一種地埋升躍式智能分類同步回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳秀龍　靳其寶

摘要：文章基于嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一種地埋升躍式智能垃圾分類同步回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于語(yǔ)音智能識(shí)別技術(shù)，整體分為紅外感測(cè)、智能分類、語(yǔ)音識(shí)別、容量檢測(cè)、同步回收功能模塊及其配套通信模塊。通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、捕獲、收集、分類垃圾，有效解決并指導(dǎo)人們垃圾分類和分類意識(shí)的形成，也能有效提高垃圾回收率。

關(guān)鍵詞：智能分類;語(yǔ)音識(shí)別;容量檢測(cè);自動(dòng)喚醒

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）26-0069-03

垃圾分類是垃圾處理過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，實(shí)施生活垃圾分類，可有效促進(jìn)資源回收利用[1]。然而，由于基礎(chǔ)配套設(shè)施不完善和人們垃圾分類意識(shí)薄弱，導(dǎo)致目前收集到的垃圾大部分仍是混合垃圾，極大影響了垃圾處理的效率[2]。隨意投放垃圾、混合扔放會(huì)給環(huán)衛(wèi)工作人員造成很大的體力負(fù)擔(dān)，同時(shí)造成終端處理模式的低效率與復(fù)雜化，公共資源未能物盡其用、不能極大程度變廢為寶，垃圾在地面上腐敗速度快、發(fā)臭影響公共環(huán)境，存儲(chǔ)在垃圾箱中的垃圾回收不方便等問(wèn)題。有效的垃圾處理方法已成為垃圾分類問(wèn)題解決的難題之一。當(dāng)前，大量垃圾分類裝置的解決方案已提出：文獻(xiàn)[3]基于單片機(jī)設(shè)計(jì)一款帶有語(yǔ)音輔助的垃圾分類投放系統(tǒng)，該系統(tǒng)分別搭載了語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音播報(bào)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)垃圾種類并自動(dòng)打開相應(yīng)桶蓋，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投放，有效提高垃圾分類投放準(zhǔn)確率;文獻(xiàn)[4]通過(guò)HLK-V20芯片實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別垃圾種類并控制SG90舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)打開相應(yīng)種類垃圾桶，以此來(lái)達(dá)到利用語(yǔ)音識(shí)別垃圾的種類，實(shí)現(xiàn)垃圾的智能分類的目的;文獻(xiàn)[5]采用語(yǔ)音識(shí)別模塊，樹莓派原裝攝像頭作為外部環(huán)境信息獲取端，結(jié)合外圍電路及部分硬件的低成本，應(yīng)用性能高的智能語(yǔ)音垃圾分類桶。然而，在投放分類裝置的便捷性問(wèn)題上缺乏相應(yīng)有效的解決方案，為此，本文提供了一種地埋升躍式智能分類同步回收系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有垃圾分類工作煩瑣單一、枯燥教學(xué)、垃圾角落臟亂影響環(huán)境美化、逐一回收垃圾效率低的問(wèn)題。

1 總體設(shè)計(jì)

文章從機(jī)構(gòu)傳遞、硬件控制、軟件開發(fā)等方面著重介紹該垃圾智能分類回收系統(tǒng)，整體主要包括：智能分類、語(yǔ)音識(shí)別、容量檢測(cè)、同步回收。在整體垃圾投放結(jié)構(gòu)方面（圖1所示），基于SolidWorks 軟件開發(fā)了智能垃圾分類箱投放回收傳遞系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)具備當(dāng)無(wú)人靠近時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)為低能耗休眠狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到人體靠近時(shí)，裝置自動(dòng)感應(yīng)回收結(jié)構(gòu)啟動(dòng)。該裝置的整體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

根據(jù)圖1所示，該垃圾裝置整體傳動(dòng)包括的主要模塊有：包括語(yǔ)音識(shí)別模塊、電機(jī)控制模塊、曲面棱臺(tái)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)模塊、導(dǎo)入式曲面棱臺(tái)結(jié)構(gòu)模塊、垃圾分類裝置旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模塊、上升躍推動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊，僅作為投放引導(dǎo)入口通道，作為地面上的垃圾投放口，相交呈X型錯(cuò)開，不同的投放入口對(duì)接四條地下滑坡通道直至地底四個(gè)不同種類垃圾桶，語(yǔ)音識(shí)別垃圾關(guān)鍵詞，同時(shí)發(fā)出指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)位置，配合間歇旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、向上升躍推動(dòng)機(jī)構(gòu)，彈出對(duì)應(yīng)投放口，通過(guò)斜坡管道，將垃圾引入距離垃圾投放者有一定距離的地下垃圾存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

