基于智能语音识别的智能分类垃圾桶设计

孙景伟,丁学用

(三亚学院 理工学院,海南 三亚 572022)

0 引言

如今我国城市垃圾分类领域的人工智能产品大致分为三类:智能分类垃圾桶、智能自动分拣设备以及基于AI技术的垃圾分类软件。智能分类垃圾桶应用于城市垃圾分类处理的收集环节;智能自动分拣设备用于城市垃圾分类的处理环节;而基于AI技术的垃圾分类软件则应用于城市垃圾分类处理的宣传教育环节[1]。

本课题主要设计一款智能分类垃圾桶,运用AI语音识别技术,将垃圾进行智能分类,打造出一套完整的智能垃圾分类系统。用户使用这款垃圾桶就无须耗费时间在垃圾分类上,可以积极响应国家政策号召,提高垃圾回收利用率。这个体系成功突破了垃圾分类遇到的瓶颈,使不同类别垃圾得到合理的回收利用[3]。

1 基本原理

1.1 系统整体框架结构图

本系统硬件设计主要由:STM32主控模块、LD3320语音识别模块、DFPlayer语音播放模块、舵机模块以及电源模块组成。STM32最小功能系统板作为系统的一个主控处理中心,负责进行统筹协调各个功能模块的系统工作;语音模块LD3320负责分析识别语音信号,根据识别结果归纳出当前是属于哪种垃圾,通过串口将识别的垃圾类型发送给主控中心;语音播放模块DFPlayer,主控中心发送播放指令给语音播报模块,模块接收到对应的指令后,从SD卡提取语音文件进行播放;舵机模块,主控中心发送信号控制各个舵机,每个舵机控制垃圾桶的打开或关闭。系统如图1所示。

图1 整体框架结构

1.2 主要研究内容

本课题是在智能分类垃圾桶研究基础上,查阅了相关文献,设计出语音识别智能分类垃圾装置,主要对其智能分类进行仿真研究。研究的主要内容如下:

(1)对智能分类垃圾桶各部分结构进行了设计,对其各部分的工作原理进行了描述。(2)智能语音识别功能。当使用者要扔垃圾时,只需要站在垃圾桶的识别方位内对着垃圾桶说:“垃圾分类”,垃圾桶语音自动回复“你好”,接着用户需说出垃圾名称。(3)延时关盖。当人们扔完垃圾离开时,垃圾桶桶盖延时一段时间后自动关闭。(4)语音播报功能。可以播放出“你好、厨余垃圾、其他垃圾、有害垃圾、可回收物”等语音指令,且演示采用四个小型垃圾桶与舵机结合。

2 系统的软件设计

2.1 STM32主控模块初始化子程序

主控芯片STM32作为智能垃圾分类系统的重要模块,在编程开发时,有很多模块需要驱动。在STM32主控芯片开发时笔者采用的是Keil uvision5开发环境,其具有应用范围广泛、功能全面、性能优良、界面简单、容易操作的优点,非常适合STM32的开发使用。模块中包括了串口的初始化、语音识别模块的初始化等基本模块[2]。

2.2 语音识别模块子程序

下面描述的是模块语音识别程序的中断模式。工作的流程:首先,对模块的初始化;其次,模块进行编写识别清单;最后,部件开始进行识别最后产生响应中断。(1)开始模块初始化。执行诸如复位,模式设置等操作。(2)模块进行编制识别清单。每个辨识条目对应一个1字节特定的数值编写,该数值可以重复,但值不能超过256[5]。以拼音串的形式编写进模块,每两个拼音必须用空格隔开。(3)部件开始进行识别。数模转换是麦克风输入通道,把人类的语音转换为可识别的电信号。数模转换增益表示麦克风的音量。值越高,麦克风音量越高,语音识别越敏感,并且判断错误的可能性越高。值越小,麦克风音量越低。检测功能需要更大的音量,但干扰抑制效果更好。(4)响应中断。当麦克风收到声音时将产生一个中断信号,并且中断程序将会根据寄存器所给值进行分析结果[4]。

3 硬件调试

3.1 垃圾桶桶身控制模块实物连接

为了测试本文设计的基于STM32的智能垃圾分类系统的可靠性和稳定性,对系统进行调试分析。智能分类垃圾桶系统由STM32主控模块、语音识别模块、语音播放模块以及舵机机械驱动模块组成,通过语音模块接收信息,主控制器驱动桶边舵机转动,对应垃圾桶盖打开,连接实物如图2所示。

图2 智能分类垃圾桶连接实物

3.2 垃圾桶语音识别功能测试

系统接上电源后,通过调试串口连接垃圾桶盖实物转动情况观察舵机旋转角度与方向。在垃圾桶保持有效距离的情况下,测试系统的语音识别模块是否正常工作,本设计中的垃圾桶识别的关键字为“牛奶盒”“剩菜剩饭”“废电池”“一次性餐具”等。在说出“垃圾分类”时,垃圾桶语音播报回复“你好”,对着垃圾桶说“牛奶盒”,垃圾桶自动识别种类,语音播报“可回收物”。同时,舵机控制齿轮旋转并打开可回收物垃圾桶桶盖,延时一段时间后桶盖舵机控制齿轮反转关闭;在说出“剩菜剩饭”时,语音播报“厨余垃圾”,垃圾桶盖旁的舵机正常工作,舵机控制齿轮旋转打开对应桶盖,延时一段时间后桶盖闭合;在说出“废电池”时,语音播报功能正常,语音播放“有害垃圾”,桶盖旁的舵机正常工作,控制齿轮旋转使对应的有害垃圾桶桶盖打开,几秒钟后桶盖齿轮反转关闭,语音识别功能正常。

4 结语

本文设计一个基于语音识别技术的智能分类垃圾桶,主要通过对垃圾桶说出“垃圾分类”指令,以此来唤醒LD3320语音识别模块。在发出特定的垃圾语音信息后,STM32单片机随即发出指令,DFPlayer模块发出垃圾类别提示,同时STM32主控模块驱动舵机打开对应的垃圾桶桶盖,几秒后,垃圾桶盖自动关闭。经过对系统设计的功能测试表明,系统基本能够完成所需功能并具有较强的稳定性。