语音识别论文第三篇：基于语音识别的智能垃圾桶的系统设计方案
摘要：阐述基于语音识别的智能垃圾桶的系统设计方案，将智能垃圾桶分为5大功能模块进行设计，此5大功能模块为红外线感测模块、语音识别及播报模块、机械控制模块、远程定位和通信模块，以及外观模块。要想在智能垃圾桶中应用语音识别技术，还需要设置各功能模块相对应的硬件和软件，通过硬件与软件的共同作用，实现智能垃圾桶各功能模块的正常运行，以此达成语音识别和语音宣导的作用。
关键词:智能,垃圾桶;语音识别;应用;
1 概述
为更好地解决城市垃圾分类难题，可以借助技术手段来进行垃圾分类工作，以此提高垃圾分类工作的效果与质量。基于语音识别技术设计了智能垃圾桶的系统方案，此方案既能使语音识别的功能达成，又能使语音播报发挥宣导作用，从而引导扔垃圾的居民正确进行垃圾分类投放的操作。这对于解决垃圾分类难题有重要作用，能有效推进城市生活垃圾分类工作的开展。
2 系统方案设计
在智能垃圾桶中应用语音识别技术的主要目的有两点，（1）进行垃圾名称的识别，比如干垃圾、湿垃圾、有害垃圾等。（2）垃圾分类知识宣传，通过垃圾分类知识宣传提高人们的垃圾分类意识。为实现这两大目的，应主要围绕智能垃圾桶的5大功能模块进行设计，此5大功能模块分别为红外线感测模块、语音识别及语音播报模块、机械控制模块、远程定位和通信模块，以及外观模块。基于此5大功能模块的智能垃圾桶工作流程如图1所示。
图1 智能垃圾桶运行流程
第1步：智能垃圾桶通过红外线感测功能感测垃圾桶周边范围内是否有扔垃圾的居民靠近。
第2步：一旦感测到有扔垃圾的居民靠近，就立马会启动语音识别及语音播报和机械控制功能模块。从而进入交互状态，实现人与智能垃圾桶的交流互动。
第3步：当扔垃圾的居民说出所要扔的垃圾名称后，智能垃圾桶通过语音识别功能对居民所说的垃圾名称进行识别。
第4步：当识别成功时，智能垃圾桶内部会将识别到的垃圾名称匹配相应的垃圾类别，并通过机械控制功能将相应类别的垃圾桶盖打开，以便扔垃圾的居民进行垃圾分类和投掷。
第5步：当识别失败时，则表示扔垃圾的居民所说的垃圾名称没有匹配到当前的垃圾桶。在此情况下，智能垃圾桶会通过语音播报功能依次播放当前每个垃圾桶内对应的垃圾类别信息，扔垃圾的居民则可以根据智能垃圾桶播报的垃圾类别信息判断所要扔的垃圾的对应类别，进而说出正确可识别的垃圾名称，从而完成垃圾投放。如此，既能让扔垃圾的居民根据语音播报判断出相应的垃圾类别，又能使扔垃圾的居民学习到垃圾分类知识。
第6步：当扔垃圾的居民完成一系列垃圾投放操作后，智能垃圾桶会重新利用机械控制功能将打开的垃圾桶盖进行闭合。智能垃圾桶的地理位置信息可以通过远程定位功能来获取，同时，可以利用通信功能将智能垃圾桶的地理位置信息传输到移动设备中，以此实现对智能垃圾桶的实时监管和控制。
3 智能垃圾桶的硬件
3.1 红外线感测模块
智能垃圾桶的红外线感测模块主要采用热释电红外传感器（PIR）来实现。热释电红外传感器是一款由高热电系数的材料制成的探测元件，该探测元件的波长灵敏度一直可以稳定保持在0.2～20--um范围内，而人体辐射的红外线波长为9～10--um，正好适合应用于人体红外探测上。但其不能直接使用，因为热电元输出的是电荷信号，需要转换为电压形式。因此，还需借助基于热释电红外的HC—SR501传感器。