◎北京市東城區(qū)和平里第一小學(xué) 劉宗益

2021年，我參加“我的冬奧夢(mèng)”小記者國(guó)際營(yíng)比賽并獲得了北京賽區(qū)一等獎(jiǎng)和全國(guó)“冬奧小記者”稱號(hào)。在學(xué)習(xí)并記憶冰雪運(yùn)動(dòng)和2022年北京冬奧會(huì)場(chǎng)館方面的知識(shí)時(shí)，我產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)烈的想法，希望利用自己在科技社團(tuán)學(xué)到的單片機(jī)開(kāi)發(fā)方面的知識(shí)，設(shè)計(jì)制作一種能與人語(yǔ)音互動(dòng)、幫助大家學(xué)習(xí)冬奧知識(shí)的小機(jī)器人。

在老師和家長(zhǎng)的指導(dǎo)下，我進(jìn)行課題立項(xiàng)、檢索資料、制訂計(jì)劃，不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)，終于制作出基于人機(jī)語(yǔ)音交互功能的北京冬奧智能小展館（下稱“智能小展館”），實(shí)現(xiàn)了自己的設(shè)想。

作品功能：

1.人機(jī)語(yǔ)音交互功能

“智能小展館”中有3個(gè)虛擬人物：2022年北京冬奧會(huì)機(jī)器人館長(zhǎng)（簡(jiǎn)稱“北京機(jī)長(zhǎng)”）、“冰墩墩”、“雪容融”。北京機(jī)長(zhǎng)是“智能小展館”的控制者，“冰墩墩”和“雪容融”是講解員。

我們可以通過(guò)說(shuō)出關(guān)鍵詞與虛擬人物進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)控制人物出現(xiàn)、講解開(kāi)始或停止、介紹2022年北京冬奧會(huì)比賽項(xiàng)目和場(chǎng)館、展館關(guān)燈、展示結(jié)束等功能。

2.多媒體講解知識(shí)

“智能小展館”可通過(guò)圖像顯示、合成語(yǔ)音播放、圖標(biāo)彩燈指引、角色動(dòng)作等形式，介紹2022年北京冬奧會(huì)比賽場(chǎng)館和運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目等知識(shí)，還能在完成一定數(shù)量的項(xiàng)目講解后，播報(bào)獎(jiǎng)牌榜消息。

設(shè)計(jì)原理：

Arduino Uno控制器連接離線語(yǔ)音識(shí)別模塊，離線語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別到語(yǔ)音，便與程序中的關(guān)鍵詞進(jìn)行比對(duì)，匹配后生成返回值，傳送給控制器和MP3播放器?？刂破鞲鶕?jù)返回值控制LED燈帶、串口顯示屏、舵機(jī)執(zhí)行相應(yīng)指令，同時(shí)控制MP3播放器播放相應(yīng)文件編號(hào)的語(yǔ)音。

圖1 作品設(shè)計(jì)原理圖

準(zhǔn)備工作：

我選用了一款基于Arduino Uno的帶顯示器的語(yǔ)音識(shí)別垃圾分類套件，在它的基礎(chǔ)上進(jìn)行改制。另外，我還準(zhǔn)備了兩個(gè)SG90舵機(jī)、一條WS2812燈帶、連接卡扣、一個(gè)給Arduino Uno引腳直接供電的5 V電源模塊、2500 mA的鋰電池和杜邦線。

表1 電子硬件清單

制作過(guò)程：

1.連接硬件

圖2 電子硬件連接圖

我將語(yǔ)音識(shí)別模塊的UART接口——TX1、RX1、5V、接地接口分別連接主控板的數(shù)字引腳2、數(shù)字引腳3、5V、接地接口；將BUSY、TX2引腳分別連接MP3播放器的BUSY、RX引腳；將串口顯示屏的UART接口——TX、RX、5V、接地接口分別連接主控板的數(shù)字引腳4、數(shù)字引腳5、5V、接地接口；將LED燈帶連接數(shù)字引腳6；將舵機(jī)1連接數(shù)字引腳10；將舵機(jī)2連接數(shù)字引腳11。

