摘 要：該文基于STM32F103C8T6設(shè)計(jì)一款語(yǔ)音控制的智能垃圾桶系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)處理模塊、超聲波測(cè)距模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和語(yǔ)音識(shí)別模塊構(gòu)成。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，運(yùn)用語(yǔ)音識(shí)別傳感器采集聲音信息，通過(guò)邏輯處理，單片機(jī)能夠智能地下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾桶蓋子的差異化控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作，驗(yàn)證系統(tǒng)在語(yǔ)音識(shí)別、傳感器準(zhǔn)確度以及音量控制方面具有良好的性能。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作且性能穩(wěn)定，為垃圾管理提供一種便捷的方式，使用戶可以輕松進(jìn)行垃圾分類(lèi)和處理。此外，語(yǔ)音控制技術(shù)還減少用戶需要觸摸垃圾桶的機(jī)會(huì)，從而降低交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能垃圾桶；語(yǔ)音識(shí)別模塊；舵機(jī)驅(qū)動(dòng)；方案設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN912.34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）28-0135-04

Abstract： This paper designs a voice-controlled smart trash bin system based on STM32F103C8T6， which mainly consists of a data processing module， an ultrasonic ranging module， a steering gear driving module and a voice recognition module. The system takes a Microcontroller Unit （MCU） as the core and uses a voice recognition sensor to collect sound information. Through logical processing， the MCU can intelligently issue instructions to achieve differentiated control of the lid of the trash can. Experimental operations verify that the system has good performance in voice recognition， sensor accuracy and volume control. The design system has a simple structure， easy to operate and stable performance， providing a convenient way for garbage management， allowing users to easily classify and process garbage. In addition， the voice control technology also reduces the chance that users need to touch the trash can， thereby reducing the risk of cross-infection.

Keywords： MCU; smart trash bin; voice recognition module; steering gear driver; conceptual design

隨著全球城市人口的不斷增加，垃圾產(chǎn)生量也在迅速上升。而傳統(tǒng)的垃圾處理方式已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的需求，因此垃圾管理已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。為了減少垃圾對(duì)環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)，垃圾分類(lèi)和回收已成為國(guó)際社會(huì)的共識(shí)。為順應(yīng)這一趨勢(shì)，垃圾桶生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品朝著“多樣化”與“智能化”的方向發(fā)展。垃圾桶控制系統(tǒng)種類(lèi)不斷增加，功能也更加豐富，因此智能化垃圾桶也有望成為消費(fèi)者的消費(fèi)首選。

對(duì)于智能垃圾桶的相關(guān)研究，國(guó)外在2006年開(kāi)始實(shí)施廢電池和廢玻璃等物品的回收利用，2007年開(kāi)始嘗試在垃圾桶上使用射頻技術(shù)，20SVV4dyF+IcAyyLTOZSU1Xg==14年開(kāi)始研究智能回收算法，2016年開(kāi)始深入研究單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)。相較之下，我國(guó)在2000年時(shí)開(kāi)始研究垃圾桶智能化系統(tǒng)，2009年初步研究全自動(dòng)智能垃圾分類(lèi)機(jī)，2015年開(kāi)始探索智能分類(lèi)垃圾箱，國(guó)外學(xué)者在解決這些問(wèn)題時(shí)，也嘗試通過(guò)行為來(lái)改變垃圾投放者的意識(shí)[1-2]。

