一種室內(nèi)智能語音識別垃圾分類系統(tǒng)的設(shè)計

李繼超，賀曉倩，權(quán)亞騰，黨康博

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710021）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，我國垃圾產(chǎn)生量也在逐年遞增。據(jù)統(tǒng)計，僅城市生活垃圾年產(chǎn)量超過2 億噸，年增長率為8%～10%。我國的城市生活垃圾資源利用率不到5%，但是在國外卻超過60%[1]，面對愈演愈烈的“垃圾圍城”現(xiàn)象，研究一種有效的垃圾分類方法已經(jīng)十分緊迫。

針對垃圾的收集，國外市場開始出現(xiàn)智能垃圾桶[2-3]，如美國的Transhbot[4]和BigBelly、芬蘭的Enevo[5]，大多基于實時監(jiān)測、自動報警、液晶顯示屏進(jìn)行設(shè)計[6-8]。國內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)研究，主要分為感應(yīng)性垃圾桶、 太陽能垃圾桶與商業(yè)廣告垃圾桶，使得垃圾桶具有自動分類、報警和監(jiān)測可用容量等功能，但尚無法滿足自動識別分類的需求[9]。本文針對當(dāng)前現(xiàn)狀，設(shè)計了一個室內(nèi)智能語音識別垃圾分類系統(tǒng)，該分類系統(tǒng)采用語音識別技術(shù)，指導(dǎo)扔垃圾者對可回收、廚余、有害和其他垃圾4 類垃圾進(jìn)行正確的分類和投放，主動進(jìn)行垃圾分類[10-16]知識的播報和宣導(dǎo)。其次，該系統(tǒng)有效避免垃圾分類錯誤導(dǎo)致的二次分揀等問題。綜上所述，室內(nèi)智能語音識別垃圾分類系統(tǒng)可以節(jié)約人力資源，自動化程度高，有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

本設(shè)計采用STM32F103ZET6 單片機(jī)為核心控制器，以翻蓋垃圾桶實物為依托，配備智能語音庫，實時處理采集的數(shù)據(jù)信息，包括語音指令、手部感應(yīng)和容量檢測信息等，實現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境下，有效地進(jìn)行垃圾種類的識別和回收。

1 系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計的室內(nèi)智能語音識別垃圾分類系統(tǒng)具備語音播報、語音識別、串口通信、人機(jī)交互等功能。

本設(shè)計對原有腳踩垃圾桶進(jìn)行機(jī)械改造，采用MG995，TBS2701 舵機(jī)（15 kg），以此控制垃圾桶桶蓋的開關(guān)。當(dāng)語音助手識別關(guān)鍵詞含垃圾名稱時，串口發(fā)送數(shù)據(jù)至舵機(jī)控制模塊執(zhí)行開蓋操作。如果語音助手被喚醒，則會根據(jù)對話中的關(guān)鍵詞判斷垃圾的正確歸屬種類，打開對應(yīng)的垃圾桶蓋并且通過語音提醒使用者。當(dāng)檢測到垃圾桶已滿時，對應(yīng)的垃圾桶容量指示燈會常亮，同時語音提醒人們更換垃圾袋。功放模塊也可宣傳和普及正確的垃圾分類知識，幫助人們養(yǎng)成良好的垃圾分類習(xí)慣。管理員模式下，可通過按鍵控制對應(yīng)垃圾桶蓋打開或閉合，人為收集和更換垃圾袋。室內(nèi)智能語音識別垃圾分類系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1 所示。

圖1 室內(nèi)智能語音識別垃圾分類系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.1 Design scheme of indoor intelligent voice recognition garbage classification system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

室內(nèi)智能語音識別垃圾分類系統(tǒng)硬件設(shè)計包括供電模塊、STM32F103ZET6 主控模塊、通信模塊、超聲波感應(yīng)模塊、舵機(jī)模塊、垃圾桶容量檢測模塊、工作選擇模式模塊、語音識別模塊和控制按鍵等組成。

2.1 超聲波測距模塊

HC-SR04-1 是一款體積小，具有較寬工作電壓的超聲波測距模塊，探測距離為1 cm～450 cm，采用該模塊實現(xiàn)垃圾桶手部感應(yīng)和容量檢測等功能。該模塊有4 個引腳分別為VCC，Trig，Echo，GND。VCC 與GND 分別為模塊的電源和地接口；Trig 為觸發(fā)端口；Echo 為接收端口。該模塊的工作原理如下：STM32 通過Trig 端口提供至少持續(xù)10 μs 的高電平信號，模塊接收到該信號后連續(xù)發(fā)送8 個40 kHz 的方波，并檢測是否有信號返回，若檢測到返回信號則通過Echo 口向STM32 發(fā)送高電平信號，高電平持續(xù)時間為超聲波從發(fā)送到返回時間，可通過下面的公式計算距離：

