基于语音识别功能的标准化分类垃圾桶设计探究

王玉琪 陈英杰 谈贵杨 张琦 季浩南 金驰

【摘要】为实现对垃圾的科学处理及标准化分类，着手进行了一种具备语音识别功能的标准化分类垃圾桶，在配备了相应功能模块、芯片及合理设计各部分单元构成内容的前提下，该垃圾桶能够用于人体感知检测及垃圾识别与分类，并能根据垃圾类型对垃圾桶实行精确的机械控制，进而帮助人们有效识别各种垃圾类型，做好相应的垃圾分类工作。

【关键词】语音识别；标准化；分类垃圾桶

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.048

【基金项目】沈阳化工大学2022年大学生创新创业训练计划项目资助项目（202210149007）。

Research on the Design of Standardized Classified Garbage Bin Based on Speech Recognition Function

WANG Yuqi1， CHEN Yingjie1*， TAN Guiyang1， ZHANG Qi1， JI Haonan1， JIN chi2

（1.Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110000， China； 2.Shenyang Institute of Metrology and testing， Shenyang 110000， China）

Abstract： In order to realize the scientific treatment and standardized classification of garbage， a kind of standardized classified garbage bin with speech recognition function was carried out， equipped with corresponding functional modules， chips and reasonably designed components， the trash can can be used for human perception detection and garbage identification and classification， and according to the garbage type of garbage can implement accurate mechanical control， and help people to effectively identify all kinds of garbage types， do the corresponding garbage classification.

Key words： speech recognition； standardization； sorting trash can

0引言

我國对垃圾的处理大多采用了混合收集并掩埋的方式，这种做法导致环境承受了较为严重的负担，同时也导致可回收再利用的资源被白白浪费。为解决这类问题并缓解我国面临的资源压力，一线城市曾向居民推广垃圾分类知识并尝试试点执行，但执行的效果并不理想，基于此，本文尝试从设备层面出发，设计了一种以语音识别功能为基础的标准化分类垃圾桶，将垃圾分类的任务交给设备，进而帮助居民了解垃圾分类的知识和方法。由于该设备具有较高的自动化程度及标准化水准，因此能够表现出一定的社会效益。

1系统原理阐述

该标准化分类垃圾桶在设计之初就明确了功能上能够达到的目标，分为“垃圾分类识别”与“垃圾分类知识宣传”两方面。针对人体的感应采取了红外感知策略，同时还匹配相应的机械控制、语音识别及播报、外观设计、GPS定位及App管理等功能。其中，红外感知是为了使垃圾桶能够辨别是否有人靠近，但这并不作为垃圾桶打开桶盖的前提条件，需要在红外系统监测到且受到语音指令后，即在同时获得语音及红外两方面信息后，机械控制系统才会打开垃圾桶，实现人与垃圾桶的交互[1]，后两项功能则是为了方便垃圾桶的管理工作，在垃圾桶容量少于标准值时提醒市政人员前来清理，或是在垃圾桶出现故障时上报至App终端申请检修。

在垃圾桶打开之前还存在另一个前提，即垃圾桶通过辨别用户的语音信息来判断待扔的垃圾类型，并为之匹配对应的垃圾桶（根据垃圾分类的情况确定垃圾桶数量，并为机械控制功能预留相应的外接模块，来适应不同的垃圾分类处理需求）。在语音识别成功之后，系统会将垃圾与对应的垃圾分类进行匹配并打开垃圾桶，此时用户可完成垃圾的投放；如果出现识别失败的情况，垃圾桶在维持3 s无操作之后，通过语音播报不同分类垃圾的对应垃圾内容，供用户自行判断垃圾的类别，再次说出对应的垃圾类别之后完成垃圾投放工作。待垃圾完成投放，垃圾桶内部内置的挡板不会在第一时间打开，而是在内置红外系统辨别垃圾的具体分类之后，重新将其调整至对应分类的垃圾桶方向，此时挡板会打开使垃圾滑入对应分类的垃圾桶[2]。垃圾桶的地理位置信息会被定位功能上传并输送至App终端，以方便进行后续监管工作。

2功能模块标准化设计

用于为此垃圾桶提供功能分析及软件设计的平台为Arduino UNO R3，其IDE软件能够为不同功能模块之间的数据传递及功能协同提供支持，进而顺利完成垃圾投放工作。