國(guó)內(nèi)在單片機(jī)發(fā)展方面，周慧珺等[3]提出采用紅外探測(cè)和無(wú)線接收的方式，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動(dòng)開(kāi)合。在智能垃圾桶設(shè)計(jì)方面，何侃等[4]采用了一種可語(yǔ)音識(shí)別的算法，然而驗(yàn)證結(jié)果顯示其成功率較低，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。傅曉蕓借鑒了國(guó)外公共垃圾桶的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合產(chǎn)品語(yǔ)義層級(jí)、投放引導(dǎo)語(yǔ)義以及參與操作語(yǔ)義3個(gè)方面的研究，為垃圾桶的發(fā)展提供新的設(shè)計(jì)思路。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本研究在于設(shè)計(jì)一款基于語(yǔ)音識(shí)別的智能垃圾桶系統(tǒng)，幫助用戶輕松辨識(shí)垃圾類(lèi)別，并自動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)的垃圾桶蓋。當(dāng)垃圾桶即將裝滿時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示，提醒用戶處理。使用語(yǔ)音識(shí)別模塊接收用戶識(shí)別指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)垃圾的辨識(shí)，主動(dòng)播報(bào)對(duì)應(yīng)的回收類(lèi)型，并根據(jù)垃圾種類(lèi)的識(shí)別結(jié)果自動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)的垃圾桶蓋。用戶也可通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)手動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的智能分類(lèi)。此外，垃圾桶還能自動(dòng)監(jiān)測(cè)桶內(nèi)的狀況，當(dāng)垃圾桶即將裝滿時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警提示用戶，并向管理員發(fā)送信息，使管理員了解垃圾桶的實(shí)時(shí)狀況，從而及時(shí)進(jìn)行清理。這一設(shè)計(jì)旨在減少垃圾桶爆滿的情況發(fā)生，避免垃圾外溢，有助于美化環(huán)境，更好地促進(jìn)垃圾分類(lèi)。

本文的研究主要針對(duì)不同種類(lèi)的垃圾，語(yǔ)音命令識(shí)別垃圾，播報(bào)提示垃圾所對(duì)應(yīng)的回收類(lèi)型并打開(kāi)對(duì)應(yīng)的垃圾桶，也可通過(guò)按鍵打開(kāi)垃圾桶。通過(guò)紅外傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)垃圾桶是否填滿，未滿顯示為綠燈，否則顯示紅燈。在垃圾裝滿后，通過(guò)藍(lán)牙與揚(yáng)聲器來(lái)提示用戶進(jìn)行清理。主要研究?jī)?nèi)容如下。

1）分析用單片機(jī)來(lái)控制傳統(tǒng)的舵機(jī)的原理，對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。

2）通過(guò)分析識(shí)別聲音的原理建立對(duì)應(yīng)訓(xùn)練模型，研究語(yǔ)音控制模塊對(duì)聲音的識(shí)別。

3）根據(jù)語(yǔ)音命令不同，自動(dòng)控制打開(kāi)對(duì)應(yīng)的垃圾桶蓋。

4）分析使用單片機(jī)如何應(yīng)用紅外傳感器，達(dá)成自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及預(yù)警的預(yù)期功能。

5）研究揚(yáng)聲器的控制與使用，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)以及異常狀態(tài)提示等信息。

6）對(duì)于供電設(shè)備的安裝與設(shè)計(jì)。

7）對(duì)于垃圾桶承載狀態(tài)的正確運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)顯示與異常狀態(tài)的提示。

1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于語(yǔ)音控制的智能垃圾桶系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有語(yǔ)音命令識(shí)別、語(yǔ)音播報(bào)、垃圾桶自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋和狀態(tài)指示等，目的是為用戶提供便捷的垃圾投放體驗(yàn)，并初步隔離垃圾，防止細(xì)菌的滋生。該系統(tǒng)的核心元件為STM32F103C8T6單片機(jī)，整體框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊采用了STM32F103C8T6，通過(guò)超聲距離模組及聲音辨識(shí)模組生成資料，STM32啟動(dòng)超音波距離模組，使其在100 ms內(nèi)完成行程。當(dāng)輸入端口收到來(lái)自超聲波的高電平信號(hào)時(shí)，判定并算出垃圾箱與前面的障礙物之間的距離。當(dāng)5個(gè)距離的平均值都低于規(guī)定的數(shù)值時(shí)，由STM32進(jìn)行語(yǔ)音辨識(shí)，由STM32進(jìn)行采集，并以總定時(shí)器設(shè)定的脈沖寬度為輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，打開(kāi)垃圾箱。大約10 s后，重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)向器，關(guān)閉桶蓋。

