孫景偉,丁學(xué)用

(三亞學(xué)院 理工學(xué)院,海南 三亞 572022)

0 引言

如今我國城市垃圾分類領(lǐng)域的人工智能產(chǎn)品大致分為三類:智能分類垃圾桶、智能自動分揀設(shè)備以及基于AI技術(shù)的垃圾分類軟件。智能分類垃圾桶應(yīng)用于城市垃圾分類處理的收集環(huán)節(jié);智能自動分揀設(shè)備用于城市垃圾分類的處理環(huán)節(jié);而基于AI技術(shù)的垃圾分類軟件則應(yīng)用于城市垃圾分類處理的宣傳教育環(huán)節(jié)[1]。

本課題主要設(shè)計一款智能分類垃圾桶,運用AI語音識別技術(shù),將垃圾進行智能分類,打造出一套完整的智能垃圾分類系統(tǒng)。用戶使用這款垃圾桶就無須耗費時間在垃圾分類上,可以積極響應(yīng)國家政策號召,提高垃圾回收利用率。這個體系成功突破了垃圾分類遇到的瓶頸,使不同類別垃圾得到合理的回收利用[3]。

1 基本原理

1.1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)硬件設(shè)計主要由:STM32主控模塊、LD3320語音識別模塊、DFPlayer語音播放模塊、舵機模塊以及電源模塊組成。STM32最小功能系統(tǒng)板作為系統(tǒng)的一個主控處理中心,負(fù)責(zé)進行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各個功能模塊的系統(tǒng)工作;語音模塊LD3320負(fù)責(zé)分析識別語音信號,根據(jù)識別結(jié)果歸納出當(dāng)前是屬于哪種垃圾,通過串口將識別的垃圾類型發(fā)送給主控中心;語音播放模塊DFPlayer,主控中心發(fā)送播放指令給語音播報模塊,模塊接收到對應(yīng)的指令后,從SD卡提取語音文件進行播放;舵機模塊,主控中心發(fā)送信號控制各個舵機,每個舵機控制垃圾桶的打開或關(guān)閉。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 整體框架結(jié)構(gòu)

1.2 主要研究內(nèi)容

本課題是在智能分類垃圾桶研究基礎(chǔ)上,查閱了相關(guān)文獻(xiàn),設(shè)計出語音識別智能分類垃圾裝置,主要對其智能分類進行仿真研究。研究的主要內(nèi)容如下:

(1)對智能分類垃圾桶各部分結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計,對其各部分的工作原理進行了描述。(2)智能語音識別功能。當(dāng)使用者要扔垃圾時,只需要站在垃圾桶的識別方位內(nèi)對著垃圾桶說:“垃圾分類”,垃圾桶語音自動回復(fù)“你好”,接著用戶需說出垃圾名稱。(3)延時關(guān)蓋。當(dāng)人們?nèi)油昀x開時,垃圾桶桶蓋延時一段時間后自動關(guān)閉。(4)語音播報功能?？梢圆シ懦觥澳愫?、廚余垃圾、其他垃圾、有害垃圾、可回收物”等語音指令,且演示采用四個小型垃圾桶與舵機結(jié)合。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 STM32主控模塊初始化子程序

主控芯片STM32作為智能垃圾分類系統(tǒng)的重要模塊,在編程開發(fā)時,有很多模塊需要驅(qū)動。在STM32主控芯片開發(fā)時筆者采用的是Keil uvision5開發(fā)環(huán)境,其具有應(yīng)用范圍廣泛、功能全面、性能優(yōu)良、界面簡單、容易操作的優(yōu)點,非常適合STM32的開發(fā)使用。模塊中包括了串口的初始化、語音識別模塊的初始化等基本模塊[2]。