2.制作組件

我用彩色打印機(jī)在透明不干膠紙上打印2022年北京冬奧會(huì)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目圖標(biāo)（下稱圖標(biāo)）。在KT板四周切出圖標(biāo)大小的長(zhǎng)方形板，切后的KT板上的長(zhǎng)方形孔之間的距離與LED燈帶上兩燈的間距一致。然后，又在KT板中間切出串口顯示屏大小的長(zhǎng)方形板，可使串口顯示屏嵌入KT板中間的長(zhǎng)方形孔中。

接著，我將打印的圖標(biāo)貼在KT板四周的長(zhǎng)方形孔上。將冰墩墩和雪容融卡片粘在適當(dāng)長(zhǎng)度的吸管上，再將兩根吸管分別插在兩個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)臂上。

為了美觀，我設(shè)計(jì)了中式大門和門匾圖，也打印在透明不干膠紙上，再粘在亞克力板上。然后，我將LED燈帶剪成分別帶有5個(gè)燈、2個(gè)燈、6個(gè)燈、2個(gè)燈的四段，用卡扣將其連接后粘在切有長(zhǎng)方形孔的KT板背面，LED燈和圖標(biāo)的位置需相互對(duì)應(yīng)。

3.安裝硬件

我在亞克力盒內(nèi)墊一塊KT板，按照各模塊的尺寸在KT板的適當(dāng)位置開(kāi)孔，再將所有的模塊嵌入。接著，將粘有圖標(biāo)的KT板插在冰墩墩和雪容融卡片下面，同時(shí)扣在串口顯示屏邊框上，最后蓋上“中式大門”和“門匾”。

4.制作媒體文件

我采用錄音或合成語(yǔ)音的方式制作MP3語(yǔ)音文件，文件按要求編號(hào)上傳至MP3播放器配置的TF卡，內(nèi)容示例見(jiàn)圖5。

圖3 作品內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4 作品實(shí)物圖

顯示屏圖像文件需使用廠家官網(wǎng)下載的制作軟件來(lái)制作。在網(wǎng)上搜索下載相關(guān)圖片后進(jìn)行編輯，之后上傳到串口顯示屏中。

5.編寫(xiě)程序

程序的主要功能是開(kāi)啟語(yǔ)音識(shí)別模式，并監(jiān)聽(tīng)語(yǔ)音識(shí)別模塊串口。應(yīng)用循環(huán)條件判斷語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別到不同的關(guān)鍵詞后，控制MP3播放器、串口顯示屏、LED燈帶、舵機(jī)執(zhí)行關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)的指令。

程序還包含了設(shè)置語(yǔ)音識(shí)別模塊和串口顯示屏控制函數(shù)的兩個(gè)頭文件，它們需與軟串口函數(shù)庫(kù)、控制燈帶的Fastled第三方庫(kù)、舵機(jī)Servo函數(shù)庫(kù)一同在程序開(kāi)始時(shí)導(dǎo)入。

圖5 語(yǔ)音內(nèi)容示例

測(cè)試效果與改進(jìn)想法：

我測(cè)試作品“智能小展館”，作品系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各功能單元正常工作。語(yǔ)音識(shí)別效果體驗(yàn)良好，在1米以內(nèi)的安靜環(huán)境下使用，準(zhǔn)確率在95%以上，在嘈雜的環(huán)境下通過(guò)設(shè)置屏蔽詞、穩(wěn)定音量等方法可一定程度地降低誤識(shí)率。

接下來(lái)，我希望能應(yīng)用大容量語(yǔ)料庫(kù)的語(yǔ)音識(shí)別模塊，或者開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)在線語(yǔ)音識(shí)別，增加應(yīng)用主題和傳播內(nèi)容，提高語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確率，增強(qiáng)智能交互體驗(yàn)。

老師推薦：

作者制作作品運(yùn)用了單片機(jī)控制和編程的基礎(chǔ)知識(shí)，嘗試了多個(gè)智能模塊的應(yīng)用，表現(xiàn)出很強(qiáng)的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。作品緊扣時(shí)代主題，實(shí)現(xiàn)了人工智能交互功能，使用者體驗(yàn)感良好。