1.2.2 超聲波測(cè)距模塊

該設(shè)備采用HC-SR04芯片，共有4根管腳：引腳1為5 V供電，引腳2用于接收MCU所發(fā)的啟動(dòng)信號(hào)，引腳3則向STM32輸出對(duì)應(yīng)的高電平，引腳4則與地面相連。當(dāng)設(shè)備工作時(shí)， Trig將單片機(jī)發(fā)出的一個(gè)10 ms長(zhǎng)的高電平信號(hào)作為啟動(dòng)信號(hào)，將超聲發(fā)射出去。然后，記錄從傳送到接收所花費(fèi)的時(shí)間，使Echo的等級(jí)從低到高，并且根據(jù)測(cè)量到的距離保持對(duì)應(yīng)的一段對(duì)應(yīng)的時(shí)間，當(dāng)結(jié)束時(shí)，將該信號(hào)降到低水平，執(zhí)行下一個(gè)測(cè)量[5-6]。

1.2.3 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

舵機(jī)是一種位置伺服驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的角度控制[7]。本文設(shè)計(jì)采用了SG90舵機(jī)，利用支撐臂和齒輪的傳動(dòng)裝置，將垃圾箱罩與轉(zhuǎn)向器相連，實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)。在從單片機(jī)那里收到20 ms的循環(huán)信號(hào)和0.5 ms（占空比2.5%）高電平的情況下，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到0°，這時(shí)桶帽是臥式的，完成了垃圾箱的關(guān)閉。在從微控制器收到20 ms的周期信號(hào)和1.5 ms（占空比7.5%）高電平的情況下，驅(qū)動(dòng)筒蓋旋轉(zhuǎn)90°，完成打開(kāi)。

1.2.4 語(yǔ)音識(shí)別模塊

本裝置使用了HLV-V20語(yǔ)音識(shí)別模塊，該模塊被廣泛應(yīng)用于各種智能設(shè)備上，價(jià)格親民且識(shí)別率較高。利用SPI通信協(xié)議將所辨識(shí)的訊號(hào)進(jìn)行初步的處理，并將其通過(guò)串行通信方式傳送到MCU，以便對(duì)相應(yīng)的垃圾箱進(jìn)行控制；并與揚(yáng)聲器相連以提供語(yǔ)音幫助。本模塊的語(yǔ)音識(shí)別語(yǔ)句可隨時(shí)進(jìn)行錄入與刪改，并且語(yǔ)句標(biāo)識(shí)與國(guó)家對(duì)垃圾分類(lèi)變化的新標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，使裝置的使用壽命得到提升。同時(shí)，考慮到垃圾桶的擺放環(huán)境有較多干擾信息，容易造成識(shí)別錯(cuò)誤，所以為了增加識(shí)別準(zhǔn)確性，在語(yǔ)音系統(tǒng)中附加了一級(jí)口令保護(hù)[8-9]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，包括語(yǔ)音識(shí)別模塊與提示模塊、開(kāi)關(guān)控制模塊以及報(bào)警提示模塊。程序由主程序和子程序組成，主程序的主要功能是通過(guò)單片機(jī)對(duì)輸出電路進(jìn)行控制，以達(dá)到智能分類(lèi)的效果，其流程圖如圖2所示。子程序主要包括舵機(jī)子程序設(shè)計(jì)和語(yǔ)音識(shí)別子程序設(shè)計(jì)。

2.1 舵機(jī)子程序設(shè)計(jì)

舵機(jī)的控制信號(hào)為PWM信號(hào)，通過(guò)占空比來(lái)改變舵機(jī)的位置。為了不影響中斷程序的運(yùn)行，并且確保軟件在定時(shí)中斷期間采集其他的信號(hào)，信號(hào)采集函數(shù)被放置在較長(zhǎng)的定時(shí)中斷中執(zhí)行。

智能垃圾桶在開(kāi)蓋時(shí)需要將舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到0°，因此將輸出占空比設(shè)置為1.5 ms的控制脈沖，關(guān)蓋時(shí)將舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到-90°，輸出占空比為0.5 ms的控制脈沖。要使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到左側(cè)最邊緣，需要設(shè)定2 ms的正脈沖，18 ms的負(fù)脈沖。在起始條件下，該控制端口發(fā)出高電平信號(hào)，設(shè)定計(jì)時(shí)器在2 ms之后出現(xiàn)一個(gè)中斷，在該中斷出現(xiàn)之后把控制器的接口設(shè)置成了一個(gè)較小的電平，并把其中斷時(shí)間設(shè)置成18 ms。在經(jīng)過(guò)18 ms之后，切換到新的時(shí)序中斷，把控制端口設(shè)置成高電平，把計(jì)時(shí)器的初值設(shè)置成2 ms，然后等待下一次的中斷，通過(guò)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)到舵機(jī)的輸出過(guò)程。

