摘 要：隨著城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快， 人們的生活日新月異，城市生活垃圾問題日益凸顯，垃圾分類變得尤為重要。然而，很多市民缺乏垃圾分類的相關(guān)知識(shí)，往往憑直覺進(jìn)行分類，導(dǎo)致垃圾分類的錯(cuò)誤率高，難以實(shí)現(xiàn)垃圾分類的目的。為了更加高效地實(shí)現(xiàn)垃圾分類，使垃圾分類順應(yīng)潮流，更加智能化，設(shè)計(jì)了一款以STM32F103C8T6芯片為核心的語音識(shí)別分類垃圾桶。該垃圾桶內(nèi)置語音識(shí)別模塊，通過識(shí)別接收到的語音信息，做出正確的反饋并通過舵機(jī)打開對(duì)應(yīng)分類的垃圾桶蓋子。當(dāng)垃圾桶中的垃圾溢滿從而觸發(fā)了紅外感應(yīng)模塊時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)蜂鳴器警報(bào)，直至取出垃圾并重新蓋上蓋子后蜂鳴器才會(huì)停止。除此之外，語音識(shí)別模塊還具備自動(dòng)調(diào)節(jié)音量的功能?；赟TM32的語音識(shí)別分類的智能垃圾系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的智慧化分類和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，對(duì)于推動(dòng)智慧城市建設(shè)和提升生活品質(zhì)都有著積極的意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能分類垃圾桶；STM32；語音識(shí)別；紅外收發(fā)；有人云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP391.44；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）01-0-05

0 引 言

現(xiàn)如今，科技的發(fā)展使得智能化早已是不可阻擋的趨勢(shì)，智能家居、智能汽車等領(lǐng)域的快速發(fā)展無不彰顯著智能化的時(shí)代特色。在此背景下，環(huán)境治理領(lǐng)域也向著智能化不斷前進(jìn)。其中，垃圾分類作為一個(gè)不可逾越的話題，隨著環(huán)境問題越來越突出，其引起了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注[1]。隨著人們生活的改善，垃圾的排放量也在增加[2]。垃圾分類作為環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵一環(huán)，其重要性愈發(fā)凸顯。因此，環(huán)保行業(yè)急需一款能夠方便大眾使用的智能垃圾桶[3]，以實(shí)現(xiàn)高效、智能的垃圾分類。

智能垃圾桶的應(yīng)用實(shí)例，可以深入挖掘用戶需求[4]，更加突顯了垃圾桶智能化的必要性。例如，基于WiFi定位的智能聲控垃圾桶，能夠借助藍(lán)牙技術(shù)和語音控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能聲控垃圾桶的無線控制[5]。而基于聲音識(shí)別的智能聲控垃圾桶，能夠根據(jù)人的語音進(jìn)行識(shí)別和定位并可根據(jù)指令移動(dòng)到指定位置[6]。事實(shí)上，自動(dòng)化程度高的智能垃圾桶可以潛移默化地促使人們養(yǎng)成自覺正確垃圾分類的好習(xí)慣[7]。然而，智能垃圾桶的一些先進(jìn)功能還尚未得到廣泛應(yīng)用[5]。 比如，垃圾桶的防溢出功能，能夠有效地避免垃圾溢出等問題[8]。在日常生活中，由于負(fù)責(zé)垃圾分類的清理員不能實(shí)時(shí)掌握每一個(gè)垃圾桶的運(yùn)作狀態(tài)，導(dǎo)致垃圾桶不能被及時(shí)更換或清理[9-10]。

本文設(shè)計(jì)了通過語音智能控制的智能垃圾桶。該垃圾桶以STM32F103單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，通過語音識(shí)別模塊對(duì)用戶發(fā)出的語音信息進(jìn)行識(shí)別，繼而進(jìn)行語音反饋、垃圾類別判斷和打開對(duì)應(yīng)分類的垃圾桶蓋等操作，高效且智能地實(shí)現(xiàn)了垃圾分類。它具備垃圾桶自動(dòng)開關(guān)蓋、語音播報(bào)提示、系統(tǒng)信息顯示和數(shù)據(jù)云端管理等功能，提高了用戶的垃圾分類體驗(yàn)，為社會(huì)群眾積極配合垃圾分類工作提供了有力支持。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)利用語音識(shí)別模塊識(shí)別用戶發(fā)出的語音信息，接收用戶的指令并做出相應(yīng)的語音反饋，接著利用舵機(jī)完成垃圾桶蓋的開關(guān)，并在垃圾桶溢滿時(shí)觸發(fā)警報(bào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，其中涵蓋了單片機(jī)開發(fā)技術(shù)、語音識(shí)別技術(shù)以及云平臺(tái)技術(shù)的綜合應(yīng)用。系統(tǒng)通過傳感器模塊采集數(shù)據(jù)信息，再利用WiFi模塊將這些信息上傳至云平臺(tái)作進(jìn)一步處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。在電源電壓保持穩(wěn)定的狀態(tài)下，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集信息，同時(shí)，主控芯片會(huì)和語音識(shí)別模塊建立聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)基本的語音識(shí)別功能。隨后，這些采集到的信息會(huì)被整合，并通過WiFi模塊傳輸至云端。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能分類垃圾系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由紅外收發(fā)模塊、蜂鳴器模塊、語音識(shí)別模塊、STM32F103C8T6和WiFi模塊組成。