本文硬件系統(tǒng)STM32F103RCT6控制開發(fā)板、配備4.0藍(lán)牙JDY-10進(jìn)行語(yǔ)音信息數(shù)據(jù)傳輸;同時(shí)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)回收給小程序，小程序通過(guò)JDY-10將命令發(fā)送給主控芯片。檢測(cè)端有：MQ-2煙霧傳感模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、光敏傳感器模塊、聲音傳感器模塊、DS18B20測(cè)溫模塊、GP2Y1014AU粉塵傳感器、UVM-30A紫外線傳感器模塊。執(zhí)行端有：利用PWM控制數(shù)字舵機(jī)作為門鎖的開關(guān)，利用三個(gè)驅(qū)動(dòng)控制5個(gè)蝸輪蝸桿直流減速電機(jī)分別作為門、窗簾、窗戶的驅(qū)動(dòng)元件。蜂鳴器作為警報(bào)器、LED燈和風(fēng)扇。人機(jī)交互端有：LCD液晶屏顯示各項(xiàng)檢測(cè)端的指標(biāo)、方便用戶查看數(shù)據(jù)。SYN6288語(yǔ)音模塊播報(bào)各項(xiàng)指令的執(zhí)行情況，圖2為其系統(tǒng)硬件總設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

2.1 語(yǔ)音識(shí)別模塊

智能分類垃圾桶采用了STM32F103RCT6作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器，該單片機(jī)功耗低，適合語(yǔ)音識(shí)別分類系統(tǒng)未使用時(shí)的待機(jī)，性能好，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制精確，精度滿足基本的控制精度要求。為增強(qiáng)人機(jī)交互性，本文采用LD3320作為語(yǔ)音識(shí)別芯片，開發(fā)基于語(yǔ)音識(shí)別的語(yǔ)音交互系統(tǒng)和人機(jī)操作界面，利用超聲波測(cè)距算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾桶內(nèi)部容量的智能提醒，有效解決了當(dāng)今智能垃圾桶探測(cè)距離不足問(wèn)題。語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)包括主控芯片板、LD3320 非特定語(yǔ)音識(shí)別模塊、麥克風(fēng)以及設(shè)置在地面上的垃圾箱容量指示燈，所述的垃圾箱容量指示燈由紅外傳感器組成，與主控芯片板連接，主控芯片板與動(dòng)力電機(jī)、吹風(fēng)系統(tǒng)的電機(jī)、同步回收裝置上升動(dòng)力電機(jī)連接。

如圖3所示，該語(yǔ)音識(shí)別模塊與主控芯片采用串口連接，通過(guò)對(duì)輸入的語(yǔ)音流進(jìn)行頻譜識(shí)別、特征提取，并通過(guò)匹配關(guān)鍵詞進(jìn)而達(dá)到語(yǔ)音辨識(shí)的目的，并將識(shí)別結(jié)果以串口指令方式送入到MCU進(jìn)行解析處理。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

本機(jī)構(gòu)所選用驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用圖4所示的步進(jìn)電機(jī)，其在本系統(tǒng)中的工作原理為：STM32處理器產(chǎn)生具有一定頻率的脈沖信號(hào)送入該步進(jìn)電機(jī)，使其2相按順序變換通電，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的步數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器輸入端有一端接收高低電平，以此控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

雙相步進(jìn)電機(jī)中有兩個(gè)線圈繞組，每個(gè)線圈兩個(gè)頭，出線采用是四條線標(biāo)記為A+、A-、B+、B-。通過(guò)控制在雙相繞組上輸入脈沖的順序，就可以控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn) （控制延時(shí)就能控制轉(zhuǎn)速）。

2.3 容量檢測(cè)

為檢測(cè)各個(gè)垃圾桶的容量情況，提高設(shè)計(jì)的智能化水平，該設(shè)計(jì)在垃圾桶內(nèi)膽上方靠周圍處安置了超聲波測(cè)距傳感器，對(duì)垃圾桶內(nèi)垃圾現(xiàn)有存儲(chǔ)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從而實(shí)時(shí)得知垃圾桶內(nèi)部的容量剩余，當(dāng)剩余容量低于總內(nèi)膽垃圾桶容量的三分之一時(shí) ，系統(tǒng)對(duì)外發(fā)出提示，提醒用戶及時(shí)更換清空，以此實(shí)現(xiàn)垃圾桶的智能化管理?？刂葡到y(tǒng)的抬升垃圾桶內(nèi)膽裝置依靠TB6612驅(qū)動(dòng)的蝸輪蝸桿電機(jī)實(shí)現(xiàn);在管道中截?cái)喑粑兑绯龅难b置是依靠TB6612驅(qū)動(dòng)的吹風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)扇電機(jī)，TB6612驅(qū)動(dòng)除了接入STM32微控制器的邏輯信號(hào)控制端，還接入了微控制器的PWM脈沖端進(jìn)行調(diào)速。圖5為設(shè)計(jì)所采用容量檢測(cè)電路模塊。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)主要分為語(yǔ)音識(shí)別、容量探測(cè)、電機(jī)控制3個(gè)模塊。語(yǔ)音識(shí)別模塊LD3320與STM32間通過(guò)SPI進(jìn)行通訊，LD3320可動(dòng)態(tài)編輯和識(shí)別語(yǔ)音關(guān)鍵詞語(yǔ)列表，并把識(shí)別關(guān)鍵詞語(yǔ)以字符串指令形式傳送給芯片。在對(duì)主控芯片的I/O編程中，通過(guò)接收語(yǔ)音信號(hào)到相應(yīng)控制寄存器，完成識(shí)別設(shè)定的關(guān)鍵詞語(yǔ)辨識(shí)識(shí)別。它有A/D D/A通道，麥克風(fēng)可直接接入。與單片機(jī)通過(guò)SPI通訊，識(shí)別非特定語(yǔ)音的關(guān)鍵詞后，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度。程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示，詳細(xì)控制主流程為：垃圾分類系統(tǒng)開機(jī)，在一定時(shí)間未操作或未捕獲到音頻輸入時(shí)，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，等待喚醒命令到來(lái)，聽到喚醒命令“環(huán)衛(wèi)寶寶”時(shí)，系統(tǒng)由待機(jī)模式被喚醒，并回應(yīng)“主人請(qǐng)說(shuō)出垃圾名稱”，系統(tǒng)亮紅燈，5秒內(nèi)如果能捕獲到語(yǔ)音指令，語(yǔ)音識(shí)別模塊便發(fā)送指令至STM32控制板，由它控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的角度，抬升對(duì)應(yīng)垃圾桶，并語(yǔ)音播報(bào)垃圾對(duì)應(yīng)類型，延遲5秒后紅燈熄滅;若在喚醒之后5秒內(nèi)系統(tǒng)未捕獲到有效的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下次喚醒。

