基于Arduino語音控制室內(nèi)垃圾分類的系統(tǒng)設(shè)計

王志 雷達 周仔明 任艷 胥薇

摘要：介紹了一種基于Arduino語音控制實現(xiàn)室內(nèi)垃圾分類的裝置，以Arduino為主控制系統(tǒng)，結(jié)合了傳感器技術(shù)，語音識別技術(shù)，語音控制技術(shù)實現(xiàn)了對室內(nèi)有限空間內(nèi)垃圾的自主分類。該系統(tǒng)具有無線控制功能，低成本，操作方便等特點。適宜對中等家庭大力推廣使用，無使用限制。

關(guān)鍵詞：Arduino;非特定人聲語音識別;智能控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）05-0081-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

目前，人們的生活正朝著便捷化、智能化方向發(fā)展。而垃圾分類方面的問題一直沒有好的辦法解決。據(jù)資料顯示，國內(nèi)人均每日產(chǎn)生的垃圾在1.2公斤左右，且垃圾總量在持續(xù)增長，同時垃圾的多樣性和國民普遍存在垃圾分類意識的淺薄導(dǎo)致了垃圾分類政策的難以推廣。這就直接引起了因分類不明確而產(chǎn)生的環(huán)境污染、資源浪費等一系列問題。按目前趨勢，國家大力推行垃圾分類政策，例如上海更是率先響應(yīng)國家垃圾分類政策的號召，這一行為引起了社會上的廣泛熱議。實行垃圾分類后，既可將有害垃圾及時處理，防止再次生污染，也可變廢為寶、節(jié)省資源，對改善環(huán)境大有裨益。當今世界上在一些公民文明程度較高的地區(qū)，公民對于垃圾分類這一措施更是已經(jīng)變成了習慣。這不是一場對于廣大公民發(fā)出的一場“運動”，而是對公民生活方式的改變，更是如今在經(jīng)濟，科技，文化等高質(zhì)量發(fā)展階段走向更高的現(xiàn)代文明社會的標志。然而基于Ardu-mo語音控制實現(xiàn)室內(nèi)垃圾分類系統(tǒng)的設(shè)計可以幫助居民更好地實現(xiàn)垃圾自動分類，從而顯著提高資源的有效利用率，避免環(huán)境污染。

1 語音識別技術(shù)

語音識別技術(shù)就是非特定人的語音通過機器的識別，理解轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的字符串或者指令。具體的實現(xiàn)步驟包括：采取語音樣本，確定語音輸入的起始點，計算語音頻譜，分解輸入信號，關(guān)鍵詞識別，對輸入信號做出反應(yīng)。目前語音識別的主流算法有隱馬爾可夫法（HMM）：HMM是對語音信號的時間序列結(jié)構(gòu)建立統(tǒng)計模型，將之看作一個數(shù)學(xué)上的雙重隨機隨機過程，而人語言的本身也就是一個雙重隨機過程。另一個為動態(tài)時間規(guī)整（DTW）：利用語音識別的端點監(jiān)測，把接收到的語音信號進行升長或縮短直到與參考模型一致。在這一過程中，未知指令的時間軸要不均勻地扭曲或彎折，以達到其特征與模型特征對正。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計及搭建

基于Arduino語音控制實現(xiàn)室內(nèi)垃圾分類系統(tǒng)設(shè)計，其工作原理是：非特定的人發(fā)出語音經(jīng)過LD3320語音識別模塊轉(zhuǎn)化成特定字符串再通過串口發(fā)送到Arduino開發(fā)板。Arduino開發(fā)板接收到語音識別的模塊傳來的預(yù)先設(shè)置好的指令后發(fā)送到指定舵機開發(fā)板，實現(xiàn)舵機的轉(zhuǎn)動。舵機根據(jù)傳來的指令的不同來實現(xiàn)室內(nèi)垃圾的自主分類。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

2.1 Arduino開發(fā)板

Arduino存儲空間也就是主控芯片所集成的存儲空間。其中使用32KB Flash.

