基于語音識別的交互式智能垃圾桶的實現

祁選寧，周鑫垚，陳可，杜世偉，賈偉偉

（徐州工業職業技術學院信息工程學院，江蘇徐州，221140）

0 引言

在21 世紀的今天，隨著我們國家經濟日益增長，人民的生活水平也不斷提高，同時日益增長的垃圾也隨之而來，隨著我們國家對垃圾分類的普及加大，居民也提高了不少對垃圾分類的了解，但是面對當下繁雜的垃圾，家里的一些老年人容易錯放垃圾，加大對垃圾分類的難度。國內現有的智能垃圾桶，無論是按鈕電動式、紅外翻蓋式都是功能單一的垃圾桶，沒有對垃圾進行自動打包、消殺。因此為了提高垃圾分類的家庭化及自動化，本文設計出了一款基于語音識別的智能分類垃圾桶，該垃圾桶可以根據語音交互來判斷垃圾的種類，以此達到垃圾智能分類的效果。

1 交互式垃圾桶總框架

本文在設計這款基于語音識別的交互式垃圾桶時，結合實用性考慮，采用了模塊化的設計理念，把整體系統分為硬件系統以及嵌入式軟件系統。硬件系統主要包括供電模塊、智能語音模塊、集滿預警模塊、打包模塊、消殺模塊，其中垃圾桶的系統總框架如下圖1 所示。STM32 微控制器是整個系統的核心，所有功能也是在這個微控制器上實現的。首先在語音模塊在沒有收到喚醒指令前整個垃圾桶處于待機狀態，在垃圾桶收到喚醒指令“你好，小凈”，智能語音模塊回答“你好，主人”后根據語音播報的相關垃圾名稱語音模塊完成語音輸入后，經過STM32 主控芯片的判斷后輸出PWM 波控制舵機使垃圾桶進行翻蓋，然后丟入相應垃圾即可，垃圾滿后，則發出語音提示信息。

圖1 垃圾桶系統總框架

2 硬件系統設計

2.1 硬件系統MCU

本設計主控芯片采用STM32H750VBT6 單片機，該單片機可以提供大量外接的I/O 口來進行信號處理與相應的輸出控制，完成垃圾分類的過程以及打包、消殺等內容。如圖2 所示為該主控芯片的最小系統，其中包括復位電路、時鐘電路、基準電壓電路、RTC-BAT 電路等。

圖2 STM32H750VBT6 最小系統

2.2 語音識別與播報模塊

本設計使用百科榮創出品的小創智能語音模塊，其中，asrWordlist.txt 文件的功能是編輯識別內容，serialTTS.txt 是編輯合成播放內容、串口輸出輸入內容，config.ini 是對小創語音識別模塊的參數配置。在編輯對小創語音的asrWordlist.txt、serialTTS.txt、config.ini 三個文件中均使用UTF-8 格式編碼，使用文本編輯器軟件編輯好后0，用“小創語音識別系統串口下載工具.exe”的工具軟件下載到小創語音識別模塊電路板上，即可實現本地識別、本地合成、串口通信的自由定義。小窗語音識別模塊圖片如下圖3。語音模塊電路圖如下圖4

圖3 小創語音識別模塊

圖4 小創語音識別模塊電路圖

2.3 舵機控制模塊

本文采用的舵機模塊為SG90 模擬舵機，此舵機三根線分為：棕色（GND）、紅色（VCC）、黃色（PWM），將這PWM 根線接入對應可以輸出PWM 波控制信號的IO 即可。

SG90 的舵機其要求的信號頻率在50HZ 左右，也就是PWM波的信號的20ms，根據信號脈寬對應的舵機轉動的角度，具體如表1 所示。

表1 脈寬與舵機角度表

2.4 超聲波模塊

本文使用的是HC-SR04，該模塊在本設計中利用超聲波來測試垃圾桶中垃圾的存放量。模塊可提供約2cm 到400cm 的非接觸式距離感測功能，精度可達到3mm。HC-SR04 模塊TRIG 引腳負責發送超聲波脈沖串。超聲波測距模塊實物如圖5 所示。

圖5 超聲波測距模塊

現已知聲速是340m/s 根據公式X=VT

3 軟件設計

3.1 主程序設計

語音識別交互式垃圾桶的主程序主要包括語音識別、語音播報、垃圾打包、垃圾消殺等模塊。

在聽到提示音“你好，小創”的時候，準備識別語音，根據語音提示的內容判斷垃圾的種類，然后打開相應的垃圾桶的蓋子，投入垃圾。根據超聲波模塊檢測垃圾桶中垃圾是否已滿，做出相應預警及打包，提示主人丟垃圾。在垃圾存放過程中出現異常氣味時，觸發相應的紫外線模塊，進行消殺。程序流程圖如圖6 所示。

圖6 程序流程圖

4 功能驗證

為驗證垃圾桶語音識別的有效距離，本文在對距離垃圾桶1m、3m、5m、8m 處進行語音喚醒以及垃圾語音提示音，以此對垃圾桶的語音識別能力進行判斷。

在系統上電后，經過語音測試，僅在8m 處出現三次語音識別問題，其中三次均為垃圾語音提示音問題，在丟入相應垃圾后垃圾桶運行正常。

在經過語音開啟，丟滿垃圾桶時，垃圾桶合蓋后3s 進行預警，6s 后打包完整，并發出語音預警。在經過語音提示音后，丟入有氣味的有害垃圾后，垃圾桶內的紫外線燈能夠正常開啟。測試實物圖如圖7 所實。

圖7 語音交互式垃圾桶實物

5 結語

本文設計的語音交互式垃圾桶中的功能依靠超聲波傳感器模塊、氣味傳感器模塊、紫外線模塊以及語音模塊實現數據采集，然后傳至MCU 進行邏輯處理并作出判斷，控制舵機對垃圾桶進行開合，氣味重或者超過預定時間后進行紫外線消殺，裝滿時實現預警與打包，封裝打包后，垃圾桶開蓋，方便丟取。本文設計的垃圾桶為垃圾分類家庭化、個人化提供了人性化的服務，同時在特殊時降低了交叉感染的意外。在本設計方案在陸續推進的過程中，還需要經過不斷的完善與優化，以此在達到滿意的效果，從而能夠更好的為實行垃圾分類，做出應有的貢獻。