劉 鵬 伍玲玲 鄒行宇 張宇涵 侍中樓 徐 偉

（1．江漢大學(xué)智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430056；2．江漢大學(xué)工程訓(xùn)練中心，湖北 武漢 430056）

0 引言

智能垃圾箱是一種以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用自動(dòng)控制技術(shù)，采用微電腦控制芯片、新型傳感探測(cè)裝置和機(jī)械傳動(dòng)裝置等設(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)垃圾箱進(jìn)行改造發(fā)展而來(lái)的新型智能家居生活用品[1]。為了適應(yīng)垃圾分類(lèi)工作的需求，各種智能垃圾箱進(jìn)入市場(chǎng)。與傳統(tǒng)垃圾箱相比，智能垃圾箱解決了垃圾分類(lèi)的需求，為生產(chǎn)生活帶來(lái)了許多便利。但自身也存在著諸多問(wèn)題，例如，操作不方便、垃圾分類(lèi)不準(zhǔn)確、垃圾打包不衛(wèi)生、傳感器靈敏度不高以及人機(jī)交互功能不強(qiáng)等弊端。該文針對(duì)這些問(wèn)題設(shè)計(jì)了一款基于語(yǔ)音交互功能的智能分類(lèi)垃圾桶，以ESP8266物聯(lián)網(wǎng)模塊為核心，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)功能，垃圾箱配有多級(jí)齒輪箱、熱熔切斷裝置和簡(jiǎn)易氣壓回路裝置，可以自動(dòng)完成垃圾分類(lèi)、打包套袋。此外該設(shè)計(jì)還配有語(yǔ)音識(shí)別播報(bào)系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、垃圾智能分類(lèi)，而且具有很強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用和推廣前景。

1 垃圾箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目基于語(yǔ)音識(shí)別交互功能，控制部分硬件系統(tǒng)以Arduino Mega2560為設(shè)備終端CPU，LD3320和語(yǔ)音播報(bào)模塊構(gòu)成語(yǔ)音識(shí)別交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能分類(lèi)，電磁換向閥和氣泵構(gòu)成簡(jiǎn)易氣壓回路，實(shí)現(xiàn)套袋功能和打包功能。通過(guò)ESP8266、顯示屏和OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人工智能。系統(tǒng)可以通過(guò)2種方式實(shí)現(xiàn)控制。1）由OneNET云平臺(tái)連接設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用端，用戶通過(guò)手機(jī)App或在PC端上發(fā)送命令，以此來(lái)控制相關(guān)模塊。2）用戶直接控制操作垃圾箱。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

垃圾箱主體為鋁型材框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)80 cm，寬40 cm，高80 cm，適用于可回收垃圾和其他垃圾。如圖1所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為上、中、下3層，上層安裝上箱蓋、蓋子、多級(jí)減速箱、顯示屏、按鍵。中層安裝剪切機(jī)構(gòu)、垃圾袋收納盒、氣管。下層安裝箱體、垃圾支撐盒、兩位三通電磁換向閥、氣泵、電池、單片機(jī)，并配有中控語(yǔ)音識(shí)別播報(bào)系統(tǒng)、顯示屏控制系統(tǒng)、簡(jiǎn)易氣壓回路系統(tǒng)。其中多級(jí)減速箱采用不完全齒輪，實(shí)現(xiàn)蓋子的打開(kāi)與關(guān)閉。垃圾袋收納盒集中放置已折疊垃圾袋，剪切機(jī)構(gòu)采用環(huán)鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)機(jī)構(gòu)和加熱絲實(shí)現(xiàn)垃圾袋切割打包，垃圾支撐盒通過(guò)定滑輪實(shí)現(xiàn)垃圾袋的翻轉(zhuǎn)。圖1為系統(tǒng)總架構(gòu)圖。

圖 1系統(tǒng)總架構(gòu)實(shí)物圖

1.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

垃圾箱具有自動(dòng)打包套袋功能。自動(dòng)套袋的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用二位三通換向閥切換回路產(chǎn)生氣壓差實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就是一整套氣壓回路裝置，動(dòng)力源是氣泵。自動(dòng)打包的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是切斷桿，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是環(huán)式的鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，動(dòng)力源是電機(jī)。