2.2 語音識別模塊子程序

下面描述的是模塊語音識別程序的中斷模式。工作的流程:首先,對模塊的初始化;其次,模塊進行編寫識別清單;最后,部件開始進行識別最后產(chǎn)生響應(yīng)中斷。(1)開始模塊初始化。執(zhí)行諸如復(fù)位,模式設(shè)置等操作。(2)模塊進行編制識別清單。每個辨識條目對應(yīng)一個1字節(jié)特定的數(shù)值編寫,該數(shù)值可以重復(fù),但值不能超過256[5]。以拼音串的形式編寫進模塊,每兩個拼音必須用空格隔開。(3)部件開始進行識別。數(shù)模轉(zhuǎn)換是麥克風(fēng)輸入通道,把人類的語音轉(zhuǎn)換為可識別的電信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換增益表示麥克風(fēng)的音量。值越高,麥克風(fēng)音量越高,語音識別越敏感,并且判斷錯誤的可能性越高。值越小,麥克風(fēng)音量越低。檢測功能需要更大的音量,但干擾抑制效果更好。(4)響應(yīng)中斷。當(dāng)麥克風(fēng)收到聲音時將產(chǎn)生一個中斷信號,并且中斷程序?qū)鶕?jù)寄存器所給值進行分析結(jié)果[4]。

3 硬件調(diào)試

3.1 垃圾桶桶身控制模塊實物連接

為了測試本文設(shè)計的基于STM32的智能垃圾分類系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,對系統(tǒng)進行調(diào)試分析。智能分類垃圾桶系統(tǒng)由STM32主控模塊、語音識別模塊、語音播放模塊以及舵機機械驅(qū)動模塊組成,通過語音模塊接收信息,主控制器驅(qū)動桶邊舵機轉(zhuǎn)動,對應(yīng)垃圾桶蓋打開,連接實物如圖2所示。

圖2 智能分類垃圾桶連接實物

3.2 垃圾桶語音識別功能測試

系統(tǒng)接上電源后,通過調(diào)試串口連接垃圾桶蓋實物轉(zhuǎn)動情況觀察舵機旋轉(zhuǎn)角度與方向。在垃圾桶保持有效距離的情況下,測試系統(tǒng)的語音識別模塊是否正常工作,本設(shè)計中的垃圾桶識別的關(guān)鍵字為“牛奶盒”“剩菜剩飯”“廢電池”“一次性餐具”等。在說出“垃圾分類”時,垃圾桶語音播報回復(fù)“你好”,對著垃圾桶說“牛奶盒”,垃圾桶自動識別種類,語音播報“可回收物”。同時,舵機控制齒輪旋轉(zhuǎn)并打開可回收物垃圾桶桶蓋,延時一段時間后桶蓋舵機控制齒輪反轉(zhuǎn)關(guān)閉;在說出“剩菜剩飯”時,語音播報“廚余垃圾”,垃圾桶蓋旁的舵機正常工作,舵機控制齒輪旋轉(zhuǎn)打開對應(yīng)桶蓋,延時一段時間后桶蓋閉合;在說出“廢電池”時,語音播報功能正常,語音播放“有害垃圾”,桶蓋旁的舵機正常工作,控制齒輪旋轉(zhuǎn)使對應(yīng)的有害垃圾桶桶蓋打開,幾秒鐘后桶蓋齒輪反轉(zhuǎn)關(guān)閉,語音識別功能正常。

4 結(jié)語

本文設(shè)計一個基于語音識別技術(shù)的智能分類垃圾桶,主要通過對垃圾桶說出“垃圾分類”指令,以此來喚醒LD3320語音識別模塊。在發(fā)出特定的垃圾語音信息后,STM32單片機隨即發(fā)出指令,DFPlayer模塊發(fā)出垃圾類別提示,同時STM32主控模塊驅(qū)動舵機打開對應(yīng)的垃圾桶桶蓋,幾秒后,垃圾桶蓋自動關(guān)閉。經(jīng)過對系統(tǒng)設(shè)計的功能測試表明,系統(tǒng)基本能夠完成所需功能并具有較強的穩(wěn)定性。