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基于Arduino的语音识别交互式智能垃圾桶控制装置
研究报告
项目摘要
该装置是一个语音识别交互式智能垃圾桶装置，该装置上利用语音智能芯片接收到对话信息并且转化为电信号，并且将信号传递给Arduino单片机，Arduino单片机识别后，控制舵机打开相对应的垃圾桶，并且发出语音提示，提示我们该物品应该丢到那种垃圾桶里，为了提示居民垃圾如何进行分类，较少垃圾监督人员的工作负担。
该项目的选题是怎样确定的
7月1日上海比全国其他城市早一步进入垃圾分类时代，微博上不少人说“垃圾分类逼疯上海人”，垃圾分类知识也将纳入上海市初中学业水平考试。就在全国都在看上海的热闹的时候，北京2020年起也将强制性垃圾分类。而垃圾分类对于普通人来说，最艰难的还是不知道如何进行垃圾分类，丢到那个垃圾桶里等，而现在上海都是在垃圾投放点安排监管人员，指导监督人们丢垃圾，所以我想发明个智能垃圾桶能够指导人们进行垃圾分类。
我想做一个能够更加方便的帮助大家进行垃圾分类的装置，当人们不确定该物品是什么垃圾时，如创可贴，一开始我以为创可贴是有害垃圾，因为他是一种医学用品，但是当我查询资料之后我才理解，原理创口贴是一个干垃圾，而且我也做过一个调查，大部分人都不知道创口贴是干垃圾。所以我有了这个想法，带着这个想法，我开始思考，并在科学老师的帮助下，分析各种连接方式，设计电路，反复实验和调试，最终设计出智能垃圾桶装置。
设计项目的目的和基本思路
设计项目的目的
当人们准备丢垃圾的时候，只需要对着装置进行交流，该装置就会自动识别出这个问题，该物品是什么垃圾，并且为其打开垃圾桶的盖子。如果人们知道了手上的垃圾应该投放到那个垃圾桶时，也可以直接命令其直接打开垃圾桶的盖子。
设计项目的基本思路
我准备了智能语音芯片、控制模块、语音输入模块、语音输出模块、扬声器、集成到了一起，做成了一个主控制器，并且外接了4个舵机，用于打开垃圾桶的盖子。同时在垃圾桶上方，安装了一个太阳能电池板，当阳光充足时，可利用太阳能电池板给予供电。
利用语音智能芯片接收到对话信息并且转化为电信号，并且将信号传递给控制模块，控制模块识别后，会控制舵机打开对应的垃圾桶，并且发出对应的提示音，提示人们应该将手上的垃圾放到对应的垃圾桶里面。
该项目的研究步骤及过程
1.规划、设计
首先，我们进行了使用材料的规划，所有需要用到的材料清单。我们需要用到一个语音模块、一个Arduino主控板并且安装扩展板、4个9G舵机、4个垃圾桶模型、太阳能电池板、供电装置、外接按键、外接麦克风、电路板的壳子等内容，并且将其规划位置及设置底板大小。
图1 硬件规划设计图
2.制作智能垃圾桶装置
应该我们需要用到舵机去控制垃圾桶盖子的打开及闭合，当时在制作过程当中发现，如果使用舵机去打开垃圾桶的盖子，还是需要其他零件的。第一次我们尝试使用铁丝，制作一个小零件，把舵机的舵盘连接到垃圾桶盖子上，但是发现铁丝比较坚硬，不好弯曲塑型，而且不好固定到垃圾桶上面，所以我们选用了3D打印去制作一个零件，可通过舵机的旋转，控制垃圾桶的开合。
我们通过3D打印技术，绘制了一个L形状的一个零件，将L形3D打印零件安装到垃圾桶的盖子上，通过安装在垃圾桶背面的舵机进行旋转，推动L型零件，使其将垃圾桶的盖子打开。我们采用了热熔胶的方式将零件及舵机安装上去，也考虑过打孔螺丝固定，但是考虑到我们在测试阶段，就采用了热熔胶的固定方式，这样的话修改起来比较方便，不会留下痕迹。
图2- 3D打印零件 图3 - 垃圾桶开盖装置
智能垃圾桶编程及测试
在编程的时候，也是我本次发明中遇到困难最多的地方，我需要给语音模块进行编程，同时还需要给Arduino进行编程，之后需要通过串口将两个板子连接起来，进行数据交互。
在对Arduino编程的时候，发现无法使用Mixly模块进行编程，串口通信始终无法使用，最后没办法只能使用代码Arduino IDE进行代码编程，与语音模块进行串口通信，获取信息。
图4 - 编程及测试
电路焊接及制作过程
在使用语音模块的时候，我们选用了按钮唤醒模式，也就是需要按下按钮后，才会对其进行互动，提问等内容。
但是我们遇到的情况是，按钮固定在智能语音版上面，所以无法延伸到外面，人们在使用的时候会不太方面。
经过测试发现，在电路板后面的两个焊点就是按钮对应的两个引脚，所以我使用电烙铁对其进行了外界一个延长按钮。
当所有功能全部完成后，我们准备制作一个底座，并且所以硬件安装固定到底座上面，一开始准备使用木头进行制作，但是发现没有好的工具能把木头进行切割，所以我们选用了KT板，我们进行测量，剪裁后就可以使用啦，并且加上了一些美观的小设计。
最后我们用到的电路板及元器件放到了一个盒子的内部，并且用热熔胶对其进行固定。同时把4个垃圾桶放置到规定好的位置，并且进行固定。
