陳長征 劉立昕

（1.西安航空學(xué)院 陜西省西安市 710077 2.中航光電科技股份有限公司 河南省洛陽市 471000）

1 前言

1.1 研究背景

垃圾分類（英文名為：Garbage classification），一般是指按一定規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)將垃圾分類儲存、分類投放和分類搬運(yùn)，從而轉(zhuǎn)變成公共資源的一系列活動(dòng)的總稱。分類的目的是提高垃圾的資源價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，力爭物盡其用。進(jìn)行垃圾分類收集可以減少垃圾處理量和處理設(shè)備，降低處理成本，減少土地資源的消耗，具有社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等幾方面的效益。2017年3月，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，國家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合下發(fā)了《生活垃圾分類制度實(shí)施方案》，各省也陸續(xù)出臺了實(shí)施細(xì)則，逐步推進(jìn)居民生活垃圾分類工作。但是，一些城市在執(zhí)行垃圾分類規(guī)定時(shí)，居民普遍反映存在分類困難、界定不清等問題，導(dǎo)致工作難以開展。

本文圍繞該問題進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了一種基于語音識別技術(shù)的智能垃圾分類裝置，通過語音識別技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)將戶聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過可編程控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)設(shè)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)不同垃圾倉位位置的自動(dòng)同步。這樣，用戶只需說出要投放的垃圾名稱，語音模塊將自動(dòng)識別確認(rèn)其屬于何種垃圾，并輔助用戶輕松實(shí)現(xiàn)垃圾分類。

1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外某些發(fā)達(dá)國家進(jìn)行垃圾分類已有數(shù)十年了，比如日本、德國和瑞典等，目前他們在垃圾分類方面已處于比較成熟的階段，例如美國BigBelly Solar 公司發(fā)明的智能垃圾桶，這種智能垃圾桶主要針對的是戶外社區(qū)垃圾集中點(diǎn)的垃圾打包處理。此垃圾桶擁有太陽光伏板、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、高強(qiáng)度垃圾壓縮裝置。通過頂部的太陽能光伏板為整個(gè)垃圾裝置提供電源，當(dāng)裝置內(nèi)的垃圾達(dá)到設(shè)定的溢出位后，壓縮裝置會在極其短的時(shí)間內(nèi)將垃圾的體積壓縮至原來的20%，等到垃圾箱快滿時(shí)又會啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送垃圾需要處理及該垃圾裝置所在的精確地理位置等信息至垃圾處理中心。然后處理中心的系統(tǒng)會根據(jù)各個(gè)垃圾裝置發(fā)回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后規(guī)劃處理，為垃圾回收車確定最佳的回收路線和時(shí)間，再將垃圾清理走。

而國內(nèi)智能垃圾桶能達(dá)到的最高狀態(tài)就是將電控和普通的垃圾裝置結(jié)合，其中90%的地方都采用的普通的垃圾分類裝置，并在家用垃圾裝置領(lǐng)域沒有實(shí)現(xiàn)垃圾分類功能。目前國內(nèi)垃圾裝置大致分為四種：

（1）按鈕電控式垃圾桶：此種垃圾桶就是利用簡單的電氣控制原理，通過人為按下垃圾桶桶蓋的開啟按鈕，垃圾桶通過機(jī)械控制結(jié)構(gòu)和電機(jī)或者電磁閥來打開桶蓋。這種垃圾桶實(shí)現(xiàn)了不讓人觸碰垃圾桶桶蓋就可以打開垃圾桶，減輕了人力，而且防止了因?yàn)槭植拷佑|而造成的疾病細(xì)菌感染問題。

（2）紅外傳感翻蓋式垃圾桶：此種垃圾桶與按鈕電控式垃圾桶的控制原理相同，它就是用紅外傳感器代替普通的按鈕。在功能和用戶體驗(yàn)上有了很大的革新，讓人們隔空就可以控制垃圾桶蓋的打開。

（3）普通帶蓋垃圾桶：這種垃圾桶也是我們?nèi)粘＜彝ド钪凶钊菀滓姷降?，它沒有任何的電氣及電路控制部分。它的優(yōu)點(diǎn)就是便宜耐用、可以隔絕垃圾桶內(nèi)垃圾散發(fā)出氣味，缺點(diǎn)就是需要浪費(fèi)人力來打開垃圾桶桶蓋。

（4）腳踏式垃圾桶：此種垃圾桶與普通帶蓋垃圾桶的工作原理基本相同。腳踏式垃圾桶就是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將開蓋裝置設(shè)置在垃圾桶的下部，用戶只需用腳踩下腳踏裝置垃圾桶的桶蓋機(jī)會打開。

2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)及主要硬件參數(shù)

裝置主要分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電控機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)由四個(gè)垃圾倉位和垃圾桶主體構(gòu)四個(gè)垃圾倉位分別是有害垃圾、廚余垃圾、可回收垃圾、其他垃圾。四個(gè)倉位采用可分離式設(shè)計(jì)，相互獨(dú)立且可以靈活拆卸。

電控機(jī)構(gòu)則主要包括單片機(jī)控制器、語音識別芯片、語音播報(bào)芯片、外接語音播報(bào)音響、位置傳感器及舵機(jī)等。當(dāng)垃圾分類裝置整個(gè)系統(tǒng)開始工作時(shí)，用戶說出要投放的垃圾名稱，語音識別單元采集到聲音信號并確認(rèn)垃圾分類屬性，通過發(fā)聲單元播報(bào)給用戶相關(guān)信息；同時(shí)語音識別單元將識別的垃圾分類數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)控制器，再單片機(jī)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度；位置傳感器則實(shí)時(shí)檢測每個(gè)垃圾桶中的垃圾量，當(dāng)垃圾桶容量超過80%時(shí)，將語音提示用戶及時(shí)倒垃圾。系統(tǒng)主要硬件參數(shù)如表1所示。

