徐云平

（福建無(wú)線電設(shè)備有限公司，福建三明，365001）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，垃圾處理問(wèn)題日益凸顯，已經(jīng)成為國(guó)家甚至全球不可回避的問(wèn)題?，F(xiàn)在越來(lái)越多國(guó)家開(kāi)始實(shí)施垃圾分類的政策，由于居民分類的意識(shí)和能力的欠缺，而是當(dāng)下垃圾的類型繁雜而多，有些垃圾分類邊界模糊，容易引起錯(cuò)誤投放，增加了對(duì)垃圾進(jìn)行分類的難度，推廣垃圾分類阻力大、難度高、準(zhǔn)確性偏低[1]。因此，應(yīng)提高垃圾分類的自動(dòng)化水平，以解決人為垃圾類不準(zhǔn)確、耗時(shí)較長(zhǎng)等問(wèn)題[2]。實(shí)現(xiàn)垃圾識(shí)別與智能分類就顯得非常必要，其中基于圖像識(shí)別與深度學(xué)習(xí)的垃圾分類研究比較多。

李美錕[3]等提出基于GPU深度學(xué)習(xí)的智能垃圾桶設(shè)計(jì)，該垃圾通具有分類準(zhǔn)確度高、使用簡(jiǎn)單便捷等優(yōu)點(diǎn)。王偉杰[4]等采用機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)，采集圖片信息，利用Yolov4目標(biāo)檢測(cè)算法，將垃圾進(jìn)行智能分類，并將其放入自帶的相應(yīng)垃圾桶中。楊皓文[5]等基于樹(shù)莓派利用CNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練的模型數(shù)據(jù)對(duì)讀取的圖像進(jìn)行分類檢測(cè)，通過(guò)控制電機(jī)將垃圾送入其所屬分類的收納桶中?；跈C(jī)器視覺(jué)與機(jī)器視覺(jué)算的的智能分類垃圾桶容易受環(huán)境影響識(shí)別準(zhǔn)確率不夠高等缺點(diǎn)，本文提出了一款基于語(yǔ)音識(shí)別的智能分類垃圾桶的設(shè)計(jì)，該垃圾桶通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別與控制相應(yīng)的垃圾桶倉(cāng)門的開(kāi)閉達(dá)到垃圾的自動(dòng)識(shí)別、智能分類的效果。

1 智能分類垃圾桶總框架

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到系統(tǒng)功能的實(shí)用性及成本的可行性，采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)垃圾桶的智能分類要求。該硬件系統(tǒng)主要包括語(yǔ)音識(shí)別模塊、語(yǔ)音播放模塊、垃圾分類處理模塊、控制模塊、紅外測(cè)距模塊和電源管理模塊等，其系統(tǒng)總框圖如圖1所示。在整個(gè)智能分類垃圾桶系統(tǒng)中，單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制器，整個(gè)分類系統(tǒng)都是在它的控制下完成工作的，并且單片機(jī)為系統(tǒng)提供外部接口，如LED燈、按鍵、數(shù)據(jù)采集電路等。首先在語(yǔ)音識(shí)別模塊沒(méi)有接收到喚醒指令的時(shí)候，整個(gè)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)其接收到“垃圾桶”的喚醒指令后通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)作出反饋和說(shuō)出對(duì)應(yīng)垃圾后語(yǔ)音識(shí)別檢測(cè)語(yǔ)音輸入時(shí)和完成垃圾桶動(dòng)作行為的播報(bào)，經(jīng)過(guò)STM32芯片中心控制模塊的分析處理后啟動(dòng)外圍運(yùn)動(dòng)控制電路模塊，舵機(jī)收到發(fā)聵做出相應(yīng)開(kāi)蓋、關(guān)蓋等相關(guān)動(dòng)作，垃圾丟進(jìn)垃圾桶時(shí)，選擇投入桶蓋打開(kāi)垃圾的種類。

圖1 智能分類垃圾桶的系統(tǒng)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控器

本設(shè)計(jì)控制模塊采用STM32F103C8T6單片機(jī)，該單片機(jī)提供外接的I/O口和完成對(duì)來(lái)自其他模塊的信號(hào)處理和輸出控制，完成垃圾分類全過(guò)程的監(jiān)測(cè)和控制，其最小系統(tǒng)如圖2所示，包含電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路與簡(jiǎn)單的外圍電路。電源電路通過(guò)EM6211-33電壓轉(zhuǎn)換芯片將外部電源提供的5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V電源為單片機(jī)供電。

圖2 STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)

2.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊

智能分類垃圾桶語(yǔ)音識(shí)別模塊采用LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片,其內(nèi)部帶有閃存，最多可支持五十個(gè)識(shí)別條目，可以簡(jiǎn)單、快速實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、聲控、人機(jī)對(duì)話功能。該語(yǔ)音識(shí)別芯片具有強(qiáng)大的語(yǔ)音識(shí)別特征庫(kù)，識(shí)別功能靈敏、短距離內(nèi)識(shí)別誤差小[6]。該芯片是非特定人語(yǔ)音識(shí)別，不需要用戶事先訓(xùn)練和錄音，且識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表是可以任意動(dòng)態(tài)編輯的。語(yǔ)音識(shí)別模塊LD3320與單片機(jī)之間通過(guò)并行方式進(jìn)行連接，如圖3所示，其中T_TX引腳與STM32F103C8T6的31號(hào)引腳相連、Y_RX引腳與單片機(jī)的30號(hào)引腳相連。

