基于語音控制的智能垃圾桶設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘 要：該文基于STM32F103C8T6設(shè)計一款語音控制的智能垃圾桶系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)處理模塊、超聲波測距模塊、舵機(jī)驅(qū)動模塊和語音識別模塊構(gòu)成。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，運(yùn)用語音識別傳感器采集聲音信息，通過邏輯處理，單片機(jī)能夠智能地下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)對垃圾桶蓋子的差異化控制。通過實(shí)驗(yàn)操作，驗(yàn)證系統(tǒng)在語音識別、傳感器準(zhǔn)確度以及音量控制方面具有良好的性能。該設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于操作且性能穩(wěn)定，為垃圾管理提供一種便捷的方式，使用戶可以輕松進(jìn)行垃圾分類和處理。此外，語音控制技術(shù)還減少用戶需要觸摸垃圾桶的機(jī)會，從而降低交叉感染的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；智能垃圾桶；語音識別模塊；舵機(jī)驅(qū)動；方案設(shè)計

中圖分類號：TN912.34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）28-0135-04

Abstract： This paper designs a voice-controlled smart trash bin system based on STM32F103C8T6， which mainly consists of a data processing module， an ultrasonic ranging module， a steering gear driving module and a voice recognition module. The system takes a Microcontroller Unit （MCU） as the core and uses a voice recognition sensor to collect sound information. Through logical processing， the MCU can intelligently issue instructions to achieve differentiated control of the lid of the trash can. Experimental operations verify that the system has good performance in voice recognition， sensor accuracy and volume control. The design system has a simple structure， easy to operate and stable performance， providing a convenient way for garbage management， allowing users to easily classify and process garbage. In addition， the voice control technology also reduces the chance that users need to touch the trash can， thereby reducing the risk of cross-infection.

Keywords： MCU; smart trash bin; voice recognition module; steering gear driver; conceptual design

隨著全球城市人口的不斷增加，垃圾產(chǎn)生量也在迅速上升。而傳統(tǒng)的垃圾處理方式已經(jīng)難以應(yīng)對日益增長的需求，因此垃圾管理已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。為了減少垃圾對環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)，垃圾分類和回收已成為國際社會的共識。為順應(yīng)這一趨勢，垃圾桶生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品朝著“多樣化”與“智能化”的方向發(fā)展。垃圾桶控制系統(tǒng)種類不斷增加，功能也更加豐富，因此智能化垃圾桶也有望成為消費(fèi)者的消費(fèi)首選。

對于智能垃圾桶的相關(guān)研究，國外在2006年開始實(shí)施廢電池和廢玻璃等物品的回收利用，2007年開始嘗試在垃圾桶上使用射頻技術(shù)，20SVV4dyF+IcAyyLTOZSU1Xg==14年開始研究智能回收算法，2016年開始深入研究單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)。相較之下，我國在2000年時開始研究垃圾桶智能化系統(tǒng)，2009年初步研究全自動智能垃圾分類機(jī)，2015年開始探索智能分類垃圾箱，國外學(xué)者在解決這些問題時，也嘗試通過行為來改變垃圾投放者的意識[1-2]。

國內(nèi)在單片機(jī)發(fā)展方面，周慧珺等[3]提出采用紅外探測和無線接收的方式，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動開合。在智能垃圾桶設(shè)計方面，何侃等[4]采用了一種可語音識別的算法，然而驗(yàn)證結(jié)果顯示其成功率較低，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。傅曉蕓借鑒了國外公共垃圾桶的設(shè)計方法，結(jié)合產(chǎn)品語義層級、投放引導(dǎo)語義以及參與操作語義3個方面的研究，為垃圾桶的發(fā)展提供新的設(shè)計思路。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本研究在于設(shè)計一款基于語音識別的智能垃圾桶系統(tǒng)，幫助用戶輕松辨識垃圾類別，并自動打開相應(yīng)的垃圾桶蓋。當(dāng)垃圾桶即將裝滿時，系統(tǒng)自動發(fā)出報警提示，提醒用戶處理。使用語音識別模塊接收用戶識別指令，實(shí)現(xiàn)對各類垃圾的辨識，主動播報對應(yīng)的回收類型，并根據(jù)垃圾種類的識別結(jié)果自動打開相應(yīng)的垃圾桶蓋。用戶也可通過按鍵開關(guān)手動操作，實(shí)現(xiàn)對垃圾的智能分類。此外，垃圾桶還能自動監(jiān)測桶內(nèi)的狀況，當(dāng)垃圾桶即將裝滿時，系統(tǒng)通過語音報警提示用戶，并向管理員發(fā)送信息，使管理員了解垃圾桶的實(shí)時狀況，從而及時進(jìn)行清理。這一設(shè)計旨在減少垃圾桶爆滿的情況發(fā)生，避免垃圾外溢，有助于美化環(huán)境，更好地促進(jìn)垃圾分類。