图5 - 焊机 图6 - 底板制作 图7 - 固定
电路连接图
图8 - 手绘电路连接图
程序设计
图9 - Arduino部分程序
全部程序展示：
#include <Servo.h> //调用舵机库
Servo servo_2;
Servo servo_3;
Servo servo_4;
Servo servo_5;
int a;//定义一个全局变量a，用来存放串口接收到的数据的。
void setup()
{
servo_2.attach(2); //干垃圾桶
servo_3.attach(3); //湿垃圾桶
servo_4.attach(4); //有害垃圾桶
servo_5.attach(5); //可回收垃圾桶
servo_2.write(10);
delay(10);
servo_3.write(10);
delay(10);
servo_4.write(10);
delay(10);
servo_5.write(10);
delay(10);
Serial.begin(9600);//设置串口波特率为9600buad
delay(3000);//每次上电需延时3秒钟，等待M6SE模块初始化，这个延时不能省略。
}
void loop()//循环执行
{
a = Serial.read();//读取串口接收到的值，并且存放在a中保存起来
if (1 == a || a == 9) //接收到信号，打开干垃圾桶信号
{
delay(2000);
servo_2.write(100);
delay(0);
delay(5000);
servo_2.write(10);
delay(0);
}
if (2 == a || a == 8) //接收到信号，打开湿垃圾桶信号
{
delay(2000);
servo_3.write(100);
delay(0);
delay(5000);
servo_3.write(10);
delay(0);
}
if (3 == a || a == 7) //接收到信号，打开有害垃圾桶信号
{
delay(2000);
servo_4.write(100);
delay(0);
delay(5000);
servo_4.write(10);
delay(0);
}
if (4 == a || a == 6) //接收到信号，打开可回收垃圾桶信号
{
delay(2000);
servo_5.write(100);
delay(0);
delay(5000);
servo_5.write(10);
delay(0);
}
}
图10 - 智能语音模块部分命令
效果测试
经过测试，发现语音识别的准确性比较高，能达到90%多，对于多音物品的识别率也很高，很准确。垃圾桶的开盖没有遇到卡壳，或者打不开的情况，而且打开是速度也很精准。
图10 - 效果测试
该项目应用了哪些科学方法、科学原理
本项目使用了比照比较实验法。作品在不断完善的过程中，不同版本的程序带给用户的交互方式不同，通过对比，可以找到最自然的交互方式。通过不断的尝试通过接收不同的语音命令，判断出那种语音接收到的信息识别率最高，挑选出最佳的设计方案。
本项目采用实验探究方法。作品在测试的环节下准备了不同的词条名字，通过多命令进行识别，如鸡蛋、鸡蛋壳、臭鸡蛋、鸡蛋黄、鸡蛋清等相近的命令识别，识别出是什么垃圾。
3. 本项目在设计的过程中，结合了电路设计和制作的内容。了解开发板的电路结构，绘制能够实现本作品功能的原理图和电路图，完成电路焊接，编写程序，并经过多次测试和功能调试。
该项目的主要贡献（创新部分）
本项目的创新点主要有以下几点：
采用了语音识别模块，可识别出大量的垃圾种类。
装置小巧方面，可对旧垃圾桶进行改造，节省更新后的成本。
减少了大量的人员的工作量，在垃圾桶旁边不需要大量的工作人员。
自动打开垃圾桶盖子，不需要人手直接触碰。
他人同类研究的情况调查
现有专利
通过专利检索，可以检索到专利申请号为CN201910375104.3的已经公开的一份发明专利，其采用的技术为通过内部不同的隔断，通过自主选择垃圾的存放舱，当垃圾满了之后可助力行走等操作。
通过专利检索，可以检索到专利申请号为CN201910449673.8的已经公开的一份发明专利，其采用的技术为通过垃圾桶内部的热塑封装置，将其内部垃圾进行打包处理，防止液体或垃圾掉落。
进一步完善该项目的设想
下一步的设想添加一个热塑封装置，垃圾收集人员可通过按钮控制，将其内部垃圾袋塑封，防止液体或垃圾外流，弄脏垃圾回收人员的手或衣服。让垃圾回收人员也能成为一个体面干净的工作。
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2019-8-9
