楊帆，秦智鵬

1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北武漢430205；

2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430205

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和物質(zhì)消費(fèi)水平大幅提高，我國生活垃圾產(chǎn)生量迅速增長，環(huán)境隱患日益突出，已經(jīng)成為新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的制約因素［1-3］。2015年9月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《生態(tài)文明體制改革總體方案》，將制定垃圾分類制度列為一項重要改革任務(wù)［4-5］。2016年12月，習(xí)總書記提出了“要加快建立分類投放、分類收集、分類運(yùn)輸、分類處理的垃圾處理系統(tǒng)，形成以法治為基礎(chǔ)、政府推動、全民參與、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、因地制宜的垃圾分類制度，努力提高垃圾分類制度覆蓋范圍”［6-8］。

遵循減量化、資源化、無害化的原則，實施生活垃圾分類，可以有效改善城鄉(xiāng)環(huán)境，促進(jìn)資源回收利用，加快“兩型社會”建設(shè)，提高新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量和生態(tài)文明建設(shè)水平，對于培養(yǎng)社會的資源環(huán)境意識，不斷提升中華民族整體的文明素質(zhì)具有重要的意義［9-10］。

當(dāng)今社會，無論從各個方面而言，只有達(dá)到全民參與的程度才能達(dá)到預(yù)期的效果。推動民眾參與垃圾分類、正確認(rèn)識垃圾丟棄的方法是每個人應(yīng)盡的義務(wù)與責(zé)任。

本文將垃圾分類與智能感應(yīng)相結(jié)合，設(shè)計了一種基于語音感應(yīng)控制的分類垃圾桶，并通過利用電機(jī)動作和檢測方式改善了垃圾桶的使用空間，優(yōu)化了人們?nèi)粘Ｉ钪械睦斗拧?/p>

1 語音分類垃圾桶總體設(shè)計

整個系統(tǒng)總體主要分為兩個部分，由57步進(jìn)電機(jī)（以下稱1號電機(jī)）以及HX711壓力檢測模塊組成的桶蓋部分；由STM32單片機(jī)、TB6600電機(jī)驅(qū)動器（2個）、XL6009升壓模塊、LED、LD3320語音識別模塊以及第二個57步進(jìn)電機(jī)（以下稱2號電機(jī)）組成的桶身部分。垃圾桶以STM32單片機(jī)為核心，通過LD3320語音識別模塊采集和分析聲音信息，并將結(jié)果傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)通過將該信息與設(shè)定的關(guān)鍵詞對比判斷用戶是否具有投放意圖，結(jié)果匹配時驅(qū)動1號步進(jìn)電機(jī)打開桶蓋，同時與當(dāng)前分類桶所對應(yīng)的關(guān)鍵詞對比判斷是否需要驅(qū)動2號步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)不同的分類桶至桶口。通過HX711壓力檢測模塊實時檢測當(dāng)前所使用的分類桶垃圾是否達(dá)到桶蓋處，在桶內(nèi)垃圾堆積后接觸桶蓋內(nèi)側(cè)的壓力檢測模塊時，檢測模塊開始受到壓力并將信號傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)將該壓力值與設(shè)定值比較判斷分類桶是否已達(dá)到箱滿，當(dāng)達(dá)到箱滿時驅(qū)動LED燈常亮。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of system structure

2 硬件模塊設(shè)計

2.1 電壓轉(zhuǎn)換模塊

采用了XL6009升壓模塊，該模塊使用了第二代高頻開關(guān)技術(shù)的XL6009E1為核心芯片，升壓效果好，可以輸入3～32 V，輸出5～35 V，并供給電機(jī)使用。該模塊的輸入端直接與開發(fā)板上的VCC以及GND相連，輸出端與電機(jī)驅(qū)動模塊相連用以供給驅(qū)動，連接圖如圖2（a）所示。

2.2 壓力檢測模塊

設(shè)計采用了HX711壓力檢測模塊［11］。該模塊配置于垃圾桶桶蓋內(nèi)側(cè)，用于檢測垃圾桶內(nèi)用戶最近一次投放垃圾后垃圾桶是否已經(jīng)裝滿，在投放動作結(jié)束時若該分類桶垃圾未滿溢至桶蓋處，模塊不會檢測到擠壓力；若垃圾已堆積到桶蓋處，在桶蓋關(guān)閉擠壓桶內(nèi)垃圾的過程中壓力檢測模塊會收到來自桶蓋和桶內(nèi)垃圾的上下側(cè)的擠壓力，若在擠壓動作過程中受到的壓力大于500 g，單片機(jī)則會驅(qū)動LED燈常亮提醒用戶更換桶內(nèi)垃圾。模塊與主控芯片的PB0、PB1連接，連接圖如圖2（b）所示。

圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：（a）電壓轉(zhuǎn)換模塊，（b）壓力檢測模塊Fig.2 System structures：（a）module of voltage conversion，（b）module of pressure detection

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

選用2個57步進(jìn)電機(jī)作為桶蓋轉(zhuǎn)軸以及分類桶轉(zhuǎn)軸，選用TB6600驅(qū)動器完成驅(qū)動工作［12］。驅(qū)動 器 分 別 與 主 控 芯 片 的PC2、PC0、PC7、PB13、PB14、PB15相連接，通過輸出改變TB6600控制端電平，驅(qū)動電機(jī)正、反轉(zhuǎn)動。本設(shè)計采用共陰極連接法，電機(jī)驅(qū)動模塊與控制器的連接如圖3所示。

圖3電機(jī)驅(qū)動模塊原理圖：（a）1號驅(qū)動模塊，（b）2號驅(qū)動模塊Fig.3 Schematic diagrams of motor drive module：（a）drive module 1，（b）drive module 2

2.4 語音識別模塊

語音播報模塊選擇了LD3320模塊［13-14］。其內(nèi)部固化有高效的非特定人語音識別搜索引擎模塊和完整的非特定人語音識別特征庫，以及專門為語音識別而做的硬件優(yōu)化和加速設(shè)計［15］。模塊配置與桶體外沿。用戶在投放垃圾時，說出含有投放垃圾種類的語句后，語音識別模塊通過采集8 m以內(nèi)的聲音實時進(jìn)行頻譜分析并提取特征匹配關(guān)鍵字，當(dāng)采集到設(shè)定關(guān)鍵字后LD3320將信息發(fā)送至處理芯片。該模塊與主控芯片的PA3、PA5、PA6、PA7、PB10、PB11、PB12連接，連接圖如圖4（a）所示。

2.5 LED報警模塊

按鍵模塊配置于桶身顯眼處，當(dāng)不同類別的垃圾桶箱滿后，light emitting diode（LED燈）會常亮報警。模塊連接如圖4（b）所示。

圖4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：（a）語音識別模塊，（b）LED報警模塊Fig.4 System structures：（a）module of speech recognition，（b）module of LED alarm

3 軟件部分設(shè)計

在軟件設(shè)計中，選用了STM32F103RCT6作為主控芯片，搭配使用成熟的C語言，基于Keil5平臺進(jìn)行設(shè)計。

上電后控制程序初始化，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)用戶需要投放垃圾時，說出投放的垃圾種類，語音識別模塊接收聲音信息后識別關(guān)鍵字，傳輸信號至STM32處理器，處理器通過對比接收的信號驅(qū)動1號電機(jī)旋轉(zhuǎn)，桶蓋打開，同時判斷此時對應(yīng)的分類桶是否為用戶需要投放垃圾的對應(yīng)桶，若不是則驅(qū)動2號電機(jī)旋轉(zhuǎn)使對應(yīng)垃圾桶分類桶至桶口，有害垃圾桶對應(yīng)電機(jī)0°角，干垃圾桶對應(yīng)電機(jī)120°角，濕垃圾桶對應(yīng)電機(jī)240°角。用戶可以在10 s內(nèi)投放垃圾，10 s后桶蓋關(guān)閉并繼續(xù)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)5°角擠壓桶內(nèi)垃圾，若此時桶內(nèi)垃圾已經(jīng)達(dá)到桶蓋處，壓力檢測模塊會同時受到來自桶蓋內(nèi)側(cè)與垃圾頂端的擠壓力，當(dāng)該擠壓力超過設(shè)定值（500 g）時，STM32處理器驅(qū)動LED燈常亮報警，提醒用戶及時更換該內(nèi)桶垃圾。程序流程圖如圖5所示。

