基于語音識別的智能垃圾桶設計與實現*

賀連升，周揚理，于新暢，牛子夫，趙一林

（山東石油化工學院機械與控制工程學院，山東東營 257000）

0 引言

現在許多國家從事研究智能垃圾桶，從國內外研究的狀況看，缺乏一種集自動套袋/裝袋、自動打包、定點投送功能于一體的智能垃圾桶。市面上的垃圾桶分為兩類：一是機械式垃圾桶，此類垃圾桶采用機械式結構，通過腳踩下方踏板實現垃圾桶蓋的升起[1]，不能實現垃圾袋的套袋、打包，需要人工的輔助；二是智能垃圾桶[2-4]，這類垃圾桶帶有傳感器，傳感器接收信號，處理器控制機械裝置進行必要動作[5]，移動時，無法精準定位[6-7]。機械與控制相結合，傳感器檢測，部分具有自動打包功能，需要人工輔助。目前智能垃圾桶自動套袋功能所用結構都較為復雜，占據較大空間，因其體積限制不能實現全部功能。打包機構無法準確判斷垃圾是否填滿，加熱絲外漏，無準確控制、保護此裝置設備，易造成危險[8]。目前出現在市面上的智能垃圾桶價格十分昂貴，普通家庭難以承受。

目前所研制的垃圾桶為一種新型智能垃圾桶[4]，這類垃圾桶目前可以完成定時打包并推出的功能，僅限于用戶實時控制其行走，因缺少定位系統無法做到垃圾袋的定點投送，打包不能根據垃圾桶實際情況進行，限于規定時間內進行，功能有限。而白桂峰[8]基于STC89C52的家用智能垃圾桶設計，可以解決自動開關蓋，對桶內垃圾進行高度檢測、異味檢測，但高度檢測無法解決密度較大物體重量較大而高度不夠的情況，容易造成垃圾過重的情況。不具備打包等功能。

目前智能垃圾桶比較成熟的設計是智能開蓋自動換袋垃圾桶，具備自動開蓋、自動套袋等功能，自動套袋設計采用上座裝袋盒，扔一個換一個的方式。需要人工進行打包，增加垃圾直接接觸的概率，垃圾桶不能自由移動?；谖锫摼W控制的智能垃圾桶[9]也已經出現，通過傳感器等設備與物聯網進行通信，通過超聲波檢測進行自動的開關蓋。基于WiFi 的新型智能垃圾桶設計[10]通過WiFi進行定位與控制通信。新型智能垃圾桶的設計基于語音識別來控制垃圾桶的功能[11]。目前已經上市的一款智能垃圾桶是小米智能垃圾桶[12]，具備自動打包、自動換袋功能。但其打包只能通過人工觀測確定，使用特制垃圾袋，價格昂貴[13]。垃圾打包后，需要人工將垃圾送至投送點，固定位置，不能移動，體積大但投入口較小，易造成垃圾散落，無語音控制系統，使用較為不便。

1 設計要求

智能垃圾桶的設計要求如表1所示。

表1 設計要求Tab.1 Design requirement

2 結構設計

智能垃圾桶主要分為垃圾袋提升裝置、裝袋和打包裝置、行走裝置。如圖1 所示。提升裝置包括后側滾筒、提升裝置。裝袋和打包裝置主要有裝袋裝置、打包裝置組成，兩個裝置組合在一起，互相配合完成功能。行走裝置采用麥克納姆輪，當其行走時可以任意角度行走。

圖1 整體結構

3 工作原理

3.1 自動提袋裝置

自動裝袋裝置分為提袋裝置和開袋裝置，提袋裝置主要由絲杠、升降滑塊、轉軸、光軸、電機等組成，結構如圖2～3所示。開袋裝置主要由固定桿、支撐桿、電磁開關、吸碗等組成，如圖4所示。

圖2 后蓋打開示意圖

圖4 固定與打包裝置

其中升降滑塊連接絲桿組成絲桿升降裝置，絲桿下方連接有小型電機提供動力，兩側放置。兩側升降滑塊連接轉軸，當小型電機轉動時，升降滑塊會上下移動。轉軸上安裝有夾緊裝置，可以夾緊垃圾袋。垃圾桶橫向可以裝載600 mm以內垃圾袋，可以自由進行調整，可以使用市面上大部分的普通垃圾袋。

