基于STM32的智能語音垃圾分類系統

王貝寧

（南京航空航天大學，江蘇南京，211100）

0 引言

目前，國家大力推行垃圾分類，越來越多的四色垃圾桶出現在了城鎮街頭。但是，垃圾分類逐漸暴露出許多問題，如很多人并不清楚垃圾的詳細分類，且非自動的垃圾桶在使用時必須進行雙手操作，人們手持物品的情況下，很難進行垃圾的投放。針對這些問題，本文設計了一種通過語音控制的智能分類垃圾桶。只需說出需投放垃圾的名稱，即可自動打開對應的垃圾蓋，從而使垃圾分類投放變得便捷、高效，并且將人們和垃圾隔離，防止細菌相互交叉感染，進一步提高人們的生活水平[1]。

本系統基于stm32單片機，能快速處理得到語音識別的結果，并控制相應的垃圾桶進行開蓋，完成垃圾的投放。且在垃圾桶外存在超聲波模塊對是否有人進行垃圾投放做出判斷，使語音識別無需時刻保持工作狀態，降低了系統的功耗成本，同時也進一步增加了系統的穩定性與可靠性。隨著各地垃圾分類政策實施如火如荼，同時更多的智能控制設備開始逐步運用于生產生活，未來，將會有很多的智能垃圾桶出現在大街小巷，為人們的生活提供便利，讓垃圾分類不再成為難事。

1 系統總體設計

智能分類垃圾桶系統主要由數據處理模塊、超聲波測距模塊、語音識別模塊和舵機模塊構成。圖1為系統的總體結構框圖。語音識別模塊使用LD3320模塊采集語音信息經處理后轉化為串口信號，向數據處理模塊傳輸。超聲波模塊采用HCSR04，采集垃圾桶的無障礙 距離傳輸至數據處理模塊，數據處理模塊以STM32F103ZET6單片機(以下簡稱STM32)作為數據處理的核心，先接受超聲波模塊輸入的信號，轉換為對應距離，判斷垃圾桶前是否有人待投垃圾，通過解析串口信號，單片機判斷做出相應IO口的PWM輸出，控制相應的舵機模塊運作，使舵機運轉至對應角度，帶動垃圾桶蓋的轉動，實現開蓋操作，當檢測到判斷垃圾桶前已經無人或持續時間達到預定值時，再次驅動舵機關閉桶蓋，完成一次完整的垃圾投放。

圖1 智能分類垃圾桶總體框圖

圖2 垃圾桶實物圖

2 系統主要功能模塊設計

2.1 數據處理模塊

數據處理模塊主要用STM32f103ZET6，其接受的數據主要來源于超聲波測距模塊和語音識別模塊。STM32每隔100ms就會進行一次測距，即激活超聲波測距模塊，其IO口接收到超聲波傳來的高電平信號，計算出垃圾桶至前方障礙物的距離，并進行判斷，若連續五次測距值的平均值小于預先的規定值，STM32便開始接受語音識別模塊發送的特征信號，根據接收到的信號，進行判斷并由已經配置好的通用計時器進行PWM輸出作為控制信號使舵機轉動，完成對應的垃圾桶進行開蓋操作，并在進行10s左右延時之后，再次驅動舵機，進行桶蓋的閉合。

2.2 超聲波測距模塊

本裝置使用HC-SR04芯片，HC-SR04共有四個引腳，引腳1用于供電，接5V電源，引腳2用于接受MCU發出的起始信號，引腳3發送相應高電平信號至STM32，引腳4接地。裝置開始運作后，Trig將會接收到MCU發送的長度為10us的高電平信號作為起始信號，裝置將會向前方發送超聲波并記錄發送直至接收所用時間，其Echo的電平將由低變高，并依據測得的距離維持對應的時間，完成之后重新變為低電平直至下一次測距開始。

2.3 舵機模塊

舵機本裝置使用了SG90，垃圾桶蓋與舵機由齒輪與支撐臂連接在一起進行90°轉動。當舵機接收到MCU發送的20ms周期信號，且高電平時間為0.5ms（占空比為2.5%）時，舵機轉至0°，此時桶蓋處于水平狀態，實現垃圾桶的閉合；當舵機接收到MCU發送的20ms，高電平時間為1.5ms（占空比為7.5%)時,將帶動桶蓋進行轉至90°對應位置，此時桶蓋垂直，實現開蓋操作。

2.4 語音識別模塊

本裝置使用了被廣泛應用于各種智能設備上的LD3320，擁有價格親民、識別率高的優點。其經由SPI通信協議與單片機（STC11L08XE）進行連接，由單片機對識別出的信號做出初步的處理，經由串口輸入至MCU中進行分析，控制對應種類的垃圾桶，并且可以連接揚聲器進行輔助的語音提示，提升裝置與用戶的交互性能[2]。

本模塊的語音識別語句，可以很方便的進行錄入與刪改，并設置語句對應的標識，可以很好的適應國家對垃圾分類變化的新標準，提升裝置的使用壽命。且考慮到垃圾桶擺放環境有較多干擾信息，因此在語音系統中附加了一級口令保護，大大增加識別的準確性，防止由于干擾造成的誤識別。

3 實驗結果分析

本裝置主要進行語音口令的識別進行試驗。

表1 語音口令識別準確率

由上實驗結果可以看出，本裝置的語音口令識別有著較高的準確性，可認為本裝置性能良好，且可進一步優化。

4 結束語

本文將語音識別模塊與超聲波測距模塊運用到了日常使用的分類垃圾桶上，實現了垃圾桶按分類規則通過智能語音識別控制相應垃圾桶開關的功能。該問題的研究初步解決了推行垃圾分類過程中的人們不知道垃圾對應什么種類的問題，并且通過自動進行的開蓋操作，使人們的使用更加方便、衛生。另外在該系統的基礎上還可以進一步進行開發，如與人進行更詳盡語音交互，檢測桶內空間剩余情況向主機發送信息讓工作人員更換新桶等，提高系統的智能性[3]，具有很大的市場開發價值。