基于語音識別與按鍵觸發(fā)雙模式的智能垃圾分類系統(tǒng)

青島理工大學 張旭 趙玉琛 李德民 程鈞

本文設計了一款包含語音識別、按鍵觸發(fā)、垃圾智能分類、語音播報、休眠節(jié)能等功能的智能分類垃圾桶,可以有效提升居民對垃圾分類知識的掌握,幫助居民高效準確分類,幫助居民準確分類投放垃圾。同時,語音識別、自動打包、滿箱檢測功能可以幫助居民享受智慧化的物聯(lián)網(wǎng)生活,在實現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)化發(fā)展的前提下享受更高品質的生活,并加快城市垃圾分類系統(tǒng)形成,從而加快垃圾分類在全國范圍內推廣的步伐。

0 引言

近年來,我國在大力推行垃圾分類政策,但是在垃圾分類工作的推行過程中,居民普遍存在“垃圾分類知曉率低、投放準確率低”的問題,需要在投放時反復確認,或者被要求重新分類的等問題,降低了回收效率,對后續(xù)城市垃圾處理與回收工作產生的一定阻礙。所以,如何解決居民投放垃圾準確率低,降低垃圾回收站工作量,則成為繼續(xù)推行垃圾分類政策、加快城市形成高效有序的垃圾分類系統(tǒng)亟待解決的問題。為了解決上述問題,我們研發(fā)了一款包含語音識別、按鍵觸發(fā)、垃圾智能分類、語音播報、休眠節(jié)能等功能的智能分類垃圾桶,可以有效提升居民對垃圾分類知識的掌握,幫助居民高效準確分類。

1 整體設計

垃圾桶頂端設計了顯示屏,可以顯示垃圾名稱、時間、剩余電量等信息。投放口設置為倒放四棱錐,四棱錐的四個側面分別對應四種不同的垃圾種類,當單片機控制系統(tǒng)收到垃圾投放指令時,內置語音模塊進行語音識別分析出垃圾種類,并且控制相應的舵機轉動,使桶蓋以正方形四條邊為軸線向下旋轉打開,垃圾投入后會自動滑落的桶蓋實現(xiàn)垃圾分類,如圖1所示。

圖1 結構圖Fig.1 Structure diagram

2 控制系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機為核心,由電源模塊、語音播報模塊、語音識別模塊、按鍵輸入模塊、紅外感應模塊、舵機模塊組成[1-3]。

(1)STM32F103ZET6單片機。本次設計采用的主控為STM32F103ZET6,它是一種嵌入式-微控制器的集成電路(IC),是由ST公司開發(fā)的STM32F1系列的其中一種。其時鐘頻率達到72MHz,是同類產品中性能最高的產品。(2)電源模塊。由12V鋰電池供電,為了滿足不同設備的電壓需求,我們采用了TI公司生產的LMR16020芯片進行降壓。通過設計一個電源板,利用LMR16020分別輸出6V、5V和3V3的電壓供模塊使用。(3)語音播報模塊。語音播報模塊選用XFS5152CE語音合成芯片。當控制器通過語音識別判斷完所投放垃圾種類后,語音播報模塊會根據(jù)設定的程序播報出該垃圾所屬種類,并且在完成打包后鳴起提示音示意用戶及時傾倒垃圾和更換垃圾袋。(4)語音識別模塊。采用LD3320芯片,基于MFCC和BP神經網(wǎng)絡兩種算法,該模塊設有語音識別芯片、數(shù)字轉化器、參數(shù)存儲器等,語音信息輸入控制器后會進行識別,并且按照規(guī)定的形式輸出結果。(5)紅外感應模塊。利用紅外輻射的熱效應,探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高,進而使某些有關物理參數(shù)發(fā)生變化,通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射[4]。當傳感器檢測到用戶靠近時,會喚醒休眠狀態(tài)下的垃圾桶。(6)舵機模塊。采用MG996R舵機,舵機模塊驅動桶蓋打開,系統(tǒng)采用四路伺服舵機與桶蓋相連接,制成電力驅動的開合結構,根據(jù)系統(tǒng)語音識別垃圾種類打開相應桶蓋。整體板設計如圖2所示。

圖2 整體板設計Fig.2 Integral plate design

3 控制系統(tǒng)軟件設計

語音識別部分中采用MFCC算法進行語音信號特征提取,首先對接受的時域信號通過傅里葉變換轉換到頻域,再通過濾波器對頻域信號進行選擇,將聲音信號轉變?yōu)榫唧w的數(shù)據(jù)特征,可通過梅爾刻度計算和倒譜分析實現(xiàn)此過程。對于轉換得到的語音特征數(shù)據(jù),設計BP神經網(wǎng)絡算法進行信號的對比識別,并以網(wǎng)絡誤差平方為目標函數(shù)、采用梯度下降法來計算目標函數(shù)的最小值,實現(xiàn)目標的最優(yōu)分類[5]。

