家用小型智能垃圾分類裝置的設計與實現

陳長征 劉立昕

（1.西安航空學院 陜西省西安市 710077 2.中航光電科技股份有限公司 河南省洛陽市 471000）

1 前言

1.1 研究背景

垃圾分類（英文名為：Garbage classification），一般是指按一定規定或標準將垃圾分類儲存、分類投放和分類搬運，從而轉變成公共資源的一系列活動的總稱。分類的目的是提高垃圾的資源價值和經濟價值，力爭物盡其用。進行垃圾分類收集可以減少垃圾處理量和處理設備，降低處理成本，減少土地資源的消耗，具有社會、經濟、生態等幾方面的效益。2017年3月，經國務院批準，國家發展改革委、住房和城鄉建設部聯合下發了《生活垃圾分類制度實施方案》，各省也陸續出臺了實施細則，逐步推進居民生活垃圾分類工作。但是，一些城市在執行垃圾分類規定時，居民普遍反映存在分類困難、界定不清等問題，導致工作難以開展。

本文圍繞該問題進行深入研究，設計了一種基于語音識別技術的智能垃圾分類裝置，通過語音識別技術和計算機控制技術將戶聲音信號轉換為電信號，再通過可編程控制器控制執行機構完成預設動作，從而實現不同垃圾倉位位置的自動同步。這樣，用戶只需說出要投放的垃圾名稱，語音模塊將自動識別確認其屬于何種垃圾，并輔助用戶輕松實現垃圾分類。

1.2 國內外現狀

國外某些發達國家進行垃圾分類已有數十年了，比如日本、德國和瑞典等，目前他們在垃圾分類方面已處于比較成熟的階段，例如美國BigBelly Solar 公司發明的智能垃圾桶，這種智能垃圾桶主要針對的是戶外社區垃圾集中點的垃圾打包處理。此垃圾桶擁有太陽光伏板、網絡通信模塊、高強度垃圾壓縮裝置。通過頂部的太陽能光伏板為整個垃圾裝置提供電源，當裝置內的垃圾達到設定的溢出位后，壓縮裝置會在極其短的時間內將垃圾的體積壓縮至原來的20%，等到垃圾箱快滿時又會啟動網絡通信模塊發送垃圾需要處理及該垃圾裝置所在的精確地理位置等信息至垃圾處理中心。然后處理中心的系統會根據各個垃圾裝置發回的數據進行分析，然后規劃處理，為垃圾回收車確定最佳的回收路線和時間，再將垃圾清理走。

而國內智能垃圾桶能達到的最高狀態就是將電控和普通的垃圾裝置結合，其中90%的地方都采用的普通的垃圾分類裝置，并在家用垃圾裝置領域沒有實現垃圾分類功能。目前國內垃圾裝置大致分為四種：

（1）按鈕電控式垃圾桶：此種垃圾桶就是利用簡單的電氣控制原理，通過人為按下垃圾桶桶蓋的開啟按鈕，垃圾桶通過機械控制結構和電機或者電磁閥來打開桶蓋。這種垃圾桶實現了不讓人觸碰垃圾桶桶蓋就可以打開垃圾桶，減輕了人力，而且防止了因為手部接觸而造成的疾病細菌感染問題。

（2）紅外傳感翻蓋式垃圾桶：此種垃圾桶與按鈕電控式垃圾桶的控制原理相同，它就是用紅外傳感器代替普通的按鈕。在功能和用戶體驗上有了很大的革新，讓人們隔空就可以控制垃圾桶蓋的打開。

（3）普通帶蓋垃圾桶：這種垃圾桶也是我們日常家庭生活中最容易見到的，它沒有任何的電氣及電路控制部分。它的優點就是便宜耐用、可以隔絕垃圾桶內垃圾散發出氣味，缺點就是需要浪費人力來打開垃圾桶桶蓋。

（4）腳踏式垃圾桶：此種垃圾桶與普通帶蓋垃圾桶的工作原理基本相同。腳踏式垃圾桶就是通過機械結構設計將開蓋裝置設置在垃圾桶的下部，用戶只需用腳踩下腳踏裝置垃圾桶的桶蓋機會打開。

2 系統功能結構及主要硬件參數

裝置主要分為執行機構和電控機構兩個部分，其中執行機構由四個垃圾倉位和垃圾桶主體構四個垃圾倉位分別是有害垃圾、廚余垃圾、可回收垃圾、其他垃圾。四個倉位采用可分離式設計，相互獨立且可以靈活拆卸。

