淺談一種智能家居垃圾桶的設(shè)計(jì)

張瑞丹 房新月 李銀輪

摘 要 對(duì)一款具有語(yǔ)音控制、智能開(kāi)關(guān)蓋、超聲波避障、自動(dòng)打包和夜燈功能的家居垃圾桶進(jìn)行原理分析及流程圖展示，賦予垃圾桶多功能應(yīng)用，旨在提高居民生活品質(zhì)。

關(guān)鍵詞 垃圾桶;語(yǔ)音識(shí)別;超聲波避障

1背景

隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)呈現(xiàn)出一種智能化的趨勢(shì)，智能家居、智慧城市、智能物流的出現(xiàn)極大地改善了人們的生活，為人們帶來(lái)了便利[1]。垃圾桶作為生活中必不可少的家居用品，市面上產(chǎn)品卻良莠不齊、功能模式單一、無(wú)法滿足人們的日常生活需求，因此設(shè)計(jì)一款基于語(yǔ)音控制、隨叫隨到、智能打包的多功能垃圾桶，創(chuàng)造一個(gè)安全、舒適、幸福的家居環(huán)境。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

接收到語(yǔ)音命令后，語(yǔ)音控制系統(tǒng)將信號(hào)傳輸給單片機(jī)控制系統(tǒng)，做出運(yùn)算后，發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。超聲波檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到有障礙物時(shí)，將障礙物信號(hào)發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)做出相應(yīng)判斷并反饋給超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，繞開(kāi)障礙物繼續(xù)前進(jìn)，直至到達(dá)目的地。當(dāng)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到上方有垃圾時(shí)，發(fā)生信號(hào)至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制開(kāi)蓋系統(tǒng)工作，垃圾桶蓋打開(kāi)并延長(zhǎng)一定時(shí)間再關(guān)閉。電源系統(tǒng)由組成垃圾桶壁的薄膜光伏構(gòu)件及鋰電池組成，在無(wú)命令時(shí)，薄膜光伏構(gòu)件為系統(tǒng)供電且將多余電量?jī)?chǔ)存在鋰電池中，晚上無(wú)光照時(shí)，鋰電池為系統(tǒng)供電。夜燈系統(tǒng)在處于設(shè)定時(shí)間段時(shí)，語(yǔ)音檢測(cè)模塊檢測(cè)到語(yǔ)音時(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)垃圾桶邊緣側(cè)的小夜燈，在漆黑的室內(nèi)提供照明工作。自動(dòng)打包系統(tǒng)為當(dāng)傳感器檢測(cè)到桶內(nèi)垃圾超過(guò)4/5位置時(shí)發(fā)出信號(hào)至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制打包裝置收口擠壓，利用熱能將將垃圾袋熔融封口，并開(kāi)蓋提醒需更換垃圾袋。

綜上所述，垃圾桶設(shè)計(jì)原理圖如下。

3系統(tǒng)功能分析

3.1 智能語(yǔ)音系統(tǒng)

垃圾桶安裝語(yǔ)音識(shí)別模塊，可以直接通過(guò)語(yǔ)音指令，控制垃圾桶的移動(dòng)狀態(tài)和垃圾桶蓋的閉合。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)就是非特定人的語(yǔ)音通過(guò)機(jī)器的識(shí)別，理解轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的字符串或者指令。具體的實(shí)現(xiàn)步驟包括：采取語(yǔ)音樣本，確定語(yǔ)音輸入的起始點(diǎn)，計(jì)算語(yǔ)音頻譜，分解輸入信號(hào)，關(guān)鍵詞識(shí)別，對(duì)輸入信號(hào)做出反應(yīng)[2]。系統(tǒng)識(shí)別到“過(guò)來(lái)”命令后，將信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將處理后的信號(hào)傳輸給超聲波避障系統(tǒng)，并到達(dá)目的區(qū)域;識(shí)別到“離開(kāi)”指令后，在返回原處，完成一個(gè)工作流程。智能語(yǔ)音系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3.2 智能開(kāi)關(guān)蓋系統(tǒng)

在垃圾桶蓋上方安裝有超聲波檢測(cè)模塊，當(dāng)檢測(cè)到垃圾桶上方有垃圾處于閾值內(nèi)時(shí)，桶蓋打開(kāi)并延遲一定時(shí)間，再次檢測(cè)到上方閾值內(nèi)無(wú)障礙物時(shí)，桶蓋關(guān)閉。流程圖如圖3所示。

3.3 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)

超聲波檢測(cè)系統(tǒng)包括檢測(cè)系統(tǒng)與避障系統(tǒng)兩部分，檢測(cè)系統(tǒng)為自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋服務(wù)，避障系統(tǒng)工作于定位與行走。在垃圾桶的前、左、右方均設(shè)置有超聲波檢測(cè)，當(dāng)有障礙時(shí)，超聲波檢測(cè)模塊會(huì)將信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)依據(jù)收集的信號(hào)做出反饋。單片機(jī)發(fā)出命令給電機(jī)系統(tǒng)，控制行走方向直至到達(dá)目的地。

