魏潔鋒，黃志芳，陳德鵬，姚凱茵

（嘉應(yīng)學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，廣東 梅州 514015）

0 引 言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，垃圾分類(lèi)乃大勢(shì)所趨，而當(dāng)前社會(huì)的分類(lèi)垃圾桶更多的是以宣傳標(biāo)語(yǔ)或?qū)⒏黝?lèi)垃圾整理后進(jìn)行顯示，以便于用戶(hù)判斷垃圾種類(lèi)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(lèi)金屬垃圾及非金屬垃圾的方式，但這種分類(lèi)方式覆蓋面較為狹窄。因此，面對(duì)廣大用戶(hù)對(duì)垃圾分類(lèi)知識(shí)了解不足的情況，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別與遠(yuǎn)程控制等人工智能方式幫助人們更方便地進(jìn)行垃圾分類(lèi)，不僅能夠提高用戶(hù)的便利體驗(yàn)，還能使垃圾資源得到充分利用。綜上所述，本設(shè)計(jì)將振動(dòng)識(shí)別、超聲波測(cè)距、聲紋識(shí)別、語(yǔ)音播報(bào)、手機(jī)APP藍(lán)牙等功能模塊運(yùn)用到分類(lèi)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(lèi)意識(shí)，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展。

1 整體方案設(shè)計(jì)

在分類(lèi)垃圾桶系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，考慮系統(tǒng)主控芯片的性能和處理能力對(duì)于語(yǔ)音識(shí)別垃圾特征的復(fù)雜算法，當(dāng)用戶(hù)說(shuō)出垃圾名稱(chēng)，由芯片進(jìn)行識(shí)別時(shí)，主控芯片的性能和處理能力受到很大考驗(yàn)。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(jī)擁有4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，能夠滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的功能需要。

在確定好主控芯片的情況下，從系統(tǒng)的控制功能和顯示信息方面進(jìn)行研究，以智能分類(lèi)垃圾為前提，采用舵機(jī)、SW-420模塊及HC-SR04模塊實(shí)現(xiàn)振動(dòng)感應(yīng)開(kāi)桶和超聲波測(cè)距開(kāi)桶功能；采用LD3320A模塊及SYN6288模塊實(shí)現(xiàn)聲紋識(shí)別垃圾和語(yǔ)音播報(bào)垃圾種類(lèi)功能；采用稱(chēng)重傳感器等模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾桶內(nèi)垃圾的稱(chēng)重及測(cè)高功能；利用手機(jī)APP進(jìn)行藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制等。圖1所示為系統(tǒng)框架。系統(tǒng)各模塊的通信口通過(guò)硬件電路與主控芯片的I/O口相連，主控芯片根據(jù)各模塊傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)垃圾的分類(lèi)。

圖1 系統(tǒng)框架

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 舵機(jī)控制垃圾桶蓋

針對(duì)垃圾桶蓋的開(kāi)關(guān)功能，本系統(tǒng)采用舵機(jī)對(duì)桶蓋進(jìn)行控制。應(yīng)用5 V電源電路為舵機(jī)供電，單片機(jī)通過(guò)I/O口連接舵機(jī)的信號(hào)線(xiàn)，傳輸高電平信號(hào)，在時(shí)基脈沖時(shí)長(zhǎng)為20 ms時(shí)，電機(jī)軸向轉(zhuǎn)向180°的位置，即垃圾桶處于開(kāi)桶狀態(tài)，當(dāng)高電平信號(hào)延續(xù)0.5 ms時(shí)，電機(jī)軸向?qū)⑥D(zhuǎn)向0°方向，即垃圾桶處于關(guān)桶狀態(tài)。圖2所示為舵機(jī)安裝位置。

圖2 舵機(jī)安裝位置圖例

2.2 聲紋識(shí)別及語(yǔ)音播報(bào)

利用LD3320A模塊對(duì)用戶(hù)說(shuō)出的垃圾名稱(chēng)進(jìn)行識(shí)別。該模塊供電電壓為3.3 V，通過(guò)電路設(shè)計(jì)能夠與單片機(jī)進(jìn)行串口無(wú)線(xiàn)通信，具有劇本設(shè)定、端口控制及信號(hào)輸出等功能。當(dāng)聲紋識(shí)別模塊識(shí)別出用戶(hù)說(shuō)出的垃圾后，即利用SYN6288語(yǔ)音播報(bào)模塊對(duì)設(shè)定好的文本進(jìn)行播報(bào)，提示用戶(hù)垃圾的種類(lèi)，并打開(kāi)對(duì)應(yīng)垃圾桶的蓋子，實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)。圖3所示為聲紋識(shí)別模塊。

