語音控制垃圾桶的設計與實現

摘要：針對大眾對于垃圾分類出現的現象與問題，文章研究出一款能夠通過智能語音識別進行垃圾分類的智能垃圾分類系統。該系統基于ASRPR0芯片作為控制器，同時ASRPR0芯片內部的神經網絡處理器作為主要的語音識別模塊。該系統通過ASRPRO開發板音頻接口外接喇叭作為語音播放模塊，采用SG90舵機作為舵機驅動的選型。語音控制垃圾桶不僅可以提高垃圾分類工作，還可以減少垃圾分類的工作量。

關鍵詞：垃圾分類；ASRPR0；語音識別

中圖分類號：TN911.7 文獻標志碼：A

0 引言

智能系統現在已經成為軟件研發市場的主流業務，而且在生活中的運用也是隨處可見，例如：工業、農業、醫學和軍事等。此次研究將“智能系統”與“城市生活”相聯系并設計出智能語音識別垃圾分類系統。該系統是一種隨著垃圾分類事業和人工智能技術發展所結合的復合技術。在綠色、環保、清潔理念的推廣下，我國把垃圾分類歸類了4種，分別是有害垃圾、廚余垃圾、其他垃圾、可回收垃圾［1-3］。這種復合技術被稱為智能語音識別垃圾分類系統。該系統將ASRPR0芯片作為控制器，同時ASRPR0芯片內部的神經網絡處理器為主要的語音識別模塊。該系統通過ASRPRO 開發板音頻接口外接喇叭作為語音播放模塊，采用SG90舵機作為舵機驅動的選型［4］。該研究總共包括日常需要的4種不同的垃圾桶。系統中的ASRPR0芯片具有語音識別、聲紋識別、語音增強、語音檢測等功能，實現使用者對垃圾桶的語音操作。

1 系統硬件設計

該智能語音識別垃圾分類系統由ASRPR0芯片、外接喇叭組成。ASRPR0芯片通過麥克風收集人聲，經濾波、放大后輸入內部的神經網絡處理器。神經網絡處理器作為人聲處理以及控制端口，負責對接收的人聲進行識別處理。同時，處理器會對人聲指令做出反饋，即對編好的垃圾種類信息進行匹配。ASRPR0芯片根據匹配好的垃圾種類發出脈寬調制操作對舵機發出指令，以完成對垃圾桶的打開和閉合操作［5］。

1.1 控制器模塊

系統采用ASRPR0芯片作為控制器模塊。開發板板載RS485、433M無線收發、紅外收發、ESP32-C3（2.4 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth 5LE）、SPI彩屏、數碼管、RGB燈、光敏傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、1路繼電器輸出模塊。系統所用的帶語音識別的物聯網開發板，基于32位RISC-V 內核，內置神經網絡處理器。ASRPR0芯片支持 DNNTDN-NRNN 等神經網絡及卷積運算，支持語音識別、聲紋識別、語音增強、語音檢測等功能，也具備強勁的回聲消除和環境噪聲抑制能力。開發板板載RS485、433M無線收發、紅外收發、ESP32-C3（2.4 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth 5LE）幾種通信方式；SPI彩屏、數碼管、RGB燈3種顯示模塊；光敏傳感器、DHT11溫濕度傳感器2種常用傳感器；1路繼電器輸出模塊。ASRPR0芯片搭配天問 Block 圖形化編程軟件，可快速實現語音交互及控制和各類智能語音物聯網方案應用。

ASRPRO開發板搭載了ASRPRO芯片，體積小，范圍為3.6～5 V。ASRPRO芯片原理如圖1所示。開發板在語言前端處理中具有降噪、分幀、預加重的效果，根據時域與頻域的特征可進行有效提取。語言識別有訓練和識別2個環節，具有高性能、低延遲、超遠距離識別、超短響應時間的特點。

1.2 語音播放模塊

該設計選擇SP15喇叭作為語音播放的選型。

它是一種把電信號轉變為聲信號的換能器件。在轉換器件中，音頻電可以通過電磁、壓電或者靜電效益，使得SP15的膜片振動從而與周圍的空氣產生共振發出聲音。SP15喇叭具有電聲性能好、結構牢固、成本低、應用廣泛等優點［6］。SP15喇叭可以滿足該設計的智能語音垃圾分類系統中播放器對音頻數據的轉化和播放需求。

1.3 舵機驅動模塊

該系統采用SG90舵機作為舵機驅動的選型，SG90舵機的PWM脈寬調制信號是周期為20ms的控制信號而且脈沖寬度范圍是0.5～2.5ms，相對應的角度范圍是0～180°，呈現一種線性變化。簡而言之，為SG90舵機提供一個范圍內的脈寬，SG90的舵機輸出軸就會保持在一個相應的角度范圍內。在外界轉矩變換的情況下，只有給SG90舵機一個不同寬度的信號，SG90舵機才會改變自己的輸出角度，移到寬度下新的對應位置上，使得SG90舵機滿足智能語音識別垃圾分類系統對舵機的需求［7］。

