吳樹添，全釗鋒，覃雪婷，冉秋桂，藍(lán)國財(cái)，劉光曉，林雪瓊

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 前言

目前我國各城市正在深入開展?fàn)巹?chuàng)國家衛(wèi)生城市活動，這是全國愛國衛(wèi)生運(yùn)動委員會辦公室評選命名的國家級衛(wèi)生優(yōu)秀城市的最高榮譽(yù)，是一個城市綜合素質(zhì)的重要標(biāo)志。沈陽市正在深入開展創(chuàng)建國家衛(wèi)生城市和建設(shè)國家健康城市(以下簡稱“雙城雙創(chuàng)”)工作，全面加強(qiáng)區(qū)域衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)城鄉(xiāng)環(huán)境衛(wèi)生改善，營造整潔健康的市容環(huán)境，解決與人民群眾切身利益息息相關(guān)的社會衛(wèi)生問題，爭創(chuàng)生態(tài)宜居的健康示范城市。本設(shè)計(jì)的投放使用將使普通市民從不隨手亂扔垃圾這樣的點(diǎn)滴小事做起，養(yǎng)成良好的衛(wèi)生健康習(xí)慣，成為“雙城雙創(chuàng)”的主動參與者，踴躍參與到環(huán)境治理中來，成為“雙城雙創(chuàng)”的積極踐行者。在逐步完善長效管理機(jī)制中，智能垃圾桶的使用可以是人人可見的亮點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)思路

目前市場上智能垃圾桶比較多，但是一般是應(yīng)用超聲波傳感器或者是人體傳感器，這樣子的垃圾桶比較難應(yīng)用到人流穿梭的街道，而語音控制的垃圾分類機(jī)器人，可以通過語音喚醒，也可以通過按鍵觸發(fā)喚醒語音識別，這樣子可以應(yīng)用于人群密集和時常走動的街道，較好地解決了人群流動造成的系統(tǒng)誤以為有人需要丟垃圾而觸發(fā)的打開垃圾桶蓋的影響，本設(shè)計(jì)使用STM32作為主要控制的芯片開發(fā)和設(shè)計(jì)了一款可以通過語音控制的垃圾分類機(jī)器人，本設(shè)計(jì)研究的“語音控制垃圾分類機(jī)器人”主要是幫助人們將垃圾進(jìn)行分類，使垃圾在清理時無需再次人工分類，能有效地節(jié)約環(huán)衛(wèi)工人的時間，本設(shè)計(jì)會在你說出垃圾的名稱時自動打開該垃圾相應(yīng)的垃圾類型的桶蓋并且通過語音播報(bào)告訴你是屬于什么類型的垃圾，當(dāng)檢測到垃圾裝滿后可以ESP8266-01這款無線WIFI模塊通過MQTT協(xié)議連接中國移動物聯(lián)網(wǎng)OneNet云平臺告知工作人員垃圾已經(jīng)裝滿，等工作人員清理，以確保不會出現(xiàn)垃圾后期需要進(jìn)行分類和垃圾堆積的現(xiàn)象。本文使用STM32作為主要控制的芯片設(shè)計(jì)這款語音控制垃圾分類機(jī)器人來進(jìn)行垃圾的分類，其主要是為了方便人們對垃圾進(jìn)行分類，從而減少環(huán)衛(wèi)工人的工作量和提高人們對垃圾進(jìn)行分類的意識，且本設(shè)計(jì)能夠把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、高頻技術(shù)、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等理論知識結(jié)合引入到電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作工程實(shí)踐中，做到理論聯(lián)系實(shí)際，這個機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)際生活緊密相關(guān)且具有很強(qiáng)的生活現(xiàn)實(shí)意義。

