基于物聯網技術的智能分類垃圾系統

摘 要：隨著城市經濟快速發展和城市化進程加快， 人們的生活日新月異，城市生活垃圾問題日益凸顯，垃圾分類變得尤為重要。然而，很多市民缺乏垃圾分類的相關知識，往往憑直覺進行分類，導致垃圾分類的錯誤率高，難以實現垃圾分類的目的。為了更加高效地實現垃圾分類，使垃圾分類順應潮流，更加智能化，設計了一款以STM32F103C8T6芯片為核心的語音識別分類垃圾桶。該垃圾桶內置語音識別模塊，通過識別接收到的語音信息，做出正確的反饋并通過舵機打開對應分類的垃圾桶蓋子。當垃圾桶中的垃圾溢滿從而觸發了紅外感應模塊時，系統觸發蜂鳴器警報，直至取出垃圾并重新蓋上蓋子后蜂鳴器才會停止。除此之外，語音識別模塊還具備自動調節音量的功能。基于STM32的語音識別分類的智能垃圾系統設計，能夠實現垃圾的智慧化分類和實時狀態監控，對于推動智慧城市建設和提升生活品質都有著積極的意義。

關鍵詞：物聯網技術；智能分類垃圾桶；STM32；語音識別；紅外收發；有人云平臺

中圖分類號：TP391.44；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-0-05

0 引 言

現如今，科技的發展使得智能化早已是不可阻擋的趨勢，智能家居、智能汽車等領域的快速發展無不彰顯著智能化的時代特色。在此背景下，環境治理領域也向著智能化不斷前進。其中，垃圾分類作為一個不可逾越的話題，隨著環境問題越來越突出，其引起了全球范圍內的廣泛關注[1]。隨著人們生活的改善，垃圾的排放量也在增加[2]。垃圾分類作為環境保護的關鍵一環，其重要性愈發凸顯。因此，環保行業急需一款能夠方便大眾使用的智能垃圾桶[3]，以實現高效、智能的垃圾分類。

智能垃圾桶的應用實例，可以深入挖掘用戶需求[4]，更加突顯了垃圾桶智能化的必要性。例如，基于WiFi定位的智能聲控垃圾桶，能夠借助藍牙技術和語音控制技術實現智能聲控垃圾桶的無線控制[5]。而基于聲音識別的智能聲控垃圾桶，能夠根據人的語音進行識別和定位并可根據指令移動到指定位置[6]。事實上，自動化程度高的智能垃圾桶可以潛移默化地促使人們養成自覺正確垃圾分類的好習慣[7]。然而，智能垃圾桶的一些先進功能還尚未得到廣泛應用[5]。 比如，垃圾桶的防溢出功能，能夠有效地避免垃圾溢出等問題[8]。在日常生活中，由于負責垃圾分類的清理員不能實時掌握每一個垃圾桶的運作狀態，導致垃圾桶不能被及時更換或清理[9-10]。

本文設計了通過語音智能控制的智能垃圾桶。該垃圾桶以STM32F103單片機為核心控制系統，通過語音識別模塊對用戶發出的語音信息進行識別，繼而進行語音反饋、垃圾類別判斷和打開對應分類的垃圾桶蓋等操作，高效且智能地實現了垃圾分類。它具備垃圾桶自動開關蓋、語音播報提示、系統信息顯示和數據云端管理等功能，提高了用戶的垃圾分類體驗，為社會群眾積極配合垃圾分類工作提供了有力支持。

1 系統方案

系統利用語音識別模塊識別用戶發出的語音信息，接收用戶的指令并做出相應的語音反饋，接著利用舵機完成垃圾桶蓋的開關，并在垃圾桶溢滿時觸發警報。系統結構設計如圖1所示，其中涵蓋了單片機開發技術、語音識別技術以及云平臺技術的綜合應用。系統通過傳感器模塊采集數據信息，再利用WiFi模塊將這些信息上傳至云平臺作進一步處理。

2 系統設計

本系統設計由硬件部分和軟件部分構成。在電源電壓保持穩定的狀態下，傳感器模塊負責采集信息，同時，主控芯片會和語音識別模塊建立聯系，以實現基本的語音識別功能。隨后，這些采集到的信息會被整合，并通過WiFi模塊傳輸至云端。系統的總體設計流程如圖2所示。

