基于Arduino 和語音識別的智能垃圾分類系統(tǒng)*

黃 鵬，徐 燕

（北京物資學院 信息學院，北京 101149）

0 引言

垃圾分類對資源回收再利用和社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。2017 年3 月，中國國家住建部和國家發(fā)改委下發(fā)了 《生活垃圾分類制度實施方案》,2019 年7月1 日上海開始施行《上海市生活垃圾管理條例》，2020 年5 月1 日北京開始施行《北京市生活垃圾管理條例》[2-3]。

但近年來垃圾分類實施效果并不盡如人意[4]，其中的一個主要原因是居民要做的事情太繁瑣以及需要學習的垃圾分類相關(guān)知識較多，導致居民垃圾分類的積極性不高[5]。因此亟需科技手段更好協(xié)助居民進行垃圾分類，提高居民垃圾分類積極性，增強垃圾分類實施效果。

目前，智能化垃圾處理設備的研究集中在調(diào)動人們對于垃圾分類的積極性、傳統(tǒng)垃圾桶的智能改造以及將深度學習技術(shù)應用在垃圾分類中。余漢生等提出以“制約”和“獎勵”為理念、以設計為手段的城市生活垃圾分類回收系統(tǒng)[6]；尤肖肖等利用半自動鏈接原理以及對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進等方式解決了現(xiàn)有技術(shù)中垃圾桶功能單一、無法自動分類的缺陷[7]；呂程熙比較了深度神經(jīng)網(wǎng)絡和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡,認為深度神經(jīng)網(wǎng)絡在不同分類任務中具有更高的準確度[8]；吳碧程等將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡應用在自動識別和分類垃圾過程中[9]。

為了同時解決垃圾分類以及向居民有效宣導垃圾正確分類知識的雙重問題，本文設計基于Arduino 和語音識別的智能垃圾分類系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，居民只需說出垃圾名稱，就可實現(xiàn)自動將該垃圾對應分類的垃圾桶蓋打開，從而減輕居民垃圾分類的難度，提高垃圾分類實施效果。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)由Android 移動端APP、HC-05 藍牙模塊、下位機控制模塊組成。下位機控制模塊又包括Arduino 開發(fā)板、舵機、供電電源和垃圾桶。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

居民通過打開Android 移動端APP，說出垃圾名稱，Android 移動端APP 會對輸入的語音進行解析，得出該垃圾對應的分類，并通過HC-05 藍牙模塊將分類結(jié)果發(fā)送到Arduino 開發(fā)板，Arduino 開發(fā)板根據(jù)分類結(jié)果控制相應舵機動作，從而帶動對應分類的垃圾桶蓋打開，實現(xiàn)垃圾分類。

1.1 Android 移動端APP

移動端APP的開發(fā)環(huán)境為MIT APP Inventor 平臺，只需要通過拖拽基于塊的接口，就能快速構(gòu)建Android程序[10]。首先通過MIT APP Inventor 中的語音識別器實現(xiàn)對用戶語音輸入的識別，將語音信息轉(zhuǎn)換為文本信息；然后調(diào)用天行數(shù)據(jù)提供的垃圾分類接口，將文本信息轉(zhuǎn)化為垃圾類別信息；最后通過手機藍牙與HC-05 藍牙模塊進行藍牙連接，將垃圾類別信息發(fā)送出去。

1.2 HC-05 藍牙模塊

HC-05 藍牙模塊與Android 移動端APP 進行配對連接，連接成功后，接收垃圾類別信息，并通過串口將該垃圾類別信息傳送給Arduino 開發(fā)板。

1.3 下位機控制模塊

下位機控制模塊包括Arduino 開發(fā)板、舵機、供電電源和垃圾桶。舵機共有4 個，分別為舵機0、舵機1、舵機2、舵機3。這4 個舵機分別控制“可回收垃圾”垃圾桶、“有害垃圾”垃圾桶、“其他垃圾”垃圾桶和“廚余垃圾”垃圾桶的桶蓋開閉。

