基于語(yǔ)音識(shí)別的垃圾自動(dòng)分類(lèi)裝置設(shè)計(jì)與制作

李文祺 鄭定超 余建浙

摘要：垃圾分類(lèi)能夠提高資源利用率與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但是少部分人群缺乏垃圾分類(lèi)意識(shí)，無(wú)法有效、快速地進(jìn)行垃圾分類(lèi)，導(dǎo)致亂扔垃圾、投放錯(cuò)誤的現(xiàn)象。為此設(shè)計(jì)一款基于語(yǔ)音識(shí)別的垃圾自動(dòng)分類(lèi)裝置，通過(guò)人機(jī)對(duì)話，由智能垃圾桶自動(dòng)識(shí)別語(yǔ)音從而判斷所投放的垃圾類(lèi)別，進(jìn)而打開(kāi)不同的垃圾桶，由人為判斷垃圾分類(lèi)轉(zhuǎn)為自動(dòng)識(shí)別，免除了人為判斷;同時(shí)自動(dòng)開(kāi)關(guān)垃圾桶蓋，避免了與垃圾桶直接接觸，更加方便、衛(wèi)生、快捷。裝置經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)試運(yùn)行，語(yǔ)音識(shí)別精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音識(shí)別;垃圾分類(lèi);定位聯(lián)網(wǎng);資源可回收;自動(dòng)判斷

中圖分類(lèi)號(hào)：TP31 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(fā)展，人們的生活生產(chǎn)水平不斷提高，隨之產(chǎn)生的垃圾也越來(lái)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(jìn)行垃圾回收處理，首先需要對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)。

垃圾分類(lèi)（Garbage classification），一般是指按一定規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)將垃圾分類(lèi)儲(chǔ)存、投放和搬運(yùn)，從而轉(zhuǎn)變成公共資源的一系列活動(dòng)的總稱。通過(guò)垃圾分類(lèi)，能夠提高垃圾的資源價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，盡量使其回收可再利用。垃圾的數(shù)量不斷增多，如果不及時(shí)處理，不僅會(huì)造成環(huán)境污染，還會(huì)造成資源浪費(fèi)。當(dāng)下，政府主要依靠垃圾分類(lèi)宣傳，提供分類(lèi)垃圾桶，由投放者自行投放垃圾，但是往往缺乏垃圾分類(lèi)準(zhǔn)則經(jīng)常出現(xiàn)亂投放的現(xiàn)象，偶爾還會(huì)出現(xiàn)垃圾在垃圾桶蓋上面的情況。如何實(shí)現(xiàn)垃圾快速準(zhǔn)確分類(lèi)是我們需要解決的難題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目擬采用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)垃圾自動(dòng)分類(lèi)裝置，通過(guò)語(yǔ)音讓裝置自動(dòng)識(shí)別判斷用戶所扔的垃圾屬于哪一種垃圾，從而打開(kāi)對(duì)應(yīng)的垃圾桶蓋，讓用戶不再為復(fù)雜的垃圾分類(lèi)而煩惱，能夠把人為判斷轉(zhuǎn)為垃圾桶自動(dòng)判斷，讓更多的人免除了分類(lèi)判斷，而且自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉垃圾桶，讓人避免了與垃圾桶的直接接觸，更加衛(wèi)生。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

垃圾自動(dòng)分類(lèi)裝置除了語(yǔ)音分類(lèi)功能外，還設(shè)計(jì)了垃圾溢出報(bào)警功能，判斷當(dāng)前垃圾量超過(guò)警戒容量時(shí)自動(dòng)報(bào)警提醒清理垃圾;增加裝置定位以及聯(lián)網(wǎng)功能，可以向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)施監(jiān)控。

3 ?硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，垃圾自動(dòng)分類(lèi)裝置的硬件部分主要包括電動(dòng)垃圾桶的設(shè)計(jì)制作、單片機(jī)語(yǔ)音控制電路的設(shè)計(jì)制作、定位模塊、限位報(bào)警模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)制作。單片機(jī)通過(guò)語(yǔ)音模塊識(shí)別出語(yǔ)音內(nèi)容后打開(kāi)相應(yīng)的垃圾桶蓋子;通過(guò)定位模塊發(fā)送當(dāng)前位置;通過(guò)限位報(bào)警模塊，當(dāng)檢測(cè)到垃圾超過(guò)警戒位置時(shí)產(chǎn)生報(bào)警動(dòng)作以及通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊與服務(wù)器連接傳輸數(shù)據(jù)。

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是指使用最少的元器件組成能夠讓單片機(jī)正常工作的系統(tǒng)，主要包括電源電路、晶振電路和復(fù)位電路。裝置設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6單片機(jī)，此款單片機(jī)上手容易，外部接口資源豐富，采用Cortex-M3內(nèi)核，滿足設(shè)計(jì)要求，支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤。STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