将基于热释电红外的HC—SR501传感器应用于智能垃圾桶中，用以检测智能垃圾桶周边范围内人体发出的红外线。在此过程中，HC—SR501传感器能直接启动或关闭智能垃圾桶中的ARDUINO UN0 R3开发板。当HC—SR501传感器未检测到垃圾桶周边范围有扔垃圾的居民靠近时，传感器则输出低电平，智能垃圾桶内的各功能模块处于无运行的状态。当HC—SR501传感器检测到垃圾桶周边范围有扔垃圾的居民靠近时，传感器则输出高电平，智能垃圾桶内的各功能模块处于运行的状态。待扔垃圾的居民投放好垃圾离开智能垃圾桶红外感测范围后，智能垃圾桶仍旧恢复到无运行的状态，各功能模块也会关闭。该工作模式既能使ARDUINO UN0 R3开发板等电子部件的使用期限得以延长，又能使智能垃圾桶的耗电量得到降低，以此避免造成资源浪费。
3.2 语音识别及语音播报模块
智能垃圾桶的语音识别及语音播报模块主要分为语音识别和语音播报两部分。语音识别模块采用LD3320语音识别芯片，该芯片基于关键词语列表技术，不需要外接任何辅助的Flash芯片、RAM芯片、AD芯片，也可以独立完成语音识别功能。该芯片每次识别最多可以设置50个候选关键词，关键词的形式可以是单字、词组或者是短句。另外，识别的关键词内容还可以动态编辑修改。关键词的词语长度一般都在8个中文符，但考虑到用户在说出关键词时可能会出现错字、漏字、停顿等影响语音识别效果的情况，因此在设置关键词语的字长时要尽量精短，从而保障语音识别的效果。基于此，将50个精短的垃圾名称关键词以及可回收垃圾、不可回收垃圾、有害垃圾、其他垃圾此4种不同类别的垃圾名称一并存入到了LD3320语音识别芯片中。当扔垃圾的居民走入智能垃圾桶红外感测范围内后，红外感测模块会将语音播报模块一同唤醒。待唤醒后，根据扔垃圾的居民所讲的垃圾名称进行识别，然后将识别到的垃圾名称匹配相应的关键词。如匹配成功，则打开相应关键词所属的垃圾桶盖，以便扔垃圾的居民进行垃圾投放的操作。如匹配失败，则将触发语音播报功能模块，由语音播报模块播放垃圾分类知识的宣导，以便扔垃圾的居民进行垃圾分类知识的学习，从而正确说出所扔垃圾的名称并完成垃圾投放的操作。
语音播报模块主要依靠VS1053芯片来实现，该芯片主要是对MP3的音频文件进行解码。在使用该芯片时，要先将录制好的音频文件预存到芯片中。当语音识别模块对扔垃圾的居民所讲的垃圾名称识别失败时，ARDUINO UNOR3开发板对音频文件进行解码，然后借助连接在VS1053芯片SPK接口的音响进行音频内容的播报。扔垃圾的居民可以根据语音播报的内容找到自己所扔垃圾的正确名称关键词，进而准确说出所要扔的垃圾的类别。如此一来，则重新触发语音识别功能，待识别成功后，对应的智能垃圾桶桶盖会打开，扔垃圾的居民也可完成垃圾投放的操作。
3.3 机械控制模块
机械控制模块主要依靠SG90舵机来实现，SG90舵机主要负责两部分内容，（1）控制智能垃圾桶盖的自动开合，（2）控制智能垃圾桶中隔雨防臭机械臂的开合。为实现上述智能垃圾桶盖的自动开合，首先要在可回收垃圾、不可回收垃圾、有害垃圾、其他垃圾4个类别的垃圾桶桶盖上，各安装一个舵机，以实现对智能垃圾桶桶盖开合的自动控制。隔雨防臭机械臂主要是对智能垃圾桶内部的垃圾袋进行开合操作，以此实现智能垃圾桶隔雨防臭的效果。
3.4 远程定位和通信模块