若想完成本設(shè)計(jì)需要使用到一個STM32F103C8T6核心板，一個ASR MO8-B語音識別模塊，一個MP3語音播報(bào)模塊，一個ESP8266-01WIFI模塊，一個HC-05藍(lán)牙模塊，四個紅外發(fā)射接收對管，四個SG90舵機(jī)，以STM32作為核心的控制器，語音識別模塊作為語音識別的裝置，MP3語音播報(bào)模塊用于播報(bào)垃圾的種類，ESP8266-01作為連接OneNet平臺的模塊，HC-05藍(lán)牙模塊作為單片機(jī)與手機(jī)APP通信的無線模塊，四個舵機(jī)用來控制垃圾桶的開關(guān)，四個紅外發(fā)射接收對管用于檢測垃圾是否裝滿。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)電路原理圖可以細(xì)分為：電源電路、主控模塊、WiFi、藍(lán)牙無線通信電路、紅外對管檢測電路、舵機(jī)驅(qū)動電路、語音識別模塊與語音播報(bào)模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 涉及模塊及驅(qū)動原理

2.2.1 主控模塊

本設(shè)計(jì)主要是對WIFI模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送和ASR MO8-B語音識別模塊的串口數(shù)據(jù)接收還有手機(jī)APP與單片機(jī)通信的數(shù)據(jù)處理，對于這些數(shù)據(jù)可以使用STM32F103C8T6作為主控芯片，其本身自帶的三個串口通信功能可以剛好完成本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析和處理，使用單片機(jī)的USAR1串口打印輸出ESP8266對網(wǎng)絡(luò)連接的狀態(tài)，ESP8266通過單片機(jī)的USAR2連接OneNet平臺獲取平臺的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)到平臺，HC-05模塊和語音識別模塊通過單片機(jī)的USAR3連接手機(jī)APP和語音識別模塊。

圖2 主控模塊

2.2.2 語音識別模塊

本設(shè)計(jì)使用一個ASR MO8-B語音識別模塊用于對人聲進(jìn)行識別，ASR MO8-B語音識別模塊作為本設(shè)計(jì)的“耳朵”使用串口的通信方式向主控芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，支持按鍵觸發(fā)識別語音、命令詞觸發(fā)識別語音，還有循環(huán)觸發(fā)識別語音，使用串口的通信方式使其更方便與其他單片機(jī)或Ardiuno等其他開發(fā)設(shè)備進(jìn)行連接使用，使用范圍廣，并且可以自己修改識別的關(guān)鍵詞，相關(guān)領(lǐng)域擴(kuò)展能力較強(qiáng)。

語音識別模塊將ASR MO8-B語音識別模塊的TX和RX腳分別接入單片機(jī)串口3的RX3（PB11）和TX3(PB10)腳與藍(lán)牙模塊共同使用單片機(jī)的串口通信3，由于兩個模塊只需要發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機(jī)并不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，所以兩個模塊可以正常工作且互不影響。

2.2.3 無線通信模塊與舵機(jī)模塊

ESP8266是一個無線保真（WiFi）的小工具。它是在芯片（SoC）一個實(shí)用系統(tǒng)，它是內(nèi)置的與TCP/IP協(xié)議中，可以結(jié)合任意微控制器與任何Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)來連接，使用AT指令固件與單片機(jī)進(jìn)行通信，更方便與單片機(jī)進(jìn)行連接，在本設(shè)計(jì)中ESP8266是通過MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)與OneNet平臺連接及交換數(shù)據(jù)。

HC-05藍(lán)牙模塊是主從一體的藍(lán)牙串口模塊，簡略的說，當(dāng)藍(lán)牙主機(jī)與藍(lán)牙從機(jī)配對連接完成后，可以輕忽藍(lán)牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接把藍(lán)牙模塊當(dāng)作串口用。當(dāng)兩個藍(lán)牙互相連接后，這兩藍(lán)牙一起使用一個通道也就是相當(dāng)于使用了同一個串口，一個藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)到使用的通道中，另外一個藍(lán)牙就可以接收當(dāng)前通道的數(shù)據(jù)。

