淺談一種智能家居垃圾桶的設計

張瑞丹 房新月 李銀輪

摘 要 對一款具有語音控制、智能開關蓋、超聲波避障、自動打包和夜燈功能的家居垃圾桶進行原理分析及流程圖展示，賦予垃圾桶多功能應用，旨在提高居民生活品質(zhì)。

關鍵詞 垃圾桶;語音識別;超聲波避障

1背景

隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)呈現(xiàn)出一種智能化的趨勢，智能家居、智慧城市、智能物流的出現(xiàn)極大地改善了人們的生活，為人們帶來了便利[1]。垃圾桶作為生活中必不可少的家居用品，市面上產(chǎn)品卻良莠不齊、功能模式單一、無法滿足人們的日常生活需求，因此設計一款基于語音控制、隨叫隨到、智能打包的多功能垃圾桶，創(chuàng)造一個安全、舒適、幸福的家居環(huán)境。

2系統(tǒng)設計原理

接收到語音命令后，語音控制系統(tǒng)將信號傳輸給單片機控制系統(tǒng)，做出運算后，發(fā)送給電機驅(qū)動系統(tǒng)和超聲波檢測系統(tǒng)。超聲波檢測系統(tǒng)檢測到有障礙物時，將障礙物信號發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)做出相應判斷并反饋給超聲波檢測系統(tǒng)，繞開障礙物繼續(xù)前進，直至到達目的地。當超聲波檢測系統(tǒng)檢測到上方有垃圾時，發(fā)生信號至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制開蓋系統(tǒng)工作，垃圾桶蓋打開并延長一定時間再關閉。電源系統(tǒng)由組成垃圾桶壁的薄膜光伏構(gòu)件及鋰電池組成，在無命令時，薄膜光伏構(gòu)件為系統(tǒng)供電且將多余電量儲存在鋰電池中，晚上無光照時，鋰電池為系統(tǒng)供電。夜燈系統(tǒng)在處于設定時間段時，語音檢測模塊檢測到語音時，控制系統(tǒng)啟動垃圾桶邊緣側(cè)的小夜燈，在漆黑的室內(nèi)提供照明工作。自動打包系統(tǒng)為當傳感器檢測到桶內(nèi)垃圾超過4/5位置時發(fā)出信號至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制打包裝置收口擠壓，利用熱能將將垃圾袋熔融封口，并開蓋提醒需更換垃圾袋。

綜上所述，垃圾桶設計原理圖如下。

3系統(tǒng)功能分析

3.1 智能語音系統(tǒng)

垃圾桶安裝語音識別模塊，可以直接通過語音指令，控制垃圾桶的移動狀態(tài)和垃圾桶蓋的閉合。語音識別技術(shù)就是非特定人的語音通過機器的識別，理解轉(zhuǎn)換成相應的字符串或者指令。具體的實現(xiàn)步驟包括：采取語音樣本，確定語音輸入的起始點，計算語音頻譜，分解輸入信號，關鍵詞識別，對輸入信號做出反應[2]。系統(tǒng)識別到“過來”命令后，將信號傳輸給單片機，單片機將處理后的信號傳輸給超聲波避障系統(tǒng)，并到達目的區(qū)域;識別到“離開”指令后，在返回原處，完成一個工作流程。智能語音系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3.2 智能開關蓋系統(tǒng)

在垃圾桶蓋上方安裝有超聲波檢測模塊，當檢測到垃圾桶上方有垃圾處于閾值內(nèi)時，桶蓋打開并延遲一定時間，再次檢測到上方閾值內(nèi)無障礙物時，桶蓋關閉。流程圖如圖3所示。

3.3 超聲波檢測系統(tǒng)

超聲波檢測系統(tǒng)包括檢測系統(tǒng)與避障系統(tǒng)兩部分，檢測系統(tǒng)為自動開關蓋服務，避障系統(tǒng)工作于定位與行走。在垃圾桶的前、左、右方均設置有超聲波檢測，當有障礙時，超聲波檢測模塊會將信號反饋給單片機，單片機依據(jù)收集的信號做出反饋。單片機發(fā)出命令給電機系統(tǒng)，控制行走方向直至到達目的地。

3.4 自動打包系統(tǒng)