3.1 語音識別及分類功能

基于收到的語音信息進行分類處理,首先進行語音識別網(wǎng)絡的構建,獲取多類別語音數(shù)據(jù),利用特征提取算法構造特征向量,輸入BP神經網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡訓練,構建3層語音識別網(wǎng)絡。然后輸入待檢測的語音信號,利用訓練好的網(wǎng)絡對待檢測數(shù)據(jù)進行識別,獲得識別結果,驅動操作模塊進行垃圾自動分類。

語音數(shù)據(jù)庫代碼(部分):

3.2 按鍵控制功能

按鍵輸入,通過按鍵控制垃圾桶蓋的定位以及自動開啟與關閉。單片機接收按鍵輸入垃圾類別信號后,會控制舵機驅動開啟相應桶蓋,經一定延遲時間后自動關閉。

3.3 超聲波容量檢測

容量檢測的原理是計算距離,需要在Trig管腳輸入一個10US以上的高電平,系統(tǒng)便可發(fā)出8個40kHz的超聲波脈沖,然后檢測回波信號。當檢測到回波信號后,通過Echo管腳輸出。根據(jù)Echo管腳輸出高電平的持續(xù)時間可以計算距離值,即距離值為:(高電平時間*340m/s)/2。當接收到US-015通過Echo管腳輸出的高電平脈沖后,便可進行下一次測量,所以測量周期取決于測量距離,當US-015距離被測物體很近時,Echo返回的脈沖寬度較窄,測量周期就很短;當US-015距離被測物體比較遠時,Echo返回的脈沖寬度較寬,測量周期也就相應的變長,脈沖寬度最長80ms對應最遠測量距離[6]。

3.4 語音播報功能

語音播報與主控制器之間選用IIC通訊方式,按照規(guī)律向SD卡中存儲提前錄制好的音頻,軟件中包括音頻文件的選取、音量設置等。根據(jù)語音數(shù)據(jù)庫的編碼以及超聲波測距的返回值作為基準進行特定的語音播報。

3.5 低功耗休眠功能

在長時間沒有收到指令后,主控單片機自動進入低功耗模式,此時將各個功能停止,置于垃圾桶上方的紅外傳感器啟動,當再次檢測到垃圾桶上方有人體時,垃圾桶再次啟動,正常給各個部分供電,這樣的處理將大程度上減少無人使用期間智能垃圾桶電量的消耗。

3.6 低功耗休眠功能

在長時間沒有收到指令后,主控單片機自動進入低功耗模式,此時將各個功能停止,置于垃圾桶上方的紅外傳感器啟動,當再次檢測到垃圾桶上方有人體時,垃圾桶再次啟動,正常給各個部分供電,這樣的處理將大程度上減少無人使用期間智能垃圾桶電量的消耗。

4 樣機調試和功能測試

設計系統(tǒng)通電,連接數(shù)據(jù)庫,選擇樣本數(shù)據(jù)測試,測試識別分類速度和準確性,統(tǒng)計結果見表1。

表1 測試結果Tab.1 Test result

5 結語

本文設計并開發(fā)了一種以STM32F103ZET6單片機為核心的控制系統(tǒng)。基于語音識別與按鍵觸發(fā)的雙模式,含語音識別、垃圾智能分類、語音播報等基本功能。當用戶觸發(fā)位于垃圾桶上方的紅外感應器來啟動智能垃圾桶,用戶無法確認垃圾種類時,說出垃圾的名稱,智能分類垃圾桶通過構建好的語音信號識別模塊確認垃圾種類,然后舵機驅動垃圾桶蓋定位至打開狀態(tài),同時語音播報該垃圾所屬種類。

引用

[1] 趙東升,劉忠富,張笑彤.基于STM32單片機的智能家庭電控系統(tǒng)設計[J].山西電子技術,2021(1):3-5+7.

[2] 耿子進.基于單片機的語音播報器的設計[J].科學技術創(chuàng)新,2021(10):188-189.

[3] 王乾.基于VOIP的語音通信系統(tǒng)設計[J].中國高新科技,2020(24):61-63.

[4] 劉小莉,邵晶,肖帥,等.基于STM32單片機的人體紅外感應系統(tǒng)硬件平臺設計[J].自動化應用,2018(1):7-9.

[5] 程春雨,劉正龍,顏科宇,等.基于BP神經網(wǎng)絡的用電器識別系統(tǒng)設計[J].實驗科學與技術,2021(2):11-16.

[6] 李曉麗,王娟.超聲波檢測技術中的數(shù)字信號處理方法[J].電子測試,2021(7):98-99+67.