2.2.4 舵機(jī)模塊

舵機(jī)是一種通過調(diào)節(jié)脈寬進(jìn)行轉(zhuǎn)動的伺服器，舵機(jī)可以通過改變一個周期高低電平的時間來改變角度。在本設(shè)計(jì)中SG09舵機(jī)用于對垃圾桶的控制，使四個舵機(jī)從0°至180°轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)四個垃圾桶的打開和閉合，這四個舵機(jī)信號控制端分別接在單片機(jī)的PB0、PB1、PB4、PB5中，這四個IO口都是單片機(jī)自帶的PWM接口，都由單片機(jī)的定時器3自帶的PWM驅(qū)動。

2.2.5 紅外對管檢測模塊與MP3語音模塊

本設(shè)計(jì)使用了四對紅外發(fā)射接收對管，紅外對管檢測模塊對于本設(shè)計(jì)來說就相當(dāng)于是一雙“眼睛”用于查看垃圾桶內(nèi)的垃圾是否裝滿，紅外對管使用紅外線發(fā)射和接收來進(jìn)行判斷是否有障礙物的存在，紅外發(fā)射接收對管在無阻擋物時輸出高電平，有阻擋物時輸出低電平，垃圾是否裝滿的檢測只需要使用STM32單片機(jī)的IO口檢測紅外對管輸出的高低電平即可完成檢測，需要注意的是需要判斷低電平的時間超過三秒，防止投擲垃圾的時候系統(tǒng)檢測到一瞬間的低電平時誤以為是垃圾桶裝滿。

MP3語音播報(bào)模塊電路是連接MP3語音播報(bào)模塊信號端口與單片機(jī)IO口的電路，讓MP3模塊的信號端發(fā)生一次周期為20ms的下降沿即可使其播報(bào)對應(yīng)端口設(shè)置的語音，單片機(jī)串口檢測到垃圾分類的指令后會給需要播報(bào)語音的信號端一個下降沿，讓MP3模塊播報(bào)對應(yīng)的語音。

3 軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)軟件的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)一大重點(diǎn)，為了后續(xù)對本設(shè)計(jì)進(jìn)行更好的開發(fā)與調(diào)試，本文開發(fā)了一款具有語音識別功能的手機(jī)APP，能夠解決語音識別模塊只能識別普通話和內(nèi)部只能存儲50條命令關(guān)鍵詞的這兩大缺陷，讓設(shè)計(jì)者和使用者后續(xù)對本設(shè)計(jì)的開發(fā)和完善變得更加簡單，并且使用手機(jī)APP后續(xù)本設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)垃圾分類的知識不需要改動已經(jīng)設(shè)計(jì)好的硬件，只需要不斷更新APP的數(shù)據(jù)庫可以了，所以APP的開發(fā)設(shè)計(jì)對本設(shè)計(jì)而言無論是從開發(fā)成本還是后續(xù)對垃圾分類知識的學(xué)習(xí)都起到了很大的作用。

3.1 STM32的軟件設(shè)計(jì)

STM32的程序設(shè)計(jì)也相對比較簡單，在等待系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)成功后使用串口讀取語音識別模塊、藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)就對比事先設(shè)定的數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)對垃圾的分類，在不斷讀取語音模塊和藍(lán)牙的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)也在不斷的利用ESP8266模塊向OneNet平臺發(fā)送紅外對管檢測到的數(shù)據(jù)，對垃圾桶是否裝滿的數(shù)據(jù)實(shí)時更新，程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

3.2 手機(jī)APP的開發(fā)與應(yīng)用

APP設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 APP界面設(shè)計(jì)圖

這款由 MIT App Inventor網(wǎng)頁版設(shè)計(jì)的APP，基于語音識別的智能垃圾桶軟件主要圍繞4大功能：

（1）實(shí)現(xiàn)對垃圾桶內(nèi)部容量的監(jiān)測，以便及時清理垃圾，避免造成垃圾堵塞的情況。

（2）監(jiān)測智能垃圾桶各功能模塊的工作狀態(tài)，當(dāng)檢測到垃圾裝滿后可以ESP8266-01S這款無線WIFI模塊通過MQTT協(xié)議連接中國移動物聯(lián)網(wǎng)OneNet云平臺告知工作人，以便及時修復(fù)，從而恢復(fù)智能垃圾桶的正常運(yùn)行狀態(tài)。

