基于STM32的智能語(yǔ)音垃圾分類系統(tǒng)

王貝寧

（南京航空航天大學(xué)，江蘇南京，211100）

0 引言

目前，國(guó)家大力推行垃圾分類，越來(lái)越多的四色垃圾桶出現(xiàn)在了城鎮(zhèn)街頭。但是，垃圾分類逐漸暴露出許多問(wèn)題，如很多人并不清楚垃圾的詳細(xì)分類，且非自動(dòng)的垃圾桶在使用時(shí)必須進(jìn)行雙手操作，人們手持物品的情況下，很難進(jìn)行垃圾的投放。針對(duì)這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種通過(guò)語(yǔ)音控制的智能分類垃圾桶。只需說(shuō)出需投放垃圾的名稱，即可自動(dòng)打開(kāi)對(duì)應(yīng)的垃圾蓋，從而使垃圾分類投放變得便捷、高效，并且將人們和垃圾隔離，防止細(xì)菌相互交叉感染，進(jìn)一步提高人們的生活水平[1]。

本系統(tǒng)基于stm32單片機(jī)，能快速處理得到語(yǔ)音識(shí)別的結(jié)果，并控制相應(yīng)的垃圾桶進(jìn)行開(kāi)蓋，完成垃圾的投放。且在垃圾桶外存在超聲波模塊對(duì)是否有人進(jìn)行垃圾投放做出判斷，使語(yǔ)音識(shí)別無(wú)需時(shí)刻保持工作狀態(tài)，降低了系統(tǒng)的功耗成本，同時(shí)也進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。隨著各地垃圾分類政策實(shí)施如火如荼，同時(shí)更多的智能控制設(shè)備開(kāi)始逐步運(yùn)用于生產(chǎn)生活，未來(lái)，將會(huì)有很多的智能垃圾桶出現(xiàn)在大街小巷，為人們的生活提供便利，讓垃圾分類不再成為難事。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能分類垃圾桶系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理模塊、超聲波測(cè)距模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊和舵機(jī)模塊構(gòu)成。圖1為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。語(yǔ)音識(shí)別模塊使用LD3320模塊采集語(yǔ)音信息經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為串口信號(hào)，向數(shù)據(jù)處理模塊傳輸。超聲波模塊采用HCSR04，采集垃圾桶的無(wú)障礙 距離傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊以STM32F103ZET6單片機(jī)(以下簡(jiǎn)稱STM32)作為數(shù)據(jù)處理的核心，先接受超聲波模塊輸入的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)距離，判斷垃圾桶前是否有人待投垃圾，通過(guò)解析串口信號(hào)，單片機(jī)判斷做出相應(yīng)IO口的PWM輸出，控制相應(yīng)的舵機(jī)模塊運(yùn)作，使舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)角度，帶動(dòng)垃圾桶蓋的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)蓋操作，當(dāng)檢測(cè)到判斷垃圾桶前已經(jīng)無(wú)人或持續(xù)時(shí)間達(dá)到預(yù)定值時(shí)，再次驅(qū)動(dòng)舵機(jī)關(guān)閉桶蓋，完成一次完整的垃圾投放。

圖1 智能分類垃圾桶總體框圖

圖2 垃圾桶實(shí)物圖

2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要用STM32f103ZET6，其接受的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于超聲波測(cè)距模塊和語(yǔ)音識(shí)別模塊。STM32每隔100ms就會(huì)進(jìn)行一次測(cè)距，即激活超聲波測(cè)距模塊，其IO口接收到超聲波傳來(lái)的高電平信號(hào)，計(jì)算出垃圾桶至前方障礙物的距離，并進(jìn)行判斷，若連續(xù)五次測(cè)距值的平均值小于預(yù)先的規(guī)定值，STM32便開(kāi)始接受語(yǔ)音識(shí)別模塊發(fā)送的特征信號(hào)，根據(jù)接收到的信號(hào)，進(jìn)行判斷并由已經(jīng)配置好的通用計(jì)時(shí)器進(jìn)行PWM輸出作為控制信號(hào)使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成對(duì)應(yīng)的垃圾桶進(jìn)行開(kāi)蓋操作，并在進(jìn)行10s左右延時(shí)之后，再次驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，進(jìn)行桶蓋的閉合。