2.1.1 紅外收發(fā)模塊

圖3所示為本系統(tǒng)的紅外收發(fā)模塊。紅外收發(fā)模塊采用TCRT5000紅外反射傳感器，該傳感器主要用于黑白檢測(cè)和障礙檢測(cè)。TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管持續(xù)發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線未被反射回來或反射回來但是強(qiáng)度不夠大時(shí)，則紅外接收管將維持非導(dǎo)通狀態(tài)。在這種情況下，模塊的輸出電壓將保持在高水平，表明二極管處于非激活狀態(tài)。當(dāng)被監(jiān)控的對(duì)象進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域，紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大時(shí)，則紅外接收管飽和。此時(shí)，模塊的輸出端會(huì)呈現(xiàn)低電壓狀態(tài)，這表明二極管已被激活。

2.1.2 蜂鳴器模塊

圖4所示為本系統(tǒng)的蜂鳴器模塊。該蜂鳴器模塊的模塊接口是三線制的，與紅外收發(fā)模塊一樣支持3.3～5 V的電壓輸入，可以與5 V或者3.3 V的單片機(jī)直接相連，外接地線和單片機(jī)I/O口。該模塊采用S8050三極管來驅(qū)動(dòng)。在I/O口輸入為低電壓的情況下，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音。

2.1.3 語音識(shí)別模塊

圖5所示為本系統(tǒng)的語音識(shí)別模塊。選擇HLK-V20作為核心芯片，這是一款高效的AI加速架構(gòu)，并且硬件和算法之間存在著高度的耦合關(guān)系。該模塊使用32 bit的RSIC內(nèi)核，同時(shí)融合了DSP這一特定的信號(hào)處理與語音辨識(shí)工具。該模塊還配備有FPU運(yùn)算單位和FFT加速器，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)音頻信息進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，從而增強(qiáng)其識(shí)別能力。該語音識(shí)別模塊支持與MCU的串口通信，在識(shí)別語音指令后，模塊會(huì)通過串口輸出相應(yīng)的協(xié)議數(shù)據(jù)。MCU端串口在接收到來自語音識(shí)別模塊的數(shù)據(jù)后，即可根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。該語音模塊采用5 V供電，平均待機(jī)功耗為63 mA。

2.1.4 機(jī)械控制模塊

本設(shè)計(jì)通過4個(gè)舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)垃圾桶開啟和關(guān)閉的操作。舵機(jī)作為一種位置伺服驅(qū)動(dòng)器，能夠有效地操作角度的改變，特別適合那些需要頻繁且穩(wěn)定調(diào)整角度的控制系統(tǒng)。

舵機(jī)輸入信號(hào)是單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)，通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度及方向。舵機(jī)電路接線圖如圖6所示。舵機(jī)有3條線，1條接電源（5 V），1條接地，最后1條則用于接收控制信號(hào)（即單片機(jī)輸出的PWM控制信號(hào)）。其工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)的4個(gè)引腳分別連接4個(gè)舵機(jī)的輸入端，通過發(fā)送PWM信號(hào)來控制舵機(jī)的工作狀態(tài)。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)置基準(zhǔn)電壓，要求輸入的PWM信號(hào)周期為20 ms，脈沖寬度為0.5 ms。通過對(duì)比輸入的信號(hào)與基準(zhǔn)電壓，可以得出偏差結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備（即垃圾桶蓋）轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精確控制。

2.1.5 STM32F103C8T6單片機(jī)

STM32單片機(jī)是意大利意法半導(dǎo)體公司推出的基于Cortex-M內(nèi)核的新一代32位單片機(jī)系列，以其高性能、低功耗、一流的外設(shè)、易于使用和快速開發(fā)等特點(diǎn)，倍受廣大開發(fā)者青睞。

本次設(shè)計(jì)選用了STM32F103系列中的STM32F103C8T6型號(hào)單片機(jī)?！癝TM32”代表著基于ARM構(gòu)架的32位微控制器；“F”表示這款產(chǎn)品為通用型；“103”標(biāo)志著這款產(chǎn)品屬于該系列的增強(qiáng)版本，除了增強(qiáng)版還有基礎(chǔ)版本“101”、USB版“102”、互聯(lián)版“105”等。值得注意的是，STM32F103系列的增強(qiáng)版擁有高達(dá)72 MHz的時(shí)鐘頻率?！癈”表示該型號(hào)的引腳數(shù)目為48；“8”表示該型號(hào)閃存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量為64 KB；“T”表示LQFP的封裝；“6”表示其在-40～85 ℃的工業(yè)級(jí)別溫度范圍內(nèi)均能正常工作。單片機(jī)核心板的原理圖如圖7所示。