（3）智能垃圾桶的控制界面，通過控制界面實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶的閉合和啟動等操作。當(dāng)點(diǎn)擊一個類別的垃圾的類別時，可以對該垃圾桶進(jìn)行垃圾桶蓋關(guān)閉和啟動的操作。

（4）同時本設(shè)計(jì)還設(shè)置了一個語音識別的功能，讓手機(jī)APP也可以通過語音識別的功能進(jìn)行對垃圾種類的區(qū)分，并且語音識別的結(jié)果的垃圾種類數(shù)據(jù)庫可以較為簡單的更新。

通過這4大功能，就能實(shí)時對語音控制智能垃圾桶的工作情況進(jìn)行了解和掌握，從而實(shí)現(xiàn)語音控制智能垃圾桶硬件與軟件的聯(lián)接，APP在設(shè)計(jì)之初就在APP的垃圾種類數(shù)據(jù)庫里寫入了大量的垃圾分類知識，且后續(xù)對軟件數(shù)據(jù)庫的更新和學(xué)習(xí)不需要再改動硬件部分，有效的為后續(xù)對此機(jī)器人的開發(fā)節(jié)約來通過改動硬件造成的高成本，本次開發(fā)的這款手機(jī)APP的語音識別功能也彌補(bǔ)了硬件部分的語音識別模塊只能識別普通話的這一重大缺陷，這款A(yù)PP的語音識別功能可以識別個別地方的方言比如：粵語和四川話，使得語音識別功能不再局限于普通話，如此就更適合應(yīng)用到人們的日常生活使用，為了本設(shè)計(jì)的垃圾分類機(jī)器人不局限于國人使用，對此本文設(shè)計(jì)的這款A(yù)PP后續(xù)還可以開發(fā)對英語的語音識別。APP在手機(jī)運(yùn)行的實(shí)際效果如圖5所示。

圖5 手機(jī)APP運(yùn)行效果圖

在軟件設(shè)計(jì)的之初，考慮到可能有許多人不會使用本文開發(fā)的這款軟件，所以本設(shè)計(jì)在使用界面寫了一個軟件的使用說明，讓第一次接觸這款軟件的人也能快速上手使用。選擇識別的語言如圖6所示。手機(jī)APP的用戶可以通過選項(xiàng)自行選擇需要識別語言是普通話還是粵語或者是四川話。

圖6 用戶選擇識別語言

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)完成了一個智能垃圾分類的機(jī)器人，這款機(jī)器人可以通過語音識別的方式識別垃圾種類并且能自動打開垃圾桶和通過語音播報(bào)告知使用者要丟是什么類型的垃圾，相當(dāng)于市面上的一些智能垃圾桶，本設(shè)計(jì)多了語音識別和垃圾分類的效果，能夠很好的幫助人們完成垃圾的分類，并且本設(shè)計(jì)還有檢測垃圾是否裝滿的設(shè)計(jì)和與OneNet平臺的連接，能夠?qū)崟r傳輸垃圾是否裝滿的數(shù)據(jù)上傳至OneNet平臺讓負(fù)責(zé)清潔的環(huán)衛(wèi)工人更好的查看垃圾桶是否裝滿從而能夠?qū)凹皶r進(jìn)行的清理，有效的防止垃圾堆積無人清理的現(xiàn)象，使用語音呼叫應(yīng)答的方式對垃圾進(jìn)行分類可以提高國民對垃圾分類的知識和意識，可以幫助普通居民更好的對垃圾進(jìn)行分類，本設(shè)計(jì)也有部分缺陷，比如：在聲音比較雜的情況下，語音識別可能會無法識別、語音識別的距離較短等問題，不過這些存在的問題后續(xù)可以使用手機(jī)APP來進(jìn)行改良。