2 系統軟件設計

該設計采用ASRPR0芯片為軟件主控芯片。系統硬件設計流程如圖2所示，當ASRPR0芯片中的麥克風識別到人聲時，首先ASRPR0芯片內置神經網絡處理器判斷所識別的聲音是否為有效語言。若是，則將有效語音信號轉換為可執行的命令傳遞到ASRPR0芯片；若否，則ASRPR0芯片再次進行語音識別。語音信號傳遞到ASRPR0芯片后，進行舵機轉動和語音播報操作并執行打開垃圾桶蓋。由傳感器檢測垃圾桶的狀態和垃圾的類型等信息，確保數據處理的及時性和準確性。

程序開始執行時首先獲取語言識別模塊開始工作，若成功喚醒則發送命令字。ASRPR0芯片進行語音采集，再進行語音識別。若否，則重新回到獲取語音識別芯片模塊，重新識別語言。成功識別后，ASRPR0芯片將識別到的命令字與數據庫中關鍵字對比，再判斷是否為二級語言指令。若是，則程序結束，開始對垃圾桶進行操作；若否，則程序回到獲取語言識別模塊再次開始。系統設計流程如圖3所示。

3 實驗結果與分析

3.1 可行性分析

當系統正常運行時，用戶須要說出指令“垃圾桶”來對裝置進行喚醒，系統采集識別并確認后將回應用戶并對接下來的二級口令進行識別。當二級口令被進一步識別，該系統會和所編程序中數據庫的關鍵字進行配對。配對成功后，系統會進行對應垃圾桶開蓋、語音播報的操作。研究組對系統分別使用“剩飯菜”“報紙”“蓄電池”“創可貼”等多個二級口令進行多次測試。該系統的識別正確率可以達到95%，而且系統的語音控制模塊、舵機驅動模塊都能做出預期的操作，實現語音播報、垃圾桶自動開蓋的功能。

3.2 性能分析

系統的識別準確度和響應速度也是此設計關注的重點。研究組對系統在室內無干擾的環境下進行識別準確度和響應速度的性能分析，測試并記錄系統的正確識別次數和響應時間。研發組將對兒童、青少年、成年男性、成年女性、老年人5類聲音進行模擬語音而后完成測試。該次分析測試了4條二級口令，每條二級口令測試50次，測試數據如表1所示。

通過測試數據可以發現，不同年齡段人的聲音對系統的識別準確度沒有太大影響，二級口令的識別準確率已經可以達到95%以上。可能是由于在室內無干擾的環境下，該系統的識別準確度比較高。因此，該系統在家里、社區甚至街道中等無干擾的環境中都能有較好的性能表現，能做到幫助用戶實現垃圾分類。

4 結語

基于ASRPR0芯片將語音識別模塊運用到日常生活中的分類垃圾桶上，推進了垃圾分類的事業和人工智能技術的發展。智能語音識別垃圾分類系統也逐漸成為大眾接受的一種環保設施。未來這項技術會適應越來越個性化的需求和最終應用目標。在互聯網技術和智能算法的不斷創新下，該技術還將有更加廣闊的市場和發展前景。同時，全社會的合作意識和教育是推廣消費品普及的關鍵，不僅要融合更多的高科技元素，也需要更多不拘泥于傳統成規的方案和模式的思考和動員。智能語音識別垃圾分類系統作為垃圾分類領域的新技術應用，具有巨大的潛力。通過技術改進、用戶體驗優化、市場推廣和政府支持，智能語音識別垃圾分類系統有望在未來成為垃圾分類工作的重要工具，為環境保護事業做出更大的貢獻。

參考文獻

［1］中華人民共和國國家發展和改革委員會，中華人民共和國住房和城鄉建設部.“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃［EB/OL］.（2016-12-31）［2023-08-05］.https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/201701/W020190905497906455466.pdf.

［2］新華社.國務院辦公廳轉發《生活垃圾分類制度實施方案》［EB/OL］.（2017-03-30）［2024-05-13］.https：//www.gov.cn/xinwen/2017-03/30/content_5182184.htm.

［3］楊婷.城市生活垃圾分類現狀和對策淺析［J］資源節約與環保，2020（1）：142.

［4］王琪，李波濤.可持續性設計：戶外智能垃圾桶設計研究［J］.藝術與設計（理論），2019（8）：111-112.

［5］張林，常遠成，趙貝雨.以STM32單片機為基礎制作的智能垃圾桶［J］.福建電腦，2021（2）：114-115.

［6］魏子瑄，劉小剛，陳真貴，等.基于語音識別技術的智能分類垃圾桶［J］.單片機與嵌入式系統應用，2020（1）：79-82.

［7］張家欣，許樹華，姜彥吉.基于TMS320C5416的非特定人識別智能聲控垃圾桶系統設計［J］.電子界，2018（7）：122-123.

Design and realization of voice-controlled trash cans

Abstract： In view of the phenomena and problems of the public on garbage classification， this paper studies an intelligent garbage classification system that can carry out garbage classification through intelligent voice recognition. The system is based on the ASRPR0 chip as the controller， and the neural network processor inside the ASRPR0 chip is used as the main speech recognition module. The system uses the audio interface of the ASRPRO development board to connect an external speaker as the voice playback module， and uses the sg90 servo as the servo drive selection. Voice-controlled trash can not only improve garbage classification， but also reduce the workload of garbage classification.

Key words： garbage classification; ASRPR0; speech recognition