桶內(nèi)剩余空間可通過超聲波測距計算得到[3]。計算得出桶內(nèi)剩余容量僅為垃圾桶容量的1/5處時，將此信號輸送給單片機，單片機控制桶口處的傳動絲杠，帶動兩個電熱棒向中間移動，處于中間位置相互接觸時，開始加熱電熱棒的熱熔薄片，加熱一定時間后停止加熱，在電熱棒相互擠壓和加熱的過程中，垃圾袋局部熔融并黏結(jié)在一起，封口打包完成。之后將完成的信息傳送給單片機，單片機控制垃圾桶開蓋提醒用戶需要更換垃圾袋。

3.5 夜燈系統(tǒng)

夜燈在黑夜起照明作用，減少夜間家庭電力能源消耗。在晚上23：00至凌晨5：00期間內(nèi)，智能語音系統(tǒng)接收到語音后啟動夜燈系統(tǒng)，位于桶底部的夜燈開啟并持續(xù)5分鐘之后關閉，夜燈燈光柔和適中、不會影響家人睡眠、方便夜間生活。

3.6 電機驅(qū)動系統(tǒng)

單片機收集到各個信號時，進行運算并做出反應輸送給電機驅(qū)動系統(tǒng)。電機驅(qū)動系統(tǒng)在自動開關蓋系統(tǒng)中控制垃圾桶的開關蓋功能;在超聲波避障系統(tǒng)中控制垃圾桶的前進軌跡，可實現(xiàn)前行、后退、左拐、右拐功能;在自動打包裝置中控制電熱棒的移動以便封口打包。

3.7 電源系統(tǒng)

薄膜電池組件具有轉(zhuǎn)化效率高、光吸收能力強、弱光性好、衰退少的特點，故采用薄膜電池與垃圾桶壁相結(jié)合組成薄膜構(gòu)件，垃圾桶壁既作為垃圾桶的一部分同時還具有發(fā)電功能，為系統(tǒng)提供綠色能源。備用電源采用鋰離子電池為系統(tǒng)提供電能。因鋰離子電池具有高電壓、高容量、高安全性及循環(huán)壽命長等優(yōu)點[4]。

3.8 STM32單片機

STM32單品機為整個產(chǎn)品的核心裝置。STM32單片機其運算速度是51單片機的幾十倍。該單片機融高性能、實時性、數(shù)字信號處理、低功耗、低電壓、豐富的外圍接口于一身，配合豐富的軟硬件開發(fā)工具，讓該類單片機成為項目中解決方案的理想選擇[5]。適合作為該智能垃圾桶的控制系統(tǒng)。

4結(jié)束語

在人工智能的浪潮下，智能家居因貼近生活，而被人們所憧憬。該產(chǎn)品利用太陽能將垃圾桶，語音控制、超聲波檢測、自動開關蓋集于一體，使科技與綠色、環(huán)保相結(jié)合，符合可持續(xù)發(fā)展理念。且該款智能垃圾桶反應速度快、系統(tǒng)誤差較低、功能多且實用、具有一定的市場價值和商業(yè)前景。

參考文獻

[1] 劉曉蒙，趙立強，李偉.一種新型智能垃圾桶的設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（9）：79-81.

[2] 王志，雷達，周仔明，等.基于Arduino語音控制室內(nèi)垃圾分類的系統(tǒng)設計[J].電腦知識與技術(shù)，2020，16（5）：81-82.

[3] 崔明珠，董玉華，陳冰.景區(qū)智能垃圾桶的設計[J].智能計算機與應用，2016，6（6）：124-126.

[4] 王力臻，張文靜，劉玉軍，等.MF對鋰離子電池負極的修飾改性[J].電源技術(shù)，2014，38（6）：1030-1033.

[5] 郭昌鑫，陳公興.基于深度學習的智能垃圾桶識別分類系統(tǒng)[J].科技與創(chuàng)新，2020（12）：30-31，35.

作者簡介

張瑞丹（1999-），現(xiàn)就讀學校：青海師范大學，本科在讀，研究方向：新能源科學與工程。

李銀輪（1963-），男;職稱：教授，現(xiàn)就職單位：青海師范大學，研究方向：新能源應用技術(shù)。