2.1红外感测模块

此垃圾桶红外感测模块分为两个相互独立的单元，外部单元用于感知垃圾桶外围是否有人靠近及靠近者的距离与运动状态，内部单元则用于探测垃圾的具体状态，如结构、强度及形状特征，进而判断垃圾的性质并对垃圾进行分类。两个单元的传感器均应用HC-SR501传感器，该传感器能够同时符合两种功能需求，且在检测人体或动物发射出的红外线时有着较为精准的表现。

以外部传感器为例，作为一种红外热释电效应的传感器，该传感器能够在监测到活物发出的红外线之后输出电信号。而在与Arduino UNO R3开发板建立连接之后，传感器能够根据靠近者的距离发射不同水准的电平，通常该距离以2 m为标准，2 m外发出低电平，此时LED无反应且其他功能处于静默状态；来者进入2 m范围内之后发出高电平，此时LED亮且各模块分别被唤醒，静待后续扔垃圾操作，在完成垃圾投放之后用户离开，传感器从高电平恢复到低电平，在LED灯熄灭之后，各功能模块于此时关闭。

内部传感器在功能上类似，感知的对象是垃圾，感知范围相对有限，且电信号只对垃圾桶内置挡板及机械功能模块发送，因此在使用强度上要小于外部传感器。其工作过程是借助红外对垃圾的形态、结构及强度进行识别，在完成识别之后向Arduino UNO R3开发板发送对应编码信号，此时开发板接收信号并辨别之后向机械系统发出相应编码指令，对应分类垃圾桶挡板会打开，垃圾在机械模块功能下落入对应的垃圾桶内[3]。这种应用模式降低了Arduino UNO R3开发板的功率，因此能使后者获得使用期限的有效提升。

2.2语音功能模块

语音模块分为语音识别及语音播报两个模块。

语音识别模块将用于识别用户说出的关键词，因此模块中内置了相应的语音识别芯片，且芯片中收录了与垃圾有关的关键词语列表。

应用到的语音识别芯片是LD3320，该芯片可储存的短语上限为80条，单个短语的字节数达到20个，即其短语长度满足最多十个中文字符，在内置语言中以拼音表示，因而能够有效区分四种不同类别的垃圾。

在芯片语言中分别对四种垃圾（厨余垃圾、有害垃圾、可回收垃圾、其他垃圾）以0～3的数字进行编码，以编码4表示识别失败的情况。用户靠近时红外感知模块向芯片发送电信号，此时芯片准备接受用户语音信息，并将语音信息与芯片内置的短语进行比对识别，完成识别后进行匹配并根据类别编码，向机械控制模块传输相应的数字；如果在识别过程中未能發现对应的编码或识别失败，则匹配编码4。此时芯片会结合编码数字生成对应的指令内容，并将该指令内容发送给Arduino UNO R3开发板，开发板在识别编码类型之后向机械控制模块发出信号使其打开对应的垃圾桶桶盖。如果开发板识别的编码类型为4，此时就不会向机械功能模块发送电信号，而是向垃圾桶的语音播报模块发送电信号，触发对应的音频文件并进行播放，而音频文件的内容则是向用户播放垃圾分类的方法及根据[4]。

语音播报模块同样配置了相应的芯片，这款名为VS1503的芯片被用于解码MP3文件，且芯片中已经提前内置了对应的音频文件，文件中是对各类型垃圾的分类方法及判断标准。一旦前期语音识别分类失败，则语音播报系统的功能被触发，并在延时3 s之后连接垃圾桶内置的音箱播放音频文件内容。此时用户可结合音频文件中的科普内容重新判断垃圾的类别，并在音频播放完成之后再次说出对应的垃圾分类，待语音识别模块成功识别并激活对应垃圾桶的桶盖之后，完成垃圾的投放操作。

