基于聲紋識別及遠程控制的分類垃圾桶

魏潔鋒，黃志芳，陳德鵬，姚凱茵

（嘉應(yīng)學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，廣東 梅州 514015）

0 引 言

隨著國家對環(huán)境保護的重視，垃圾分類乃大勢所趨，而當前社會的分類垃圾桶更多的是以宣傳標語或?qū)⒏黝惱砗筮M行顯示，以便于用戶判斷垃圾種類再自主投放，但這種方式收效甚微；另外，也存在利用金屬傳感器分類金屬垃圾及非金屬垃圾的方式，但這種分類方式覆蓋面較為狹窄。因此，面對廣大用戶對垃圾分類知識了解不足的情況，通過語音識別與遠程控制等人工智能方式幫助人們更方便地進行垃圾分類，不僅能夠提高用戶的便利體驗，還能使垃圾資源得到充分利用。綜上所述，本設(shè)計將振動識別、超聲波測距、聲紋識別、語音播報、手機APP藍牙等功能模塊運用到分類垃圾桶上，不僅能夠極大地方便人們的生活，也有利于提高人們的垃圾分類意識，促進社會發(fā)展。

1 整體方案設(shè)計

在分類垃圾桶系統(tǒng)硬件設(shè)計方面，考慮系統(tǒng)主控芯片的性能和處理能力對于語音識別垃圾特征的復(fù)雜算法，當用戶說出垃圾名稱，由芯片進行識別時，主控芯片的性能和處理能力受到很大考驗。由于使用了眾多人工智能模塊，因此選擇STC12C5A60S2作為主控芯片，這款單片機擁有4個16位定時器/計數(shù)器，能夠滿足本設(shè)計的功能需要。

在確定好主控芯片的情況下，從系統(tǒng)的控制功能和顯示信息方面進行研究，以智能分類垃圾為前提，采用舵機、SW-420模塊及HC-SR04模塊實現(xiàn)振動感應(yīng)開桶和超聲波測距開桶功能；采用LD3320A模塊及SYN6288模塊實現(xiàn)聲紋識別垃圾和語音播報垃圾種類功能；采用稱重傳感器等模塊實現(xiàn)對垃圾桶內(nèi)垃圾的稱重及測高功能；利用手機APP進行藍牙遠程控制等。圖1所示為系統(tǒng)框架。系統(tǒng)各模塊的通信口通過硬件電路與主控芯片的I/O口相連，主控芯片根據(jù)各模塊傳送的數(shù)據(jù)進行分析、處理，進而實現(xiàn)用戶對垃圾的分類。

圖1 系統(tǒng)框架

2 硬件設(shè)計

2.1 舵機控制垃圾桶蓋

針對垃圾桶蓋的開關(guān)功能，本系統(tǒng)采用舵機對桶蓋進行控制。應(yīng)用5 V電源電路為舵機供電，單片機通過I/O口連接舵機的信號線，傳輸高電平信號，在時基脈沖時長為20 ms時，電機軸向轉(zhuǎn)向180°的位置，即垃圾桶處于開桶狀態(tài)，當高電平信號延續(xù)0.5 ms時，電機軸向?qū)⑥D(zhuǎn)向0°方向，即垃圾桶處于關(guān)桶狀態(tài)。圖2所示為舵機安裝位置。

圖2 舵機安裝位置圖例

2.2 聲紋識別及語音播報

利用LD3320A模塊對用戶說出的垃圾名稱進行識別。該模塊供電電壓為3.3 V，通過電路設(shè)計能夠與單片機進行串口無線通信，具有劇本設(shè)定、端口控制及信號輸出等功能。當聲紋識別模塊識別出用戶說出的垃圾后，即利用SYN6288語音播報模塊對設(shè)定好的文本進行播報，提示用戶垃圾的種類，并打開對應(yīng)垃圾桶的蓋子，實現(xiàn)垃圾分類。圖3所示為聲紋識別模塊。

圖3 聲紋識別模塊

2.3 振動識別

振動識別功能基于高靈敏的SW-420振動傳感器模塊實現(xiàn)。該模塊工作電壓為3.3～5 V，通過單片機I/O口與其輸出端相連，單片機通過檢測高低電平來判斷是否出現(xiàn)瞬時振動。當用戶對垃圾桶外殼進行簡單碰撞后，振動模塊輸出端向單片機傳送高電平，再激發(fā)相應(yīng)開桶電機，實現(xiàn)振動感應(yīng)開桶功能。圖4所示為振動識別模塊。

圖4 振動識別模塊

2.4 超聲波測距

測距感應(yīng)開桶分為紅外測距和超聲波測距，這兩種測距方式均基于測算紅外線或超聲波從發(fā)射到接收的時間差來測算距離。日常環(huán)境下，紅外線易受自然光的影響，所以本垃圾桶設(shè)計選用HC-SR04超聲波測距模塊來檢測垃圾桶前方是否有用戶，其測距范圍為2～400 cm，測距精度為3 mm。當檢測到有用戶時，觸發(fā)開啟相應(yīng)的垃圾桶蓋，便于用戶分類、處理垃圾。圖5所示為超聲波模塊。

