南開大學(xué)濱海學(xué)院 馬浚剛 朱振興 楊夢龍 曾慶之

在互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展的影響下，智能家居已經(jīng)成為了當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要熱點(diǎn)方向之一。本設(shè)計(jì)基于OWL Micro F1開發(fā)板，以STM32F103C8T6為核心，利用語音識別模塊ASR-M08B、語音播報(bào)模塊WT2003S-16和SG90模擬舵機(jī)實(shí)現(xiàn)垃圾桶的智能化聲音識別和語音控制，完成不同語音指令控制對應(yīng)垃圾桶垃圾蓋的自動(dòng)閉和和對垃圾種類進(jìn)行語音播報(bào)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過在模擬工作環(huán)境下對于設(shè)計(jì)正確識別率進(jìn)行檢測，統(tǒng)計(jì)出垃圾桶在正常工作環(huán)境中的正確識別的概率達(dá)到89.4%，可以在4m距離內(nèi)有效完成設(shè)計(jì)動(dòng)作和功能。

智能垃圾桶是利用自動(dòng)化控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)、新型的傳感器檢測裝置和機(jī)械傳動(dòng)裝置對傳統(tǒng)的垃圾桶進(jìn)行的改造，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，開始慢慢出現(xiàn)符合市場需求的智能家居產(chǎn)品。例如我們所制作的智能垃圾桶，其能夠拾取人體的熱紅外信號，然后通過智能垃圾桶內(nèi)置的單片機(jī)芯片進(jìn)行處理數(shù)據(jù)；通過控制裝置或傳統(tǒng)的機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶的智能開合，同時(shí)無需進(jìn)行接觸。但隨著智能垃圾桶行業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，其系統(tǒng)一般具有自動(dòng)開合、填充物超過警戒線后自動(dòng)報(bào)警等功能，但是這已經(jīng)不能滿足用戶的需求。此外，由于目前紅外熱釋光傳感器的感知距離有限，使得許多智能垃圾桶對人類的感知距離不足1m，無法實(shí)現(xiàn)人機(jī)更有效的互動(dòng)，與我們對于設(shè)計(jì)智能家居的理念背道而馳。我們本次設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，采用ASS-M08B模塊、語音識別模塊WT2003S-16和SG90模擬舵機(jī)實(shí)現(xiàn)垃圾桶的智能語音識別和語音控制，實(shí)現(xiàn)了各種語音命令對于控制相應(yīng)垃圾桶蓋的自動(dòng)開合和對垃圾種類進(jìn)行語音播報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)我們所需要的人機(jī)交互。

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 ASR-M08B語音識別模塊

ASR-M08B的語音識別部分采用的是LD3320芯片，然后集成了通過STC11L16XE的單片機(jī)做的一些指令、數(shù)據(jù)處理，相比于其他的LD3320的模塊，操作更加簡單，用戶不需要進(jìn)行太多的編程，直接串口發(fā)送指令設(shè)置關(guān)鍵詞即可識別。ASR-M08B模塊是支持三種識別檢測模式的，即：循環(huán)檢測模塊、口令檢測模式和按鈕檢測模式，在我們這個(gè)智能垃圾桶項(xiàng)目中，我們使用的是“口令檢測模式”，所謂的“口令檢測模式”，就意味著，我們先要對上口令，才能夠進(jìn)行下一步操作。

1.2 WT2003S-16S語音播報(bào)模塊

這個(gè)“語音播報(bào)模塊”是集成到了OWL Micro F1擴(kuò)展板上，主芯片使用的是WT2003S-16S這一MP3芯片的模擬U盤版本，其只支持SP-FLASH，可通過USB接口連接到電腦，直接將電腦里面的語音下載到FLASH模擬的可移動(dòng)盤符中（模擬U盤），以實(shí)現(xiàn)指定地址播放、指定插播地址播放、音量級數(shù)、上下曲、播放停止、循環(huán)模式等。

1.3 SG90模擬舵機(jī)

其工作原理是：舵機(jī)內(nèi)部中有一個(gè)參考電壓，微處理器產(chǎn)生的PWM信號通過信號線進(jìn)入舵機(jī)，產(chǎn)生直流偏置電壓，與舵機(jī)基準(zhǔn)電壓比較，從而獲得輸出的電壓差。正負(fù)的電壓差用來驅(qū)動(dòng)芯片，從而決定了正反轉(zhuǎn)方向。當(dāng)轉(zhuǎn)向控制裝置開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電位計(jì)由轉(zhuǎn)向控制裝置內(nèi)的級聯(lián)減速器驅(qū)動(dòng)，使電壓差為零，發(fā)動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。所以在每個(gè)垃圾桶上，都安裝了一個(gè)SG90的舵機(jī)，舵機(jī)用熱熔膠固定在了垃圾桶上，通過杠桿原理的簡單運(yùn)用，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)垃圾桶的上蓋進(jìn)行開合動(dòng)作。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 ASR-M08B非特定語音識別流程