1.1.2 自動(dòng)套袋

自動(dòng)套袋功能通過(guò)氣壓回路傳動(dòng)裝置、垃圾袋收納盒電動(dòng)抽氣泵結(jié)合二位三通換向閥和限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，利用垃圾本身的重力實(shí)現(xiàn)垃圾袋套袋功能，通過(guò)抽氣機(jī)構(gòu)利用負(fù)壓的原理使垃圾袋自動(dòng)套袋，然后通過(guò)接近開(kāi)關(guān)檢查垃圾袋位置狀態(tài)，保證垃圾袋準(zhǔn)確到達(dá)設(shè)計(jì)位置。

左邊套袋：當(dāng)左端入口LI（left_in，ri（right_in））與左端出口LO（left_out，ro（right_out））相連通時(shí)，啟動(dòng)抽氣機(jī)，抽走左垃圾箱下方內(nèi)的空氣并從上方吹入垃圾袋，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動(dòng)套袋。

右邊套袋：CPU給右邊回路以模擬輸出，模擬開(kāi)關(guān)打開(kāi)，指示燈亮起，感應(yīng)線圈Y得電，二位三通電磁換向閥進(jìn)入工作狀態(tài)，T轉(zhuǎn)換到P形成右邊回路，抽氣機(jī)工作，抽出右垃圾桶下方的空氣并從上方吹入垃圾袋，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動(dòng)套袋。如圖2抽氣系統(tǒng)運(yùn)作示意圖和表1氣壓傳動(dòng)真值表所示。

表1 氣壓傳動(dòng)真值表

1.1.3 自動(dòng)打包

剪切熔斷裝置的功能是將打包好的垃圾袋封口，等待自動(dòng)打包動(dòng)作結(jié)束后，垃圾箱側(cè)向開(kāi)口，方便用戶提取垃圾。

當(dāng)垃圾裝滿后，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)鏈帶帶動(dòng)第一切斷桿（如圖3（b）所示）和第二切斷桿（如圖3（c）所示）相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最后被第一切斷桿中間鑲嵌的熔斷器熔斷，形成新的封口端，裝滿垃圾的部分同時(shí)被封口，可以直接取出，具備很好的實(shí)用性[2]。

垃圾袋送出功能，采用活頁(yè)翻轉(zhuǎn)鏈接實(shí)現(xiàn)。下活頁(yè)固定在大垃圾箱底部，上活頁(yè)固定在垃圾支撐盒底部。翻轉(zhuǎn)垃圾箱處于閉合工作狀態(tài)時(shí)，其底面與水平面平行。當(dāng)需要取出垃圾袋時(shí)，內(nèi)桶電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，收繩通過(guò)定滑輪拉動(dòng)垃圾箱定向翻轉(zhuǎn)。以翻轉(zhuǎn)垃圾箱外把手一面為0°基準(zhǔn)面，逆時(shí)針為正方向，繞活頁(yè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)49°到達(dá)極限位置即限位開(kāi)關(guān)處。

1.2 電子控制部分

該智能垃圾箱所有的硬件設(shè)備都在Arduino Mega2560開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行集成和控制，通過(guò)ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)了垃圾箱與計(jì)算機(jī)之間的通信功能。控制部分由CPU、I/O模塊以及通信模塊3個(gè)部分組成，通過(guò)Arduino IDE程序和中移物聯(lián)網(wǎng)（OneNET）客戶端的控制，完成各個(gè)模塊之間接口的數(shù)據(jù)傳遞和協(xié)同工作。該垃圾箱各模塊及其所用的硬件如圖4電子模塊鏈接示意圖和表2硬件參數(shù)所示。

表2 硬件參數(shù)

