基于語音識(shí)別的多功能智能型塑料垃圾桶設(shè)計(jì)

張文武，顧涓涓，王雙雙

(合肥學(xué)院 生物食品與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230000)

1 引言

目前家庭生活中常見的垃圾桶可分為敞口式、手動(dòng)有蓋式和腳踏有蓋式3種，其中敞口式雖然方便，但是很不衛(wèi)生，時(shí)而有刺激性氣體產(chǎn)生；手動(dòng)和腳踏兩種雖然有蓋子，能夠阻隔氣味，但是扔垃圾時(shí)手動(dòng)按鈕或者腳踏開關(guān)也不衛(wèi)生，且容易損壞。故本文采用語音識(shí)別技術(shù)，通過說出垃圾名稱，然后與系統(tǒng)初設(shè)置的家庭常見垃圾庫(kù)匹配，最后識(shí)別出垃圾種類，打開對(duì)應(yīng)垃圾桶蓋。不僅實(shí)現(xiàn)了垃圾自動(dòng)分類，還解決了衛(wèi)生問題。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該多功能智能語音垃圾桶由STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)、LD3320語音識(shí)別電路、智能顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、壓力感應(yīng)模塊、HC-SR04超聲波測(cè)距模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及電源模塊構(gòu)成。系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示。用戶需要扔垃圾時(shí)，說出喚醒詞比如“小愛”，該智能垃圾桶會(huì)反饋“你好” ，防止干擾語音影響程序運(yùn)行；然后用戶說出垃圾名字，該智能垃圾桶會(huì)自動(dòng)打開相應(yīng)垃圾桶蓋，8s后自動(dòng)關(guān)閉。同時(shí)，桶滿也會(huì)做出相應(yīng)警報(bào)，提醒用戶及時(shí)清理，防止液體溢出。

圖1 多功能智能語音垃圾桶系統(tǒng)原理

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器。其主要優(yōu)勢(shì)在于體積小巧輕便，價(jià)格和家族其他芯片相比較低，相比8位單片機(jī)性能更優(yōu)。如果設(shè)計(jì)者會(huì)使用STM32系列芯片，可替代方案多，性價(jià)比也比較高，對(duì)于簡(jiǎn)單的項(xiàng)目移植性更強(qiáng)，適合諸多嵌入式控制領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。電源模塊采用蓄電池供電，也可采用其它更方便的供電方式。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)板

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STM32F103C8T6作為控制核心，具有功耗低，速度快，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高系統(tǒng)的分析速度，使系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性。如圖2為單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路。

4個(gè)舵機(jī)接線引腳42、43、45、46對(duì)應(yīng)的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4；語音播報(bào)模塊JQ8400FL-10P接引腳12、13、2對(duì)應(yīng)的Z_M_RX、Z_M_TX、Z_M_BUSY;語音識(shí)別模塊接線引腳30、31對(duì)應(yīng)的Z_Y_TX、Z_Y_RX; APP/網(wǎng)頁(yè)端遠(yuǎn)程控制WIFI模塊ESP8266-01接線引腳21、22對(duì)應(yīng)的Z_ESP_RX、Z_ESP_TX。通過程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期要達(dá)到的功能。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

由于家庭垃圾桶放置的位置基本是固定的或者在某個(gè)角落周圍，所以在移動(dòng)時(shí)可用蓄電池，反之可直接通過適配器接線供電。一個(gè)5 V電源適配器，在經(jīng)過芯片AMS111-3.3轉(zhuǎn)換核心板所需電源3.3 V。如圖3所示電源模塊電路。

3.2 語音識(shí)別電路

語音識(shí)別電路是對(duì)用戶的語音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果是單片機(jī)進(jìn)行電機(jī)控制的依據(jù)之一。本設(shè)計(jì)采用LD3320語音識(shí)別芯片進(jìn)行語音識(shí)別，它是基于非特定人語音識(shí)別技術(shù)的語音識(shí)別/聲控芯片，通過麥克風(fēng)把語音信號(hào)從芯片的MICP(9腳)和MICN(10腳)輸入識(shí)別芯片。