3.2 語(yǔ)音識(shí)別及播報(bào)

采用語(yǔ)音識(shí)別模塊LD3320作為聲控芯片，該芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括 AD、DA 轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出等接口模塊。 LD3320語(yǔ)音識(shí)別主程序流程如圖7所示，LD3320的語(yǔ)音識(shí)別順序?yàn)椋合到y(tǒng)初始化、寫入語(yǔ)音列表、語(yǔ)音識(shí)別。外界信號(hào)通過(guò)實(shí)時(shí)開啟或關(guān)閉中斷允許未完成外界信號(hào)的中斷響應(yīng)。在“開始識(shí)別”后系統(tǒng)讀取寄存器中B2H的值，若為21H則證明系統(tǒng)產(chǎn)生了識(shí)別結(jié)果。本設(shè)計(jì)推出語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)用喚醒功能，采用名字喚醒，類似智能手機(jī)的語(yǔ)音助手喚醒，一般情況處于低功耗狀態(tài)，在一定程度上節(jié)省了功耗。該語(yǔ)音系統(tǒng)能指導(dǎo)公民準(zhǔn)確投放垃圾，實(shí)現(xiàn)垃圾準(zhǔn)確分類。

3.3 容量檢測(cè)

本設(shè)計(jì)采用超聲波測(cè)距模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距，該模塊自帶溫度補(bǔ)償傳感器，其測(cè)距精度為2cm～ 4.5m。 首先，設(shè)置STM32主控板向超聲測(cè)距模塊的TX 管腳輸入一個(gè)10μs 以上的高電平信號(hào)，通過(guò)外發(fā)送8個(gè)頻率為40 kHz的超聲波脈沖檢測(cè)返回信號(hào)特征;其次，結(jié)合測(cè)量溫度實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)校正;最后，在 Echo 端輸出一個(gè)持續(xù)時(shí)間為 T的高電平，借助 T 的數(shù)據(jù)便可求出前方垃圾箱剩余的容量深度。

4 結(jié)論

TM32板驅(qū)動(dòng)LD3320進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別的系統(tǒng)，作為總系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)特定的旋轉(zhuǎn)。著重對(duì)人們說(shuō)出垃圾名稱的關(guān)鍵字捕捉，從而配合垃圾分類設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，控制步進(jìn)電機(jī)特定轉(zhuǎn)動(dòng)，在沒(méi)有捕獲到垃圾名稱時(shí)，垃圾投放口處于封閉狀態(tài)，防止垃圾未分類而使垃圾混雜。語(yǔ)音識(shí)別也處于待機(jī)狀態(tài);在捕獲到名稱后，系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)特定的角度，配合整體機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以推送出一一對(duì)應(yīng)的垃圾分類投放口，指導(dǎo)公民準(zhǔn)確投放垃圾，實(shí)現(xiàn)垃圾準(zhǔn)確分類，并語(yǔ)音播報(bào)此時(shí)即將投放的垃圾所屬類別，準(zhǔn)確指導(dǎo)人們垃圾分類，并將人們手持垃圾的所屬種類的意識(shí)映入公民的腦中，有效指導(dǎo)垃圾分類和分類意識(shí)的形成，提高了垃圾回收率。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2022-06-15

基金項(xiàng)目：湛江市科技局科技攻關(guān)項(xiàng)目（2019B01155）

作者簡(jiǎn)介：陳秀龍（1999—） ，男，本科生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程;通信作者：靳其寶（1975—） ，男，講師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)控制與自動(dòng)化、機(jī)電液裝備系統(tǒng)集成技術(shù)、智能控制。