會互動的“智能小展館”

◎北京市東城區(qū)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(qū)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(chǎn)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(fā)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(xiàn)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(guān)鍵詞與虛擬人物進行人機交互，實現(xiàn)控制人物出現(xiàn)、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(guān)燈、展示結(jié)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(shù)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(guān)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?？刂破鞲鶕?jù)返回值控制LED燈帶、串口顯示屏、舵機執(zhí)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(chǔ)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(shù)字引腳2、數(shù)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(shù)字引腳4、數(shù)字引腳5、5V、接地接口；將LED燈帶連接數(shù)字引腳6；將舵機1連接數(shù)字引腳10；將舵機2連接數(shù)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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)容示例見圖5。

圖3 作品內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4 作品實物圖

顯示屏圖像文件需使用廠家官網(wǎng)下載的制作軟件來制作。在網(wǎng)上搜索下載相關(guān)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(jiān)聽語音識別模塊串口。應用循環(huán)條件判斷語句，實現(xiàn)語音識別模塊識別到不同的關(guān)鍵詞后，控制MP3播放器、串口顯示屏、LED燈帶、舵機執(zhí)行關(guān)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(shù)的兩個頭文件，它們需與軟串口函數(shù)庫、控制燈帶的Fastled第三方庫、舵機Servo函數(shù)庫一同在程序開始時導入。

圖5 語音內(nèi)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(tǒng)運行穩(wěn)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(nèi)的安靜環(huán)境下使用，準確率在95%以上，在嘈雜的環(huán)境下通過設置屏蔽詞、穩(wěn)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(fā)物聯(lián)網(wǎng)功能實現(xiàn)在線語音識別，增加應用主題和傳播內(nèi)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(chǔ)知識，嘗試了多個智能模塊的應用，表現(xiàn)出很強的自學能力和創(chuàng)新能力。作品緊扣時代主題，實現(xiàn)了人工智能交互功能，使用者體驗感良好。