本文的研究主要針對不同種類的垃圾，語音命令識別垃圾，播報提示垃圾所對應(yīng)的回收類型并打開對應(yīng)的垃圾桶，也可通過按鍵打開垃圾桶。通過紅外傳感器來監(jiān)測垃圾桶是否填滿，未滿顯示為綠燈，否則顯示紅燈。在垃圾裝滿后，通過藍(lán)牙與揚(yáng)聲器來提示用戶進(jìn)行清理。主要研究內(nèi)容如下。

1）分析用單片機(jī)來控制傳統(tǒng)的舵機(jī)的原理，對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的控制。

2）通過分析識別聲音的原理建立對應(yīng)訓(xùn)練模型，研究語音控制模塊對聲音的識別。

3）根據(jù)語音命令不同，自動控制打開對應(yīng)的垃圾桶蓋。

4）分析使用單片機(jī)如何應(yīng)用紅外傳感器，達(dá)成自動監(jiān)測以及預(yù)警的預(yù)期功能。

5）研究揚(yáng)聲器的控制與使用，實(shí)現(xiàn)語音播報以及異常狀態(tài)提示等信息。

6）對于供電設(shè)備的安裝與設(shè)計。

7）對于垃圾桶承載狀態(tài)的正確運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)顯示與異常狀態(tài)的提示。

1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

基于語音控制的智能垃圾桶系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有語音命令識別、語音播報、垃圾桶自動開關(guān)蓋和狀態(tài)指示等，目的是為用戶提供便捷的垃圾投放體驗(yàn)，并初步隔離垃圾，防止細(xì)菌的滋生。該系統(tǒng)的核心元件為STM32F103C8T6單片機(jī)，整體框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊采用了STM32F103C8T6，通過超聲距離模組及聲音辨識模組生成資料，STM32啟動超音波距離模組，使其在100 ms內(nèi)完成行程。當(dāng)輸入端口收到來自超聲波的高電平信號時，判定并算出垃圾箱與前面的障礙物之間的距離。當(dāng)5個距離的平均值都低于規(guī)定的數(shù)值時，由STM32進(jìn)行語音辨識，由STM32進(jìn)行采集，并以總定時器設(shè)定的脈沖寬度為輸入，實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，打開垃圾箱。大約10 s后，重新啟動轉(zhuǎn)向器，關(guān)閉桶蓋。

1.2.2 超聲波測距模塊

該設(shè)備采用HC-SR04芯片，共有4根管腳：引腳1為5 V供電，引腳2用于接收MCU所發(fā)的啟動信號，引腳3則向STM32輸出對應(yīng)的高電平，引腳4則與地面相連。當(dāng)設(shè)備工作時， Trig將單片機(jī)發(fā)出的一個10 ms長的高電平信號作為啟動信號，將超聲發(fā)射出去。然后，記錄從傳送到接收所花費(fèi)的時間，使Echo的等級從低到高，并且根據(jù)測量到的距離保持對應(yīng)的一段對應(yīng)的時間，當(dāng)結(jié)束時，將該信號降到低水平，執(zhí)行下一個測量[5-6]。

1.2.3 舵機(jī)驅(qū)動模塊

舵機(jī)是一種位置伺服驅(qū)動器，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的角度控制[7]。本文設(shè)計采用了SG90舵機(jī)，利用支撐臂和齒輪的傳動裝置，將垃圾箱罩與轉(zhuǎn)向器相連，實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)。在從單片機(jī)那里收到20 ms的循環(huán)信號和0.5 ms（占空比2.5%）高電平的情況下，舵機(jī)轉(zhuǎn)動到0°，這時桶帽是臥式的，完成了垃圾箱的關(guān)閉。在從微控制器收到20 ms的周期信號和1.5 ms（占空比7.5%）高電平的情況下，驅(qū)動筒蓋旋轉(zhuǎn)90°，完成打開。

1.2.4 語音識別模塊

本裝置使用了HLV-V20語音識別模塊，該模塊被廣泛應(yīng)用于各種智能設(shè)備上，價格親民且識別率較高。利用SPI通信協(xié)議將所辨識的訊號進(jìn)行初步的處理，并將其通過串行通信方式傳送到MCU，以便對相應(yīng)的垃圾箱進(jìn)行控制；并與揚(yáng)聲器相連以提供語音幫助。本模塊的語音識別語句可隨時進(jìn)行錄入與刪改，并且語句標(biāo)識與國家對垃圾分類變化的新標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，使裝置的使用壽命得到提升。同時，考慮到垃圾桶的擺放環(huán)境有較多干擾信息，容易造成識別錯誤，所以為了增加識別準(zhǔn)確性，在語音系統(tǒng)中附加了一級口令保護(hù)[8-9]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用了模塊化結(jié)構(gòu)，包括語音識別模塊與提示模塊、開關(guān)控制模塊以及報警提示模塊。程序由主程序和子程序組成，主程序的主要功能是通過單片機(jī)對輸出電路進(jìn)行控制，以達(dá)到智能分類的效果，其流程圖如圖2所示。子程序主要包括舵機(jī)子程序設(shè)計和語音識別子程序設(shè)計。