圖3 內部示意圖

吸碗、固定桿與支撐桿連接在橫桿上，橫桿連接左右小型導軌，通過皮帶傳動實現吸碗前后移動。吸碗后方通過導管連接小型真空泵，垃圾袋提升至吸碗時，小型真空泵啟動，將垃圾袋吸住，導軌移動把垃圾袋打開，固定桿和支撐桿將之固定。

垃圾袋在垃圾桶內壁后側滾筒帶動垃圾袋滾動下滑，由內壁兩根轉軸夾緊固定好后，升降滑塊帶動轉軸結構及垃圾袋整體上升，同時垃圾桶上部的封袋裝置向中間移動，當轉軸帶動垃圾袋到達頂部后，由同時到達中間的吸碗吸住垃圾袋，電磁開關通電，固定桿升起。轉軸經由導軌復位并重復夾緊下一個垃圾袋。吸碗則帶動垃圾袋在皮帶導軌配合運動下向兩邊運動并進行撐開動作，當帶動吸碗的撐桿向兩端運動的過程中，垃圾袋撐開，電磁開關斷電，固定桿下降，固定桿與支撐桿加緊垃圾袋實現固定。且在垃圾袋被固定時，垃圾桶底部的電機帶動絲杠橫向運動，便于割刀進行垃圾袋間的割斷。功能開始需要人工將袋子引入滾筒上，當一次動作完成后則不需要人工進行輔助動作，可以完成全部動作。

3.2 自動打包裝置

熱封打包主要依靠一對熱封部件，依據塑料袋特性將垃圾袋袋口熱封。

自動打包裝置主要有封口裝置和推出機構等組成。封口裝置依靠封袋裝置上導軌的移動實現，在橫桿下方加入皮帶，皮帶上帶有封刀，皮帶在電機的作用下可以左右移動，兩側放置。如圖5所示。

圖5 固定與打包裝置

推出機構主要由剪叉式伸縮裝置、絲杠、活動地板等組成絲杠轉動帶動剪叉式伸縮裝置伸出，把垃圾袋推出底板到達限位后回急速彈回。如圖6所示。

圖6 推出裝置

在垃圾桶底部設置重力感應裝置，在垃圾桶側壁設置高度感應裝置，當垃圾滿足高度和重力任意一個標準時，系統通過判斷進行打包功能。

通過皮帶傳動進行熱封打包，電機提供動能，皮帶帶動兩個熱封刀向中間移動。熱封刀由耐熱塑料包裹，頭部為導熱鋁片，當感應裝置檢測到垃圾桶內的垃圾滿足所設定標準時，封刀加熱，同時電機驅動皮帶帶動兩個封刀向中間移動，熱封垃圾袋袋口。封刀兩側設置可減少封刀運行時間，熱熔加熱時間短，安全可靠。

垃圾袋推出裝置工作時，絲杠傳動和剪叉式伸縮裝置配合，后側裝有彈簧的活動底板作為輔助，將裝滿垃圾的垃圾袋向外推。在垃圾推出的過程中因與活動底板之間存在摩擦力，當達到最大摩擦力時，彈簧不再伸長，此時彈簧帶動活動底板復位，垃圾袋被送出，垃圾桶前門頂部使用轉動銷釘固定，底部使用磁鐵將其吸附關閉。待垃圾袋推出的過程中慢慢將前門推開，待垃圾袋完全推出后，絲杠傳動帶動推出機構復位，垃圾桶前門因受重力和磁鐵吸力同時作用將其關閉。此時，垃圾桶按指定點原路返回。

3.3 行進裝置

行進裝置主要由4 個獨立安裝的電機和麥克納姆輪組成，麥克納姆輪分為左右兩種，兩左兩右一共4 個組成一組，麥一組克納姆輪可以實現前行、橫移、斜行、旋轉及其組合等運動方式。根據使用者的習慣，可以使用語音控制與實時控制兩種方式進行，可以在狹小的空間內自由移動。