圖3 聲紋識(shí)別模塊

2.3 振動(dòng)識(shí)別

振動(dòng)識(shí)別功能基于高靈敏的SW-420振動(dòng)傳感器模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊工作電壓為3.3～5 V，通過(guò)單片機(jī)I/O口與其輸出端相連，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)高低電平來(lái)判斷是否出現(xiàn)瞬時(shí)振動(dòng)。當(dāng)用戶(hù)對(duì)垃圾桶外殼進(jìn)行簡(jiǎn)單碰撞后，振動(dòng)模塊輸出端向單片機(jī)傳送高電平，再激發(fā)相應(yīng)開(kāi)桶電機(jī)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)感應(yīng)開(kāi)桶功能。圖4所示為振動(dòng)識(shí)別模塊。

圖4 振動(dòng)識(shí)別模塊

2.4 超聲波測(cè)距

測(cè)距感應(yīng)開(kāi)桶分為紅外測(cè)距和超聲波測(cè)距，這兩種測(cè)距方式均基于測(cè)算紅外線(xiàn)或超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差來(lái)測(cè)算距離。日常環(huán)境下，紅外線(xiàn)易受自然光的影響，所以本垃圾桶設(shè)計(jì)選用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊來(lái)檢測(cè)垃圾桶前方是否有用戶(hù)，其測(cè)距范圍為2～400 cm，測(cè)距精度為3 mm。當(dāng)檢測(cè)到有用戶(hù)時(shí)，觸發(fā)開(kāi)啟相應(yīng)的垃圾桶蓋，便于用戶(hù)分類(lèi)、處理垃圾。圖5所示為超聲波模塊。

圖5 超聲波模塊

2.5 藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)控制

選用HC-06藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程控制，將模塊的RXD、TXD引腳分別連接單片機(jī)的相應(yīng)引腳，與單片機(jī)串口交互數(shù)據(jù)。使用手機(jī)APP連接系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊，連接成功后即可實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和數(shù)據(jù)接收。當(dāng)手機(jī)連接藍(lán)牙后，就可以借助手機(jī)APP界面按鍵控制各垃圾桶的開(kāi)蓋、關(guān)蓋及查看容量情況等，通過(guò)遠(yuǎn)程控制滿(mǎn)足用戶(hù)需要。圖6所示為藍(lán)牙模塊。

圖6 藍(lán)牙模塊

2.6 稱(chēng)重及測(cè)高檢測(cè)

本功能采用稱(chēng)重傳感器和超聲波測(cè)距模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)垃圾桶中垃圾的重量及高度。稱(chēng)重傳感器即應(yīng)變式壓力傳感器，其驅(qū)動(dòng)電壓為5 V，當(dāng)應(yīng)變片受到壓力時(shí)通過(guò)高精度HX711模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)信號(hào)給單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)依據(jù)垃圾桶容量提醒用戶(hù)換袋的功能。圖7所示為HX711模塊電路。

圖7 HX711模塊電路接線(xiàn)

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 聲紋識(shí)別及開(kāi)桶并語(yǔ)音播報(bào)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于聲紋識(shí)別控制功能的實(shí)現(xiàn)，首先需要用戶(hù)在垃圾桶前說(shuō)出設(shè)定的垃圾桶名稱(chēng)，即可喚醒垃圾桶，喚醒后對(duì)麥克風(fēng)說(shuō)出垃圾的名稱(chēng)，系統(tǒng)判斷垃圾所在數(shù)據(jù)庫(kù)的種類(lèi)，之后通過(guò)語(yǔ)音自動(dòng)回復(fù)垃圾的種類(lèi)名稱(chēng)，利用語(yǔ)音播報(bào)模塊播報(bào)結(jié)果。圖8所示為聲紋識(shí)別及語(yǔ)音播報(bào)流程。