2.1 舵機(jī)子程序設(shè)計

舵機(jī)的控制信號為PWM信號，通過占空比來改變舵機(jī)的位置。為了不影響中斷程序的運(yùn)行，并且確保軟件在定時中斷期間采集其他的信號，信號采集函數(shù)被放置在較長的定時中斷中執(zhí)行。

智能垃圾桶在開蓋時需要將舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到0°，因此將輸出占空比設(shè)置為1.5 ms的控制脈沖，關(guān)蓋時將舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到-90°，輸出占空比為0.5 ms的控制脈沖。要使舵機(jī)轉(zhuǎn)動到左側(cè)最邊緣，需要設(shè)定2 ms的正脈沖，18 ms的負(fù)脈沖。在起始條件下，該控制端口發(fā)出高電平信號，設(shè)定計時器在2 ms之后出現(xiàn)一個中斷，在該中斷出現(xiàn)之后把控制器的接口設(shè)置成了一個較小的電平，并把其中斷時間設(shè)置成18 ms。在經(jīng)過18 ms之后，切換到新的時序中斷，把控制端口設(shè)置成高電平，把計時器的初值設(shè)置成2 ms，然后等待下一次的中斷，通過循環(huán)，實(shí)現(xiàn)PWM信號到舵機(jī)的輸出過程。

2.2 語音識別子程序設(shè)計

HLK-V20模塊在32位RSIC結(jié)構(gòu)中引入了DSP芯片，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)字信號的分析、聲音的辨識、浮點(diǎn)計算的FPU操作、FFT加速等功能。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語音識別方法。模塊的系統(tǒng)外設(shè)包括UART/I2C/SPI/PWM/I2S/DAC/GPIO/DMic/AMic，用于實(shí)現(xiàn)語音識別/聲控/人機(jī)對話功能。語音識別程序流程如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本裝置對于不同種類的垃圾，能做出不同的反應(yīng)，語音命令識別垃圾，語音信息通過語音識別模塊進(jìn)入STM32里。STM32首先對語音信息進(jìn)行分類分析，能進(jìn)行播報提示垃圾所對應(yīng)的回收類型，與此同時相應(yīng)的垃圾桶打開，在液晶顯示模塊檢測所得數(shù)據(jù)直觀地顯示出來，也可以通過按鍵自行打開垃圾桶。垃圾桶通過紅外傳感器監(jiān)測是否填滿，用紅燈綠燈、藍(lán)牙和揚(yáng)聲器來提示用戶垃圾桶是否填滿的信息，從而進(jìn)行及時的清理。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)在語音識別、傳感器準(zhǔn)確度以及音量控制等對垃圾桶控制方面具有良好的性能。

4 總結(jié)與展望

基于語音控制的智能垃圾桶設(shè)計代表了現(xiàn)代科技在環(huán)境保護(hù)和生活便捷性方面的創(chuàng)新應(yīng)用，旨在提高垃圾分類和管理的效率，減少資源浪費(fèi)，促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性。本文介紹了該系統(tǒng)的核心組成部分和工作原理，包括數(shù)據(jù)處理模塊、超聲波測距模塊、舵機(jī)驅(qū)動模塊和語音識別模塊。通過實(shí)驗(yàn)操作，驗(yàn)證了系統(tǒng)在語音識別、傳感器準(zhǔn)確度以及音量控制方面具有良好的性能。其創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下3個方面。

首先是將語音識別技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，利用語音識別技術(shù)來與智能垃圾桶進(jìn)行交互，用戶只需通過語音告訴垃圾桶要丟棄的垃圾類型，而不需要手動打開垃圾桶或觸摸傳感器，無須觸碰或按壓按鈕。

其次是語音識別的準(zhǔn)確與智能化創(chuàng)新，需要高度準(zhǔn)確的語音識別算法。先進(jìn)的自然語言處理技術(shù)和智能分類算法確保垃圾被正確分類，減少錯誤投放。語音識別技術(shù)也可以與其他智能家居或智能城市系統(tǒng)進(jìn)行整合，進(jìn)一步提高其擴(kuò)展性和適應(yīng)性。

最后則是對于用戶體驗(yàn)的收集反饋再使用，語音識別技術(shù)的應(yīng)用還可以用于收集用戶口頭指令的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于分析用戶的投放習(xí)慣、垃圾種類的頻率分布等信息。

總之，基于語音控制的智能垃圾桶設(shè)計為垃圾管理領(lǐng)域帶來了創(chuàng)新，提高了效率和便捷性。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，我們可以期待這一領(lǐng)域的進(jìn)一步突破和應(yīng)用，為環(huán)境保護(hù)和城市管理提供更多的解決方案。

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