圖3 語(yǔ)音識(shí)別模塊的電路連接

2.3 容量檢測(cè)模塊

該垃圾桶主要通過(guò)檢測(cè)垃圾桶內(nèi)垃圾到桶蓋的距離來(lái)進(jìn)行容量檢測(cè)，并判斷是否達(dá)到垃圾需要清理的要求。采用紅外測(cè)距模塊進(jìn)行容量檢測(cè)，其電路如圖4所示，紅外模塊的輸出OUT腳接在單片機(jī)的26號(hào)引腳上。

圖4 紅外模塊的電路設(shè)計(jì)

2.4 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音播報(bào)模塊選用JQ8400語(yǔ)音播報(bào)模塊，該模塊包含專用于音頻解碼的IC，可以有效保證音頻的音質(zhì)。語(yǔ)音播報(bào)模塊采用5V供電，在使用時(shí)將喇叭兩端分別接在SP+和SP-引腳，BUSY作為模塊工作接口，接在控制器的通用I/O口PA1上，RX和TX為模塊的接收和發(fā)送端口，分別連接在PA2和PA3口上。

圖5 語(yǔ)音播報(bào)模塊JQ8400的電路連接

2.5 運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)

智能垃圾桶桶蓋開(kāi)閉控制采用模擬舵機(jī)SG90進(jìn)行控制，SG90舵機(jī)通過(guò)橙色信號(hào)線進(jìn)行PWM輸入，其接線圖如圖6所示。

圖6 SG90 舵機(jī)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

智能分類垃圾桶的主程序主要包括語(yǔ)音識(shí)別模塊、桶蓋控制模塊、容量檢測(cè)模塊、按鍵模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊。

按鍵模塊用于控制桶蓋的開(kāi)閉控制；語(yǔ)音識(shí)別模塊主要用于垃圾分類識(shí)別并控制相應(yīng)的垃圾桶開(kāi)閉與語(yǔ)音播報(bào)；容量檢測(cè)模塊檢測(cè)垃圾桶內(nèi)的垃圾是否裝滿，如裝滿LED就閃爍進(jìn)行提示相關(guān)人員。其主流程圖如圖7所示。

圖7 主流程圖

3.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊主要包含對(duì)語(yǔ)音的采集和判斷。要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制語(yǔ)音命令進(jìn)行識(shí)別和垃圾分類庫(kù)的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)于垃圾桶的智能化語(yǔ)音識(shí)別控制，完成遠(yuǎn)距離非接觸式信號(hào)的獲取和傳輸。智能分類垃圾桶通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊采集并識(shí)別用戶發(fā)出的指令。設(shè)置了一級(jí)喚醒指令和二級(jí)控制指令，本系統(tǒng)的一級(jí)喚醒指令為“小慧”，二級(jí)指令為常見(jiàn)的垃圾名稱。當(dāng)垃圾桶接收到語(yǔ)音“小慧”時(shí)，進(jìn)入待命狀態(tài)，等待二級(jí)控制指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，延時(shí)15S沒(méi)有二級(jí)控制指令則返回到待機(jī)狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證智能分類垃圾桶的有效性，本文分別在2m、5m、10m和15m四個(gè)不同距離，由非特定的3人（編號(hào)A、B、C）在不同的環(huán)境下對(duì)一級(jí)喚醒指令和二級(jí)控制指令各進(jìn)行10次測(cè)試。

系統(tǒng)上電后，3人發(fā)出“小慧”的喚醒指令，除了在15m嘈雜環(huán)境時(shí)出現(xiàn)2次異常，其余情況都能正常喚醒并使指示燈亮起，進(jìn)入二級(jí)控制指令檢測(cè)與識(shí)別狀態(tài)；15s無(wú)二級(jí)控制語(yǔ)音指令，指示燈熄滅返回到待機(jī)狀態(tài)。

對(duì)二級(jí)控制語(yǔ)音進(jìn)行10個(gè)不同的垃圾名稱語(yǔ)音進(jìn)行50次反復(fù)試驗(yàn)，將正確結(jié)果取均值，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 二級(jí)語(yǔ)音測(cè)試結(jié)果

通過(guò)上表可得：離垃圾桶越遠(yuǎn)，語(yǔ)音識(shí)別垃圾分類的準(zhǔn)確率越低，語(yǔ)音識(shí)別芯片的允許范圍大概為15m；不同的測(cè)試人員對(duì)識(shí)別率也有影響；嘈雜環(huán)境對(duì)語(yǔ)音識(shí)別也有一定的干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于語(yǔ)音識(shí)別的智能分類垃圾桶，該垃圾桶以STM32F103C8T6為主控器，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊對(duì)垃圾進(jìn)行分類檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送至單片機(jī)控制舵機(jī)打開(kāi)對(duì)應(yīng)的桶蓋，并進(jìn)行語(yǔ)音提醒與語(yǔ)音播報(bào)；每次垃圾投放后對(duì)相應(yīng)垃圾桶進(jìn)行滿載檢測(cè)，當(dāng)達(dá)到一定容量時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)與指示燈提示工作人員進(jìn)行清理。通過(guò)不同的非特定測(cè)試人員、不同距離和不同環(huán)境對(duì)智能分類垃圾桶進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證其智能垃圾分類的準(zhǔn)確性和有效性。