基于聲音識別的智能聲控垃圾桶

郭建軍 林麗君 陳紅斌* 王克強(qiáng) 蔡 肯

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 自動化學(xué)院，廣東 廣州510225）

我們平常生活中產(chǎn)生的垃圾越來越多，垃圾問題漸漸成為社會問題，這將會嚴(yán)重影響生活的品質(zhì)。尤其對于室內(nèi)生產(chǎn)生活來說，發(fā)展和使用智能垃圾桶[1,2]，將垃圾桶中的病菌與人類隔絕起來是非常重要的。這不僅僅可以提高生活質(zhì)量，還可以使人們免受垃圾病菌的侵害。正因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)生活對使用智能垃圾桶并不普及，所以本文針對得不到重視的智能垃圾桶進(jìn)行研究，以“基于聲音識別的智能聲控垃圾桶”為題進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)方便人們?nèi)永⒗c人類隔絕起來等功能，從而達(dá)到它的隔離作用，方便人們的作用。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

基于聲音識別的智能聲控垃圾桶搭載在智能小車上移動，通過紅外或者語音指令打開垃圾桶蓋，就可以把垃圾安全方便地丟進(jìn)垃圾桶了[3]。

1.1 智能聲控垃圾桶中的聲音控制采用人聲識別模塊LD3320，它是一種具有識別深度的非特定人聲識別模塊，新IDE軟件識別深度不受限制，幾乎可以識別我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫乃姓Z音指令；精細(xì)設(shè)計語音識別參數(shù)的語音識別模塊可以通過特定的語音識別軟件對語音音量、麥克風(fēng)靈敏符、識別起始時間、語音端點(diǎn)檢測識別等參數(shù)可以設(shè)置，從而使語音識別模塊更適應(yīng)日常環(huán)境，進(jìn)而可以很好地應(yīng)用到我們的裝置中，達(dá)到聲控的功能。

1.2 在智能聲控垃圾桶的蓋子上我們采用自動打開和關(guān)閉的方式，在其中添加一個電機(jī)來控制蓋子的運(yùn)動方式，它由紅外傳感器、齒輪和力臂組成。

1.3 智能聲控垃圾桶的移動端，我們采用驅(qū)動小車的方式，這樣能夠隨時控制裝置的移動方向、運(yùn)動軌跡，并對路徑進(jìn)行優(yōu)化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制器選型

STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)STM32F103C8T6 主要由主芯片、上電復(fù)位電路、電源供電電路和時鐘電路組成。STM32F103C8T6芯片內(nèi)核是ARM 32 位的CortexTM-M3 CPU，內(nèi)置高速存儲器，足以保證數(shù)據(jù)快速讀寫和讀取。

2.2 紅外避障模塊

智能小車通常使用的避障技術(shù)有紅外避障和超聲波避障這兩種方式。但是超聲波的傳播極度容易受到干擾，溫度、風(fēng)向和某些信號都可以成為干擾因素。缺點(diǎn)太多，不太符合此設(shè)計的要求。選擇采用穩(wěn)定的紅外避障模塊來幫助小車完成行走避障。

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

本設(shè)計裝載兩個L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊來驅(qū)動四個電機(jī)，四個電機(jī)裝上四個小輪，搭載一個可以裝載垃圾桶的平臺。L298N電機(jī)驅(qū)動模塊可以提高小車運(yùn)行的可靠性正是因?yàn)槠鋬?nèi)部電路中的電容和二極管等組成了穩(wěn)定的電路。采用L298N 芯片電機(jī)驅(qū)動電機(jī)方向控制可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，可以調(diào)節(jié)小車運(yùn)行的速度、可以實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向，能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的動作。該調(diào)速方式調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，而且能承受頻繁的負(fù)載沖擊。

2.4 語音識別模塊

語音識別模塊主要由語音識別芯片和相關(guān)附屬電路組成，其主要功能是識別語音指令，并根據(jù)識別出的指令信息通過串口發(fā)送相應(yīng)的指令編碼[4]。本設(shè)計使用LD3320 語音識別模塊，用來控制電機(jī)驅(qū)動模塊，通過指令使電機(jī)驅(qū)動工作，使小車工作到達(dá)使用者附近，為后續(xù)的一系列動作作了很好的鋪墊。本設(shè)計的LD3320 語音識別模塊需要進(jìn)行多次工作。