1.2.1 CPU

該項(xiàng)目采用Arduino Mega2560作為CPU，相較于Arduino UNO提供了更多的I/O口，它有54個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中15個(gè)可用于PWM輸出）、16個(gè)模擬輸入引腳、4個(gè)UART接口、1個(gè)USB接口、1個(gè)DC接口、1個(gè)16 MHz的晶體振蕩器、1個(gè)復(fù)位按鈕。該設(shè)計(jì)產(chǎn)品需要40個(gè)數(shù)字輸入/輸出，10個(gè)模擬輸入/輸出，2個(gè)UART接口，采用12VDC供電，因此滿足該項(xiàng)目要求。

圖2 抽氣系統(tǒng)運(yùn)作示意圖

圖3 切斷裝置運(yùn)動(dòng)流程圖

1.2.2 IO模塊

IO模塊分為4個(gè)部分。1）微動(dòng)開(kāi)關(guān)提供位置限定，分布在20～39數(shù)字輸入引腳，信號(hào)采用0、1數(shù)字量讀取和輸出。2）LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，分布在2～7數(shù)字輸入引腳，信號(hào)采用組合串口輸入輸出。3）JQ8900模塊進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，分布在18、19數(shù)字輸出引腳，信號(hào)采用0、1數(shù)字量控制輸出。4）SG90舵機(jī)和TT馬達(dá)實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)動(dòng)，分布在8～13數(shù)字輸出引腳，信號(hào)采用PWM（脈沖寬度調(diào)節(jié)）輸出，另外預(yù)留14個(gè)數(shù)字和6個(gè)模擬引腳作為擴(kuò)展。

1.2.3 通信模塊

ESP8266芯片是一款串口轉(zhuǎn)無(wú)線模芯片，內(nèi)部自帶固件，操作簡(jiǎn)單，不需要編寫(xiě)時(shí)序信號(hào)等[3]。ESP8266-Wi-Fi實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，分布在0、1的UART引腳，采用標(biāo)準(zhǔn)串口協(xié)議，ST7789彩屏提供界面交互，分布在0～4模擬輸入/輸出。

2 軟件設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)了上下位機(jī)軟件，上位機(jī)為客戶端提供垃圾箱的基本狀態(tài)信息，下位機(jī)則實(shí)時(shí)監(jiān)控垃圾箱的工作狀態(tài)以及相關(guān)用戶引導(dǎo)提示。

首先裝置上電后，對(duì)垃圾箱各模塊進(jìn)行初始化自檢，如果不符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，將發(fā)出警報(bào)提示用戶進(jìn)行修復(fù)。垃圾箱自檢正常后，完成ESP8266模塊初始化接入OneNET云平臺(tái)，垃圾箱開(kāi)始進(jìn)行上下位機(jī)運(yùn)作，用戶開(kāi)始垃圾分類(lèi)并請(qǐng)示語(yǔ)音播報(bào)反饋，通過(guò)對(duì)話引導(dǎo)用戶進(jìn)行垃圾分類(lèi)。如果垃圾符合分類(lèi)要求，將開(kāi)啟分類(lèi)動(dòng)作和顯示屏實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。此時(shí)同步采集電源電壓、垃圾袋儲(chǔ)存余量、垃圾袋使用情況，并實(shí)時(shí)反饋到OneNET形成人機(jī)互動(dòng)。對(duì)于不滿足互動(dòng)和分類(lèi)要求的，將進(jìn)行特殊處理，最后返回到ESP8266模塊初始化接入OneNET云平臺(tái)。進(jìn)而完成一個(gè)響應(yīng)周期，以此周而復(fù)始，實(shí)時(shí)響應(yīng)遠(yuǎn)程電器使能命令，圖5為垃圾箱程序設(shè)計(jì)流程圖。

2.1 總體控制框架

各模塊上電后，以Arduino Mega2560作為控制核心，通過(guò)RX、TX雙線串口與ESP8266模塊進(jìn)行通信，通過(guò)MQTT協(xié)議與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，進(jìn)而在客戶端顯示垃圾箱的基本特征。與此同時(shí)，相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在ST7789型1.44寸顯示屏上，控制器直接對(duì)舵機(jī)、電機(jī)和繼電器電熱絲進(jìn)行控制，并設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的控制子程序。人機(jī)交互由LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊通過(guò)串口接入的麥克風(fēng)進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，JQ8900-TF語(yǔ)音播報(bào)模塊通過(guò)4 W揚(yáng)聲器進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，該部分是通過(guò)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接口與CPU通信，圖6為總體控制框架圖。

