一種智能分類分揀垃圾桶的設計

李 敏

（山西工程科技職業大學信息工程學院，晉中 030619）

0 引言

隨著經濟的快速發展，人民生活水平日益提升，垃圾分類和垃圾處理問題逐漸引起社會關注，合理地進行垃圾分類處理，將提高廢物管理的效率，保護人類，減少環境污染問題［1］。伴隨5G 時代的來臨，物聯網技術的蓬勃發展，垃圾桶也越來越智能化、個性化，傳統的手動翻蓋和半開放式系統已無法有效隔離細菌和保護人們。

本設計將語音識別和顏色識別融入垃圾分類分揀系統控制中，借助嵌入式微型傳感器檢測和收集環境信息，利用無線網絡實現遠程控制并將結果傳輸回終端用戶，實現環保、人類、計算機三個領域的高效連通［2-3］。通過語音交互實現了人性化的人機操作界面，對家庭生活垃圾分類處理，最大限度實現廢物利用，減少處理的垃圾數量［4-5］。

1 系統整體設計

本設計中，智能垃圾桶控制系統主要包括五個模塊：主控芯片模塊、語音識別模塊、顏色識別模塊、無線通信模塊、執行模塊。主控芯片是系統的核心，使系統運行各功能模塊執行相應工作；語音識別模塊將以麥克風輸入語音關鍵詞；顏色識別模塊中顏色識別傳感器采集顏色信息傳輸給控制器，利用算法程序轉換為電信號，通過電平變化控制對應的指示燈和舵機，進而控制垃圾桶；紅外傳感器檢測垃圾桶裝滿時，蜂鳴器報警，并通過無線通信模塊將信息發送用戶端；光線檢測模塊通過檢測光線強弱，來控制垃圾桶的燈光顯示［6］。系統硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖

2 系統硬件設計

本設計以STC89C52 單片機作為處理核心，SU-03T 語音識別模塊識別輸入的關鍵詞，TCS3200 顏色識別模塊識別特定顏色，輸入信號通過控制程序處理后識別電信號，并根據程序將信號發送給各執行模塊，實現垃圾桶的智能分類分揀。光線檢測傳感器和紅外距離傳感器將采集到的數據發送給控制單元，處理后發送給語音模塊和光控照明模塊，實現光控照明和溢滿報警。Wi-Fi 無線通信ESP8266 模塊與終端設備相連，可實現無線網絡通信，既能夠通過APP 輸入特定指令控制執行模塊，也可遠程掌握垃圾桶狀態，進行及時處理。系統總體電路如圖2所示。

圖2 系統總體電路

2.1 主控模塊

主控模塊采用STC89C52 芯片，具有8 k 字節的閃存，512 字節的RAM，32 位IO 端口線，看門狗定時器，4 KB 內部EEPROM，MAX810復位電路，三個16 位定時器計數器，六矢量兩級中斷結構和全雙工串行端口。

2.2 語音識別模塊電路設計

語音識別模塊為了實現智能化，通過人聲音控制，可實現垃圾桶的自動關閉和打開，在設計過程中將人類語言中關鍵詞內容，通過數電轉換成可被單片機處理的信息［7］。本設計中采用SU-03T語音識別模塊，其高精度集成了AD和DA 接口，無需外部閃存和RAM 來實現語音識別和人機交互功能，關鍵詞列表可以動態編輯。通過麥克風采集語言中的相關垃圾名詞，通過內部集成的算法，與數據庫中的數據進行匹配對比，將匹配的結果通過執行模塊做出相應動作：語音模塊播報垃圾類別，對應類別垃圾桶的指示燈亮起并打開。語音識別模塊電路如圖3所示。

圖3 語音識別模塊電路

2.3 顏色識別模塊電路設計

顏色識別模塊采用TCS3200，該顏色識別模塊集成大量光學傳感器，每個傳感器都有四個不同的濾光片：紅、綠、藍和透明。六個彩色濾光片中的每一個都被平均排列，以抵消色移位置上的顏色成分，內置的振蕩器發出一個方波，其頻率與所選光線的強度成正比［8］。色彩檢測基于“三原色檢測”原理，從構成不同顏色的三原色的數值中確定被控制物體的顏色。顏色檢測模塊的電路設計如圖4所示。

圖4 顏色檢測模塊電路設計

2.4 無線通信模塊電路設計

本設計中采用ESP8266 Wi-Fi 模塊實現無線通信，該模塊上所搭載的芯片有強大的處理和存儲能力，可應用于不同方案中的無線通信設計，在初始設置和操作過程中最大限度地減少系統資源。ESP8266 主要集成在芯片上，包括用于天線切換的平衡器和用于電源管理的轉換器，由于高度的片上集成，資源需求是最小的，在電路板上占用最小的空間，利于整體設計［9］。ESP8266Wi-Fi模塊電路如圖5所示。