圖5系統(tǒng)程序流程圖Fig.5 Flowchart of system program

4 系統(tǒng)連接與調(diào)試

4.1 垃圾桶設(shè)計

垃圾桶整體模型設(shè)計圖及具體模塊位置如圖6所示，包括了桶蓋部分以及桶身部分。

圖6垃圾桶整體設(shè)計圖Fig.6 Overall design drawing of trash can

4.2 垃圾桶桶身控制模塊實物連接

垃圾桶桶身部分由語音模塊，桶內(nèi)電機(jī)模塊、LED、電機(jī)驅(qū)動模塊以及STM32處理器組成，通過語音模塊接收信息驅(qū)動桶內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)動對應(yīng)垃圾桶內(nèi)桶至桶口，連接圖如圖7（a）所示。

4.3 垃圾桶桶蓋控制模塊實物連接

垃圾桶桶蓋部分由壓力檢測模塊（位于桶蓋內(nèi)側(cè)）與桶蓋步進(jìn)電機(jī)組成，電機(jī)帶動桶蓋旋轉(zhuǎn)，位于內(nèi)側(cè)的壓力傳感器在桶內(nèi)垃圾滿至桶蓋時會進(jìn)行垃圾桶滿溢檢測。連接圖如圖7（b）所示。

圖7垃圾桶控制模塊連接圖：（a）桶身，（b）桶蓋Fig.7 Diagrams of control module connection of trash can：（a）body，（b）cover

4.4 垃圾桶語音識別功能測試

系統(tǒng)上電后，通過串口調(diào)試助手以及電機(jī)實物轉(zhuǎn)動情況觀察電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與方向。分別對近距離狀況下的垃圾桶語音識別功能進(jìn)行語音測試，本設(shè)計中的垃圾桶種類關(guān)鍵字為“干垃圾”、“濕垃圾”以及“有害垃圾”。在說出“干垃圾”時，桶蓋步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)打開桶蓋，同時桶身步進(jìn)電機(jī)動作帶動內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)干垃圾桶對應(yīng)桶口，10 s后桶蓋電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉；在說出“濕垃圾”時，桶蓋電機(jī)正常工作，桶身步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)120°，此時濕垃圾桶對應(yīng)桶口，10 s后桶蓋電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉；在說出“有害垃圾”時，桶蓋電機(jī)正常工作，桶身步進(jìn)電機(jī)再次反轉(zhuǎn)120°，此時有害垃圾桶對應(yīng)桶口，10 s后桶蓋電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉。語音識別功能正常。

對語音感應(yīng)模塊識別距離進(jìn)行測試，選取每隔2 m測1次數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如表1所示。

表1語音模塊調(diào)試結(jié)果Tab.1 Results of voice module debugging

由表1可知，語音識別模塊可以正常完成垃圾分類的識別工作。

4.5 滿溢檢測功能測試

對箱滿檢測功能進(jìn)行測試，在說出關(guān)鍵字，語音識別成功后，電機(jī)開始動作，對壓力傳感器施加小于500 g的壓力時，LED燈不會亮起，在施加超過500 g的壓力后，電機(jī)動作完畢的同時，LED燈會常亮警報，提醒用戶箱內(nèi)垃圾已滿，工作過程如圖8所示。

圖8垃圾桶滿溢LED報警圖Fig.8 LED alarm diagram of full trash can

4.6 調(diào)試結(jié)果分析

在4 m以內(nèi)，垃圾桶可以對用戶說出的正確關(guān)鍵字立刻做出反應(yīng)，電機(jī)可以準(zhǔn)確進(jìn)入工作，4～6 m垃圾桶開始出現(xiàn)接收延遲，用戶以正常行走速度接近垃圾桶可以及時投放垃圾，距離8 m開始已經(jīng)出現(xiàn)無法接收信號的情況。該情況對于垃圾桶工作條件而言屬于可接受范圍。調(diào)試結(jié)果說明垃圾桶可以在一定范圍內(nèi)對用戶的投放信息做出優(yōu)良控制，并且可以在電機(jī)動作過程中檢測到箱滿時做出有效警報。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的語音分類垃圾桶與市面上常見的熱釋紅外垃圾桶相比，避免了因用戶經(jīng)過垃圾桶時自動開關(guān)的誤操作，并且通過桶蓋電機(jī)的動作以及壓力檢測模塊可以更有效地利用桶內(nèi)空間。不足之處在于缺乏機(jī)械加工導(dǎo)致整體垃圾桶組裝不到位。