远程定位模块主要利用GPS全球定位系统来获取智能垃圾桶实时的地理位置信息，采用的是V.KEL GPS芯片。当移动设备端向智能垃圾桶的中心处理器发送地理位置请求信息时，远程定位模块会将当前的地理位置信息以标准协议格式反馈给智能垃圾桶的开发板，以便开发板与移动设备端进行地理位置信息的交互。
远程通信模块主要通过WiFi形式来实现远程通信功能，采用的是ESP8266-WiFi芯片。在运行的状态下，智能垃圾桶将作为AP的建立局域网。移动设备端只要在局域网中联结相对应的IP号和端口号就可以与智能垃圾桶建立通信关系。当移动设备端向智能垃圾桶发送地理位置信息时，智能垃圾桶的开发板会将实时的地理位置信息反馈给移动设备端，以此实现远程通信。
3.5 外观模块
外观模块主要是对智能垃圾桶外部进行美观设计，同时还要并兼垃圾桶内部结构的设计。在智能垃圾桶中应将内部结构分为桶身和桶盖两部分，这两部分之间会用隔板将两者隔开，以起到隔雨防臭的效果。当垃圾桶盖启动时，会将隔板关闭，以此避免扔垃圾的居民与垃圾产生的异味细菌直接接触。当垃圾桶盖闭合，隔板将会开启，扔垃圾的居民所扔的垃圾会落入垃圾桶桶身中，以此实现隔臭除菌的效果。智能垃圾桶的外部美观设计应避免枯燥单一的主题，要围绕垃圾分类、绿色生活的主题，既要起到垃圾分类知识宣传的效果，又要考虑主题的趣味性和美观性。比如可以围绕可回收垃圾、不可回收垃圾、有害垃圾、其他垃圾4个类别的垃圾进行智能垃圾桶外部美观的设计，将4种类别的垃圾通过漫画图文的形式展现出来，如此既保留了趣味性又保留了宣导性。通过这样新颖的形式，改变人们对垃圾桶固有脏、乱、差的形象。
4 智能垃圾桶的软件
智能垃圾桶的软件主要通过Android Studio软件开发平台进行手机端APP的开发。基于语音识别的智能垃圾桶软件主要围绕4大功能，（1）实现对垃圾桶内部容量的监测，以便及时清理垃圾，避免造成垃圾堵塞的情况。（2）实现对垃圾桶实时地理位置的监测，通过监测时刻了解垃圾桶的原定位置是否发生偏移，如发生偏移则及时修正。（3）监测智能垃圾桶各功能模块的工作状态，如发现异常则亮红，并给手机端发送异常提醒，以便及时修复，从而恢复智能垃圾桶的正常运行状态。（4）智能垃圾桶的控制界面，通过控制界面实现智能垃圾桶的闭合和启动等操作。当点击一个类别的垃圾桶图标时，可以对该垃圾桶的容量、位置以及其他功能模块的动态数据进行检测，或是进行垃圾桶盖关闭和启动的操作。同时，还可以实时进行语音识别关键词语的编辑。通过这4大功能，就能实时对智能垃圾桶的工作情况进行了解和掌握，从而实现智能垃圾桶硬件与软件的联接。
5 结语
智能垃圾桶中的语音识别技术应用主要依靠5大功能模块来实现，此5大模块分别是红外线感测模块、语音识别及语音播报模块、机械控制模块、远程定位和通信模块，以及外观模块。此5大模块需要依托相应的硬件和软件，其中硬件主要依靠各类芯片和机械部件来支撑。比如红外线感测模块应用HC—SR501传感器、语音识别模块应用LD3320语音识别芯片、语音播报模块应用VS1053芯片、机械控制模块应用SG90舵机等。软件则主要依靠Android Studio开发软件进行APP的开发，软件可以对智能垃圾桶中的硬件运行状态进行监测和控制。当该设计方案在推行的过程中，还应不断进行优化和完善，以达到最佳效果，从而更好地服务社会、服务居民。
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