2.5 電源模塊

本設(shè)計使用兩個電池串聯(lián)來為整個系統(tǒng)提供供電服務(wù)，但是不同的模塊是工作在不同的電壓當(dāng)中。兩個電池的總電壓在7.5V 左右，通過降壓電路將電壓降壓到5V，然后供給紅外模塊使用，而本降壓電路最關(guān)鍵的是使用LM7805 這個三端穩(wěn)壓器。但是STM32 單片機(jī)一般工作在3.3V 的電壓當(dāng)中，所以還需要將5V 的電壓降壓到3.3V 當(dāng)中，這時候采用AMS1117 正向低壓穩(wěn)壓器和不同的電容將5V 的電壓降壓到3.3V，然后供給STM32 單片機(jī)使用。電機(jī)驅(qū)動直接連接7.5V 電壓使用。

2.6 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計使用產(chǎn)品型號HC-05 帶底板焊排針的主從機(jī)一體BLE 藍(lán)牙模塊，需要工作在3.2-6V 的輸入電壓。模塊可以使用在空曠環(huán)境的有效距離10 米內(nèi)，超過10 米不能保證通信質(zhì)量。這個藍(lán)牙模塊可以連接各種單片機(jī)，直接連接單片機(jī)的串口。與藍(lán)牙2.0 設(shè)備連接，一主一從，需要配對碼和波特率一致，當(dāng)配對成功狀態(tài)燈開啟。

2.7 舵機(jī)

舵機(jī)一般分為直流和交流兩種類型，此次設(shè)計使用的直流舵機(jī)來控制垃圾桶蓋子的開閉，鑲嵌在蓋子和桶的結(jié)合處，所以其在智能聲控垃圾桶起到重要的作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

STM32 主控制器在系統(tǒng)啟動時要設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、啟動事件循環(huán)的控制程序。主控制器要對相關(guān)的端口進(jìn)行初始化操作，為各端口接收指令做好準(zhǔn)備。相關(guān)的寄存器也要進(jìn)行設(shè)置，此設(shè)計的要用到中斷服務(wù)程序，所以對中斷相關(guān)的寄存器也要進(jìn)行初始化操作。本次設(shè)計中，主機(jī)程序設(shè)計和從機(jī)程序有點(diǎn)差別，主機(jī)程序固有的語音識別模塊隨時都處在接收模式當(dāng)中，主機(jī)程序中的藍(lán)牙模塊隨時都處在發(fā)送模式，收到主機(jī)程序發(fā)送的指令后，從機(jī)程序中的藍(lán)牙模塊作出反應(yīng)把接收的指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷之后再通過串口來控制小車前行或者打開垃圾桶蓋。

結(jié)束語

基于聲音識別的智能聲控垃圾桶利用STM32 單片機(jī)作為其控制系統(tǒng)。目的是完成一個具有簡單的小范圍移動能力、能夠語音進(jìn)行操控等功能，由語音識別裝置、微電腦控制芯片、紅外線探測裝置、電機(jī)驅(qū)動模塊等組成的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具體包括了STM32 主控制器、語音識別模塊、紅外模塊、藍(lán)牙模塊等主要控制外圍器件。主要的操作流程是由人語音輸入控制語音指令，由語音模塊識別出語音指令，輸出到STM32 主控制器里面，再由主控制器作出反應(yīng)，使裝載垃圾桶的小車移動到相應(yīng)的位置。垃圾桶可以使用語音控制或者自動感應(yīng)開蓋。通過理論和實(shí)踐的結(jié)合，本智能聲控垃圾桶具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、智能化等優(yōu)點(diǎn)。一定程度上彌補(bǔ)了我國傳統(tǒng)垃圾桶的缺陷，將人們和垃圾隔離，防止細(xì)菌相互交叉感染，進(jìn)一步提高人們的生活水平。