會互動的“智能小展館”

◎北京市東城區和平里第一小學 劉宗益

2021年，我參加“我的冬奧夢”小記者國際營比賽并獲得了北京賽區一等獎和全國“冬奧小記者”稱號。在學習并記憶冰雪運動和2022年北京冬奧會場館方面的知識時，我產生了一個強烈的想法，希望利用自己在科技社團學到的單片機開發方面的知識，設計制作一種能與人語音互動、幫助大家學習冬奧知識的小機器人。

在老師和家長的指導下，我進行課題立項、檢索資料、制訂計劃，不斷學習新知識，終于制作出基于人機語音交互功能的北京冬奧智能小展館（下稱“智能小展館”），實現了自己的設想。

作品功能：

1.人機語音交互功能

“智能小展館”中有3個虛擬人物：2022年北京冬奧會機器人館長（簡稱“北京機長”）、“冰墩墩”、“雪容融”。北京機長是“智能小展館”的控制者，“冰墩墩”和“雪容融”是講解員。

我們可以通過說出關鍵詞與虛擬人物進行人機交互，實現控制人物出現、講解開始或停止、介紹2022年北京冬奧會比賽項目和場館、展館關燈、展示結束等功能。

2.多媒體講解知識

“智能小展館”可通過圖像顯示、合成語音播放、圖標彩燈指引、角色動作等形式，介紹2022年北京冬奧會比賽場館和運動項目等知識，還能在完成一定數量的項目講解后，播報獎牌榜消息。

設計原理：

Arduino Uno控制器連接離線語音識別模塊，離線語音識別模塊識別到語音，便與程序中的關鍵詞進行比對，匹配后生成返回值，傳送給控制器和MP3播放器。控制器根據返回值控制LED燈帶、串口顯示屏、舵機執行相應指令，同時控制MP3播放器播放相應文件編號的語音。

圖1 作品設計原理圖

準備工作：

我選用了一款基于Arduino Uno的帶顯示器的語音識別垃圾分類套件，在它的基礎上進行改制。另外，我還準備了兩個SG90舵機、一條WS2812燈帶、連接卡扣、一個給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

制作過程：

1.連接硬件

圖2 電子硬件連接圖

我將語音識別模塊的UART接口——TX1、RX1、5V、接地接口分別連接主控板的數字引腳2、數字引腳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字引腳4、數字引腳5、5V、接地接口；將LED燈帶連接數字引腳6；將舵機1連接數字引腳10；將舵機2連接數字引腳11。

2.制作組件

我用彩色打印機在透明不干膠紙上打印2022年北京冬奧會運動項目圖標（下稱圖標）。在KT板四周切出圖標大小的長方形板，切后的KT板上的長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方形板，可使串口顯示屏嵌入KT板中間的長方形孔中。

接著，我將打印的圖標貼在KT板四周的長方形孔上。將冰墩墩和雪容融卡片粘在適當長度的吸管上，再將兩根吸管分別插在兩個舵機的轉臂上。

為了美觀，我設計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個燈、2個燈、6個燈、2個燈的四段，用卡扣將其連接后粘在切有長方形孔的KT板背面，LED燈和圖標的位置需相互對應。

3.安裝硬件

我在亞克力盒內墊一塊KT板，按照各模塊的尺寸在KT板的適當位置開孔，再將所有的模塊嵌入。接著，將粘有圖標的KT板插在冰墩墩和雪容融卡片下面，同時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音的方式制作MP3語音文件，文件按要求編號上傳至MP3播放器配置的TF卡，內容示例見圖5。

圖3 作品內部結構圖

圖4 作品實物圖

顯示屏圖像文件需使用廠家官網下載的制作軟件來制作。在網上搜索下載相關圖片后進行編輯，之后上傳到串口顯示屏中。

5.編寫程序

程序的主要功能是開啟語音識別模式，并監聽語音識別模塊串口。應用循環條件判斷語句，實現語音識別模塊識別到不同的關鍵詞后，控制MP3播放器、串口顯示屏、LED燈帶、舵機執行關鍵詞對應的指令。

程序還包含了設置語音識別模塊和串口顯示屏控制函數的兩個頭文件，它們需與軟串口函數庫、控制燈帶的Fastled第三方庫、舵機Servo函數庫一同在程序開始時導入。

圖5 語音內容示例

測試效果與改進想法：

我測試作品“智能小展館”，作品系統運行穩定，各功能單元正常工作。語音識別效果體驗良好，在1米以內的安靜環境下使用，準確率在95%以上，在嘈雜的環境下通過設置屏蔽詞、穩定音量等方法可一定程度地降低誤識率。

接下來，我希望能應用大容量語料庫的語音識別模塊，或者開發物聯網功能實現在線語音識別，增加應用主題和傳播內容，提高語音識別準確率，增強智能交互體驗。

老師推薦：

作者制作作品運用了單片機控制和編程的基礎知識，嘗試了多個智能模塊的應用，表現出很強的自學能力和創新能力。作品緊扣時代主題，實現了人工智能交互功能，使用者體驗感良好。