3.4 自動(dòng)打包系統(tǒng)

桶內(nèi)剩余空間可通過(guò)超聲波測(cè)距計(jì)算得到[3]。計(jì)算得出桶內(nèi)剩余容量?jī)H為垃圾桶容量的1/5處時(shí)，將此信號(hào)輸送給單片機(jī)，單片機(jī)控制桶口處的傳動(dòng)絲杠，帶動(dòng)兩個(gè)電熱棒向中間移動(dòng)，處于中間位置相互接觸時(shí)，開(kāi)始加熱電熱棒的熱熔薄片，加熱一定時(shí)間后停止加熱，在電熱棒相互擠壓和加熱的過(guò)程中，垃圾袋局部熔融并黏結(jié)在一起，封口打包完成。之后將完成的信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)控制垃圾桶開(kāi)蓋提醒用戶需要更換垃圾袋。

3.5 夜燈系統(tǒng)

夜燈在黑夜起照明作用，減少夜間家庭電力能源消耗。在晚上23：00至凌晨5：00期間內(nèi)，智能語(yǔ)音系統(tǒng)接收到語(yǔ)音后啟動(dòng)夜燈系統(tǒng)，位于桶底部的夜燈開(kāi)啟并持續(xù)5分鐘之后關(guān)閉，夜燈燈光柔和適中、不會(huì)影響家人睡眠、方便夜間生活。

3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

單片機(jī)收集到各個(gè)信號(hào)時(shí)，進(jìn)行運(yùn)算并做出反應(yīng)輸送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋系統(tǒng)中控制垃圾桶的開(kāi)關(guān)蓋功能;在超聲波避障系統(tǒng)中控制垃圾桶的前進(jìn)軌跡，可實(shí)現(xiàn)前行、后退、左拐、右拐功能;在自動(dòng)打包裝置中控制電熱棒的移動(dòng)以便封口打包。

3.7 電源系統(tǒng)

薄膜電池組件具有轉(zhuǎn)化效率高、光吸收能力強(qiáng)、弱光性好、衰退少的特點(diǎn)，故采用薄膜電池與垃圾桶壁相結(jié)合組成薄膜構(gòu)件，垃圾桶壁既作為垃圾桶的一部分同時(shí)還具有發(fā)電功能，為系統(tǒng)提供綠色能源。備用電源采用鋰離子電池為系統(tǒng)提供電能。因鋰離子電池具有高電壓、高容量、高安全性及循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。

3.8 STM32單片機(jī)

STM32單品機(jī)為整個(gè)產(chǎn)品的核心裝置。STM32單片機(jī)其運(yùn)算速度是51單片機(jī)的幾十倍。該單片機(jī)融高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、低電壓、豐富的外圍接口于一身，配合豐富的軟硬件開(kāi)發(fā)工具，讓該類(lèi)單片機(jī)成為項(xiàng)目中解決方案的理想選擇[5]。適合作為該智能垃圾桶的控制系統(tǒng)。

4結(jié)束語(yǔ)

在人工智能的浪潮下，智能家居因貼近生活，而被人們所憧憬。該產(chǎn)品利用太陽(yáng)能將垃圾桶，語(yǔ)音控制、超聲波檢測(cè)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)蓋集于一體，使科技與綠色、環(huán)保相結(jié)合，符合可持續(xù)發(fā)展理念。且該款智能垃圾桶反應(yīng)速度快、系統(tǒng)誤差較低、功能多且實(shí)用、具有一定的市場(chǎng)價(jià)值和商業(yè)前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉曉蒙，趙立強(qiáng)，李偉.一種新型智能垃圾桶的設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（9）：79-81.

[2] 王志，雷達(dá)，周仔明，等.基于Arduino語(yǔ)音控制室內(nèi)垃圾分類(lèi)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2020，16（5）：81-82.

[3] 崔明珠，董玉華，陳冰.景區(qū)智能垃圾桶的設(shè)計(jì)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2016，6（6）：124-126.

[4] 王力臻，張文靜，劉玉軍，等.MF對(duì)鋰離子電池負(fù)極的修飾改性[J].電源技術(shù)，2014，38（6）：1030-1033.

[5] 郭昌鑫，陳公興.基于深度學(xué)習(xí)的智能垃圾桶識(shí)別分類(lèi)系統(tǒng)[J].科技與創(chuàng)新，2020（12）：30-31，35.

作者簡(jiǎn)介

張瑞丹（1999-），現(xiàn)就讀學(xué)校：青海師范大學(xué)，本科在讀，研究方向：新能源科學(xué)與工程。

李銀輪（1963-），男;職稱(chēng)：教授，現(xiàn)就職單位：青海師范大學(xué)，研究方向：新能源應(yīng)用技術(shù)。