距離=（高電平時間×聲速（340 m/s））÷2

其接口電路原理如圖2 所示。

圖2 超聲波感應(yīng)模塊接口Fig.2 Ultrasonic sensor module interface

2.2 舵機(jī)控制模塊

舵機(jī)模塊是一種集電機(jī)、 伺服驅(qū)動、PWM 信號接口為一體的伺服單元，用于需要精確位置控制的場合。

PWM 舵機(jī)的伺服系統(tǒng)由可變寬度的脈沖來進(jìn)行控制，控制線是用來傳送脈沖的。舵機(jī)的基準(zhǔn)信號周期為20 ms，占空比有限范圍0.5～2.5 ms。1.5 ms這個基準(zhǔn)信號定義為中位信號，當(dāng)脈寬給1.5 ms 時對270°舵機(jī)來說就是控制其處于135°的位置。舵機(jī)一般都有最大轉(zhuǎn)動角度和最小轉(zhuǎn)動角度，中間位置的定義就是從最大角度到最小角度的中間位置。不同舵機(jī)的最大轉(zhuǎn)動角可能不相同，但中間位置的脈沖寬度是一定的，那就是1.5 ms。

舵機(jī)控制采用定時器計數(shù)方式控制，周期為20 ms，PWM 有效控制數(shù)值為500～2500 μs，270°舵機(jī)精度為270/2000=0.135°。

垃圾分類系統(tǒng)要進(jìn)行機(jī)械改造，所以舵機(jī)的角度必須要精確。結(jié)合實際算出此垃圾分類系統(tǒng)舵機(jī)需要轉(zhuǎn)過的角度為22°對應(yīng)垃圾桶開蓋的角度。如圖3 所示。

圖3 舵機(jī)角度計算示意圖Fig.3 Schematic diagram of steering gear angle calculation

2.3 工作選擇模式模塊

工作選擇模式模塊主要由撥碼開關(guān)來實現(xiàn)。撥碼開關(guān)也稱為DIP 開關(guān)，是一款用來操作地址的控制開關(guān)，采用的是0/1 的二進(jìn)制編碼原理。采用4 路撥碼開關(guān)，一共有16 種編碼方式。主要是當(dāng)垃圾桶已滿時，用來切換工作模式和管理員模式。切換到管理員模式之后，所有工作模式下的功能都已關(guān)閉，其電源模塊電路如圖4 所示。

圖4 電源模塊電路圖Fig.4 Power module circuit diagram

2.4 語音識別模塊

為通過聲音的方式進(jìn)行語音識別和人機(jī)交互，本設(shè)計采用LD3320 語音模塊進(jìn)行設(shè)計。LD3320 是一顆基于非特定人語音識別計數(shù)的聲控芯片，集成了高精度的A/D 和D/A 接口，不再需要外接輔助的Flash 和RAM，可以實現(xiàn)語音識別、人機(jī)對話功能。語音識別ASR 技術(shù)，是基于關(guān)鍵詞語列表識別的技術(shù)，只需要設(shè)定好識別的關(guān)鍵詞語列表，并把這些關(guān)鍵詞語以字符的形式傳送到LD3320 內(nèi)部。UART串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信；板載5WD 類功放，可直接驅(qū)動4 Ω，3～5 W 喇叭，其端口及電路如圖5 所示。

圖5 語音識別模塊電路Fig.5 Speech recognition module circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)包括語音播報模塊、 語音識別模塊、串口通信模塊、人機(jī)交互模塊、管理員模式模塊。整體系統(tǒng)組成框架如圖6 所示。

圖6 整體系統(tǒng)組成框架Fig.6 Overall system composition framework

3.1 垃圾分類系統(tǒng)主程序設(shè)計

垃圾分類系統(tǒng)上電初始化完成后，首先播報當(dāng)前垃圾分類系統(tǒng)的感應(yīng)開蓋語音提醒的開關(guān)狀態(tài)，以及播報當(dāng)前垃圾分類系統(tǒng)的工作模式。工作模式指的是語音交互、手部感應(yīng)、垃圾桶容量檢測等功能，非工作模式（即管理員模式）指的是管理員可按鍵控制各個垃圾桶蓋的開啟和閉合，完成舊垃圾袋的收取和新垃圾袋的更換。垃圾分類系統(tǒng)主程序流程如圖7 所示。