2.3机械控制模块

垃圾桶内置的机械控制模块主要实现三个功能：

垃圾桶桶盖的开合、垃圾桶挡板的开合、垃圾桶内部挡雨防臭机械臂的开合。考虑到需要满足以上三方面功能，需要为垃圾桶内部配置相应的舵机，在为舵机配备四台机械臂连接到四个桶盖上之后，就能够完成对垃圾桶桶盖开合的自动控制，在此基础上再额外附加四台机械臂，就能够实现对垃圾桶内挡板的有效控制，并额外配置两台机械臂用于将垃圾推进固定垃圾桶；而第三部分的挡雨防臭功能，则需要在桶内装置机械臂来实现垃圾袋的开口与封口，进而达成挡雨防臭的功能[5]。在设计之后发现所有功能均由一台舵机实现，会导致单个舵机技术难度大幅增加，因此可设计为由两个舵机负责不同功能，第一台舵机负责前两项功能，第二台舵机负责最后一项功能。

3垃圾桶其他标准化设计

在垃圾桶的功能模块得到明确之后，需要在其他设计上予以配合，来使垃圾桶满足相应的功能需求，因此需考虑在结构、外观及终端上对垃圾桶进行合理的设计及调整。

3.1内部结构设计

垃圾桶内部结构应当分为上下两部分，两部分之间的区别由挡雨防臭的机械臂加以区分，隔板则设计在桶盖与机械臂之间。大部分情况下机械臂处于闭合状态，以满足垃圾桶挡雨防臭的需要，而隔板则应当设计为可旋转的状态，隔板上方还需配置两台相互垂直的机械臂，用以在辨明垃圾的类型之后，将垃圾横向及纵向推向对应的垃圾桶内。四个桶盖位置呈“田”字格并在中央留有隔断，当垃圾桶盖打开时，隔板上方的两台机械臂归位居于一侧边缘，四个垃圾桶上的隔板均处于关闭状态，等待用户将垃圾投入；待用户投入垃圾之后，桶盖闭合，对应分类位置隔板打开，机械臂将垃圾推入对应位置垃圾桶；之后机械臂复位，隔板闭合，下方机械臂打开使垃圾落入桶底。这种结构在设计上虽然相对麻烦，但保证了垃圾分类的有效性。

3.2外观设计

垃圾桶也需要进行一定程度的外观设计，其目的除了帮助用户以更简单的方式区分垃圾类别之外，对于所在区域及环境同样有一定的装饰及美化作用。外观上垃圾桶应当采取一体化设计，只是在内部下半部分内容分成四个空间，上方的桶盖和挡板也呈“田”字形布局，且不同类别的桶盖应配备不同的颜色，并在桶盖上以醒目的颜色写上该类别中较为常见的垃圾，方便用户加以识别。在此基础上可对垃圾桶进行一定的外观创作，也可采用主题设计的方法，为其刷上鲜艳活泼的色彩或是图案，提升用户在使用过程中的体验。

4结束语

本文详细讲解了一款以语音识别技术为基础功能支持的标准化分类垃圾桶，通过在结构、功能模块及远程控制上的配合，垃圾桶能够在有效识别垃圾类别的同时，以打开或关闭对应桶盖及挡板的方式实现垃圾标准化分类。这种垃圾桶表现出高度的自动化水平，在帮助用户实现垃圾分类的同时，也能使用户逐渐意识到垃圾分类的方法与根据。

不足之处在于这种类型的垃圾桶依然会在一定程度上受到环境的影响，且标准化水平相对不高，体现出的社会效益及经济效益尚未达到理想的程度，还具有较大的优化设计空间，因而能够进行更进一步的完善。

【参考文献】

[1]孙景伟，丁学用.基于智能语音识别的智能分类垃圾桶设计[J].无线互联科技，2022，19（3）：75-76.

[2]曾新红，谢超强，李维坚.基于语音识别的智能分类垃圾桶设计[J].黑龙江科学，2022，13（6）：23-25.

[3]贺连升，周扬理，于新畅，等.基于语音识别的智能垃圾桶设计与实现[J].机电工程技术，2022，51（1）：122-125.

[4]吴杭，赵川东，吴成玉，等.语音控制智能分类垃圾桶的设计与实现[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2020，19（6）：20-23.

【作者简介】

王玉琪，女，2001年出生，学士，研究方向为环境设计。

通讯作者：陈英杰，男，1978年出生，副院长，副教授，研究方向为环境设计，邮箱为410483987@qq.com。

（编辑：谢飞燕）