基于语音识别的交互式智能垃圾桶的实现

祁选宁，周鑫垚，陈可，杜世伟，贾伟伟

（徐州工业职业技术学院信息工程学院，江苏徐州，221140）

0 引言

在21 世纪的今天，随着我们国家经济日益增长，人民的生活水平也不断提高，同时日益增长的垃圾也随之而来，随着我们国家对垃圾分类的普及加大，居民也提高了不少对垃圾分类的了解，但是面对当下繁杂的垃圾，家里的一些老年人容易错放垃圾，加大对垃圾分类的难度。国内现有的智能垃圾桶，无论是按钮电动式、红外翻盖式都是功能单一的垃圾桶，没有对垃圾进行自动打包、消杀。因此为了提高垃圾分类的家庭化及自动化，本文设计出了一款基于语音识别的智能分类垃圾桶，该垃圾桶可以根据语音交互来判断垃圾的种类，以此达到垃圾智能分类的效果。

1 交互式垃圾桶总框架

本文在设计这款基于语音识别的交互式垃圾桶时，结合实用性考虑，采用了模块化的设计理念，把整体系统分为硬件系统以及嵌入式软件系统。硬件系统主要包括供电模块、智能语音模块、集满预警模块、打包模块、消杀模块，其中垃圾桶的系统总框架如下图1 所示。STM32 微控制器是整个系统的核心，所有功能也是在这个微控制器上实现的。首先在语音模块在没有收到唤醒指令前整个垃圾桶处于待机状态，在垃圾桶收到唤醒指令“你好，小净”，智能语音模块回答“你好，主人”后根据语音播报的相关垃圾名称语音模块完成语音输入后，经过STM32 主控芯片的判断后输出PWM 波控制舵机使垃圾桶进行翻盖，然后丢入相应垃圾即可，垃圾满后，则发出语音提示信息。

图1 垃圾桶系统总框架

2 硬件系统设计

2.1 硬件系统MCU

本设计主控芯片采用STM32H750VBT6 单片机，该单片机可以提供大量外接的I/O 口来进行信号处理与相应的输出控制，完成垃圾分类的过程以及打包、消杀等内容。如图2 所示为该主控芯片的最小系统，其中包括复位电路、时钟电路、基准电压电路、RTC-BAT 电路等。

图2 STM32H750VBT6 最小系统

2.2 语音识别与播报模块

本设计使用百科荣创出品的小创智能语音模块，其中，asrWordlist.txt 文件的功能是编辑识别内容，serialTTS.txt 是编辑合成播放内容、串口输出输入内容，config.ini 是对小创语音识别模块的参数配置。在编辑对小创语音的asrWordlist.txt、serialTTS.txt、config.ini 三个文件中均使用UTF-8 格式编码，使用文本编辑器软件编辑好后0，用“小创语音识别系统串口下载工具.exe”的工具软件下载到小创语音识别模块电路板上，即可实现本地识别、本地合成、串口通信的自由定义。小窗语音识别模块图片如下图3。语音模块电路图如下图4

图3 小创语音识别模块

图4 小创语音识别模块电路图

2.3 舵机控制模块

本文采用的舵机模块为SG90 模拟舵机，此舵机三根线分为：棕色（GND）、红色（VCC）、黄色（PWM），将这PWM 根线接入对应可以输出PWM 波控制信号的IO 即可。

SG90 的舵机其要求的信号频率在50HZ 左右，也就是PWM波的信号的20ms，根据信号脉宽对应的舵机转动的角度，具体如表1 所示。

表1 脉宽与舵机角度表

2.4 超声波模块

本文使用的是HC-SR04，该模块在本设计中利用超声波来测试垃圾桶中垃圾的存放量。模块可提供约2cm 到400cm 的非接触式距离感测功能，精度可达到3mm。HC-SR04 模块TRIG 引脚负责发送超声波脉冲串。超声波测距模块实物如图5 所示。

图5 超声波测距模块

现已知声速是340m/s 根据公式X=VT

3 软件设计

3.1 主程序设计

语音识别交互式垃圾桶的主程序主要包括语音识别、语音播报、垃圾打包、垃圾消杀等模块。

在听到提示音“你好，小创”的时候，准备识别语音，根据语音提示的内容判断垃圾的种类，然后打开相应的垃圾桶的盖子，投入垃圾。根据超声波模块检测垃圾桶中垃圾是否已满，做出相应预警及打包，提示主人丢垃圾。在垃圾存放过程中出现异常气味时，触发相应的紫外线模块，进行消杀。程序流程图如图6 所示。

图6 程序流程图

4 功能验证

为验证垃圾桶语音识别的有效距离，本文在对距离垃圾桶1m、3m、5m、8m 处进行语音唤醒以及垃圾语音提示音，以此对垃圾桶的语音识别能力进行判断。

在系统上电后，经过语音测试，仅在8m 处出现三次语音识别问题，其中三次均为垃圾语音提示音问题，在丢入相应垃圾后垃圾桶运行正常。

在经过语音开启，丢满垃圾桶时，垃圾桶合盖后3s 进行预警，6s 后打包完整，并发出语音预警。在经过语音提示音后，丢入有气味的有害垃圾后，垃圾桶内的紫外线灯能够正常开启。测试实物图如图7 所实。

图7 语音交互式垃圾桶实物

5 结语

本文设计的语音交互式垃圾桶中的功能依靠超声波传感器模块、气味传感器模块、紫外线模块以及语音模块实现数据采集，然后传至MCU 进行逻辑处理并作出判断，控制舵机对垃圾桶进行开合，气味重或者超过预定时间后进行紫外线消杀，装满时实现预警与打包，封装打包后，垃圾桶开盖，方便丢取。本文设计的垃圾桶为垃圾分类家庭化、个人化提供了人性化的服务，同时在特殊时降低了交叉感染的意外。在本设计方案在陆续推进的过程中，还需要经过不断的完善与优化，以此在达到满意的效果，从而能够更好的为实行垃圾分类，做出应有的贡献。