Arduino 開發(fā)板通過串口接收從HC-05 藍牙模塊傳來的垃圾類別信息，控制對應的舵機進行正轉(zhuǎn)，頂起桶蓋，并開始計時，在一定時間后對應舵機反轉(zhuǎn)，桶蓋閉合。從而解決了桶蓋的開合問題，實現(xiàn)了垃圾的智能分類。

2 硬件電路設計

2.1 Arduino 開發(fā)板簡介

Arduino 開發(fā)板型號為Arduino Uno R3。Arduino Uno是Arduino系列中一款基于ATmega328 微控制器板，具有32 KB Flash 內(nèi)存、1 KB EEPRROM內(nèi)存、14 路數(shù)字 輸入/輸出口（其中6 路可作為PWM 輸出）、6 路模擬輸入、1 個16 MHz 晶體振蕩器、1 個USB 口、1 個電源插 座、1 個ICSP 標頭和1 個重置按鈕。Arduino Uno 預置了bootloader 程序，能夠通過USB 直接下載程序，而不需經(jīng)過其他外部燒寫器[11]。

Arduino系統(tǒng)是基于單片機開發(fā)的，并且大量應用通用和標準的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個設計，代碼均采用開源方式發(fā)布，因此采購的成本較低，在各種電子制作競賽、電子藝術(shù)品創(chuàng)意設計等場景越來越多地使用Arduino 作為開發(fā)平臺[12]。

2.2 HC-05 藍牙模塊與Arduino 開發(fā)板通信電路設計

HC-05 藍牙模塊是基于Bluetooth Specification V2.0帶EDR 藍牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。其工作電壓為3.0～3.6 V，無線工作頻段為2.4 GHz ISM，調(diào)制方式是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4 dBm，接收靈敏度為-85 dBm，空中速率達2 Mb/s，板載PCB 天線，可實現(xiàn)10 m 距離通信。模塊支持AT 指令，用戶可根據(jù)需要更改角色（主、從模式）以及串口波特率、設備名稱等參數(shù)，使用靈活[13-14]。

圖2 為本系統(tǒng)HC-05 藍牙模塊與Arduino 開發(fā)板通信電路原理圖。HC-05 藍牙模塊與Arduino 進行串口通信，HC-05的RXD 與Arduino的TXD 連接，HC-05的TXD與Arduino的RXD 連接。

圖2 HC-05 藍牙模塊與Arduino 開發(fā)板通信電路原理圖

2.3 舵機控制電路設計

舵機型號為SG90，舵機SG90 主要包括外殼、齒輪、無核心馬達、電路板和位置檢測器等部分，是一種使用脈寬調(diào)制信號（PWM）進行控制的驅(qū)動器，其內(nèi)部的比較器將外加信號與基準電路產(chǎn)生的基準信號進行比較，判斷出轉(zhuǎn)動的方向和大小，以此驅(qū)動無核心馬達轉(zhuǎn)動，并由位置檢測器回送信號以判斷是否已經(jīng)轉(zhuǎn)動到位。舵機SG90 通常使用的控制信號周期為20 ms，寬度為0.5 ms～2.5 ms，舵盤的轉(zhuǎn)動角度為0～180°[15]。

圖3 為本系統(tǒng)舵機控制電路原理圖。其中，Arduino開發(fā)板數(shù)字引腳11、9、6、4設為輸出模式，分別控制舵機0、1、2、3。而舵機0、1、2、3的轉(zhuǎn)動又分別控制“可回收垃圾”桶、“有害垃圾”桶、“其他垃圾”桶、“廚余垃圾”桶。

圖3 舵機控制電路原理

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計可分為上位機軟件設計和下位機軟件設計，上位機軟件設計包括語音識別程序設計和界面設計，下位機軟件設計即下位機主控板程序設計。

3.1 語音識別程序設計流程

語音識別程序設計流程如圖4 所示。啟動語音識別程序后，先檢查藍牙是否連接。若未連接，進行語音提示并結(jié)束語音識別程序；若已連接，語音識別組件開始語音識別，待用戶語音輸入后，將語音信息轉(zhuǎn)換為文字信息，并向垃圾分類接口發(fā)送GET的HTTP 請求。若得到返回的垃圾類別信息，則調(diào)用藍牙API 將垃圾類別信息下發(fā)，待下位機主控板進行下一階段的程序；若未得到，則通過語音提示識別失敗，語音識別程序結(jié)束。