2.2 語(yǔ)音識(shí)別垃圾智能分類(lèi)

垃圾箱通過(guò)紅外測(cè)距技術(shù)對(duì)是否有用戶接近進(jìn)行感應(yīng)測(cè)量，如果沒(méi)有人靠近，將會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，觸發(fā)靠近中斷檢測(cè)程序。當(dāng)用戶接近或超過(guò)垃圾箱距離臨界值時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音播報(bào)和機(jī)械控制功能待命，將進(jìn)入人機(jī)交互劇本過(guò)程，該語(yǔ)音一共有兩級(jí)指令，第一級(jí)是“小米渣同學(xué)”，第二級(jí)是“我要扔什么垃圾”。指令分等級(jí)，只有觸發(fā)第一級(jí)指令才能進(jìn)行第二級(jí)指令的觸發(fā)，并且觸發(fā)第一級(jí)指令后，有20 s的第二級(jí)指令機(jī)會(huì)時(shí)間，如果錯(cuò)過(guò)20 s識(shí)別時(shí)間，將會(huì)進(jìn)入初始狀態(tài)進(jìn)行第一級(jí)指令判斷。根據(jù)語(yǔ)音提示區(qū)分2類(lèi)垃圾，完成第二級(jí)指令觸發(fā)之后，對(duì)應(yīng)垃圾箱上方的蓋子將會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，檢測(cè)垃圾入箱之后，會(huì)在5 s后關(guān)閉蓋子，完成整個(gè)垃圾分類(lèi)投放過(guò)程。接下來(lái)檢查垃圾袋里面的垃圾是否填充滿，如果填充滿，將會(huì)實(shí)現(xiàn)垃圾袋自動(dòng)打包，接著自動(dòng)安裝新的垃圾袋，自動(dòng)進(jìn)入靠近檢測(cè)。如果沒(méi)有填滿，也將自動(dòng)進(jìn)入靠近檢測(cè)。

2.3 垃圾箱上位機(jī)智能物聯(lián)（OneNET）

該項(xiàng)目使用ESP8266-Wi-Fi模塊，采用Wi-Fi形式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程MQTT通信。Arduino從OneNET平臺(tái)請(qǐng)求數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給OneNET平臺(tái)，都是發(fā)送特定的JSON格式數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)的不同點(diǎn)在于，接收數(shù)據(jù)需要對(duì)OneNET平臺(tái)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取出需要的值。手機(jī)端只需要在局域網(wǎng)中連接對(duì)應(yīng)垃圾箱的IP與端口號(hào)，就可以與該垃圾箱進(jìn)行通信[4]。配合手機(jī)和電腦，用戶能通過(guò)客戶端直接獲取垃圾箱內(nèi)部的各種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，包括電源電壓、垃圾箱儲(chǔ)存余量以及垃圾袋使用情況等。

圖6 總體控制框架圖

3 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于語(yǔ)音交互功能的智能分類(lèi)垃圾箱，基于語(yǔ)音交互功能實(shí)現(xiàn)垃圾的智能分類(lèi)、自動(dòng)套袋、打包以及封裝等功能。同時(shí)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)（OneNET），實(shí)現(xiàn)了電腦和手機(jī)端對(duì)垃圾箱的遠(yuǎn)程通信和控制功能。作為未來(lái)智能家居的一個(gè)有機(jī)組成部分，該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)不僅可以為人類(lèi)提供生活上的便利方便，而且具有極強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用及推廣前景。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該設(shè)計(jì)作品仍存在語(yǔ)音識(shí)別易受環(huán)境噪聲干擾等問(wèn)題，未來(lái)需要進(jìn)一步改進(jìn)。在將來(lái)的應(yīng)用中，可以構(gòu)建對(duì)智能分類(lèi)垃圾桶的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，對(duì)垃圾投放情況進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，為垃圾分類(lèi)工作提供更加準(zhǔn)確、智能化的服務(wù)。