），以此控制垃圾桶桶盖的开关。当语音助手识别关键词含垃圾名称时，串口发送数据至舵机控制模块执行开盖操作。如果语音助手被唤醒，则会根据对话中的关键词判断垃圾的正确归属种类，打开对应的垃圾桶盖并且通过语音提醒使用者。当检测到垃圾桶已满时，对应的垃圾桶容量指示灯会常亮，同时语音提醒人们更换垃圾袋。功放模块也可宣传和普及正确的垃圾分类知识，帮助人们养成良好的垃圾分类习惯。管理员模式下，可通过按键控制对应垃圾桶盖打开或闭合，人为收集和更换垃圾袋。室内智能语音识别垃圾分类系统设计方案如图1 所示。

图1 室内智能语音识别垃圾分类系统设计方案Fig.1 Design scheme of indoor intelligent voice recognition garbage classification system

2 系统硬件设计

室内智能语音识别垃圾分类系统硬件设计包括供电模块、STM32F103ZET6 主控模块、通信模块、超声波感应模块、舵机模块、垃圾桶容量检测模块、工作选择模式模块、语音识别模块和控制按键等组成。

2.1 超声波测距模块

HC-SR04-1 是一款体积小，具有较宽工作电压的超声波测距模块，探测距离为1 cm～450 cm，采用该模块实现垃圾桶手部感应和容量检测等功能。该模块有4 个引脚分别为VCC，Trig，Echo，GND。VCC 与GND 分别为模块的电源和地接口；Trig 为触发端口；Echo 为接收端口。该模块的工作原理如下：STM32 通过Trig 端口提供至少持续10 μs 的高电平信号，模块接收到该信号后连续发送8 个40 kHz 的方波，并检测是否有信号返回，若检测到返回信号则通过Echo 口向STM32 发送高电平信号，高电平持续时间为超声波从发送到返回时间，可通过下面的公式计算距离：

距离=（高电平时间×声速（340 m/s））÷2

其接口电路原理如图2 所示。

图2 超声波感应模块接口Fig.2 Ultrasonic sensor module interface

2.2 舵机控制模块

舵机模块是一种集电机、 伺服驱动、PWM 信号接口为一体的伺服单元，用于需要精确位置控制的场合。

PWM 舵机的伺服系统由可变宽度的脉冲来进行控制，控制线是用来传送脉冲的。舵机的基准信号周期为20 ms，占空比有限范围0.5～2.5 ms。1.5 ms这个基准信号定义为中位信号，当脉宽给1.5 ms 时对270°舵机来说就是控制其处于135°的位置。舵机一般都有最大转动角度和最小转动角度，中间位置的定义就是从最大角度到最小角度的中间位置。不同舵机的最大转动角可能不相同，但中间位置的脉冲宽度是一定的，那就是1.5 ms。

舵机控制采用定时器计数方式控制，周期为20 ms，PWM 有效控制数值为500～2500 μs，270°舵机精度为270/2000=0.135°。

垃圾分类系统要进行机械改造，所以舵机的角度必须要精确。结合实际算出此垃圾分类系统舵机需要转过的角度为22°对应垃圾桶开盖的角度。如图3 所示。

图3 舵机角度计算示意图Fig.3 Schematic diagram of steering gear angle calculation

2.3 工作选择模式模块

工作选择模式模块主要由拨码开关来实现。拨码开关也称为DIP 开关，是一款用来操作地址的控制开关，采用的是0/1 的二进制编码原理。采用4 路拨码开关，一共有16 种编码方式。主要是当垃圾桶已满时，用来切换工作模式和管理员模式。切换到管理员模式之后，所有工作模式下的功能都已关闭，其电源模块电路如图4 所示。

图4 电源模块电路图Fig.4 Power module circuit diagram

2.4 语音识别模块

为通过声音的方式进行语音识别和人机交互，本设计采用LD3320 语音模块进行设计。LD3320 是一颗基于非特定人语音识别计数的声控芯片，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，可以实现语音识别、人机对话功能。语音识别ASR 技术，是基于关键词语列表识别的技术，只需要设定好识别的关键词语列表，并把这些关键词语以字符的形式传送到LD3320 内部。UART串口进行数据传输通信；板载5WD 类功放，可直接驱动4 Ω，3～5 W 喇叭，其端口及电路如图5 所示。