2.2 語(yǔ)音識(shí)別子程序設(shè)計(jì)

HLK-V20模塊在32位RSIC結(jié)構(gòu)中引入了DSP芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字信號(hào)的分析、聲音的辨識(shí)、浮點(diǎn)計(jì)算的FPU操作、FFT加速等功能。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音識(shí)別方法。模塊的系統(tǒng)外設(shè)包括UART/I2C/SPI/PWM/I2S/DAC/GPIO/DMic/AMic，用于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話功能。語(yǔ)音識(shí)別程序流程如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本裝置對(duì)于不同種類(lèi)的垃圾，能做出不同的反應(yīng)，語(yǔ)音命令識(shí)別垃圾，語(yǔ)音信息通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)入STM32里。STM32首先對(duì)語(yǔ)音信息進(jìn)行分類(lèi)分析，能進(jìn)行播報(bào)提示垃圾所對(duì)應(yīng)的回收類(lèi)型，與此同時(shí)相應(yīng)的垃圾桶打開(kāi)，在液晶顯示模塊檢測(cè)所得數(shù)據(jù)直觀地顯示出來(lái)，也可以通過(guò)按鍵自行打開(kāi)垃圾桶。垃圾桶通過(guò)紅外傳感器監(jiān)測(cè)是否填滿，用紅燈綠燈、藍(lán)牙和揚(yáng)聲器來(lái)提示用戶垃圾桶是否填滿的信息，從而進(jìn)行及時(shí)的清理。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)在語(yǔ)音識(shí)別、傳感器準(zhǔn)確度以及音量控制等對(duì)垃圾桶控制方面具有良好的性能。

4 總結(jié)與展望

基于語(yǔ)音控制的智能垃圾桶設(shè)計(jì)代表了現(xiàn)代科技在環(huán)境保護(hù)和生活便捷性方面的創(chuàng)新應(yīng)用，旨在提高垃圾分類(lèi)和管理的效率，減少資源浪費(fèi)，促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性。本文介紹了該系統(tǒng)的核心組成部分和工作原理，包括數(shù)據(jù)處理模塊、超聲波測(cè)距模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和語(yǔ)音識(shí)別模塊。通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作，驗(yàn)證了系統(tǒng)在語(yǔ)音識(shí)別、傳感器準(zhǔn)確度以及音量控制方面具有良好的性能。其創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

首先是將語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，利用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)來(lái)與智能垃圾桶進(jìn)行交互，用戶只需通過(guò)語(yǔ)音告訴垃圾桶要丟棄的垃圾類(lèi)型，而不需要手動(dòng)打開(kāi)垃圾桶或觸摸傳感器，無(wú)須觸碰或按壓按鈕。

其次是語(yǔ)音識(shí)別的準(zhǔn)確與智能化創(chuàng)新，需要高度準(zhǔn)確的語(yǔ)音識(shí)別算法。先進(jìn)的自然語(yǔ)言處理技術(shù)和智能分類(lèi)算法確保垃圾被正確分類(lèi)，減少錯(cuò)誤投放。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)也可以與其他智能家居或智能城市系統(tǒng)進(jìn)行整合，進(jìn)一步提高其擴(kuò)展性和適應(yīng)性。

最后則是對(duì)于用戶體驗(yàn)的收集反饋再使用，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用還可以用于收集用戶口頭指令的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于分析用戶的投放習(xí)慣、垃圾種類(lèi)的頻率分布等信息。

總之，基于語(yǔ)音控制的智能垃圾桶設(shè)計(jì)為垃圾管理領(lǐng)域帶來(lái)了創(chuàng)新，提高了效率和便捷性。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，我們可以期待這一領(lǐng)域的進(jìn)一步突破和應(yīng)用，為環(huán)境保護(hù)和城市管理提供更多的解決方案。

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