圖7 垃圾分類系統(tǒng)主程序流程Fig.7 Main program flow chart of garbage sorting system

3.2 語音助手主程序設(shè)計

語音助手上電之后，開始初始化系統(tǒng)時鐘、GPIO、串口、定時器等相關(guān)資源，等待語音助手喚醒指令，如果聽到喚醒指令，則發(fā)送喚醒狀態(tài)串口指令至垃圾分類系統(tǒng)，同時播放“我在”語音。接著，檢測10 s內(nèi)是否有關(guān)鍵詞口令（關(guān)鍵詞：玻璃、雞蛋皮、殺蟲劑、骨頭等），若沒有，則直接進(jìn)入睡眠狀態(tài)，同時播放退出“好的，那我先溜了”語音文件；若有關(guān)鍵詞，則立即匹配對應(yīng)的關(guān)鍵詞，發(fā)送當(dāng)前關(guān)鍵詞對應(yīng)的串口識別碼（二位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)），播放對應(yīng)的語音文件（舉例：“玻璃”對應(yīng)的語音文件是“玻璃屬于可回收垃圾”），垃圾分類系統(tǒng)接收到二位十六進(jìn)制串口識別碼后，立即打開對應(yīng)垃圾桶桶蓋。最后，此時語音助手程序返回等待關(guān)鍵詞處，進(jìn)入新的一輪等待。

任何時候，串口USART1 接收到垃圾分類系統(tǒng)發(fā)送的串口數(shù)據(jù)后，立即匹配對應(yīng)的語音播放指令。語音助手程序流程如圖8 所示。

圖8 語音助手程序流程Fig.8 Voice assistant program flow chart

3.3 管理員模式下按鍵程序設(shè)計

進(jìn)入管理員模式后，若沒有按鍵按下時，則一直等待按鍵按下；當(dāng)檢測到有按鍵按下時，首先判斷是否為1 號按鍵按下 （此處1 號是指廚余垃圾桶、廚余垃圾桶蓋狀態(tài)和語音文件對應(yīng)的編號），如果是，再判斷是否為第一次按下，如果是第一次按下，則立即打開1 號垃圾桶蓋，同時播放1 號垃圾桶蓋打開語音文件，打開1 號狀態(tài)指示燈；如果不是第一次按下，則關(guān)閉1 號垃圾桶蓋，同時播放1號垃圾桶蓋關(guān)閉語音文件，關(guān)閉1 號狀態(tài)指示燈。同理，2 號可回收垃圾桶、3 號有害垃圾桶、4 號其他垃圾桶的按鍵控制流程類似。按鍵模塊程序部分流程如圖9 所示。

圖9 按鍵模塊部分程序流程Fig.9 Part of program flow chart of button module

4 系統(tǒng)結(jié)果分析

在完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計之后，對整個系統(tǒng)的功能進(jìn)行了驗證。本系統(tǒng)主要采用以STM32F103ZET6 和STM32F103RCT6 為微控制器，LD3320 語音芯片、超聲波手部感應(yīng)模塊、容量檢測模塊、舵機(jī)控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、以及功放模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)實物如圖10 和圖11所示。

圖10 系統(tǒng)控制板實物圖Fig.10 Physical picture of system control board

圖11 垃圾分類系統(tǒng)實物圖Fig.11 Physical map of garbage classification system

當(dāng)手部感應(yīng)垃圾桶蓋位置時，HC-SR04 超聲波傳感器檢測到閾值范圍內(nèi)有障礙物，此時STM32 對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，對應(yīng)的垃圾桶蓋自動打開，并通過語音助手播放對應(yīng)垃圾桶蓋打開語音文件。手部感應(yīng)測試結(jié)果如表1 所示。

表1 手部感應(yīng)模塊測試結(jié)果Tab.1 Hand sensor module test results

當(dāng)語音助手檢測到關(guān)鍵詞出現(xiàn)時，立即匹配對應(yīng)的關(guān)鍵詞，播放對應(yīng)的語音文件。針對不同的垃圾類別，分別模擬100 次實驗，對應(yīng)的語音識別測試結(jié)果如表2 所示，其中，測試對應(yīng)的識別速度如圖12 所示，可見，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，每完成一次垃圾分類識別的時間約為0.90 s，具有良好的識別速度。

表2 語音識別模塊測試結(jié)果Tab.2 Speech recognition module test results

圖12 垃圾種類識別速度Fig.12 Speed graph of garbage type recognition

5 結(jié)語

本文所設(shè)計的垃圾分類系統(tǒng)是由舵機(jī)控制模塊、手部感應(yīng)模塊、STM32 和LD3320 語音芯片控制板、功放外設(shè)模塊、按鍵控制模塊、功能狀態(tài)指示燈模塊、垃圾桶容量檢測模塊等7 大部分組成。本設(shè)計采用降壓穩(wěn)壓處理、語言識別、串口通信、人機(jī)交互等技術(shù)，設(shè)計一套綠色環(huán)保、自動化管理及安全可靠的室內(nèi)智能語音識別垃圾分類系統(tǒng)。

本垃圾分類系統(tǒng)目前雖然具有垃圾分類的基本功能，但是仍然有改進(jìn)和完善的地方，比如增加對所投放的垃圾進(jìn)行圖像識別，分類錯誤時語音播報等擴(kuò)展功能，使此作品更加的智能化，使垃圾分類更加人性化。