基于聲紋識別及遠程控制的分類垃圾桶

魏潔鋒，黃志芳，陳德鵬，姚凱茵

（嘉應學院 物理與電子工程學院，廣東 梅州 514015）

0 引 言

隨著國家對環境保護的重視，垃圾分類乃大勢所趨，而當前社會的分類垃圾桶更多的是以宣傳標語或將各類垃圾整理后進行顯示，以便于用戶判斷垃圾種類再自主投放，但這種方式收效甚微；另外，也存在利用金屬傳感器分類金屬垃圾及非金屬垃圾的方式，但這種分類方式覆蓋面較為狹窄。因此，面對廣大用戶對垃圾分類知識了解不足的情況，通過語音識別與遠程控制等人工智能方式幫助人們更方便地進行垃圾分類，不僅能夠提高用戶的便利體驗，還能使垃圾資源得到充分利用。綜上所述，本設計將振動識別、超聲波測距、聲紋識別、語音播報、手機APP藍牙等功能模塊運用到分類垃圾桶上，不僅能夠極大地方便人們的生活，也有利于提高人們的垃圾分類意識，促進社會發展。

1 整體方案設計

在分類垃圾桶系統硬件設計方面，考慮系統主控芯片的性能和處理能力對于語音識別垃圾特征的復雜算法，當用戶說出垃圾名稱，由芯片進行識別時，主控芯片的性能和處理能力受到很大考驗。由于使用了眾多人工智能模塊，因此選擇STC12C5A60S2作為主控芯片，這款單片機擁有4個16位定時器/計數器，能夠滿足本設計的功能需要。

在確定好主控芯片的情況下，從系統的控制功能和顯示信息方面進行研究，以智能分類垃圾為前提，采用舵機、SW-420模塊及HC-SR04模塊實現振動感應開桶和超聲波測距開桶功能；采用LD3320A模塊及SYN6288模塊實現聲紋識別垃圾和語音播報垃圾種類功能；采用稱重傳感器等模塊實現對垃圾桶內垃圾的稱重及測高功能；利用手機APP進行藍牙遠程控制等。圖1所示為系統框架。系統各模塊的通信口通過硬件電路與主控芯片的I/O口相連，主控芯片根據各模塊傳送的數據進行分析、處理，進而實現用戶對垃圾的分類。

圖1 系統框架

2 硬件設計

2.1 舵機控制垃圾桶蓋

針對垃圾桶蓋的開關功能，本系統采用舵機對桶蓋進行控制。應用5 V電源電路為舵機供電，單片機通過I/O口連接舵機的信號線，傳輸高電平信號，在時基脈沖時長為20 ms時，電機軸向轉向180°的位置，即垃圾桶處于開桶狀態，當高電平信號延續0.5 ms時，電機軸向將轉向0°方向，即垃圾桶處于關桶狀態。圖2所示為舵機安裝位置。

圖2 舵機安裝位置圖例

2.2 聲紋識別及語音播報

利用LD3320A模塊對用戶說出的垃圾名稱進行識別。該模塊供電電壓為3.3 V，通過電路設計能夠與單片機進行串口無線通信，具有劇本設定、端口控制及信號輸出等功能。當聲紋識別模塊識別出用戶說出的垃圾后，即利用SYN6288語音播報模塊對設定好的文本進行播報，提示用戶垃圾的種類，并打開對應垃圾桶的蓋子，實現垃圾分類。圖3所示為聲紋識別模塊。

圖3 聲紋識別模塊

2.3 振動識別

振動識別功能基于高靈敏的SW-420振動傳感器模塊實現。該模塊工作電壓為3.3～5 V，通過單片機I/O口與其輸出端相連，單片機通過檢測高低電平來判斷是否出現瞬時振動。當用戶對垃圾桶外殼進行簡單碰撞后，振動模塊輸出端向單片機傳送高電平，再激發相應開桶電機，實現振動感應開桶功能。圖4所示為振動識別模塊。

圖4 振動識別模塊

2.4 超聲波測距

測距感應開桶分為紅外測距和超聲波測距，這兩種測距方式均基于測算紅外線或超聲波從發射到接收的時間差來測算距離。日常環境下，紅外線易受自然光的影響，所以本垃圾桶設計選用HC-SR04超聲波測距模塊來檢測垃圾桶前方是否有用戶，其測距范圍為2～400 cm，測距精度為3 mm。當檢測到有用戶時，觸發開啟相應的垃圾桶蓋，便于用戶分類、處理垃圾。圖5所示為超聲波模塊。