表1：系統(tǒng)主要硬件參數(shù)及功能表

3 系統(tǒng)工作原理

3.1 控制機(jī)構(gòu)

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，各模塊進(jìn)入待命狀態(tài)。此時(shí)LD3320 語音模塊的外接麥克風(fēng)收到外界發(fā)出的信息，將聲音信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)組并通過串口傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)再將收到的數(shù)據(jù)與其內(nèi)部程序定義的分類詞條二進(jìn)制數(shù)組進(jìn)行比較，得出結(jié)果后控制舵機(jī)和語音播報(bào)模塊進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作?？刂茩C(jī)構(gòu)執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2：控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行流程

圖1：四種常見的垃圾儲存分類裝置

3.2 語音識別

語音識別模塊LD3320 是在一種離線模式下對聲音信號進(jìn)行識別和分析的集成電路，該模塊采用ASR 技術(shù)，用戶可以自定義設(shè)置一級喚醒詞條。當(dāng)用戶語言輸入為喚醒詞時(shí)，語音模塊等待接收二級命令。若不是一級命令，語音播報(bào)模塊提示用戶語音輸入正確的一級命令詞條，待一級命令輸入正確時(shí)進(jìn)行下一步。二級命令為各種垃圾種類，當(dāng)接收到語音信號且與系統(tǒng)庫中的詞條數(shù)據(jù)相似度較高，則判斷詞條屬于哪種垃圾并通過語音播報(bào)模塊進(jìn)行播報(bào)反饋給用戶。同時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)固定的角度，將垃圾分類裝置的此種垃圾倉位旋轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)位置并打開垃圾投擲口，語音播報(bào)模塊提示用戶投擲垃圾，投擲完成后，投擲口的舵機(jī)自動(dòng)復(fù)位關(guān)閉投擲口。若二級命令不屬于系統(tǒng)庫的詞條，則此詞條無法識別。語音播報(bào)模塊提示用戶“此垃圾無法識別”，垃圾分類裝置的其他部分不執(zhí)行任何操作。除此之外，裝置內(nèi)部增加了一個(gè)距離傳感器，在每次打開投擲口之前，傳感器都會對內(nèi)部倉位的垃圾進(jìn)行檢測，當(dāng)有效距離低于預(yù)設(shè)值時(shí)即垃圾量超過總倉位最大上限時(shí)，語音播報(bào)模塊自動(dòng)發(fā)出提示。如表2所示。

表2：垃圾分類語音識別詞庫

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制

執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作主要是在通過控制PWM 脈沖信號，實(shí)現(xiàn)特定調(diào)價(jià)下舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，從而實(shí)現(xiàn)垃圾倉位到達(dá)指定位置。其中輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖的關(guān)系是轉(zhuǎn)動(dòng)方向與單片機(jī)產(chǎn)生的PWM 脈沖占空比有關(guān)，占空比大舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度就越大，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度就越大。為了實(shí)現(xiàn)垃圾分類倉位自動(dòng)旋轉(zhuǎn)和倉蓋自動(dòng)打開的功能，系統(tǒng)主要包括兩個(gè)舵機(jī)，其中舵機(jī)1 控制需要實(shí)現(xiàn)上電自復(fù)位，當(dāng)成功識別一級指令時(shí)不做出任何反應(yīng)。當(dāng)成功識別二級指令時(shí)，舵機(jī)向左旋轉(zhuǎn)90 度打開垃圾分類裝置的投擲口倉門，5 秒之后垃圾投擲完垃圾分類裝置的投擲口倉門關(guān)閉。舵機(jī)2 的控制需要實(shí)現(xiàn)垃圾四個(gè)倉位的精確角度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)成功識別一級命令后，用戶說出垃圾種類單片機(jī)進(jìn)行垃圾種類判斷并作出語音回復(fù)反饋給使用者。這樣，垃圾倉位就能根據(jù)垃圾的種類旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度。

3.4 倉位溢出提醒

傳感器檢測模塊的主要功能時(shí)檢驗(yàn)垃圾倉位的垃圾是否到達(dá)了垃圾溢出位。一旦垃圾分類裝置的倉位發(fā)現(xiàn)到達(dá)了設(shè)定的垃圾溢出位，必須通知用戶及時(shí)的通知用戶清理相應(yīng)倉位中的垃圾。以免垃圾過多溢出造成其他的倉位污染及損壞設(shè)備本身。傳感器控制部分主要是傳感器作為輸入一旦檢測到有東西長時(shí)間遮擋傳感器，則視為垃圾到達(dá)了溢出位。這時(shí)，單片機(jī)將控制語音播報(bào)提示垃圾裝置垃圾倉位已滿，用戶需要自行的傾倒桶內(nèi)的垃圾。

4 實(shí)物展示

通過使用Solidworks 和Protues 兩款軟件分別執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分和電控部分進(jìn)行建模仿真，在此基礎(chǔ)上最終以一款小型筆筒為原型進(jìn)行改造，完成了垃圾分類裝置的制作，裝置功能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，能夠自動(dòng)識別語音信號并在較短的時(shí)間內(nèi)將分離倉旋轉(zhuǎn)至入口，同時(shí)打開蓋板。如圖3所示。