圖4 語音識別程序設計流程

3.2 界面設計

整個界面使用MIT APP Inventor 平臺進行設計開發(fā)，無須學習較為晦澀的Java 語法，只通過拼圖模式來組合程序，就可以完成Android 應用的程序，使得應用程序的開發(fā)簡單便利。

3.3 下位機主控板程序設計流程

下位機主控板程序設計在Arduino的集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)完成，其流程如圖5 所示。setup 函數(shù)在程序開始的時候會調(diào)用，用來初始化變量、定義引腳模式等，在Arduino 板每次上電或復位后僅運行一次。在執(zhí)行完setup 函數(shù)后會執(zhí)行l(wèi)oop（）函數(shù)，該函數(shù)作為一個無限循環(huán)的過程連續(xù)執(zhí)行。

圖5 下位機主控板程序設計流程

本系統(tǒng)在setup 函數(shù)中完成舵機Servo的定義及初始化，loop 函數(shù)通過串口等待垃圾分類信息，一旦獲取指定信息，控制指定舵機轉(zhuǎn)動，使對應垃圾桶蓋打開，并于15 s 后恢復，即垃圾桶蓋閉合。

4 系統(tǒng)測試及分析

4.1 系統(tǒng)環(huán)境搭建

Arduino 通過USB 與電腦連接，4 個垃圾桶中有4 個舵機分別連接到Arduino的對應引腳上；藍牙啟動，等待操作；上位機軟件安裝，待語音輸入。

4.2 系統(tǒng)測試

4.2.1 系統(tǒng)測試方法

根據(jù)《北京市社會單位生活垃圾分類投放指南》，分別對廚余垃圾、可回收垃圾、有害垃圾、其他垃圾類別中的各項垃圾進行語音測試。當識別失敗時，移動端會進行語音提示，要求重新進行語音輸入；當識別成功，會遠程控制與該垃圾分類相對應的垃圾桶桶蓋打開，15 s 后垃圾桶桶蓋自動關(guān)閉。

4.2.2 系統(tǒng)測試步驟

系統(tǒng)測試步驟如下：

（1）打開Android 移動端APP；

（2）在主界面點擊“連接藍牙”按鈕；

（3）選擇要連接的藍牙設備，建立連接；

（4）語音說出要識別的垃圾具體名稱，如“膠帶”；

（5）“膠帶”對應的垃圾桶（即“其他垃圾”桶）的桶蓋開啟，15 s 后垃圾桶蓋自動關(guān)閉；

（6）本次垃圾投放結(jié)束。

4.2.3 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

系統(tǒng)測試結(jié)果如表1 所示，對于廚余垃圾，未能識別豆類，其他均正確識別，識別率為88.89%；對于可回收垃圾，均正確識別，識別率為100%；對于有害垃圾，均正確識別，識別率為100%；對于其他垃圾，該系統(tǒng)未能識別飲料杯，其他均正確識別，識別率為92.31%。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果圖

對于豆類、飲料杯，該系統(tǒng)未能識別的原因為天行數(shù)據(jù)提供的垃圾分類接口中并沒有對于豆類、飲料杯這些垃圾類別的數(shù)據(jù)，因此識別失敗。而后本系統(tǒng)再對具體的豆類信息（如黃豆、綠豆）、飲料瓶進行完善后發(fā)現(xiàn)均能正確識別。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)識別準確率高，具有較高的實用價值。

5 結(jié)論

本文設計了一種基于Arduino 和語音識別的智能垃圾分類系統(tǒng)。通過打開Android 移動端APP，語音輸入垃圾名稱，即可無線控制打開該垃圾對應分類的垃圾桶。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠依據(jù)《北京市社會單位生活垃圾分類投放指南》，對廚余垃圾、可回收垃圾、有害垃圾、其他垃圾進行正確識別并控制對應分類的垃圾桶蓋開閉，該系統(tǒng)能夠幫助居民進行垃圾分類，提高居民垃圾分類效率，具有應用推廣價值。