圖5 無線通信模塊電路設計

2.5 語音模塊電路設計

本設計采用WT588D 語音模塊進行語音反饋與輸出。當輸入指令打開或關閉對應垃圾桶時，語音模塊會進行播報；并且垃圾桶溢滿時，會提醒傾倒垃圾，體現人性化設計。語音播報模塊的電路設計如圖6所示。

圖6 語音模塊原理圖

2.6 溢滿檢測電路設計

垃圾溢滿檢測設計中采用TCRT5000紅外距離模塊，根據發射的紅外線反射情況檢測物體出現范圍，本設計使用四個TCRT5000作為垃圾桶的溢滿檢測模塊，分別位于垃圾桶四個角度，極大程度減少錯檢情況。溢滿檢測電路如圖7所示。

圖7 溢滿檢測電路

2.7 光線檢測模塊

設計中使用光敏電阻GX-5 來檢測環境的光照強度，當光照強度不足時模塊輸出高電平，單片機P33 接口接收到信號后控制照明燈點亮。光線檢測電路設計如圖8所示。

圖8 光線檢測電路

3 系統軟件設計

系統軟件設計采用模塊化設計思路，由主程序和子程序構成，將每個特定的功能分成不同模塊。智能分類分揀垃圾桶的程序由主程序以及語音識別、顏色識別、無線通信、舵機驅動等子程序構成。

3.1 系統主程序設計

主程序在運行時首先需要對兩個主要的串口進行初始化，然后接收語音識別、顏色識別、無線通信向串口發送的數據，判斷是否打開相應的垃圾桶，再由舵機執行垃圾桶開蓋程序。程序執行開始后，首先進行初始化，然后開始讀取串口2和串口3的數據。串口3收到數據時，判斷識別類型。若為語音識別則根據垃圾名稱判斷垃圾的類別；若為顏色識別則根據垃圾袋的顏色來判斷垃圾種類，然后執行垃圾桶開蓋程序，并進行關蓋倒計時。串口2 收到數據時，判斷遙控指令進而進行垃圾桶開/關蓋程序。再通過延時判斷，是否關閉垃圾桶蓋。滿足條件則垃圾桶蓋關閉，不滿足則判斷垃圾桶是否溢滿。垃圾溢滿語音模塊會進行播報提醒，并發送溢滿信息返回串口；若垃圾沒有溢滿則直接返回串口。系統主程序設計如圖9所示。

圖9 系統主程序設計

3.2 識別系統子程序設計

識別系統子程序設計首先對端口進行初始化，然后通過讀取串口數據（即根據顏色模塊和語音模塊進行信息采集）作出判斷：收到數據時，讀取指令判斷數據類型，若存在相符指令則打開對應的垃圾桶蓋，然后返回重新讀取串口數據；若沒有對應數據則直接重新讀取串口數據。若沒有收到數據，則緩存清零，返回重新讀取串口數據。識別系統程序設計圖如圖10所示。

圖10 識別系統程序設計

3.3 舵機驅動子程序設計

舵機驅動用于控制垃圾桶蓋開合，要打開垃圾桶蓋，需將舵機旋轉到0°，發出一個占空比為1.5 ms 的控制脈沖；關閉時需旋轉到-90°，發出一個占空比為0.5 ms 的控制脈沖。舵機驅動程序設計如圖11所示。

圖11 舵機驅動程序設計

3.4 系統測試

系統整體設計完成，為保證設計功能有效實現，分別對語音識別模塊、顏色識別模塊、語音播報功能、Wi-Fi 通信功能等進行系統測試。將系統接上5 V電源，系統開始工作，并進行“歡迎使用分類垃圾桶”語音播報。使用顏色識別時，首先進行白平衡調節，通過人體檢測模塊判斷有人使用，之后識別顏色打開對應垃圾桶。光控照明模塊會在光線不足時，自動開啟燈光照明。垃圾滿的時候語音提醒“垃圾已滿，請及時清理”通過Wi-Fi無線通信向手機發送信息，手機通過APP遙控發送指令，對應指令控制垃圾桶開合。設計實物展示如圖12所示。

圖12 智能垃圾桶實物展示

4 結語

本設計采用51 系列單片機作為智能分類分揀垃圾桶的主控制芯片，通過外圍電路的各種模塊與傳感器使垃圾桶具備了語音識別和顏色識別功能，方便了生活垃圾的分類分揀。智能化分類分揀垃圾桶的設計，在響應國家垃圾分類，多舉措提升生活質量的同時，也使用戶感受到智能化所帶來的便捷［10］。