基于聲音識別的智能聲控垃圾桶

郭建軍 林麗君 陳紅斌* 王克強 蔡 肯

（仲愷農業工程學院 自動化學院，廣東 廣州510225）

我們平常生活中產生的垃圾越來越多，垃圾問題漸漸成為社會問題，這將會嚴重影響生活的品質。尤其對于室內生產生活來說，發展和使用智能垃圾桶[1,2]，將垃圾桶中的病菌與人類隔絕起來是非常重要的。這不僅僅可以提高生活質量，還可以使人們免受垃圾病菌的侵害。正因為現實生活對使用智能垃圾桶并不普及，所以本文針對得不到重視的智能垃圾桶進行研究，以“基于聲音識別的智能聲控垃圾桶”為題進行研究，實現方便人們扔垃圾、將垃圾與人類隔絕起來等功能，從而達到它的隔離作用，方便人們的作用。

1 系統方案設計

基于聲音識別的智能聲控垃圾桶搭載在智能小車上移動，通過紅外或者語音指令打開垃圾桶蓋，就可以把垃圾安全方便地丟進垃圾桶了[3]。

1.1 智能聲控垃圾桶中的聲音控制采用人聲識別模塊LD3320，它是一種具有識別深度的非特定人聲識別模塊，新IDE軟件識別深度不受限制，幾乎可以識別我們日常生活中常用的所有語音指令；精細設計語音識別參數的語音識別模塊可以通過特定的語音識別軟件對語音音量、麥克風靈敏符、識別起始時間、語音端點檢測識別等參數可以設置，從而使語音識別模塊更適應日常環境，進而可以很好地應用到我們的裝置中，達到聲控的功能。

1.2 在智能聲控垃圾桶的蓋子上我們采用自動打開和關閉的方式，在其中添加一個電機來控制蓋子的運動方式，它由紅外傳感器、齒輪和力臂組成。

1.3 智能聲控垃圾桶的移動端，我們采用驅動小車的方式，這樣能夠隨時控制裝置的移動方向、運動軌跡，并對路徑進行優化。

2 系統硬件設計

2.1 控制器選型

STM32 單片機最小系統STM32F103C8T6 主要由主芯片、上電復位電路、電源供電電路和時鐘電路組成。STM32F103C8T6芯片內核是ARM 32 位的CortexTM-M3 CPU，內置高速存儲器，足以保證數據快速讀寫和讀取。

2.2 紅外避障模塊

智能小車通常使用的避障技術有紅外避障和超聲波避障這兩種方式。但是超聲波的傳播極度容易受到干擾，溫度、風向和某些信號都可以成為干擾因素。缺點太多，不太符合此設計的要求。選擇采用穩定的紅外避障模塊來幫助小車完成行走避障。

2.3 電機驅動模塊

本設計裝載兩個L298N 電機驅動模塊來驅動四個電機，四個電機裝上四個小輪，搭載一個可以裝載垃圾桶的平臺。L298N電機驅動模塊可以提高小車運行的可靠性正是因為其內部電路中的電容和二極管等組成了穩定的電路。采用L298N 芯片電機驅動電機方向控制可以實現正反轉，可以調節小車運行的速度、可以實現左右轉向，能夠實現對應的動作。該調速方式調速特性優良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，而且能承受頻繁的負載沖擊。

2.4 語音識別模塊

語音識別模塊主要由語音識別芯片和相關附屬電路組成，其主要功能是識別語音指令，并根據識別出的指令信息通過串口發送相應的指令編碼[4]。本設計使用LD3320 語音識別模塊，用來控制電機驅動模塊，通過指令使電機驅動工作，使小車工作到達使用者附近，為后續的一系列動作作了很好的鋪墊。本設計的LD3320 語音識別模塊需要進行多次工作。

2.5 電源模塊

本設計使用兩個電池串聯來為整個系統提供供電服務，但是不同的模塊是工作在不同的電壓當中。兩個電池的總電壓在7.5V 左右，通過降壓電路將電壓降壓到5V，然后供給紅外模塊使用，而本降壓電路最關鍵的是使用LM7805 這個三端穩壓器。但是STM32 單片機一般工作在3.3V 的電壓當中，所以還需要將5V 的電壓降壓到3.3V 當中，這時候采用AMS1117 正向低壓穩壓器和不同的電容將5V 的電壓降壓到3.3V，然后供給STM32 單片機使用。電機驅動直接連接7.5V 電壓使用。

2.6 藍牙模塊

本設計使用產品型號HC-05 帶底板焊排針的主從機一體BLE 藍牙模塊，需要工作在3.2-6V 的輸入電壓。模塊可以使用在空曠環境的有效距離10 米內，超過10 米不能保證通信質量。這個藍牙模塊可以連接各種單片機，直接連接單片機的串口。與藍牙2.0 設備連接，一主一從，需要配對碼和波特率一致，當配對成功狀態燈開啟。

2.7 舵機

舵機一般分為直流和交流兩種類型，此次設計使用的直流舵機來控制垃圾桶蓋子的開閉，鑲嵌在蓋子和桶的結合處，所以其在智能聲控垃圾桶起到重要的作用。

3 系統軟件設計

STM32 主控制器在系統啟動時要設置系統的運行環境、啟動事件循環的控制程序。主控制器要對相關的端口進行初始化操作，為各端口接收指令做好準備。相關的寄存器也要進行設置，此設計的要用到中斷服務程序，所以對中斷相關的寄存器也要進行初始化操作。本次設計中，主機程序設計和從機程序有點差別，主機程序固有的語音識別模塊隨時都處在接收模式當中，主機程序中的藍牙模塊隨時都處在發送模式，收到主機程序發送的指令后，從機程序中的藍牙模塊作出反應把接收的指令傳輸到單片機，單片機進行準確判斷之后再通過串口來控制小車前行或者打開垃圾桶蓋。

結束語

基于聲音識別的智能聲控垃圾桶利用STM32 單片機作為其控制系統。目的是完成一個具有簡單的小范圍移動能力、能夠語音進行操控等功能，由語音識別裝置、微電腦控制芯片、紅外線探測裝置、電機驅動模塊等組成的控制系統。該系統具體包括了STM32 主控制器、語音識別模塊、紅外模塊、藍牙模塊等主要控制外圍器件。主要的操作流程是由人語音輸入控制語音指令，由語音模塊識別出語音指令，輸出到STM32 主控制器里面，再由主控制器作出反應，使裝載垃圾桶的小車移動到相應的位置。垃圾桶可以使用語音控制或者自動感應開蓋。通過理論和實踐的結合，本智能聲控垃圾桶具有成本低、結構簡單、性能穩定、智能化等優點。一定程度上彌補了我國傳統垃圾桶的缺陷，將人們和垃圾隔離，防止細菌相互交叉感染，進一步提高人們的生活水平。