圖8 聲紋識(shí)別及語(yǔ)音播報(bào)流程

3.2 超聲波測(cè)距開(kāi)、關(guān)桶的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于測(cè)距開(kāi)桶功能的實(shí)現(xiàn)，首先要對(duì)單片機(jī)設(shè)定觸發(fā)值，在初始化后，HC-SR04超聲波模塊開(kāi)始對(duì)垃圾桶前方進(jìn)行障礙物檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到有用戶(hù)時(shí)，觸發(fā)開(kāi)啟相應(yīng)的垃圾桶蓋，當(dāng)檢測(cè)距離小于設(shè)定值且無(wú)其他功能模塊觸發(fā)時(shí)，則關(guān)閉垃圾桶蓋。圖9所示為測(cè)距感應(yīng)開(kāi)桶流程。

圖9 測(cè)距感應(yīng)開(kāi)桶流程

3.3 振動(dòng)識(shí)別開(kāi)桶的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于振動(dòng)識(shí)別開(kāi)桶功能的實(shí)現(xiàn)，利用SW-420振動(dòng)傳感器對(duì)垃圾桶的振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。首先傳感器進(jìn)行初始化，其連接單片機(jī)的I/O口，當(dāng)單片機(jī)接收到振動(dòng)傳感器發(fā)來(lái)的高電平信號(hào)時(shí)，則表示垃圾桶出現(xiàn)振動(dòng)，此時(shí)單片機(jī)觸發(fā)打開(kāi)對(duì)應(yīng)的垃圾桶蓋，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)桶功能。圖10所示為振動(dòng)識(shí)別開(kāi)桶流程。

圖10 振動(dòng)識(shí)別開(kāi)桶流程

3.4 自動(dòng)稱(chēng)重及測(cè)高提醒換袋的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于自動(dòng)稱(chēng)重測(cè)高提醒換袋功能的實(shí)現(xiàn)，首先利用單片機(jī)與稱(chēng)重傳感器、超聲波傳感器進(jìn)行信號(hào)傳送，為單片機(jī)設(shè)置好垃圾袋的承受值及高度，再利用傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)垃圾桶中垃圾的重量及高度，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后判斷是否達(dá)到設(shè)定值，當(dāng)垃圾桶中垃圾超過(guò)設(shè)定值時(shí)，則通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行提示換袋。圖11所示為自動(dòng)稱(chēng)重及測(cè)高提醒流程。

圖11 自動(dòng)稱(chēng)重及測(cè)高提醒流程

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖12所示為分類(lèi)垃圾桶實(shí)物。本設(shè)計(jì)采用三種顏色的垃圾桶作為對(duì)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(guò)引線(xiàn)安裝在垃圾桶上。對(duì)垃圾桶進(jìn)行振動(dòng)識(shí)別開(kāi)桶、超聲波測(cè)距開(kāi)桶、聲紋識(shí)別及播報(bào)分類(lèi)開(kāi)桶、自動(dòng)稱(chēng)重測(cè)高、手機(jī)APP藍(lán)牙控制等功能的測(cè)試。圖13所示為超聲波測(cè)試圖。表1所列為壓力傳感器測(cè)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(cè)試可得，稱(chēng)重傳感器測(cè)試結(jié)果在誤差允許的范圍內(nèi)，滿(mǎn)足該設(shè)計(jì)基本功能需求。

表1 壓力傳感器測(cè)試重量

圖12 分類(lèi)垃圾桶實(shí)物

圖13 超聲波測(cè)試

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)分類(lèi)投放、收集、運(yùn)輸及處理的垃圾處理系統(tǒng)的加快建立，分類(lèi)垃圾桶的設(shè)計(jì)成為推進(jìn)綠色發(fā)展的重要舉措。經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)基于聲紋識(shí)別及語(yǔ)音播報(bào)控制、手機(jī)APP藍(lán)牙控制功能的分類(lèi)垃圾桶，并輔以振動(dòng)識(shí)別、超聲波測(cè)距識(shí)別、自動(dòng)稱(chēng)重測(cè)高等功能，以滿(mǎn)足用戶(hù)需要。

本設(shè)計(jì)后期仍可繼續(xù)改進(jìn)，可改進(jìn)的方面如下：

（1）應(yīng)用機(jī)械原理對(duì)垃圾袋進(jìn)行自動(dòng)切割；

（2）使用攝像頭對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)判斷并開(kāi)桶。