在自動狀態下，當垃圾袋被熱熔打包好后，垃圾桶執行程序命令，底部的驅動裝置開始運行，使用循跡定位，使底輪帶動垃圾桶到達預設地點。

4 控制程序設計

智能家用垃圾桶運動主要是控制每個裝置驅動電機正反轉，實現裝袋與打包功能。控制功能流程如圖7所示。

圖7 控制程序

4.1 系統硬件

智能垃圾桶采用STM32 單片機F103C8T6 作為主控芯片進行控制，其單片機是一種32位的單片機，該單片機性能好，功耗低，可以同時控制多個輸出。電機采用42 步進電機，該電機控制精確，扭矩大，滿足精確控制和實現基本功能的要求。

語音識別模塊采用LD3320語音識別模塊。該芯片有非特定人語音識別技術的優勢，不需要進行錄音，識別過程中每次識別的過程，就是把用戶說出的語音內容，轉換為語音特征，和關鍵詞語列表中的條目進行匹配，最優匹配的一條作為識別結果。該芯片集成了語音識別處理器外部電路，不需要其他輔助芯片。集成在產品中實現語音識別對話功能?？梢宰杂蓛Υ娑鄺l不超過10個漢字的語音識別命令，可以自由添加，修改識別命令。LD3320芯片進行識別時，說出關鍵詞，芯片會送出一個中斷提示，一次識別流程結束，此時中斷處理函數會被調用并去寄存器中讀取識別結果。識別完成后向STM32單片機發送一條指令，單片機接受指令后控制電機運行，完成必要的功能。

WiFi 模塊采用ESP8266 芯片，利用此芯片與互聯網相連基于此，此設備可以和多個互聯網終端進行控制。至此此智能垃圾桶可以采用兩種方式進行語音識別，其中使用互聯網終端后，語音識別方式依靠終端識別進行，終端識別后發送命令給單片機。例如可以利用小愛同學進行控制，使用小愛同學終端設備進行語音識別，語音識別精度更高。

行進裝置采用Ardurno 單片機控制L298N 電機驅動模塊，與主控STM32 單片機進行串口通信完成信息交換。單片機獨立控制4 個電機的前進和后退，通過麥克納姆輪不同的轉向安裝方式控制行走。

4.2 關鍵程序

語音識別中，中文只能由拼音代替。本設備設置了兩種功能，可以通過本身的LD3320語音控制芯片進行控制設備運行，也可通過ESP8266 芯片接入互聯網，利用互聯網終端進行控制。其控制程序分為3 個部分，語音識別、檢測部分與控制部分。如圖8～9所示。

圖8 語音識別程序

圖9 功能控制程序

5 垃圾桶實物制作

智能垃圾桶采用歐標20×20 鋁管制作，小型真空泵實現開袋，以解決上述功能，垃圾桶實物如圖10～11 所示，可實現全部功能。

圖10 垃圾桶側視

圖11 垃圾桶正視

本機共用6 個42 步進電機來協調各個裝置之間的運動關系。左右使用兩個T8 絲杠與滑塊。使用MGN7R 微型線軌實現滑動。下方使用4 個JGB37-520 直流減速電機獨立控制4 個麥克納姆輪，電源使用鉛酸電池進行供電。

6 結束語

針對現垃圾桶需要耗費大量人力，接觸垃圾等問題，本文設計的垃圾桶是一款基于語音識別的智能垃圾桶。通過LD3320芯片語音識別功能，解決動作控制等問題，采用STM32 芯片進行控制動作關系。集自動開蓋、裝袋、打包、封口、將垃圾輸送到指定地點的功能于一體。通過傳感器確定位置，自動循跡，采用全方位移動的麥克納姆輪，可在家庭的狹小空間內進行移動，不需要人工走動即可將垃圾送入垃圾桶，并在垃圾填滿后自動送至垃圾投送點?；谡Z音識別的智能垃圾桶具有結構簡單、設計合理、結實耐用、操作方便等優點。適用于家庭，可以減少人力時間、節省人工、減少細菌傳播、自動傾倒，實現現代家居設備的“智能化”。