一種地埋升躍式智能分類同步回收系統設計

陳秀龍　靳其寶

摘要：文章基于嵌入式控制系統設計出一種地埋升躍式智能垃圾分類同步回收系統，該系統基于語音智能識別技術，整體分為紅外感測、智能分類、語音識別、容量檢測、同步回收功能模塊及其配套通信模塊。通過語音識別技術實現自動檢測、捕獲、收集、分類垃圾，有效解決并指導人們垃圾分類和分類意識的形成，也能有效提高垃圾回收率。

關鍵詞：智能分類;語音識別;容量檢測;自動喚醒

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）26-0069-03

垃圾分類是垃圾處理過程中的重要環節，實施生活垃圾分類，可有效促進資源回收利用[1]。然而，由于基礎配套設施不完善和人們垃圾分類意識薄弱，導致目前收集到的垃圾大部分仍是混合垃圾，極大影響了垃圾處理的效率[2]。隨意投放垃圾、混合扔放會給環衛工作人員造成很大的體力負擔，同時造成終端處理模式的低效率與復雜化，公共資源未能物盡其用、不能極大程度變廢為寶，垃圾在地面上腐敗速度快、發臭影響公共環境，存儲在垃圾箱中的垃圾回收不方便等問題。有效的垃圾處理方法已成為垃圾分類問題解決的難題之一。當前，大量垃圾分類裝置的解決方案已提出：文獻[3]基于單片機設計一款帶有語音輔助的垃圾分類投放系統，該系統分別搭載了語音識別、語音播報、舵機驅動等模塊，通過語音播報垃圾種類并自動打開相應桶蓋，實現精準投放，有效提高垃圾分類投放準確率;文獻[4]通過HLK-V20芯片實現語音識別垃圾種類并控制SG90舵機轉動打開相應種類垃圾桶，以此來達到利用語音識別垃圾的種類，實現垃圾的智能分類的目的;文獻[5]采用語音識別模塊，樹莓派原裝攝像頭作為外部環境信息獲取端，結合外圍電路及部分硬件的低成本，應用性能高的智能語音垃圾分類桶。然而，在投放分類裝置的便捷性問題上缺乏相應有效的解決方案，為此，本文提供了一種地埋升躍式智能分類同步回收系統，解決了現有垃圾分類工作煩瑣單一、枯燥教學、垃圾角落臟亂影響環境美化、逐一回收垃圾效率低的問題。

1 總體設計

文章從機構傳遞、硬件控制、軟件開發等方面著重介紹該垃圾智能分類回收系統，整體主要包括：智能分類、語音識別、容量檢測、同步回收。在整體垃圾投放結構方面（圖1所示），基于SolidWorks 軟件開發了智能垃圾分類箱投放回收傳遞系統，該結構具備當無人靠近時，自動轉為低能耗休眠狀態，當檢測到人體靠近時，裝置自動感應回收結構啟動。該裝置的整體傳動機構設計如圖1所示。

根據圖1所示，該垃圾裝置整體傳動包括的主要模塊有：包括語音識別模塊、電機控制模塊、曲面棱臺結構機構模塊、導入式曲面棱臺結構模塊、垃圾分類裝置旋轉機構模塊、上升躍推動機構模塊，僅作為投放引導入口通道，作為地面上的垃圾投放口，相交呈X型錯開，不同的投放入口對接四條地下滑坡通道直至地底四個不同種類垃圾桶，語音識別垃圾關鍵詞，同時發出指令控制電機轉動相應位置，配合間歇旋轉機構、向上升躍推動機構，彈出對應投放口，通過斜坡管道，將垃圾引入距離垃圾投放者有一定距離的地下垃圾存儲。