圖5 超聲波模塊

2.5 藍牙無線控制

選用HC-06藍牙模塊實現(xiàn)無線遠程控制，將模塊的RXD、TXD引腳分別連接單片機的相應(yīng)引腳，與單片機串口交互數(shù)據(jù)。使用手機APP連接系統(tǒng)的藍牙模塊，連接成功后即可實現(xiàn)全雙工傳輸和數(shù)據(jù)接收。當手機連接藍牙后，就可以借助手機APP界面按鍵控制各垃圾桶的開蓋、關(guān)蓋及查看容量情況等，通過遠程控制滿足用戶需要。圖6所示為藍牙模塊。

圖6 藍牙模塊

2.6 稱重及測高檢測

本功能采用稱重傳感器和超聲波測距模塊實時檢測垃圾桶中垃圾的重量及高度。稱重傳感器即應(yīng)變式壓力傳感器，其驅(qū)動電壓為5 V，當應(yīng)變片受到壓力時通過高精度HX711模塊進行A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)信號給單片機，從而實現(xiàn)系統(tǒng)依據(jù)垃圾桶容量提醒用戶換袋的功能。圖7所示為HX711模塊電路。

圖7 HX711模塊電路接線

3 軟件程序設(shè)計

3.1 聲紋識別及開桶并語音播報的實現(xiàn)

對于聲紋識別控制功能的實現(xiàn)，首先需要用戶在垃圾桶前說出設(shè)定的垃圾桶名稱，即可喚醒垃圾桶，喚醒后對麥克風說出垃圾的名稱，系統(tǒng)判斷垃圾所在數(shù)據(jù)庫的種類，之后通過語音自動回復(fù)垃圾的種類名稱，利用語音播報模塊播報結(jié)果。圖8所示為聲紋識別及語音播報流程。

圖8 聲紋識別及語音播報流程

3.2 超聲波測距開、關(guān)桶的實現(xiàn)

對于測距開桶功能的實現(xiàn)，首先要對單片機設(shè)定觸發(fā)值，在初始化后，HC-SR04超聲波模塊開始對垃圾桶前方進行障礙物檢測，當檢測到有用戶時，觸發(fā)開啟相應(yīng)的垃圾桶蓋，當檢測距離小于設(shè)定值且無其他功能模塊觸發(fā)時，則關(guān)閉垃圾桶蓋。圖9所示為測距感應(yīng)開桶流程。

圖9 測距感應(yīng)開桶流程

3.3 振動識別開桶的實現(xiàn)

對于振動識別開桶功能的實現(xiàn)，利用SW-420振動傳感器對垃圾桶的振動情況進行實時檢測。首先傳感器進行初始化，其連接單片機的I/O口，當單片機接收到振動傳感器發(fā)來的高電平信號時，則表示垃圾桶出現(xiàn)振動，此時單片機觸發(fā)打開對應(yīng)的垃圾桶蓋，實現(xiàn)自動開桶功能。圖10所示為振動識別開桶流程。

圖10 振動識別開桶流程

3.4 自動稱重及測高提醒換袋的實現(xiàn)

對于自動稱重測高提醒換袋功能的實現(xiàn)，首先利用單片機與稱重傳感器、超聲波傳感器進行信號傳送，為單片機設(shè)置好垃圾袋的承受值及高度，再利用傳感器實時檢測垃圾桶中垃圾的重量及高度，由單片機對數(shù)據(jù)進行處理后判斷是否達到設(shè)定值，當垃圾桶中垃圾超過設(shè)定值時，則通過語音播報模塊進行提示換袋。圖11所示為自動稱重及測高提醒流程。

圖11 自動稱重及測高提醒流程

4 實驗測試結(jié)果

圖12所示為分類垃圾桶實物。本設(shè)計采用三種顏色的垃圾桶作為對象，分別表示其他垃圾、可回收垃圾及有害垃圾，把各傳感器及模塊通過引線安裝在垃圾桶上。對垃圾桶進行振動識別開桶、超聲波測距開桶、聲紋識別及播報分類開桶、自動稱重測高、手機APP藍牙控制等功能的測試。圖13所示為超聲波測試圖。表1所列為壓力傳感器測試重量，采用20 g、100 g、200 g、500 g、1 000 g、2 000 g 及 5 000 g砝碼模擬日常垃圾的重量。測試可得，稱重傳感器測試結(jié)果在誤差允許的范圍內(nèi)，滿足該設(shè)計基本功能需求。

表1 壓力傳感器測試重量

圖12 分類垃圾桶實物

圖13 超聲波測試

5 結(jié) 語

隨著國家對分類投放、收集、運輸及處理的垃圾處理系統(tǒng)的加快建立，分類垃圾桶的設(shè)計成為推進綠色發(fā)展的重要舉措。經(jīng)測試，本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)基于聲紋識別及語音播報控制、手機APP藍牙控制功能的分類垃圾桶，并輔以振動識別、超聲波測距識別、自動稱重測高等功能，以滿足用戶需要。

本設(shè)計后期仍可繼續(xù)改進，可改進的方面如下：

（1）應(yīng)用機械原理對垃圾袋進行自動切割；

（2）使用攝像頭對垃圾進行分類判斷并開桶。