圖5 超聲波模塊

2.5 藍牙無線控制

選用HC-06藍牙模塊實現無線遠程控制，將模塊的RXD、TXD引腳分別連接單片機的相應引腳，與單片機串口交互數據。使用手機APP連接系統的藍牙模塊，連接成功后即可實現全雙工傳輸和數據接收。當手機連接藍牙后，就可以借助手機APP界面按鍵控制各垃圾桶的開蓋、關蓋及查看容量情況等，通過遠程控制滿足用戶需要。圖6所示為藍牙模塊。

圖6 藍牙模塊

2.6 稱重及測高檢測

本功能采用稱重傳感器和超聲波測距模塊實時檢測垃圾桶中垃圾的重量及高度。稱重傳感器即應變式壓力傳感器，其驅動電壓為5 V，當應變片受到壓力時通過高精度HX711模塊進行A/D轉換，輸出數據信號給單片機，從而實現系統依據垃圾桶容量提醒用戶換袋的功能。圖7所示為HX711模塊電路。

圖7 HX711模塊電路接線

3 軟件程序設計

3.1 聲紋識別及開桶并語音播報的實現

對于聲紋識別控制功能的實現，首先需要用戶在垃圾桶前說出設定的垃圾桶名稱，即可喚醒垃圾桶，喚醒后對麥克風說出垃圾的名稱，系統判斷垃圾所在數據庫的種類，之后通過語音自動回復垃圾的種類名稱，利用語音播報模塊播報結果。圖8所示為聲紋識別及語音播報流程。

圖8 聲紋識別及語音播報流程

3.2 超聲波測距開、關桶的實現

對于測距開桶功能的實現，首先要對單片機設定觸發值，在初始化后，HC-SR04超聲波模塊開始對垃圾桶前方進行障礙物檢測，當檢測到有用戶時，觸發開啟相應的垃圾桶蓋，當檢測距離小于設定值且無其他功能模塊觸發時，則關閉垃圾桶蓋。圖9所示為測距感應開桶流程。

圖9 測距感應開桶流程

3.3 振動識別開桶的實現

對于振動識別開桶功能的實現，利用SW-420振動傳感器對垃圾桶的振動情況進行實時檢測。首先傳感器進行初始化，其連接單片機的I/O口，當單片機接收到振動傳感器發來的高電平信號時，則表示垃圾桶出現振動，此時單片機觸發打開對應的垃圾桶蓋，實現自動開桶功能。圖10所示為振動識別開桶流程。

圖10 振動識別開桶流程

3.4 自動稱重及測高提醒換袋的實現

對于自動稱重測高提醒換袋功能的實現，首先利用單片機與稱重傳感器、超聲波傳感器進行信號傳送，為單片機設置好垃圾袋的承受值及高度，再利用傳感器實時檢測垃圾桶中垃圾的重量及高度，由單片機對數據進行處理后判斷是否達到設定值，當垃圾桶中垃圾超過設定值時，則通過語音播報模塊進行提示換袋。圖11所示為自動稱重及測高提醒流程。

圖11 自動稱重及測高提醒流程

4 實驗測試結果

圖12所示為分類垃圾桶實物。本設計采用三種顏色的垃圾桶作為對象，分別表示其他垃圾、可回收垃圾及有害垃圾，把各傳感器及模塊通過引線安裝在垃圾桶上。對垃圾桶進行振動識別開桶、超聲波測距開桶、聲紋識別及播報分類開桶、自動稱重測高、手機APP藍牙控制等功能的測試。圖13所示為超聲波測試圖。表1所列為壓力傳感器測試重量，采用20 g、100 g、200 g、500 g、1 000 g、2 000 g 及 5 000 g砝碼模擬日常垃圾的重量。測試可得，稱重傳感器測試結果在誤差允許的范圍內，滿足該設計基本功能需求。

表1 壓力傳感器測試重量

圖12 分類垃圾桶實物

圖13 超聲波測試

5 結 語

隨著國家對分類投放、收集、運輸及處理的垃圾處理系統的加快建立，分類垃圾桶的設計成為推進綠色發展的重要舉措。經測試，本設計能夠實現基于聲紋識別及語音播報控制、手機APP藍牙控制功能的分類垃圾桶，并輔以振動識別、超聲波測距識別、自動稱重測高等功能，以滿足用戶需要。

本設計后期仍可繼續改進，可改進的方面如下：

（1）應用機械原理對垃圾袋進行自動切割；

（2）使用攝像頭對垃圾進行分類判斷并開桶。