2.1.6 WiFi模塊

USR-C216是USR-C21系列中的一款高性價(jià)比WiFi模塊，專為嵌入式系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)通信需求而設(shè)計(jì)。其采用低能耗的802.11 b/g/n模塊，使得用戶能夠?qū)⒏黝悓?shí)體設(shè)備連接至WiFi網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程操控和管理。USR-C216集成了 MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元，內(nèi)置低功耗運(yùn)行機(jī)制，能夠有效降低能耗。USR-C216支持WiFi協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議，用戶僅需簡(jiǎn)單配置，即可實(shí)現(xiàn)UART設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)功能。該模塊具備將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的能力，包括Socket和Httpd Client的轉(zhuǎn)換，極大地增強(qiáng)了那些原本缺乏網(wǎng)絡(luò)連接功能的設(shè)備的通信能力。數(shù)據(jù)云傳輸?shù)倪^程如圖8所示。

WiFi模塊擁有UART接口，發(fā)送寄存器和接收寄存器共同構(gòu)成DR（數(shù)據(jù)寄存器），CPU通過對(duì)USARTx-gt;DR進(jìn)行寫/讀操作，可以分別實(shí)現(xiàn)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。WiFi模塊如圖9所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，需要對(duì)傳感器獲取的信息進(jìn)行接收和處理，并將這些信息傳輸至微控制器中，執(zhí)行數(shù)據(jù)融合、評(píng)估以及數(shù)據(jù)發(fā)送等步驟。具體的數(shù)據(jù)處理步驟如圖10所示。

2.2.1 STM32部分軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過語音識(shí)別模塊和紅外收發(fā)模塊來收集數(shù)據(jù)，STM32F103負(fù)責(zé)接收并處理所有收集到的數(shù)據(jù)。語音識(shí)別模塊進(jìn)行垃圾分類判斷的流程如圖11所示。

2.2.2 有人云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

智能垃圾桶只有在蓋子關(guān)閉的時(shí)候檢測(cè)并更新桶內(nèi)垃圾余量，同時(shí)云端也會(huì)接收到更新后的垃圾余量信息。通過云端可以將智能垃圾箱有關(guān)容量、經(jīng)緯度等信息進(jìn)行圖形化顯示。當(dāng)垃圾量超過設(shè)定值時(shí)，有人云會(huì)發(fā)送警報(bào)信息，提醒用戶對(duì)垃圾桶進(jìn)行清理。

當(dāng)用戶點(diǎn)擊聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)，跳轉(zhuǎn)至垃圾信息界面，如圖12所示。該界面集中展示了垃圾類別名、垃圾內(nèi)存、垃圾桶的位置經(jīng)緯度等詳細(xì)信息。點(diǎn)擊“歷史查詢”按鈕可以進(jìn)行垃圾溯源。點(diǎn)擊“主動(dòng)采集”按鈕可以主動(dòng)采集垃圾桶相關(guān)的數(shù)據(jù)。報(bào)警信息處理界面如圖13所示。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

用戶在插上電源之后，說出垃圾分類喚醒詞，系統(tǒng)識(shí)別后會(huì)自動(dòng)回復(fù)“我來了”。垃圾桶初始通電狀態(tài)如圖14所示。在智能垃圾桶中投放廚余垃圾、其他垃圾、有害垃圾時(shí)的狀態(tài)分別如圖15、圖16和圖17所示。

在系統(tǒng)語音回復(fù)之后10 s內(nèi)說出要扔垃圾的名字，垃圾桶就會(huì)自行判斷垃圾所屬分類并播報(bào)分類后的結(jié)果，隨后自動(dòng)開啟對(duì)應(yīng)分類的垃圾桶的蓋子，3 s后自動(dòng)關(guān)閉。如果垃圾桶蓋子打開之后檢測(cè)到垃圾溢滿，系統(tǒng)會(huì)通過觸發(fā)蜂鳴器警報(bào)提醒用戶。如果垃圾溢滿，用戶需要再次說出垃圾的名字，打開垃圾桶蓋并取走垃圾。當(dāng)垃圾桶蓋閉合后沒有檢測(cè)到垃圾桶溢滿，警報(bào)聲才會(huì)解除。另外點(diǎn)擊菜單欄中的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備按鈕，可以跳轉(zhuǎn)到智能垃圾桶數(shù)據(jù)查看界面，如圖18所示。

4 結(jié) 語

針對(duì)當(dāng)前環(huán)境下的垃圾分類現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32的智能語音識(shí)別分類垃圾桶。該智能垃圾桶能夠通過內(nèi)置的語音識(shí)別模塊精準(zhǔn)識(shí)別用戶發(fā)出的語音信息，根據(jù)指令做出相應(yīng)的語音反饋并執(zhí)行相應(yīng)的操作。此外，該系統(tǒng)還具備通過云平臺(tái)監(jiān)控垃圾桶狀態(tài)的功能。智能垃圾桶的實(shí)現(xiàn)為垃圾分類工作的自動(dòng)化、智能化和高效化提供了有力支持，在潛移默化中增強(qiáng)人們的垃圾分類意識(shí)及素養(yǎng)，促使垃圾分類良好習(xí)慣的養(yǎng)成。

注：本文通訊作者為殷婷婷。

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