一種基于語音識別的垃圾分類投放箱的設計與實現

南京信息職業技術學院 袁迎春 胡 程 田佳琪 吳學功

本文基于AI語音識別技術，設計了一款智能垃圾分類投放箱，根據關鍵詞判斷垃圾所屬分類，并自動打開對應垃圾投放口，引導完成垃圾分類投放。以樹莓派作為系統的控制平臺，集成人體熱釋電傳感器、語音模塊、舵機等設備實現來人檢測、語音識別、垃圾分類播報、自動開箱、滿溢提示等功能，提高垃圾的資源價值和經濟價值。

近年來，我國加速推行垃圾分類，國家在“十二五”規劃中明確提出“建立健全垃圾分類回收制度”。目前，居民對垃圾分類的認識不足；現有垃圾箱（桶）分類形式過于簡單，結構設計不合理，需要居民主觀判斷垃圾種類后進行投放,投放正確率低。日常的垃圾分類令不少居民，尤其是中老年人感到困惑。為了幫助人們正確的投放垃圾，方便可靠的完成垃圾分類工作，本文設計了一款基于AI語音識別技術的智能垃圾分類投放箱。根據投放者說出的語音關鍵詞判斷垃圾所屬分類，按照可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾“四分法”，自動打開相關的垃圾投放口，引導完成垃圾的分類投放。

1 系統設計

本設計采用樹莓派作為系統的控制平臺，它可以提供1.4Ghz的運行頻率、支持無線WIFI通信和藍牙通信，配備有高清的HDMI端口。系統包含語音輸入輸出模塊、人體熱釋電傳感器、超聲波檢測模塊、顯示模塊、舵機等。智能分類垃圾桶系統框圖如圖1所示。

圖1 智能分類垃圾桶系統框圖

其主要功能包括：

（1）人體感應啟動，激活系統。

（2）識別語音關鍵詞，并判斷垃圾屬。

（3）打開對應的垃圾投放口，播放提示語音，引導垃圾投放。

（4）垃圾滿溢提示。

2 關鍵技術

2.1 語音識別

語音識別是將人們的聲音信號轉化為文字的過程，其核心功能是將物理世界的信息轉化成可供計算機處理的信息。由于計算量、訓練數據量極大，且需要大量的并行運算，目前語音識別的模型訓練部分基本都放在云端進行。與傳統的語音識別相比，云端語音識別在終端處只實現語音輸入,降噪處理以及特征提取的功能。而轉寫引擎、語義理解和關鍵詞提取在云端。

本設計采用百度AI語音開放平臺，通過百度云語音識別API接口，將音頻文件發送到云平臺上，再由云平臺返回給用戶識別出的文字。該方案極大的降低了語音識別的難度，準確率高、便捷可靠。進行識別的流程如圖2所示。

圖2 識別流程圖

2.2 人體感應模塊

系統平時處于休眠狀態，當檢測到有人活動時，激活語音識別功能，監聽并采集人們的語音信號，通過云平臺完成語音識別功能。該方案能夠降低系統功耗，防止噪音干擾。本設計采用熱釋電傳感器進行人體感應，當人體進入傳感器的感應范圍，輸出高電平，直到人離開后延時輸出低電平。

2.3 超聲波檢測模塊

當桶內垃圾過多，如果沒有及時清運，將會造成垃圾滿溢，影響垃圾回收。本設計在桶內安裝超聲波測距模塊，當檢測距離小于預設參數時，啟動滿溢報警，屏幕播放提示信息，并通知后臺系統及時清運。

2.4 舵機驅動模塊

系統選用4個SG90舵機連接垃圾桶蓋。控制器根據語音的比對信息，判定所屬的垃圾分類，輸出PWM方波信號控制舵機，打開或者關閉垃圾桶的桶蓋，完成垃圾投放功能。

3 系統工作流程

開機運行后，系統初始化。當檢測到有人出現時，語音識別功能激活。由喇叭播放歡迎詞并提示居民說出垃圾名稱。麥克風錄制語音信號，并通過網絡將聲音信號傳輸至百度云平臺，由云平臺返回語音識別的結果。

系統根據識別出的文字信息，與自身的垃圾分類信息庫進行對比，根據關鍵詞判斷垃圾所屬的分類。4個舵機分別控制著廚余垃圾、有害垃圾、可回收垃圾和其他垃圾對應的垃圾桶蓋。當關鍵詞符合時，系統輸出PWM波控制對應的舵機，打開垃圾箱。延時一段時間后關閉。若關鍵詞不符合4種分類種的任意一種，則播放語音提示居民再說一遍。垃圾投放完畢后，檢測一遍是否滿溢，若垃圾超過警戒線，則啟動報警，提示盡快轉運處理。詳細的工作流程如圖3所示。

圖3 智能分類垃圾箱工作流程圖

結束語：本文設計的智能垃圾分類投放箱，通過AI語音識別技術，實現垃圾識別過程的智能化，解決了不少中老年人的困惑，減少了垃圾分類所需的成本、人工費用和工作量，提高了垃圾的資源價值和經濟價值，貼合當前社會發展的需求。