基于語音識別的垃圾自動分類裝置設計與制作

李文祺 鄭定超 余建浙

摘要：垃圾分類能夠提高資源利用率與經濟價值，但是少部分人群缺乏垃圾分類意識，無法有效、快速地進行垃圾分類，導致亂扔垃圾、投放錯誤的現象。為此設計一款基于語音識別的垃圾自動分類裝置，通過人機對話，由智能垃圾桶自動識別語音從而判斷所投放的垃圾類別，進而打開不同的垃圾桶，由人為判斷垃圾分類轉為自動識別，免除了人為判斷;同時自動開關垃圾桶蓋，避免了與垃圾桶直接接觸，更加方便、衛生、快捷。裝置經過設計試運行，語音識別精度高，運行穩定可靠。

關鍵詞：語音識別;垃圾分類;定位聯網;資源可回收;自動判斷

中圖分類號：TP31 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）35-0118-03

Design and Manufacture of Automatic Garbage Sorting Device Based on Speech Recognition

LI Wen-qi， ZHENG Ding-chao， YU Jian-zhe

（Zhejiang Dongfang Polytechnic， Wenzhou 325000， China）

Abstract： Garbage classification can improve resource utilization and economic value， but a small number of people lack the awareness of garbage classification， unable to effectively and quickly carry out garbage classification， leading to littering and putting in the wrong phenomenon. Therefore， an automatic garbage classification device based on speech recognition is designed. Through human-computer dialogue， the intelligent garbage can automatically recognize the speech， so as to judge the type of garbage， and then open different garbage cans， so as to change the manual judgment of garbage classification into automatic recognition， which avoids human judgment; At the same time， the garbage can cover can be automatically opened and closed to avoid direct contact with the garbage can， which is more convenient， sanitary and fast. After design and trial operation， the device has high speech recognition accuracy and stable and reliable operation.

Key words： speech recognition; garbage classification; location networking; recycled; automatic judgment

1 引言

伴隨科技發展，人們的生活生產水平不斷提高，隨之產生的垃圾也越來越多。目前處理垃圾的常用方式主要為填埋和焚燒，垃圾回收處理所占的比例不高。要想進行垃圾回收處理，首先需要對垃圾進行分類。

垃圾分類（Garbage classification），一般是指按一定規定或標準將垃圾分類儲存、投放和搬運，從而轉變成公共資源的一系列活動的總稱。通過垃圾分類，能夠提高垃圾的資源價值和經濟價值，盡量使其回收可再利用。垃圾的數量不斷增多，如果不及時處理，不僅會造成環境污染，還會造成資源浪費。當下，政府主要依靠垃圾分類宣傳，提供分類垃圾桶，由投放者自行投放垃圾，但是往往缺乏垃圾分類準則經常出現亂投放的現象，偶爾還會出現垃圾在垃圾桶蓋上面的情況。如何實現垃圾快速準確分類是我們需要解決的難題。

2 系統設計

本項目擬采用語音識別技術，設計一個垃圾自動分類裝置，通過語音讓裝置自動識別判斷用戶所扔的垃圾屬于哪一種垃圾，從而打開對應的垃圾桶蓋，讓用戶不再為復雜的垃圾分類而煩惱，能夠把人為判斷轉為垃圾桶自動判斷，讓更多的人免除了分類判斷，而且自動開啟和關閉垃圾桶，讓人避免了與垃圾桶的直接接觸，更加衛生。系統方案設計框圖如圖1所示。

垃圾自動分類裝置除了語音分類功能外，還設計了垃圾溢出報警功能，判斷當前垃圾量超過警戒容量時自動報警提醒清理垃圾;增加裝置定位以及聯網功能，可以向遠程控制中心發送數據，實施監控。

3 ?硬件設計

根據系統方案設計，垃圾自動分類裝置的硬件部分主要包括電動垃圾桶的設計制作、單片機語音控制電路的設計制作、定位模塊、限位報警模塊、無線網絡模塊的設計制作。單片機通過語音模塊識別出語音內容后打開相應的垃圾桶蓋子;通過定位模塊發送當前位置;通過限位報警模塊，當檢測到垃圾超過警戒位置時產生報警動作以及通過無線網絡模塊與服務器連接傳輸數據。