2 系統硬件總體結構

本文硬件系統STM32F103RCT6控制開發板、配備4.0藍牙JDY-10進行語音信息數據傳輸;同時，將檢測數據回收給小程序，小程序通過JDY-10將命令發送給主控芯片。檢測端有：MQ-2煙霧傳感模塊、火焰傳感器模塊、光敏傳感器模塊、聲音傳感器模塊、DS18B20測溫模塊、GP2Y1014AU粉塵傳感器、UVM-30A紫外線傳感器模塊。執行端有：利用PWM控制數字舵機作為門鎖的開關，利用三個驅動控制5個蝸輪蝸桿直流減速電機分別作為門、窗簾、窗戶的驅動元件。蜂鳴器作為警報器、LED燈和風扇。人機交互端有：LCD液晶屏顯示各項檢測端的指標、方便用戶查看數據。SYN6288語音模塊播報各項指令的執行情況，圖2為其系統硬件總設計結構圖。

2.1 語音識別模塊

智能分類垃圾桶采用了STM32F103RCT6作為整個系統的控制器，該單片機功耗低，適合語音識別分類系統未使用時的待機，性能好，對步進電機的控制精確，精度滿足基本的控制精度要求。為增強人機交互性，本文采用LD3320作為語音識別芯片，開發基于語音識別的語音交互系統和人機操作界面，利用超聲波測距算法，實現對垃圾桶內部容量的智能提醒，有效解決了當今智能垃圾桶探測距離不足問題。語音識別系統包括主控芯片板、LD3320 非特定語音識別模塊、麥克風以及設置在地面上的垃圾箱容量指示燈，所述的垃圾箱容量指示燈由紅外傳感器組成，與主控芯片板連接，主控芯片板與動力電機、吹風系統的電機、同步回收裝置上升動力電機連接。

如圖3所示，該語音識別模塊與主控芯片采用串口連接，通過對輸入的語音流進行頻譜識別、特征提取，并通過匹配關鍵詞進而達到語音辨識的目的，并將識別結果以串口指令方式送入到MCU進行解析處理。

2.2 驅動電機

本機構所選用驅動電機采用圖4所示的步進電機，其在本系統中的工作原理為：STM32處理器產生具有一定頻率的脈沖信號送入該步進電機，使其2相按順序變換通電，從而實現精準的步數轉動，在步進驅動器輸入端有一端接收高低電平，以此控制步進電機的正反轉。

雙相步進電機中有兩個線圈繞組，每個線圈兩個頭，出線采用是四條線標記為A+、A-、B+、B-。通過控制在雙相繞組上輸入脈沖的順序，就可以控制電機的正轉/反轉 （控制延時就能控制轉速）。

2.3 容量檢測

為檢測各個垃圾桶的容量情況，提高設計的智能化水平，該設計在垃圾桶內膽上方靠周圍處安置了超聲波測距傳感器，對垃圾桶內垃圾現有存儲量進行實時測量，從而實時得知垃圾桶內部的容量剩余，當剩余容量低于總內膽垃圾桶容量的三分之一時 ，系統對外發出提示，提醒用戶及時更換清空，以此實現垃圾桶的智能化管理。控制系統的抬升垃圾桶內膽裝置依靠TB6612驅動的蝸輪蝸桿電機實現;在管道中截斷臭味溢出的裝置是依靠TB6612驅動的吹風系統風扇電機，TB6612驅動除了接入STM32微控制器的邏輯信號控制端，還接入了微控制器的PWM脈沖端進行調速。圖5為設計所采用容量檢測電路模塊。

