能“走路”的垃圾桶
——一種基于語(yǔ)音識(shí)別的遙控智能分類垃圾桶

◆山東省青島第十五中學(xué) 尚真

基于語(yǔ)音識(shí)別的遙控智能分類垃圾桶不僅能幫助人們將垃圾精準(zhǔn)分類，還能幫助行動(dòng)不便的人遙控垃圾桶“走”到身邊，完成對(duì)生活垃圾的分類投放。

一、工作原理

基于Arduino 開(kāi)源電子平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊，垃圾桶系統(tǒng)讀取聲音作為輸入信號(hào)，與語(yǔ)音識(shí)別模塊內(nèi)置的垃圾名稱進(jìn)行對(duì)比后判斷，并將其轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)，得到串口值。Arduino UNO 主控板根據(jù)輸入的串口值，控制MP3模塊和對(duì)應(yīng)的配備伺服電機(jī)的垃圾桶，垃圾桶蓋打開(kāi)，揚(yáng)聲器播報(bào)垃圾類型，完成分類投放后，垃圾桶蓋自動(dòng)關(guān)閉。

運(yùn)行系統(tǒng)通過(guò)紅外接收傳感器接收紅外遙控器的按鍵(前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn))發(fā)送值，通過(guò)與變量的值判斷，輸出并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

二、硬件系統(tǒng)

基于語(yǔ)音識(shí)別的遙控智能分類垃圾桶由小車系統(tǒng)和垃圾桶系統(tǒng)組成。小車系統(tǒng)由紅外遙控器、運(yùn)行系統(tǒng)組成，垃圾桶系統(tǒng)由收集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、語(yǔ)音輔助系統(tǒng)組成。

（一）紅外遙控器

通過(guò)測(cè)試，前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的按鍵發(fā)送值分別是FF02FD、FF9867、FFE01F、FF906F。

（二）運(yùn)行系統(tǒng)

運(yùn)行系統(tǒng)由Arduino UNO 主控板、紅外接收傳感器、小車組成，紅外接收傳感器將接收的紅外遙控器的按鍵發(fā)送值傳輸給主控板，與變量的賦值進(jìn)行對(duì)比，輸出相應(yīng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)行。

（三）收集系統(tǒng)

根據(jù)《生活垃圾分類制度實(shí)施方案》將生活垃圾分為其他垃圾（灰色垃圾桶）、廚余垃圾（綠色垃圾桶）、可回收垃圾（藍(lán)色垃圾桶）、有害垃圾（紅色垃圾桶）四類。

（四）控制系統(tǒng)

由Arduino UNO 主控板、Arduion擴(kuò)展板、語(yǔ)音識(shí)別模塊組成。語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別輸入的垃圾名稱，主控板進(jìn)行循環(huán)判斷，輸出至垃圾桶和語(yǔ)言輔助系統(tǒng)。

（五）語(yǔ)音輔助系統(tǒng)

由MP3 模塊、內(nèi)存卡、揚(yáng)聲器組成。內(nèi)存卡存儲(chǔ)了垃圾分類的MP3 文件，通過(guò)MP3 模塊輸出至揚(yáng)聲器。

三、軟件系統(tǒng)

（一）主控板程序

運(yùn)行系統(tǒng)主控板程序采用Mind+編寫(xiě)。首先將紅外遙控器上、下、左、右4個(gè)按鍵定義為小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的功能，并測(cè)試上、下、左、右4 個(gè)按鍵的發(fā)送值，然后自定義“前進(jìn)”“后退”“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”4 個(gè)函數(shù)。

在UNO 主程序中通過(guò)建立循環(huán)，判斷變量A 是否與紅外接收傳感器接收的按鍵發(fā)送值匹配。例如按鍵“上”代表“前進(jìn)”，按鍵發(fā)送值為FF02FD，如果使用者按“上”鍵，則執(zhí)行“前進(jìn)”這個(gè)函數(shù)，小車前進(jìn)，其他三個(gè)鍵類似。如果未接收到這4 個(gè)發(fā)送值，則執(zhí)行“暫停”這個(gè)函數(shù)，小車停止。

控制系統(tǒng)主控板程序采用Mind+編寫(xiě)。首先設(shè)置串口的通信值，創(chuàng)建4、5、6、7 四個(gè)垃圾桶引腳對(duì)象（4 號(hào)引腳對(duì)應(yīng)可回收垃圾桶，5 號(hào)引腳對(duì)應(yīng)其他垃圾桶，6號(hào)引腳對(duì)應(yīng)廚余垃圾桶，7 號(hào)引腳對(duì)應(yīng)有害垃圾桶）并初始化為0°，即表示四個(gè)垃圾桶蓋初始為閉合狀態(tài)。然后設(shè)置MP3 模塊的串口引腳及音量，最后執(zhí)行循環(huán)。

