智能语音识别分类垃圾桶的设计

智能语音识别分类垃圾桶的设计

陈启航1 ,刘伟伟1

1.山东建筑大学信息与电气工程学院 山东济南 250101

摘  要：垃圾分类处理是我国生态文明建设的重要环节，针对垃圾分类处理中的分类不清问题，设计一种智能语音识别垃圾桶。该系统以STM32单片机为控制核心，通过超声波模块实现人员监测，使用语音识别模块进行垃圾分类识别，根据识别结果控制对应垃圾桶的开合。所设计的智能语音识别分类垃圾桶结构简单，使用便捷。

关键词：垃圾桶；语音识别；STM32；智能化

0 引  言

随着城市化进程的加快和经济的快速发展，城市生活垃圾的产生量急剧增加，给环境保护和生态文明建设带来日益增加的承重负担[1-2]。为了提供更加便利的垃圾分类系统，同时兼顾垃圾分类处理的宣传工作，本文设计一款智能语音识别分类垃圾桶[3-4]。

1  系统总体方案设计

智能语音识别分类垃圾桶的总体设计框图如图1所示。该系统采用STM32单片机作为核心控制器，采用超声波模块实现人员监测，根据监测结果控制垃圾分类系统的启动；使用语音识别模块与核心控制器串口连接，进行垃圾分类语音识别；主控芯片根据垃圾分类识别结果控制四个舵机实现对四个垃圾桶的开合控制；同时采用OLED显示屏幕实现系统必要提示信息，提高系统使用的便利性。

图1 智能语音识别分类垃圾桶总体设计框图

2  系统硬件设计

智能语音识别分类垃圾桶的系统硬件设备采用模块化形式在STM32F103C8T6开发板上进行集成，由主控模块控制各个模块之间接口的数据传递和协同工作。

2.1  主控模块

主控模块采用STM32F103C8T6最小系统开发板，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位的微控制器[5-6]，工作频率72MHz，内置高速存储器、丰富的增强I/O端口和各种通信接口，能够实现与各种输入和输出模块的实时数据传输和处理，满足智能分类垃圾桶的预期功能设计需求。

2.2  语音识别模块

LD3320语音识别芯片属于非特定人语音识别，每次识别最多可以设置50项候选识别句，每个识别句可以是单字、词组或短句，长度为不超过10个汉字或者79字节的拼音串。

语音识别模块主要由LD3320芯片、内置咪头和自带STC11L08单片机三个部分组成，通过串口与主控模块进行通信，主控模块根据解析接收到的串口指令，控制LED灯的打开、关闭、调亮和调暗等操作。

本系统中实际选用的是由LD3320芯片、内置咪头和自带STC11L08单片机等电路部分组成的语音识别模块，语音识别模块通过串口与主控模块进行通信，主控模块根据解析接收到的串口指令，控制机械控制模块打开或关闭相对应的分类垃圾桶，完成垃圾投递过程。

2.3  感应模块

感应模块采用超声波模块实现人体感测，通过并行接口直接与主控模块进行通信，主控模块根据监测结果控制垃圾分类系统的启动。

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理：采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。

2.4  机械控制模块

机械控制模块由4个MG90s舵机组成，舵机分别安装在可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾四个分类垃圾桶上，并通过并行接口直接与主控模块进行信息交互，主控模块根据语音识别模块的识别结果，控制定时器3的四个通道输出PWM波形，从而实现相应分类垃圾桶的开合。

MG90s为模拟舵机，金属齿轮，可实现0-180o的角度偏转。主控模块通过定时器实现IO端口的PWM波形信号输出，通过调节输入PWM波形的占空比实现舵机不同角度的偏转，从而实现垃圾桶打开和闭合的相应控制。

2.5  显示模块

显示模块采用0.96英寸OLED显示屏，OLED显示屏供电电压3-5V，无需背光，分辨率为128*64，可用于显示汉字、ASCII码、图案等，具有对比度高、厚度薄、使用温度范围广、反应速度快以及可用于挠曲性面板等优异特性。

智能语音识别分类垃圾桶系统中采用SPI通信方式与主控模块进行单向数据传输，主要用于系统信息提醒和显示。

3 系统软件设计

智能语音识别分类垃圾桶的软件设计流程如下：

（1）系统上电后，先对感应模块、显示模块、人体红外感应模块和机械控制模块的舵机进行相应的初始化，完成初始化后，系统进入待机休眠模式。

（2）通过系统中的超声波模块对是否有人进入感应区进行监测，如果没有人，则系统继续处于休眠状态；如果有人，系统启动，OLED屏提示系统唤醒信息；系统唤醒后，垃圾投递人员可以根据系统提示信息说出需要投递的垃圾名称。

（

3）语音识别模块将垃圾投递人员的语音识别结果通过串口通信反馈至主控模块；主控模块解析接收到的语音指令，并根据解析结果判断出垃圾类型，将垃圾类型显示于OLED显示屏，达到普及垃圾分类知识的作用；同时控制相对应分类垃圾桶的舵机打开垃圾桶，垃圾投递者将垃圾放入相应的垃圾桶中，即完成了整个垃圾投递的流程。

4 结束语

所设计的智能语音识别分类垃圾桶通过语音识别技术赋予了垃圾桶对垃圾名称和类别的识别能力，通过主控模块的信息处理，能够控制机械模块打开相应垃圾桶，从而实现垃圾分类的智能化。本设计具有结构简单、成本低和使用便捷等优点。

参考文献：

[1]环卫行业现状与智能垃圾分类前景分析[J]. 卢鸣.  网络新媒体技术. 2019(01).

[2]智能垃圾分类回收系统设计应用研究[J]. 余汉生,陈瑶.  包装工程. 2018(18).

[3]基于语音识别技术的智能分类垃圾桶[J]. 魏子瑄,刘小刚,陈真贵,魏莲婧,刘丽娟.  单片机与嵌入式系统应用. 2020(01).

[4]王超宇,祝忠明,何春燕.基于STM32的多功能智能护眼台灯的设计[J].科技风,2019(12):2.

[5]聂茹.基于STM32F103C8T6的植保无人机设计[J].自动化技术与应用,2020,39(08):20-24.

[6]李丽颖,张金花,佘勃,彭静,张礼睿.基于STM32F103C8T6单片机的电动车智能充电桩计费系统设计[J].南方农机,2020,51(19):30-31+75.

【作者简介】

陈启航（2002-），男，山东德州人，本科生，研究方向：智能控制系统；

刘伟伟（1986-），女，山东烟台人，助理实验师，硕士研究生，研究方向：无线通信、嵌入式系统设计等；

基金项目：2021年山东建筑大学校级大学生创新创业训练计划项目“智能垃圾分类系统”

基金项目：2021年山东建筑大学校级大学生创新创业训练计划项目“智能垃圾分类系统”