3 軟件設計

3.1 軟件整體設計

驅動主要分為語音識別、容量探測、電機控制3個模塊。語音識別模塊LD3320與STM32間通過SPI進行通訊，LD3320可動態編輯和識別語音關鍵詞語列表，并把識別關鍵詞語以字符串指令形式傳送給芯片。在對主控芯片的I/O編程中，通過接收語音信號到相應控制寄存器，完成識別設定的關鍵詞語辨識識別。它有A/D D/A通道，麥克風可直接接入。與單片機通過SPI通訊，識別非特定語音的關鍵詞后，單片機控制步進電機旋轉一定角度。程序設計流程如圖6所示，詳細控制主流程為：垃圾分類系統開機，在一定時間未操作或未捕獲到音頻輸入時，系統處于待機狀態，等待喚醒命令到來，聽到喚醒命令“環衛寶寶”時，系統由待機模式被喚醒，并回應“主人請說出垃圾名稱”，系統亮紅燈，5秒內如果能捕獲到語音指令，語音識別模塊便發送指令至STM32控制板，由它控制步進電機旋轉對應的角度，抬升對應垃圾桶，并語音播報垃圾對應類型，延遲5秒后紅燈熄滅;若在喚醒之后5秒內系統未捕獲到有效的語音數據，系統繼續進入待機狀態，等待下次喚醒。

3.2 語音識別及播報

采用語音識別模塊LD3320作為聲控芯片，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、聲音輸出等接口模塊。 LD3320語音識別主程序流程如圖7所示，LD3320的語音識別順序為：系統初始化、寫入語音列表、語音識別。外界信號通過實時開啟或關閉中斷允許未完成外界信號的中斷響應。在“開始識別”后系統讀取寄存器中B2H的值，若為21H則證明系統產生了識別結果。本設計推出語音播報系統，系統運用喚醒功能，采用名字喚醒，類似智能手機的語音助手喚醒，一般情況處于低功耗狀態，在一定程度上節省了功耗。該語音系統能指導公民準確投放垃圾，實現垃圾準確分類。

3.3 容量檢測

本設計采用超聲波測距模塊來實現測距，該模塊自帶溫度補償傳感器，其測距精度為2cm～ 4.5m。 首先，設置STM32主控板向超聲測距模塊的TX 管腳輸入一個10μs 以上的高電平信號，通過外發送8個頻率為40 kHz的超聲波脈沖檢測返回信號特征;其次，結合測量溫度實現了自動校正;最后，在 Echo 端輸出一個持續時間為 T的高電平，借助 T 的數據便可求出前方垃圾箱剩余的容量深度。

4 結論

TM32板驅動LD3320進行語音識別的系統，作為總系統控制步進電機特定的旋轉。著重對人們說出垃圾名稱的關鍵字捕捉，從而配合垃圾分類設計的結構，控制步進電機特定轉動，在沒有捕獲到垃圾名稱時，垃圾投放口處于封閉狀態，防止垃圾未分類而使垃圾混雜。語音識別也處于待機狀態;在捕獲到名稱后，系統控制步進電機旋轉特定的角度，配合整體機械設計結構，系統可以推送出一一對應的垃圾分類投放口，指導公民準確投放垃圾，實現垃圾準確分類，并語音播報此時即將投放的垃圾所屬類別，準確指導人們垃圾分類，并將人們手持垃圾的所屬種類的意識映入公民的腦中，有效指導垃圾分類和分類意識的形成，提高了垃圾回收率。

參考文獻：

[1] 潘麗，賈冕茜.基于機器學習的智能垃圾分類系統設計[J].西昌學院學報（自然科學版），2022，36（2）：74-77，124.

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[4] 馮萬雷，劉耀龍，吳國峰，等.基于單片機控制的智能語音垃圾分類系統[J].電腦知識與技術，2021，17（35）：110-111，114.

[5] 王雪，葉長青，杜雨洋.基于樹莓派的智能垃圾分類桶設計[J].電腦知識與技術，2021，17（25）：114-115，120.

【通聯編輯：唐一東】

收稿日期：2022-06-15

基金項目：湛江市科技局科技攻關項目（2019B01155）

作者簡介：陳秀龍（1999—） ，男，本科生，研究方向為機械電子工程;通信作者：靳其寶（1975—） ，男，講師，博士，研究方向為機電系統控制與自動化、機電液裝備系統集成技術、智能控制。