2KB的SRAM，IKB EEPROM電可擦除可編程只讀存儲器。

USB接口：用與電腦連接，與電腦中的ArduinoIDE銜接用于上傳代碼，同時給該板卡供電。Arduino電源：采取DC電源供電一般為7-12V或通過5V或VIN端口供電。但是5V必須是5v供電而VIN可用7-12V供電。ArduinoUNO擁有14個數(shù)字輸入/輸出管腳，6個模擬輸入。

當然也可以由程序自己定義為輸入或者輸出;其中2，3端口可以輸入外部中斷信號，3，5，6，9，10，11六個管腳可提供8位（0-255）的PWM輸出;Reset復(fù)位端口：當其按下后可以使可以使此時連接的端口接到低電平，從而使Arduino復(fù)位。

2.2 語音識別模塊

本產(chǎn)品采取LD3320語音識別模塊。該模塊是ICRoute公司生產(chǎn)的一款非特定語音識別芯片，它內(nèi)置有非特定語音識別的DSP（Digital Signal Processing）算法。GND端用于接電源負極，vcc端接電源正極，ICR是識別模塊狀態(tài)顯示。當收到語音是該處有綠燈閃爍，TXD用于串口的數(shù)據(jù)發(fā)送，RXD用于數(shù)據(jù)的接收。MIP，MIN是MIC的電源正負極，不同的接法MIC的識別率不同。同時與電腦上的LP—COMM串口調(diào)試工具配合可動態(tài)添加50條指令。LD3320識別模塊無須外接其他設(shè)備，單一設(shè)備可完成語音識別。

2.3 舵機驅(qū)動板及其工作原理

常見的舵機一般有三根引線：黑色或棕色為地線，紅色為電源線，黃色為信號線。由MCU輸出PWM精度（0.5us）。常見的舵機由外殼，內(nèi)部驅(qū)動馬達，電路板，減速器等組成。其丁作原理：Arduino系統(tǒng)發(fā)送信號給舵機，由舵機內(nèi)部的電路板芯片驅(qū)動馬達開始轉(zhuǎn)動，透過減速馬達將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器傳送訊號，判斷是否已經(jīng)到達指定位置。

3 系統(tǒng)的程序設(shè)計

該系統(tǒng)軟件的設(shè)計是基于Arduino IDE開發(fā)環(huán)境。該環(huán)境底層使用C/C++語言開發(fā)。當程序員需要某一個模塊驅(qū)動程序時，直接在IDE庫函數(shù)中調(diào)用該模塊的頭文件加載到已有的文件中。在本系統(tǒng)設(shè)計采用頭文件，專門驅(qū)動舵機的轉(zhuǎn)動。圖2為系統(tǒng)的主流程圖。當電源接通以后，機械臂要復(fù)位操作，如果語音識別模塊識別到語音，該模塊上面的綠燈閃爍，再判斷內(nèi)容是不是原先設(shè)定的指令，再執(zhí)行相應(yīng)操作，否則要下一次識別。

部分程序如下：

#include //力Ⅱ載舵機庫函數(shù)

Servo myservol;//設(shè)置舵機1號

int powerl=30;//舵它機的角度變化量

int a=105;//舵機的初始位置

void setup0{

，/put your setup code here， to run once：

Serial.begin（9600）;//初始化波特率9600

myservol.attach（9）;//將9號端口為舵機信號輸出

myservol.write（90）;

void loop0（

，/put your main code here， to run repeatedly：

if （Serial.availableOV/串口的有效數(shù)據(jù)

（

int val= Serial.read0;//讀取串口的有效數(shù)據(jù)10進制數(shù)

Serial.println（vaD;

delay（10）;

switch （valy/選擇舵機的號位

{

case 0：

a=a - powerl;//舵機轉(zhuǎn)動的角度的變化

if（a>30）

{

myservol.write（a）;//實現(xiàn)打開垃圾桶蓋

）

else

myservol.write（a=a+powerl）;

break;

）

4 測試與結(jié)論

硬件設(shè)備連接成功，將USB轉(zhuǎn)TTL接口與LD3320語音識別模塊連接在PC端。通過LP-COMM串口調(diào)試將準備好的語音轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的指令。再將語音識別模塊與Arduino板卡連接，當語音喊出對應(yīng)垃圾名稱時，該種類的垃圾桶蓋將會打開。通過設(shè)定的一定的時間后，桶蓋再自動關(guān)閉。例如當使用者喊出“香蕉皮”時，相對應(yīng)的濕垃圾桶蓋白動打開。使用者喊出“電池”時相對應(yīng)的有害垃圾的桶蓋自動打開。通過這樣的識別做到了自主的垃圾分類。減少了人們對垃圾分類概念的含混。其相對應(yīng)也有一定的缺點：LD3320語音識別模塊的語音識別最佳距離是30CM-50CM之間。在串口傳輸數(shù)據(jù)的過程中由于外界的噪聲十擾，接收到的數(shù)據(jù)可能不是指定的指令。但這不影響垃圾桶對垃圾的自主分類。

經(jīng)過測試，垃圾桶反應(yīng)正常，一切按預(yù)期進行。該產(chǎn)品具有靈敏度高，價格相對低廉，操作較簡單等優(yōu)點，在以后的社會發(fā)展中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】

收稿日期：2019 -11-10

作者簡介：胥薇，通訊作者。