2.1 系統硬件設計

基于物聯網技術的智能分類垃圾系統的硬件系統主要由紅外收發模塊、蜂鳴器模塊、語音識別模塊、STM32F103C8T6和WiFi模塊組成。

2.1.1 紅外收發模塊

圖3所示為本系統的紅外收發模塊。紅外收發模塊采用TCRT5000紅外反射傳感器，該傳感器主要用于黑白檢測和障礙檢測。TCRT5000傳感器的紅外發射二極管持續發射紅外線，當發射出的紅外線未被反射回來或反射回來但是強度不夠大時，則紅外接收管將維持非導通狀態。在這種情況下，模塊的輸出電壓將保持在高水平，表明二極管處于非激活狀態。當被監控的對象進入監控區域，紅外線被反射回來且強度足夠大時，則紅外接收管飽和。此時，模塊的輸出端會呈現低電壓狀態，這表明二極管已被激活。

2.1.2 蜂鳴器模塊

圖4所示為本系統的蜂鳴器模塊。該蜂鳴器模塊的模塊接口是三線制的，與紅外收發模塊一樣支持3.3～5 V的電壓輸入，可以與5 V或者3.3 V的單片機直接相連，外接地線和單片機I/O口。該模塊采用S8050三極管來驅動。在I/O口輸入為低電壓的情況下，蜂鳴器會發出聲音。

2.1.3 語音識別模塊

圖5所示為本系統的語音識別模塊。選擇HLK-V20作為核心芯片，這是一款高效的AI加速架構，并且硬件和算法之間存在著高度的耦合關系。該模塊使用32 bit的RSIC內核，同時融合了DSP這一特定的信號處理與語音辨識工具。該模塊還配備有FPU運算單位和FFT加速器，通過神經網絡算法對音頻信息進行訓練和學習，從而增強其識別能力。該語音識別模塊支持與MCU的串口通信，在識別語音指令后，模塊會通過串口輸出相應的協議數據。MCU端串口在接收到來自語音識別模塊的數據后，即可根據指令執行相應的操作。該語音模塊采用5 V供電，平均待機功耗為63 mA。

2.1.4 機械控制模塊

本設計通過4個舵機來實現垃圾桶開啟和關閉的操作。舵機作為一種位置伺服驅動器，能夠有效地操作角度的改變，特別適合那些需要頻繁且穩定調整角度的控制系統。

舵機輸入信號是單片機產生的PWM信號，通過調節PWM信號的占空比，控制舵機的旋轉角度及方向。舵機電路接線圖如圖6所示。舵機有3條線，1條接電源（5 V），1條接地，最后1條則用于接收控制信號（即單片機輸出的PWM控制信號）。其工作原理是：單片機的4個引腳分別連接4個舵機的輸入端，通過發送PWM信號來控制舵機的工作狀態。舵機驅動電路內置基準電壓，要求輸入的PWM信號周期為20 ms，脈沖寬度為0.5 ms。通過對比輸入的信號與基準電壓，可以得出偏差結果，進而實現對外部設備（即垃圾桶蓋）轉動角度的精確控制。

2.1.5 STM32F103C8T6單片機

STM32單片機是意大利意法半導體公司推出的基于Cortex-M內核的新一代32位單片機系列，以其高性能、低功耗、一流的外設、易于使用和快速開發等特點，倍受廣大開發者青睞。

本次設計選用了STM32F103系列中的STM32F103C8T6型號單片機?！癝TM32”代表著基于ARM構架的32位微控制器；“F”表示這款產品為通用型；“103”標志著這款產品屬于該系列的增強版本，除了增強版還有基礎版本“101”、USB版“102”、互聯版“105”等。值得注意的是，STM32F103系列的增強版擁有高達72 MHz的時鐘頻率?！癈”表示該型號的引腳數目為48；“8”表示該型號閃存儲器的存儲容量為64 KB；“T”表示LQFP的封裝；“6”表示其在-40～85 ℃的工業級別溫度范圍內均能正常工作。單片機核心板的原理圖如圖7所示。

2.1.6 WiFi模塊

USR-C216是USR-C21系列中的一款高性價比WiFi模塊，專為嵌入式系統的無線網絡通信需求而設計。其采用低能耗的802.11 b/g/n模塊，使得用戶能夠將各類實體設備連接至WiFi網絡，進而實現物聯網的遠程操控和管理。USR-C216集成了 MAC、基頻芯片、射頻收發單元，內置低功耗運行機制，能夠有效降低能耗。USR-C216支持WiFi協議以及TCP/IP協議，用戶僅需簡單配置，即可實現UART設備的聯網功能。該模塊具備將串行數據轉換為網絡數據的能力，包括Socket和Httpd Client的轉換，極大地增強了那些原本缺乏網絡連接功能的設備的通信能力。數據云傳輸的過程如圖8所示。

WiFi模塊擁有UART接口，發送寄存器和接收寄存器共同構成DR（數據寄存器），CPU通過對USARTx-gt;DR進行寫/讀操作，可以分別實現發送/接收數據。WiFi模塊如圖9所示。