單片機(jī)作為核心控制器，主要處理語(yǔ)音模塊的信號(hào)，處理判斷后控制對(duì)應(yīng)的電機(jī)動(dòng)作打開(kāi)相應(yīng)的垃圾桶蓋子;同時(shí)需要協(xié)同定位、報(bào)警、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。

3.2 語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)（Automatic Speech Recognition），是將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)輸入。LD3320聲控芯片是基于非特定人語(yǔ)音識(shí)別的一款芯片，芯片本身自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換接口，無(wú)須外接存儲(chǔ)芯片就能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別和人機(jī)對(duì)話功能。LD3320能夠識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加減，功能強(qiáng)大、使用方便。

語(yǔ)音識(shí)別過(guò)程是將用戶的語(yǔ)音內(nèi)容通過(guò)頻譜轉(zhuǎn)換為特征量，語(yǔ)音特征量再與原先內(nèi)置的一系列語(yǔ)音關(guān)鍵字進(jìn)行逐一比較，將比較最匹配的一條作為最終識(shí)別結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)通過(guò)大量的垃圾分?jǐn)?shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)合理的關(guān)鍵詞列表，由于芯片與算法的限制，每條關(guān)鍵字的長(zhǎng)度需要控制在30字以內(nèi)。語(yǔ)音模塊的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.3 定位聯(lián)網(wǎng)模塊

垃圾自動(dòng)分類(lèi)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(yōu)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(shù)據(jù)等。

聯(lián)網(wǎng)功能采用ATK-M751全網(wǎng)通產(chǎn)品，支持移動(dòng)4G/3G/2G、 聯(lián)通 4G/3G/2G 和電信 4G 手機(jī)卡;它支持 TCP/UDP/HTTP/MQTT/DNS/RNDIS/NTP 協(xié)議，支持連接多種云服務(wù)器，支持自動(dòng)定時(shí)采集任務(wù)等，并且支持 RS232 和 RS485 兩種串行接口。定位聯(lián)網(wǎng)模塊的連接示意圖如圖4所示。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，垃圾自動(dòng)分類(lèi)裝置的軟件設(shè)計(jì)主要包括語(yǔ)音識(shí)別程序、限位檢測(cè)報(bào)警程序與位置發(fā)送程序的實(shí)現(xiàn)。

4.1 語(yǔ)音識(shí)別程序

LD3320芯片的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)是基于“關(guān)鍵詞語(yǔ)列表”的識(shí)別技術(shù)，原理就是接收到聲音傳感器（麥克風(fēng)）傳來(lái)的電壓信號(hào)以后通過(guò)寄存器操作，語(yǔ)音識(shí)別的流程如圖5所示。

關(guān)鍵詞列表的規(guī)則是每個(gè)識(shí)別條目對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的編號(hào)，不同的識(shí)別條目的編號(hào)可以相同，而且不用連續(xù)。

關(guān)鍵詞列表示例見(jiàn)表1，表中的“北京”和“首都”對(duì)應(yīng)同一編號(hào)，說(shuō)明這兩個(gè)詞會(huì)有相同的結(jié)果返回;關(guān)鍵詞的編號(hào)可以相同，可以不連續(xù)，但是數(shù)值要小于256（00H-FFH）。

4.2 定位聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸

定位模塊通過(guò)串口與控制模塊連接，輸出采用NMEA-0183 協(xié)議，是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)表2。定位模塊上電初始化完成后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行定位，對(duì)定位信息進(jìn)行字符串切割操作即可獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

無(wú)線聯(lián)網(wǎng)模塊支持超文本傳輸協(xié)議（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）模式傳輸數(shù)據(jù)，HTTP是一個(gè)簡(jiǎn)單的請(qǐng)求-響應(yīng)協(xié)議，通常運(yùn)行在TCP之上;它指定了客戶端可能發(fā)送給服務(wù)器什么樣的消息以及得到什么樣的響應(yīng)。HTTP模式請(qǐng)求數(shù)據(jù)示意圖如圖6所示。

5 結(jié)論

大量的垃圾不僅容易造成環(huán)境污染，還是浪費(fèi)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(jìn)行垃圾分類(lèi)，可以提高垃圾回收的效率，通過(guò)垃圾分類(lèi)管理，最大限度地實(shí)現(xiàn)資源的可回收再使用。通過(guò)研究設(shè)計(jì)一個(gè)基于語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的垃圾自動(dòng)分類(lèi)裝置，內(nèi)置大量的垃圾分類(lèi)關(guān)鍵詞，用戶通過(guò)說(shuō)出垃圾的名稱，由垃圾桶自動(dòng)識(shí)別分類(lèi)，從而打開(kāi)相應(yīng)的垃圾桶蓋，使用戶免于垃圾分類(lèi)的苦惱，另外避免了與垃圾桶直接接觸。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)行測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，語(yǔ)音識(shí)別精度高，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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