如圖4語音識(shí)別電路。

圖3 電源模塊電路

圖4 語音識(shí)別電路

對(duì)此，家庭常見垃圾在本設(shè)計(jì)中進(jìn)行了分類，寫入識(shí)別列表。表1所示家庭常見垃圾分類。

表1 家庭常見垃圾分類

3.3 壓力感應(yīng)模塊

本設(shè)計(jì)采用的是電阻應(yīng)變式稱重傳感器來測(cè)量桶內(nèi)的垃圾重量，其測(cè)量原理如圖6所示。首先，待測(cè)的垃圾重量W由金屬?gòu)椥悦舾性D(zhuǎn)換為金屬?gòu)椥泽w的應(yīng)變值X，緊接著應(yīng)變值X同步地轉(zhuǎn)換為電阻變化ΔR,最后通過橋式電路將電阻變化ΔR轉(zhuǎn)換為電壓變化V，因重量產(chǎn)生的電壓信號(hào)V經(jīng)過24位A/D轉(zhuǎn)換器HX711進(jìn)行模數(shù)變換后，達(dá)到單片機(jī)STM32F103C8T6控制端。當(dāng)沒有垃圾時(shí)，電壓變化為0；當(dāng)垃圾越來越多，電壓也慢慢增加；重量達(dá)到上限值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)聲光報(bào)警。

圖5 電阻應(yīng)變式稱重傳感器工作原理

3.4 超聲波測(cè)距模塊

測(cè)量剩余空間可用超聲波測(cè)距技術(shù)。超聲波測(cè)距是一種檢測(cè)速度快、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單以及不受惡劣環(huán)境影響的檢測(cè)技術(shù)。本設(shè)計(jì)采用的是HC-SR04超微型傳感器，其模塊具有性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，模塊高精度，盲區(qū)小特點(diǎn)。

超聲波測(cè)距原理如圖6所示。

圖6 超聲波測(cè)距原理框圖

超微型HC-SR04傳感器采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10 μs高電平信號(hào)，該傳感器自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，從而測(cè)出垃圾剩余高度H，達(dá)到上限值時(shí)，桶滿觸發(fā)聲光報(bào)警。

HC-SR04電氣參數(shù)如表2所示。

表2 HC-SR04電氣參數(shù)

3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)控制電路作用是控制電機(jī)關(guān)閉或打開。當(dāng)語音識(shí)別模塊識(shí)別到用戶語音信號(hào)時(shí)，由識(shí)別相應(yīng)關(guān)鍵詞，再通過串口發(fā)送到STM32端，STM32端接著會(huì)發(fā)送打開相應(yīng)垃圾桶蓋的指令，8s后，垃圾桶蓋自動(dòng)關(guān)閉。翻蓋可通過STM32端控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件可分為主程序和各模塊子程序。本設(shè)計(jì)核心程序是對(duì)用戶說出的垃圾識(shí)別分類，再打開相應(yīng)垃圾桶蓋，同時(shí)附有桶滿聲光報(bào)警觸發(fā)程序。其軟件流程圖，如圖7所示。

圖7 多功能智能垃圾桶軟件流程

對(duì)于垃圾桶滿檢測(cè)，無論是重力測(cè)量達(dá)到上限值，還是剩余高度達(dá)到上限值，都會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警系統(tǒng)，垃圾桶會(huì)自動(dòng)鎖柱，提醒用戶及時(shí)清理，方便簡(jiǎn)單又安全衛(wèi)生。

5 結(jié)語

本文介紹了基于核心板STM32F103C8T6和LD3320的多功能智能語音垃圾桶的設(shè)計(jì)方法。該垃圾桶采用適配器接線供電，也可使用蓄電池供電，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)翻蓋、桶滿報(bào)警功能。同時(shí)，LCD顯示屏起到顯示垃圾剩余容量、時(shí)間、天氣狀況等功能。此款垃圾桶大大提高家用時(shí)的方便性，營(yíng)造出一個(gè)溫馨舒適的家庭氛圍。