李 敏

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，晉中 030619）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平日益提升，垃圾分類和垃圾處理問題逐漸引起社會(huì)關(guān)注，合理地進(jìn)行垃圾分類處理，將提高廢物管理的效率，保護(hù)人類，減少環(huán)境污染問題［1］。伴隨5G 時(shí)代的來臨，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，垃圾桶也越來越智能化、個(gè)性化，傳統(tǒng)的手動(dòng)翻蓋和半開放式系統(tǒng)已無法有效隔離細(xì)菌和保護(hù)人們。

本設(shè)計(jì)將語音識(shí)別和顏色識(shí)別融入垃圾分類分揀系統(tǒng)控制中，借助嵌入式微型傳感器檢測和收集環(huán)境信息，利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制并將結(jié)果傳輸回終端用戶，實(shí)現(xiàn)環(huán)保、人類、計(jì)算機(jī)三個(gè)領(lǐng)域的高效連通［2-3］。通過語音交互實(shí)現(xiàn)了人性化的人機(jī)操作界面，對家庭生活垃圾分類處理，最大限度實(shí)現(xiàn)廢物利用，減少處理的垃圾數(shù)量［4-5］。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，智能垃圾桶控制系統(tǒng)主要包括五個(gè)模塊：主控芯片模塊、語音識(shí)別模塊、顏色識(shí)別模塊、無線通信模塊、執(zhí)行模塊。主控芯片是系統(tǒng)的核心，使系統(tǒng)運(yùn)行各功能模塊執(zhí)行相應(yīng)工作；語音識(shí)別模塊將以麥克風(fēng)輸入語音關(guān)鍵詞；顏色識(shí)別模塊中顏色識(shí)別傳感器采集顏色信息傳輸給控制器，利用算法程序轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過電平變化控制對應(yīng)的指示燈和舵機(jī)，進(jìn)而控制垃圾桶；紅外傳感器檢測垃圾桶裝滿時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，并通過無線通信模塊將信息發(fā)送用戶端；光線檢測模塊通過檢測光線強(qiáng)弱，來控制垃圾桶的燈光顯示［6］。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STC89C52 單片機(jī)作為處理核心，SU-03T 語音識(shí)別模塊識(shí)別輸入的關(guān)鍵詞，TCS3200 顏色識(shí)別模塊識(shí)別特定顏色，輸入信號(hào)通過控制程序處理后識(shí)別電信號(hào)，并根據(jù)程序?qū)⑿盘?hào)發(fā)送給各執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的智能分類分揀。光線檢測傳感器和紅外距離傳感器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制單元，處理后發(fā)送給語音模塊和光控照明模塊，實(shí)現(xiàn)光控照明和溢滿報(bào)警。Wi-Fi 無線通信ESP8266 模塊與終端設(shè)備相連，可實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信，既能夠通過APP 輸入特定指令控制執(zhí)行模塊，也可遠(yuǎn)程掌握垃圾桶狀態(tài)，進(jìn)行及時(shí)處理。系統(tǒng)總體電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體電路

2.1 主控模塊

主控模塊采用STC89C52 芯片，具有8 k 字節(jié)的閃存，512 字節(jié)的RAM，32 位IO 端口線，看門狗定時(shí)器，4 KB 內(nèi)部EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16 位定時(shí)器計(jì)數(shù)器，六矢量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)和全雙工串行端口。

2.2 語音識(shí)別模塊電路設(shè)計(jì)

語音識(shí)別模塊為了實(shí)現(xiàn)智能化，通過人聲音控制，可實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動(dòng)關(guān)閉和打開，在設(shè)計(jì)過程中將人類語言中關(guān)鍵詞內(nèi)容，通過數(shù)電轉(zhuǎn)換成可被單片機(jī)處理的信息［7］。本設(shè)計(jì)中采用SU-03T語音識(shí)別模塊，其高精度集成了AD和DA 接口，無需外部閃存和RAM 來實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別和人機(jī)交互功能，關(guān)鍵詞列表可以動(dòng)態(tài)編輯。通過麥克風(fēng)采集語言中的相關(guān)垃圾名詞，通過內(nèi)部集成的算法，與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配對比，將匹配的結(jié)果通過執(zhí)行模塊做出相應(yīng)動(dòng)作：語音模塊播報(bào)垃圾類別，對應(yīng)類別垃圾桶的指示燈亮起并打開。語音識(shí)別模塊電路如圖3所示。

圖3 語音識(shí)別模塊電路

2.3 顏色識(shí)別模塊電路設(shè)計(jì)

顏色識(shí)別模塊采用TCS3200，該顏色識(shí)別模塊集成大量光學(xué)傳感器，每個(gè)傳感器都有四個(gè)不同的濾光片：紅、綠、藍(lán)和透明。六個(gè)彩色濾光片中的每一個(gè)都被平均排列，以抵消色移位置上的顏色成分，內(nèi)置的振蕩器發(fā)出一個(gè)方波，其頻率與所選光線的強(qiáng)度成正比［8］。色彩檢測基于“三原色檢測”原理，從構(gòu)成不同顏色的三原色的數(shù)值中確定被控制物體的顏色。顏色檢測模塊的電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 顏色檢測模塊電路設(shè)計(jì)

2.4 無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用ESP8266 Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)無線通信，該模塊上所搭載的芯片有強(qiáng)大的處理和存儲(chǔ)能力，可應(yīng)用于不同方案中的無線通信設(shè)計(jì)，在初始設(shè)置和操作過程中最大限度地減少系統(tǒng)資源。ESP8266 主要集成在芯片上，包括用于天線切換的平衡器和用于電源管理的轉(zhuǎn)換器，由于高度的片上集成，資源需求是最小的，在電路板上占用最小的空間，利于整體設(shè)計(jì)［9］。ESP8266Wi-Fi模塊電路如圖5所示。