3.1 單片機最小系統

單片機最小系統是指使用最少的元器件組成能夠讓單片機正常工作的系統，主要包括電源電路、晶振電路和復位電路。裝置設計采用STM32F103C8T6單片機，此款單片機上手容易，外部接口資源豐富，采用Cortex-M3內核，滿足設計要求，支持實時仿真和跟蹤。STM32單片機最小系統電路設計如圖2所示。

單片機作為核心控制器，主要處理語音模塊的信號，處理判斷后控制對應的電機動作打開相應的垃圾桶蓋子;同時需要協同定位、報警、無線網絡模塊發送與接收數據。

3.2 語音識別技術

語音識別技術（Automatic Speech Recognition），是將語音信號轉換為計算機能夠識別的信號輸入。LD3320聲控芯片是基于非特定人語音識別的一款芯片，芯片本身自帶模數轉換和數模轉換接口，無須外接存儲芯片就能實現語音識別和人機對話功能。LD3320能夠識別的關鍵詞語可以實現動態加減，功能強大、使用方便。

語音識別過程是將用戶的語音內容通過頻譜轉換為特征量，語音特征量再與原先內置的一系列語音關鍵字進行逐一比較，將比較最匹配的一條作為最終識別結構。系統通過大量的垃圾分數據構造一個合理的關鍵詞列表，由于芯片與算法的限制，每條關鍵字的長度需要控制在30字以內。語音模塊的電路設計如圖3所示。

3.3 定位聯網模塊

垃圾自動分類裝置定位功能采用的是ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊，該模塊采用 S1216F8-BD 模組，體積小巧，性能優異;自帶 IPX 接口，可以連接各種有源天線;自帶可充電后備電池，可以掉電保持星歷數據等。

聯網功能采用ATK-M751全網通產品，支持移動4G/3G/2G、 聯通 4G/3G/2G 和電信 4G 手機卡;它支持 TCP/UDP/HTTP/MQTT/DNS/RNDIS/NTP 協議，支持連接多種云服務器，支持自動定時采集任務等，并且支持 RS232 和 RS485 兩種串行接口。定位聯網模塊的連接示意圖如圖4所示。

4 軟件實現

根據系統方案設計，垃圾自動分類裝置的軟件設計主要包括語音識別程序、限位檢測報警程序與位置發送程序的實現。

4.1 語音識別程序

LD3320芯片的語音識別技術是基于“關鍵詞語列表”的識別技術，原理就是接收到聲音傳感器（麥克風）傳來的電壓信號以后通過寄存器操作，語音識別的流程如圖5所示。

關鍵詞列表的規則是每個識別條目對應一個特定的編號，不同的識別條目的編號可以相同，而且不用連續。

關鍵詞列表示例見表1，表中的“北京”和“首都”對應同一編號，說明這兩個詞會有相同的結果返回;關鍵詞的編號可以相同，可以不連續，但是數值要小于256（00H-FFH）。

4.2 定位聯網無線傳輸

定位模塊通過串口與控制模塊連接，輸出采用NMEA-0183 協議，是美國國家海洋電子協會為海用電子設備制定的標準格式，幀格式形如：$aaccc，ddd，ddd， ...，ddd*hh（CR）（LF）。GPS 定位信息（Global Positioning System Fix Data）指令格式如：$GNGGA，（1），（2），（3），（4），（5），（6），（7），（8），（9），M，（10），M，（11），（12）*hh（CR）（LF），具體含義見表2。定位模塊上電初始化完成后，會自動進行定位，對定位信息進行字符串切割操作即可獲取相應的數據信息。

無線聯網模塊支持超文本傳輸協議（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）模式傳輸數據，HTTP是一個簡單的請求-響應協議，通常運行在TCP之上;它指定了客戶端可能發送給服務器什么樣的消息以及得到什么樣的響應。HTTP模式請求數據示意圖如圖6所示。

5 結論

大量的垃圾不僅容易造成環境污染，還是浪費資源，合適、高效地處理垃圾是我們急需解決的難題之一。垃圾處理之前進行垃圾分類，可以提高垃圾回收的效率，通過垃圾分類管理，最大限度地實現資源的可回收再使用。通過研究設計一個基于語音識別技術的垃圾自動分類裝置，內置大量的垃圾分類關鍵詞，用戶通過說出垃圾的名稱，由垃圾桶自動識別分類，從而打開相應的垃圾桶蓋，使用戶免于垃圾分類的苦惱，另外避免了與垃圾桶直接接觸。系統經過運行測試，運行穩定可靠，語音識別精度高，具有良好的應用價值。

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【通聯編輯：梁書】