2.2 系統軟件設計

在軟件系統的構建過程中，需要對傳感器獲取的信息進行接收和處理，并將這些信息傳輸至微控制器中，執行數據融合、評估以及數據發送等步驟。具體的數據處理步驟如圖10所示。

2.2.1 STM32部分軟件設計

系統通過語音識別模塊和紅外收發模塊來收集數據，STM32F103負責接收并處理所有收集到的數據。語音識別模塊進行垃圾分類判斷的流程如圖11所示。

2.2.2 有人云物聯網平臺

智能垃圾桶只有在蓋子關閉的時候檢測并更新桶內垃圾余量，同時云端也會接收到更新后的垃圾余量信息。通過云端可以將智能垃圾箱有關容量、經緯度等信息進行圖形化顯示。當垃圾量超過設定值時，有人云會發送警報信息，提醒用戶對垃圾桶進行清理。

當用戶點擊聯網設備時，跳轉至垃圾信息界面，如圖12所示。該界面集中展示了垃圾類別名、垃圾內存、垃圾桶的位置經緯度等詳細信息。點擊“歷史查詢”按鈕可以進行垃圾溯源。點擊“主動采集”按鈕可以主動采集垃圾桶相關的數據。報警信息處理界面如圖13所示。

3 系統驗證

用戶在插上電源之后，說出垃圾分類喚醒詞，系統識別后會自動回復“我來了”。垃圾桶初始通電狀態如圖14所示。在智能垃圾桶中投放廚余垃圾、其他垃圾、有害垃圾時的狀態分別如圖15、圖16和圖17所示。

在系統語音回復之后10 s內說出要扔垃圾的名字，垃圾桶就會自行判斷垃圾所屬分類并播報分類后的結果，隨后自動開啟對應分類的垃圾桶的蓋子，3 s后自動關閉。如果垃圾桶蓋子打開之后檢測到垃圾溢滿，系統會通過觸發蜂鳴器警報提醒用戶。如果垃圾溢滿，用戶需要再次說出垃圾的名字，打開垃圾桶蓋并取走垃圾。當垃圾桶蓋閉合后沒有檢測到垃圾桶溢滿，警報聲才會解除。另外點擊菜單欄中的聯網設備按鈕，可以跳轉到智能垃圾桶數據查看界面，如圖18所示。

4 結 語

針對當前環境下的垃圾分類現狀，本文設計了一款基于STM32的智能語音識別分類垃圾桶。該智能垃圾桶能夠通過內置的語音識別模塊精準識別用戶發出的語音信息，根據指令做出相應的語音反饋并執行相應的操作。此外，該系統還具備通過云平臺監控垃圾桶狀態的功能。智能垃圾桶的實現為垃圾分類工作的自動化、智能化和高效化提供了有力支持，在潛移默化中增強人們的垃圾分類意識及素養，促使垃圾分類良好習慣的養成。

注：本文通訊作者為殷婷婷。

參考文獻

[1] 郭心如，郝慧榮，耿正龍，等.節能交互型智能垃圾桶的設計[J].科學技術創新，2021（6）：143-145.

[2] 齊彥. ARM單片機的語音識別在智能垃圾桶設計中應用[J].電子世界，2021（6）：194-195.

[3] 王鵬程，胡宏亮，楊旭.基于CATIA建模的多功能智能垃圾桶設計[J].機電工程技術，2021，50（3）：146-148.

[4] 黃勁松，甘卓倫.基于場景分析的家用智能垃圾桶設計研究[J].機械設計，2021，38（4）：139-144.

[5] 郭建軍，林麗君，陳紅斌，等.基于WiFi定位的智能聲控垃圾桶[J].科技經濟導刊，2020，28（4）：38.

[6] 郭建軍，林麗君，陳紅斌，等.基于聲音識別的智能聲控垃圾桶[J].科學技術創新，2020（3）：95-96.

[7] 魏子瑄，劉小剛，陳真貴，等.基于語音識別技術的智能分類垃圾桶[J].單片機與嵌入式系統應用，2020，20（1）：79-82.

[8] 蘇韌波，邵榮輝，郭兆陽，等.智能垃圾桶[J].工程機械，2019，50（12）：110-114.

[9] 胡煜，王勛，陶銘.基于NB-IoT的智能垃圾桶系統設計與實現[J].物聯網技術，2021，11（5）：96-98.

[10]趙廣龍，王一飛，杜崢，等.基于NB-IoT的智能垃圾桶研究與設計[J].信息通信，2019（12）：113-114.