電控機構則主要包括單片機控制器、語音識別芯片、語音播報芯片、外接語音播報音響、位置傳感器及舵機等。當垃圾分類裝置整個系統開始工作時，用戶說出要投放的垃圾名稱，語音識別單元采集到聲音信號并確認垃圾分類屬性，通過發聲單元播報給用戶相關信息；同時語音識別單元將識別的垃圾分類數據傳遞給單片機控制器，再單片機控制電機旋轉相應的角度；位置傳感器則實時檢測每個垃圾桶中的垃圾量，當垃圾桶容量超過80%時，將語音提示用戶及時倒垃圾。系統主要硬件參數如表1所示。

表1：系統主要硬件參數及功能表

3 系統工作原理

3.1 控制機構

系統上電后首先進行初始化，各模塊進入待命狀態。此時LD3320 語音模塊的外接麥克風收到外界發出的信息，將聲音信息轉換為二進制數組并通過串口傳輸給單片機，單片機再將收到的數據與其內部程序定義的分類詞條二進制數組進行比較，得出結果后控制舵機和語音播報模塊進行相應動作。控制機構執行流程如圖2所示。

圖2：控制機構執行流程

圖1：四種常見的垃圾儲存分類裝置

3.2 語音識別

語音識別模塊LD3320 是在一種離線模式下對聲音信號進行識別和分析的集成電路，該模塊采用ASR 技術，用戶可以自定義設置一級喚醒詞條。當用戶語言輸入為喚醒詞時，語音模塊等待接收二級命令。若不是一級命令，語音播報模塊提示用戶語音輸入正確的一級命令詞條，待一級命令輸入正確時進行下一步。二級命令為各種垃圾種類，當接收到語音信號且與系統庫中的詞條數據相似度較高，則判斷詞條屬于哪種垃圾并通過語音播報模塊進行播報反饋給用戶。同時，單片機驅動舵機旋轉固定的角度，將垃圾分類裝置的此種垃圾倉位旋轉到預設位置并打開垃圾投擲口，語音播報模塊提示用戶投擲垃圾，投擲完成后，投擲口的舵機自動復位關閉投擲口。若二級命令不屬于系統庫的詞條，則此詞條無法識別。語音播報模塊提示用戶“此垃圾無法識別”，垃圾分類裝置的其他部分不執行任何操作。除此之外，裝置內部增加了一個距離傳感器，在每次打開投擲口之前，傳感器都會對內部倉位的垃圾進行檢測，當有效距離低于預設值時即垃圾量超過總倉位最大上限時，語音播報模塊自動發出提示。如表2所示。

表2：垃圾分類語音識別詞庫

3.3 執行機構控制

執行機構動作主要是在通過控制PWM 脈沖信號，實現特定調價下舵機旋轉一定角度，從而實現垃圾倉位到達指定位置。其中輸出轉角與輸入脈沖的關系是轉動方向與單片機產生的PWM 脈沖占空比有關，占空比大舵機的轉動角度就越大，舵機的轉動角度就越大。為了實現垃圾分類倉位自動旋轉和倉蓋自動打開的功能，系統主要包括兩個舵機，其中舵機1 控制需要實現上電自復位，當成功識別一級指令時不做出任何反應。當成功識別二級指令時，舵機向左旋轉90 度打開垃圾分類裝置的投擲口倉門，5 秒之后垃圾投擲完垃圾分類裝置的投擲口倉門關閉。舵機2 的控制需要實現垃圾四個倉位的精確角度旋轉，當成功識別一級命令后，用戶說出垃圾種類單片機進行垃圾種類判斷并作出語音回復反饋給使用者。這樣，垃圾倉位就能根據垃圾的種類旋轉到相應的角度。

3.4 倉位溢出提醒

傳感器檢測模塊的主要功能時檢驗垃圾倉位的垃圾是否到達了垃圾溢出位。一旦垃圾分類裝置的倉位發現到達了設定的垃圾溢出位，必須通知用戶及時的通知用戶清理相應倉位中的垃圾。以免垃圾過多溢出造成其他的倉位污染及損壞設備本身。傳感器控制部分主要是傳感器作為輸入一旦檢測到有東西長時間遮擋傳感器，則視為垃圾到達了溢出位。這時，單片機將控制語音播報提示垃圾裝置垃圾倉位已滿，用戶需要自行的傾倒桶內的垃圾。

4 實物展示

通過使用Solidworks 和Protues 兩款軟件分別執行機構部分和電控部分進行建模仿真，在此基礎上最終以一款小型筆筒為原型進行改造，完成了垃圾分類裝置的制作，裝置功能達到預期目標，能夠自動識別語音信號并在較短的時間內將分離倉旋轉至入口，同時打開蓋板。如圖3所示。