圖5 無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

2.5 語音模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用WT588D 語音模塊進(jìn)行語音反饋與輸出。當(dāng)輸入指令打開或關(guān)閉對應(yīng)垃圾桶時(shí)，語音模塊會(huì)進(jìn)行播報(bào)；并且垃圾桶溢滿時(shí)，會(huì)提醒傾倒垃圾，體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)。語音播報(bào)模塊的電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 語音模塊原理圖

2.6 溢滿檢測電路設(shè)計(jì)

垃圾溢滿檢測設(shè)計(jì)中采用TCRT5000紅外距離模塊，根據(jù)發(fā)射的紅外線反射情況檢測物體出現(xiàn)范圍，本設(shè)計(jì)使用四個(gè)TCRT5000作為垃圾桶的溢滿檢測模塊，分別位于垃圾桶四個(gè)角度，極大程度減少錯(cuò)檢情況。溢滿檢測電路如圖7所示。

圖7 溢滿檢測電路

2.7 光線檢測模塊

設(shè)計(jì)中使用光敏電阻GX-5 來檢測環(huán)境的光照強(qiáng)度，當(dāng)光照強(qiáng)度不足時(shí)模塊輸出高電平，單片機(jī)P33 接口接收到信號(hào)后控制照明燈點(diǎn)亮。光線檢測電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 光線檢測電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，由主程序和子程序構(gòu)成，將每個(gè)特定的功能分成不同模塊。智能分類分揀垃圾桶的程序由主程序以及語音識(shí)別、顏色識(shí)別、無線通信、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)等子程序構(gòu)成。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序在運(yùn)行時(shí)首先需要對兩個(gè)主要的串口進(jìn)行初始化，然后接收語音識(shí)別、顏色識(shí)別、無線通信向串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，判斷是否打開相應(yīng)的垃圾桶，再由舵機(jī)執(zhí)行垃圾桶開蓋程序。程序執(zhí)行開始后，首先進(jìn)行初始化，然后開始讀取串口2和串口3的數(shù)據(jù)。串口3收到數(shù)據(jù)時(shí)，判斷識(shí)別類型。若為語音識(shí)別則根據(jù)垃圾名稱判斷垃圾的類別；若為顏色識(shí)別則根據(jù)垃圾袋的顏色來判斷垃圾種類，然后執(zhí)行垃圾桶開蓋程序，并進(jìn)行關(guān)蓋倒計(jì)時(shí)。串口2 收到數(shù)據(jù)時(shí)，判斷遙控指令進(jìn)而進(jìn)行垃圾桶開/關(guān)蓋程序。再通過延時(shí)判斷，是否關(guān)閉垃圾桶蓋。滿足條件則垃圾桶蓋關(guān)閉，不滿足則判斷垃圾桶是否溢滿。垃圾溢滿語音模塊會(huì)進(jìn)行播報(bào)提醒，并發(fā)送溢滿信息返回串口；若垃圾沒有溢滿則直接返回串口。系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

3.2 識(shí)別系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)

識(shí)別系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)首先對端口進(jìn)行初始化，然后通過讀取串口數(shù)據(jù)（即根據(jù)顏色模塊和語音模塊進(jìn)行信息采集）作出判斷：收到數(shù)據(jù)時(shí)，讀取指令判斷數(shù)據(jù)類型，若存在相符指令則打開對應(yīng)的垃圾桶蓋，然后返回重新讀取串口數(shù)據(jù)；若沒有對應(yīng)數(shù)據(jù)則直接重新讀取串口數(shù)據(jù)。若沒有收到數(shù)據(jù)，則緩存清零，返回重新讀取串口數(shù)據(jù)。識(shí)別系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)圖如圖10所示。

圖10 識(shí)別系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.3 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序設(shè)計(jì)

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)用于控制垃圾桶蓋開合，要打開垃圾桶蓋，需將舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到0°，發(fā)出一個(gè)占空比為1.5 ms 的控制脈沖；關(guān)閉時(shí)需旋轉(zhuǎn)到-90°，發(fā)出一個(gè)占空比為0.5 ms 的控制脈沖。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

3.4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)完成，為保證設(shè)計(jì)功能有效實(shí)現(xiàn)，分別對語音識(shí)別模塊、顏色識(shí)別模塊、語音播報(bào)功能、Wi-Fi 通信功能等進(jìn)行系統(tǒng)測試。將系統(tǒng)接上5 V電源，系統(tǒng)開始工作，并進(jìn)行“歡迎使用分類垃圾桶”語音播報(bào)。使用顏色識(shí)別時(shí)，首先進(jìn)行白平衡調(diào)節(jié)，通過人體檢測模塊判斷有人使用，之后識(shí)別顏色打開對應(yīng)垃圾桶。光控照明模塊會(huì)在光線不足時(shí)，自動(dòng)開啟燈光照明。垃圾滿的時(shí)候語音提醒“垃圾已滿，請及時(shí)清理”通過Wi-Fi無線通信向手機(jī)發(fā)送信息，手機(jī)通過APP遙控發(fā)送指令，對應(yīng)指令控制垃圾桶開合。設(shè)計(jì)實(shí)物展示如圖12所示。

圖12 智能垃圾桶實(shí)物展示

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用51 系列單片機(jī)作為智能分類分揀垃圾桶的主控制芯片，通過外圍電路的各種模塊與傳感器使垃圾桶具備了語音識(shí)別和顏色識(shí)別功能，方便了生活垃圾的分類分揀。智能化分類分揀垃圾桶的設(shè)計(jì)，在響應(yīng)國家垃圾分類，多舉措提升生活質(zhì)量的同時(shí)，也使用戶感受到智能化所帶來的便捷［10］。