聲控智能分類垃圾桶的設計與開發*

王宇鑫，劉 健，楊 哲，鄭松霖，徐偉杰

（1. 天津工業大學機械工程學院， 天津 300387；2. 天津工業大學工程教學實習訓練中心， 天津 300387）

0 引言

隨著經濟社會發展和物質消費水平大幅提高，我國生活垃圾產生量迅速增長，環境問題日益突出，城市垃圾處理已經成為關系城市生態可持續發展的重要影響因素，從而被列入政府議程[1]。十九大報告指出：“生態文明制度體系加快形成，主體功能區制度逐步健全，國家公園體制試點積極推進。全面節約資源有效推進，能源資源消耗強度大幅下降”。垃圾分類處理不僅可以營造適宜居住的城市環境，同時通過引導居民垃圾分類可加強居民環保意識，促進資源回收再利用[2-3]。

垃圾分類處理從最開始的人工式，到發出提醒的半自動式，再到感應式，其中感應式通常是通過識別垃圾的材質、顏色、成分、重量、尺寸等特征來實現的，最后發展成智能化程度很高的全自動小型機器人型，這也是該領域的發展方向[4]。目前，智能化垃圾分類的研究主要集中在社區和回收站的垃圾分類作業中，針對家庭層面智能分類垃圾桶還在研究和發展中[5]。為此本文針對家庭幼兒垃圾分類教育及家庭層面使用，設計研發了聲控智能分類垃圾桶，當幼兒說出垃圾的名稱時，垃圾桶即可判斷其類別，并告知答案，同時旋轉至對應垃圾分區以進行正確投放；另外，垃圾桶具備遙控、紅外避障功能，增加幼兒使用的趣味性，從小培養垃圾分類意識，寓教于樂。

1 機械結構設計

如圖1 所示，聲控智能分類垃圾桶主要包括垃圾識別系統1、桶體2、雙層蓋系統3 和移動控制系統4。以51 單片機為主控芯片，接收垃圾識別系統的識別信號和移動控制指令，分別驅動雙層蓋系統和移動控制系統實現垃圾分類語音反饋及投放和自主移動。

圖1 聲控智能分類垃圾桶

垃圾識別系統采用的是LD3320 語音識別模塊，利用語音識別模塊儲存海量生活垃圾關鍵詞，通過語音輸入比對識別垃圾分區，然后通過主控板發出指令信號指定垃圾投放位置。

如圖1所示，桶體包括控制元件區21、主桶區22、4類垃圾內桶23和方管通道24，主桶區采用圓柱形桶，控制元件區位于主桶區底部，其中放置主控板、步進電機驅動器、直流電源等控制元件及配件，主桶區內部按圓周均勻放置可回收物、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾4類垃圾內桶，4類垃圾內桶中心形成豎直長方體空間，方管通道安裝于中心豎直長方體空間中。

如圖2 所示，雙層蓋系統由電動推桿31、步進電機32、鈑金架33、桶蓋34、旋轉蓋35 和離合塊36組成，鈑金架為正好包裹步進電機的金屬片框，電動推桿固定端安裝于方管通道底部，利用鈑金架將步進電機安裝于電動推桿執行端，在電動推桿的作用下步進電機可沿著方管通道上下移動，桶蓋中心位置開設正方形通孔，以桶蓋中心為中心、過正方形通孔一邊的兩個端點向外延伸開設一扇形通槽作為垃圾投放口，旋轉蓋形狀與桶蓋的垃圾投放口形狀相同，用于遮蓋桶蓋的垃圾投放口，旋轉蓋轉軸位置開設正方形盲槽，離合塊兩端為正方形軸段、中間為圓柱軸段，離合塊底端的正方形軸段與步進電機轉軸共軸心相連，并內嵌于桶蓋中心正方形通孔中且可以自由滑動，離合塊頂端的正方形軸段內嵌于旋轉蓋中心正方形盲槽中并進行固連。

圖2 雙層蓋系統

移動控制系統安裝于桶體底部，采用麥克納姆輪底盤，可通過遙控方式或者紅外避障方式控制萬向輪底盤實現移動。

2 工作原理

2.1 工作過程

設計的智能分類垃圾桶中垃圾識別系統的主控板接收到語音識別模塊發出的垃圾類別指令信號后，雙層蓋系統中的步進電機驅動離合塊帶動桶蓋和旋轉蓋一起發生旋轉，使旋轉蓋旋轉至已識別的垃圾內桶上方，然后電動推桿向上運動，推動離合塊底端的正方形軸段脫離桶蓋中心的正方形通孔，隨后步進電機驅動離合塊帶動與之相連的旋轉蓋旋轉90°，從而露出桶蓋上的垃圾投放口，以便于將垃圾投入對應的垃圾內桶，經過延時控制后電動推桿回到初始位置，最后步進電機驅動離合塊帶動桶蓋和旋轉蓋也回到初始位置。

2.2 控制原理

2.2.1 聲控語音識別模塊

使用LD3320語音識別模塊來實現聲控垃圾分類功能，內部預設大量生活垃圾關鍵詞。LD3320 芯片是一款 “語音識別” 專用芯片，該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括AD、DA 轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。該芯片不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM等，直接集成在現有的產品中即可以實現語音識別/聲控/人機對話功能，并且識別的關鍵詞語列表是可以任意動態編輯的[6-7]。

當幼兒拿著想要投放的垃圾靠近垃圾桶后，對著垃圾桶說出垃圾的名字，例如：礦泉水瓶、廢紙、 易拉罐等， LD3320語音識別模塊會捕捉其中的關鍵字，進而判斷該垃圾的類型，向對應的引腳輸出低電平0，單片機對應引腳接受到信號后控制雙層蓋系統發生動作，之后單片機控制SV5W 語音播放模塊播放錄制好的音頻，待4 s 后，反向執行剛才的程序，使雙層蓋系統回到初始的位置。其系統框圖如圖3所示。

圖3 語音識別垃圾分類投放原理

2.2.2 移動控制模塊

（1）紅外遙控：利用紅外遙控器遙控垃圾桶前進、后退、左轉、右轉、停止動作。

（2）紅外避障：利用兩路紅外避障傳感器感知前方障礙，將信號反饋給51單片機，單片機對相關信號進行識別與處理，然后控制垃圾桶避開障礙實現自主行走。

3 結束語

本文設計的聲控智能分類垃圾桶主要有4個創新點。

（1）專為低齡兒童學習垃圾分類知識所設計，同時可以遙控移動，方便家庭生活；從小培養兒童垃圾分類意識，實現垃圾分類啟蒙教育，寓教于樂。

（2）具備交互系統，垃圾桶可根據語音自行判斷垃圾類別并進行投放，降低由人工分辨垃圾類別而產生的錯誤率。

（3）在機械結構上，該垃圾與常規的翻蓋類垃圾桶不同，通過類似離合器的雙層蓋結構實現桶蓋與旋轉蓋的離合與共轉。

（4）具有移動控制功能，在家庭中僅配備一個聲控智能分類垃圾桶即可到達多個房間完成垃圾投放，為家庭生活提供方便。