会互动的“智能小展馆”

◎北京市东城区和平里第一小学 刘宗益

2021年，我参加“我的冬奥梦”小记者国际营比赛并获得了北京赛区一等奖和全国“冬奥小记者”称号。在学习并记忆冰雪运动和2022年北京冬奥会场馆方面的知识时，我产生了一个强烈的想法，希望利用自己在科技社团学到的单片机开发方面的知识，设计制作一种能与人语音互动、帮助大家学习冬奥知识的小机器人。

在老师和家长的指导下，我进行课题立项、检索资料、制订计划，不断学习新知识，终于制作出基于人机语音交互功能的北京冬奥智能小展馆（下称“智能小展馆”），实现了自己的设想。

作品功能：

1.人机语音交互功能

“智能小展馆”中有3个虚拟人物：2022年北京冬奥会机器人馆长（简称“北京机长”）、“冰墩墩”、“雪容融”。北京机长是“智能小展馆”的控制者，“冰墩墩”和“雪容融”是讲解员。

我们可以通过说出关键词与虚拟人物进行人机交互，实现控制人物出现、讲解开始或停止、介绍2022年北京冬奥会比赛项目和场馆、展馆关灯、展示结束等功能。

2.多媒体讲解知识

“智能小展馆”可通过图像显示、合成语音播放、图标彩灯指引、角色动作等形式，介绍2022年北京冬奥会比赛场馆和运动项目等知识，还能在完成一定数量的项目讲解后，播报奖牌榜消息。

设计原理：

Arduino Uno控制器连接离线语音识别模块，离线语音识别模块识别到语音，便与程序中的关键词进行比对，匹配后生成返回值，传送给控制器和MP3播放器。控制器根据返回值控制LED灯带、串口显示屏、舵机执行相应指令，同时控制MP3播放器播放相应文件编号的语音。

图1 作品设计原理图

准备工作：

我选用了一款基于Arduino Uno的带显示器的语音识别垃圾分类套件，在它的基础上进行改制。另外，我还准备了两个SG90舵机、一条WS2812灯带、连接卡扣、一个给Arduino Uno引脚直接供电的5 V电源模块、2500 mA的锂电池和杜邦线。

表1 电子硬件清单

制作过程：

1.连接硬件

图2 电子硬件连接图

我将语音识别模块的UART接口——TX1、RX1、5V、接地接口分别连接主控板的数字引脚2、数字引脚3、5V、接地接口；将BUSY、TX2引脚分别连接MP3播放器的BUSY、RX引脚；将串口显示屏的UART接口——TX、RX、5V、接地接口分别连接主控板的数字引脚4、数字引脚5、5V、接地接口；将LED灯带连接数字引脚6；将舵机1连接数字引脚10；将舵机2连接数字引脚11。

2.制作组件

我用彩色打印机在透明不干胶纸上打印2022年北京冬奥会运动项目图标（下称图标）。在KT板四周切出图标大小的长方形板，切后的KT板上的长方形孔之间的距离与LED灯带上两灯的间距一致。然后，又在KT板中间切出串口显示屏大小的长方形板，可使串口显示屏嵌入KT板中间的长方形孔中。

接着，我将打印的图标贴在KT板四周的长方形孔上。将冰墩墩和雪容融卡片粘在适当长度的吸管上，再将两根吸管分别插在两个舵机的转臂上。

为了美观，我设计了中式大门和门匾图，也打印在透明不干胶纸上，再粘在亚克力板上。然后，我将LED灯带剪成分别带有5个灯、2个灯、6个灯、2个灯的四段，用卡扣将其连接后粘在切有长方形孔的KT板背面，LED灯和图标的位置需相互对应。

3.安装硬件

我在亚克力盒内垫一块KT板，按照各模块的尺寸在KT板的适当位置开孔，再将所有的模块嵌入。接着，将粘有图标的KT板插在冰墩墩和雪容融卡片下面，同时扣在串口显示屏边框上，最后盖上“中式大门”和“门匾”。

4.制作媒体文件

我采用录音或合成语音的方式制作MP3语音文件，文件按要求编号上传至MP3播放器配置的TF卡，内容示例见图5。

图3 作品内部结构图

图4 作品实物图

显示屏图像文件需使用厂家官网下载的制作软件来制作。在网上搜索下载相关图片后进行编辑，之后上传到串口显示屏中。

5.编写程序

程序的主要功能是开启语音识别模式，并监听语音识别模块串口。应用循环条件判断语句，实现语音识别模块识别到不同的关键词后，控制MP3播放器、串口显示屏、LED灯带、舵机执行关键词对应的指令。

程序还包含了设置语音识别模块和串口显示屏控制函数的两个头文件，它们需与软串口函数库、控制灯带的Fastled第三方库、舵机Servo函数库一同在程序开始时导入。

图5 语音内容示例

测试效果与改进想法：

我测试作品“智能小展馆”，作品系统运行稳定，各功能单元正常工作。语音识别效果体验良好，在1米以内的安静环境下使用，准确率在95%以上，在嘈杂的环境下通过设置屏蔽词、稳定音量等方法可一定程度地降低误识率。

接下来，我希望能应用大容量语料库的语音识别模块，或者开发物联网功能实现在线语音识别，增加应用主题和传播内容，提高语音识别准确率，增强智能交互体验。

老师推荐：

作者制作作品运用了单片机控制和编程的基础知识，尝试了多个智能模块的应用，表现出很强的自学能力和创新能力。作品紧扣时代主题，实现了人工智能交互功能，使用者体验感良好。