2.2 超聲波測(cè)距模塊

本裝置使用HC-SR04芯片，HC-SR04共有四個(gè)引腳，引腳1用于供電，接5V電源，引腳2用于接受MCU發(fā)出的起始信號(hào)，引腳3發(fā)送相應(yīng)高電平信號(hào)至STM32，引腳4接地。裝置開(kāi)始運(yùn)作后，Trig將會(huì)接收到MCU發(fā)送的長(zhǎng)度為10us的高電平信號(hào)作為起始信號(hào)，裝置將會(huì)向前方發(fā)送超聲波并記錄發(fā)送直至接收所用時(shí)間，其Echo的電平將由低變高，并依據(jù)測(cè)得的距離維持對(duì)應(yīng)的時(shí)間，完成之后重新變?yōu)榈碗娖街敝料乱淮螠y(cè)距開(kāi)始。

2.3 舵機(jī)模塊

舵機(jī)本裝置使用了SG90，垃圾桶蓋與舵機(jī)由齒輪與支撐臂連接在一起進(jìn)行90°轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)舵機(jī)接收到MCU發(fā)送的20ms周期信號(hào)，且高電平時(shí)間為0.5ms（占空比為2.5%）時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)至0°，此時(shí)桶蓋處于水平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的閉合；當(dāng)舵機(jī)接收到MCU發(fā)送的20ms，高電平時(shí)間為1.5ms（占空比為7.5%)時(shí),將帶動(dòng)桶蓋進(jìn)行轉(zhuǎn)至90°對(duì)應(yīng)位置，此時(shí)桶蓋垂直，實(shí)現(xiàn)開(kāi)蓋操作。

2.4 語(yǔ)音識(shí)別模塊

本裝置使用了被廣泛應(yīng)用于各種智能設(shè)備上的LD3320，擁有價(jià)格親民、識(shí)別率高的優(yōu)點(diǎn)。其經(jīng)由SPI通信協(xié)議與單片機(jī)（STC11L08XE）進(jìn)行連接，由單片機(jī)對(duì)識(shí)別出的信號(hào)做出初步的處理，經(jīng)由串口輸入至MCU中進(jìn)行分析，控制對(duì)應(yīng)種類的垃圾桶，并且可以連接揚(yáng)聲器進(jìn)行輔助的語(yǔ)音提示，提升裝置與用戶的交互性能[2]。

本模塊的語(yǔ)音識(shí)別語(yǔ)句，可以很方便的進(jìn)行錄入與刪改，并設(shè)置語(yǔ)句對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)，可以很好的適應(yīng)國(guó)家對(duì)垃圾分類變化的新標(biāo)準(zhǔn)，提升裝置的使用壽命。且考慮到垃圾桶擺放環(huán)境有較多干擾信息，因此在語(yǔ)音系統(tǒng)中附加了一級(jí)口令保護(hù)，大大增加識(shí)別的準(zhǔn)確性，防止由于干擾造成的誤識(shí)別。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本裝置主要進(jìn)行語(yǔ)音口令的識(shí)別進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 語(yǔ)音口令識(shí)別準(zhǔn)確率

由上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本裝置的語(yǔ)音口令識(shí)別有著較高的準(zhǔn)確性，可認(rèn)為本裝置性能良好，且可進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將語(yǔ)音識(shí)別模塊與超聲波測(cè)距模塊運(yùn)用到了日常使用的分類垃圾桶上，實(shí)現(xiàn)了垃圾桶按分類規(guī)則通過(guò)智能語(yǔ)音識(shí)別控制相應(yīng)垃圾桶開(kāi)關(guān)的功能。該問(wèn)題的研究初步解決了推行垃圾分類過(guò)程中的人們不知道垃圾對(duì)應(yīng)什么種類的問(wèn)題，并且通過(guò)自動(dòng)進(jìn)行的開(kāi)蓋操作，使人們的使用更加方便、衛(wèi)生。另外在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)一步進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如與人進(jìn)行更詳盡語(yǔ)音交互，檢測(cè)桶內(nèi)空間剩余情況向主機(jī)發(fā)送信息讓工作人員更換新桶等，提高系統(tǒng)的智能性[3]，具有很大的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)價(jià)值。