首先將ASR-M08B設(shè)置軟件將語音識別模塊里面的所有指令全部擦除，之后添加關(guān)鍵詞，在“ASR-M08B設(shè)置軟件”的“數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)”發(fā)送喚醒指令（一級指令）“00，la ji tong，254，$”，如果出現(xiàn)“寫入成功！”，喚醒指令的關(guān)鍵詞就設(shè)置完成，其余二級指令同理寫入。需要注意“00”為關(guān)鍵詞所在的行，如果只有一位數(shù)時(shí)，前面十位一定要0補(bǔ)齊；“l(fā)a ji tong”為識別的詞語其拼音之間需要用空格隔開；“254”是規(guī)定為口令模式中的口令，此外二級指令中“255”是規(guī)定的屏蔽詞，用來屏蔽本項(xiàng)目中語音播報(bào)的“可回收垃圾”等幾條語音，使其不被語音識別模塊識別到。ASR-M08B語音識別操作流程如圖1所示。

圖1 ASR-M08B語音識別操作流程圖

2.2 WT2003S-16S語音播報(bào)流程

首先用Micro USB線將擴(kuò)展板跟電腦連接，在電腦盤符里面，將出現(xiàn)模塊的FLASH格式化，通過“語音文字轉(zhuǎn)換軟件”生成音頻文件，再將音頻文件按生成順序依次復(fù)制到語音播報(bào)模塊當(dāng)中，若不按順序，則會(huì)造成語音播報(bào)時(shí)的混亂。之后進(jìn)行測試音頻語音播報(bào)，通過USB轉(zhuǎn)TTL模塊給OWL Micro F1擴(kuò)展板供電，在串口調(diào)試助手中輸入“指定SPIFLASH索引播放”功能的指令幀格式（如表1），如果語音播報(bào)模塊在播報(bào)“可回收垃圾”音頻，同時(shí)，串口助手也會(huì)返一個(gè)“00”字符（第一條音頻文件），則說明語音播報(bào)模塊調(diào)試成功。

表1 指令幀格式碼

2.3 SG90模擬舵機(jī)程序設(shè)計(jì)

SG90要求控制舵機(jī)的PWM信號頻率在50Hz左右，即周期為20ms的PWM信號，當(dāng)該信號的高電平部分在0.5ms～2.5ms之間時(shí)，對應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，具體對應(yīng)情況如表2。

表2 脈寬與轉(zhuǎn)動(dòng)角度關(guān)系表

3 系統(tǒng)工作流程（見圖2）

圖2 系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在系統(tǒng)故障搜索中，首先，系統(tǒng)中的每個(gè)模塊都是獨(dú)立的，以確保它能夠獨(dú)立工作。在這種情況下，將搜索到的所有模塊集成到軟件部分，然后進(jìn)行總體功能搜索和參數(shù)改進(jìn)。其次是模塊的安裝，根據(jù)每個(gè)模塊的大小和尺寸確定安裝位置。比如SG90舵機(jī)，其體積較小可以用熱熔膠固定在了垃圾桶背面方便控制垃圾蓋。特別注意的是，由于離線式語音識別芯片ASR-M08B的局限性，導(dǎo)致了識別率只能在90%左右，與在線式語音識別芯片還是有一定差距其次關(guān)鍵詞數(shù)量有限（最多50條），致使能夠?qū)懭氲年P(guān)鍵詞數(shù)量不多，有一定的局限性。

結(jié)束語：設(shè)計(jì)針對現(xiàn)有智能垃圾桶無法滿足智能家居的要求，我們提出將語音識別和語音播報(bào)結(jié)合起來，并使用非特定的語音識別芯片。例如：使用ASR-M08B芯片的智能控制，可以有效的幫助我們評估垃圾的種類，做好垃圾的分類。因此，有必要進(jìn)一步研究和改進(jìn)非特定語音識別算法，提高與語音識別的有效距離和語音識別的成功率。垃圾分類是一項(xiàng)國家工程，不僅需要政府的行動(dòng)，還需要相關(guān)社會(huì)組織、企業(yè)、群眾等的合作，作為條例的實(shí)施者，要積極參加環(huán)保講座，學(xué)習(xí)環(huán)保和垃圾分類的相關(guān)知識，培養(yǎng)自己的環(huán)保理念，理解條例精神，使條例得以貫徹執(zhí)行。