图5 语音识别模块电路Fig.5 Speech recognition module circuit

3 系统软件设计

软件系统包括语音播报模块、 语音识别模块、串口通信模块、人机交互模块、管理员模式模块。整体系统组成框架如图6 所示。

图6 整体系统组成框架Fig.6 Overall system composition framework

3.1 垃圾分类系统主程序设计

垃圾分类系统上电初始化完成后，首先播报当前垃圾分类系统的感应开盖语音提醒的开关状态，以及播报当前垃圾分类系统的工作模式。工作模式指的是语音交互、手部感应、垃圾桶容量检测等功能，非工作模式（即管理员模式）指的是管理员可按键控制各个垃圾桶盖的开启和闭合，完成旧垃圾袋的收取和新垃圾袋的更换。垃圾分类系统主程序流程如图7 所示。

图7 垃圾分类系统主程序流程Fig.7 Main program flow chart of garbage sorting system

3.2 语音助手主程序设计

语音助手上电之后，开始初始化系统时钟、GPIO、串口、定时器等相关资源，等待语音助手唤醒指令，如果听到唤醒指令，则发送唤醒状态串口指令至垃圾分类系统，同时播放“我在”语音。接着，检测10 s内是否有关键词口令（关键词：玻璃、鸡蛋皮、杀虫剂、骨头等），若没有，则直接进入睡眠状态，同时播放退出“好的，那我先溜了”语音文件；若有关键词，则立即匹配对应的关键词，发送当前关键词对应的串口识别码（二位十六进制数据），播放对应的语音文件（举例：“玻璃”对应的语音文件是“玻璃属于可回收垃圾”），垃圾分类系统接收到二位十六进制串口识别码后，立即打开对应垃圾桶桶盖。最后，此时语音助手程序返回等待关键词处，进入新的一轮等待。

任何时候，串口USART1 接收到垃圾分类系统发送的串口数据后，立即匹配对应的语音播放指令。语音助手程序流程如图8 所示。

图8 语音助手程序流程Fig.8 Voice assistant program flow chart

3.3 管理员模式下按键程序设计

进入管理员模式后，若没有按键按下时，则一直等待按键按下；当检测到有按键按下时，首先判断是否为1 号按键按下 （此处1 号是指厨余垃圾桶、厨余垃圾桶盖状态和语音文件对应的编号），如果是，再判断是否为第一次按下，如果是第一次按下，则立即打开1 号垃圾桶盖，同时播放1 号垃圾桶盖打开语音文件，打开1 号状态指示灯；如果不是第一次按下，则关闭1 号垃圾桶盖，同时播放1号垃圾桶盖关闭语音文件，关闭1 号状态指示灯。同理，2 号可回收垃圾桶、3 号有害垃圾桶、4 号其他垃圾桶的按键控制流程类似。按键模块程序部分流程如图9 所示。

图9 按键模块部分程序流程Fig.9 Part of program flow chart of button module

4 系统结果分析

在完成了系统的硬件电路设计和软件设计之后，对整个系统的功能进行了验证。本系统主要采用以STM32F103ZET6 和STM32F103RCT6 为微控制器，LD3320 语音芯片、超声波手部感应模块、容量检测模块、舵机控制模块、步进电机驱动模块、以及功放模块等构成。系统实物如图10 和图11所示。

图10 系统控制板实物图Fig.10 Physical picture of system control board

图11 垃圾分类系统实物图Fig.11 Physical map of garbage classification system

当手部感应垃圾桶盖位置时，HC-SR04 超声波传感器检测到阈值范围内有障碍物，此时STM32 对数据信息进行分析处理，对应的垃圾桶盖自动打开，并通过语音助手播放对应垃圾桶盖打开语音文件。手部感应测试结果如表1 所示。

表1 手部感应模块测试结果Tab.1 Hand sensor module test results

当语音助手检测到关键词出现时，立即匹配对应的关键词，播放对应的语音文件。针对不同的垃圾类别，分别模拟100 次实验，对应的语音识别测试结果如表2 所示，其中，测试对应的识别速度如图12 所示，可见，系统运行稳定后，每完成一次垃圾分类识别的时间约为0.90 s，具有良好的识别速度。

表2 语音识别模块测试结果Tab.2 Speech recognition module test results

图12 垃圾种类识别速度Fig.12 Speed graph of garbage type recognition

5 结语

本文所设计的垃圾分类系统是由舵机控制模块、手部感应模块、STM32 和LD3320 语音芯片控制板、功放外设模块、按键控制模块、功能状态指示灯模块、垃圾桶容量检测模块等7 大部分组成。本设计采用降压稳压处理、语言识别、串口通信、人机交互等技术，设计一套绿色环保、自动化管理及安全可靠的室内智能语音识别垃圾分类系统。

本垃圾分类系统目前虽然具有垃圾分类的基本功能，但是仍然有改进和完善的地方，比如增加对所投放的垃圾进行图像识别，分类错误时语音播报等扩展功能，使此作品更加的智能化，使垃圾分类更加人性化。