當(dāng)串口值為“1”時(shí)，4 號(hào)引腳連接的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制的藍(lán)色可回收垃圾桶的桶蓋打開(kāi)70°，保持開(kāi)啟狀態(tài)2 秒，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)回到初始角度0°，垃圾桶蓋關(guān)閉。

（二）語(yǔ)音識(shí)別模塊程序

先用記事本編寫(xiě)四類生活垃圾，第1 類為可回收垃圾，第2 類為其他垃圾，第3 類為廚余垃圾，第4類為有害垃圾。每一類列舉10 種垃圾，用ASR M08-B 語(yǔ)音模塊設(shè)置軟件將編寫(xiě)了垃圾名字的記事本文件寫(xiě)入語(yǔ)音識(shí)別模塊。

（三）紅外遙控程序

紅外遙控器按鍵發(fā)送值的測(cè)試程序用Mind+編寫(xiě)。

四、制作小車

購(gòu)置2 個(gè)泡沫盒，根據(jù)4 個(gè)垃圾桶的大小將盒身改裝成車斗，將盒蓋改裝成輪轂，然后與車頭、垃圾桶組裝。

圖1 小車制作過(guò)程

五、使用方法

分別接通小車系統(tǒng)和垃圾桶系統(tǒng)的電源，將語(yǔ)音識(shí)別模塊的開(kāi)關(guān)撥至A 擋，打開(kāi)語(yǔ)音識(shí)別模塊，遙控智能分類垃圾桶進(jìn)入“等待喚醒”狀態(tài)，等待用戶用語(yǔ)音將其喚醒。

當(dāng)聽(tīng)到呼叫“環(huán)保精靈”的喚醒詞，語(yǔ)音識(shí)別模塊藍(lán)燈常亮?xí)r，智能垃圾桶被喚醒成功并進(jìn)入等待狀態(tài)。此時(shí)，說(shuō)出垃圾的名稱，揚(yáng)聲器播報(bào)垃圾的種類，同時(shí)相應(yīng)的垃圾桶蓋開(kāi)啟。比如，用戶說(shuō)出“電池”，此時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出“有害垃圾”的聲音，紅色有害垃圾桶的桶蓋開(kāi)啟，2 秒后自動(dòng)關(guān)閉，完成垃圾的分類投放。

行動(dòng)不便的使用者只需操作紅外遙控器的四個(gè)按鍵，便可讓垃圾桶“走”到身邊，輕松完成對(duì)垃圾的分類投放。

圖2 作品實(shí)物圖

六、創(chuàng)新點(diǎn)

基于語(yǔ)音識(shí)別的遙控智能分類垃圾桶基于Arduino 開(kāi)源電子平臺(tái)，應(yīng)用Mind+這款可視化的青少年編程軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，適合青少年學(xué)習(xí)。

設(shè)計(jì)的垃圾智能投放系統(tǒng)能幫助幼兒、老年人、臥床病人等特殊人群實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的分類投放。

專家點(diǎn)評(píng)

尚真同學(xué)的能“走路”的垃圾桶，是一項(xiàng)技術(shù)參與度較高的創(chuàng)新實(shí)踐作品。這是因?yàn)?2018 年1 月24 日曾有媒體報(bào)道：“智能感應(yīng)垃圾桶，會(huì)‘行走’還很‘聽(tīng)話’。”從報(bào)道的內(nèi)容和解決問(wèn)題的方式等方面分析，都是基于解決垃圾桶智能分類、語(yǔ)音識(shí)別、自動(dòng)跟進(jìn)等問(wèn)題。

但是，這個(gè)項(xiàng)目的完成著重體現(xiàn)出尚真同學(xué)具有兩個(gè)方面的優(yōu)秀品格：第一，創(chuàng)新成長(zhǎng)的自我培養(yǎng)意識(shí)強(qiáng)。高中生學(xué)習(xí)內(nèi)容多、學(xué)習(xí)任務(wù)重，老師和家長(zhǎng)的期待值也高，能在這種氛圍中脫穎而出，在課余把該項(xiàng)目完成好，達(dá)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基本要求，沒(méi)有創(chuàng)新成長(zhǎng)的欲望和創(chuàng)新實(shí)踐的毅力是不可能實(shí)現(xiàn)的。第二，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用能力強(qiáng)。這個(gè)項(xiàng)目涉及基于Arduino 開(kāi)源電子平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)等，具有一定的技術(shù)應(yīng)用難度和挑戰(zhàn)性。