聲控智能分類垃圾桶的設(shè)計(jì)與開發(fā)*

王宇鑫，劉 健，楊 哲，鄭松霖，徐偉杰

（1. 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué)工程教學(xué)實(shí)習(xí)訓(xùn)練中心， 天津 300387）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和物質(zhì)消費(fèi)水平大幅提高，我國生活垃圾產(chǎn)生量迅速增長，環(huán)境問題日益突出，城市垃圾處理已經(jīng)成為關(guān)系城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要影響因素，從而被列入政府議程[1]。十九大報(bào)告指出：“生態(tài)文明制度體系加快形成，主體功能區(qū)制度逐步健全，國家公園體制試點(diǎn)積極推進(jìn)。全面節(jié)約資源有效推進(jìn)，能源資源消耗強(qiáng)度大幅下降”。垃圾分類處理不僅可以營造適宜居住的城市環(huán)境，同時(shí)通過引導(dǎo)居民垃圾分類可加強(qiáng)居民環(huán)保意識(shí)，促進(jìn)資源回收再利用[2-3]。

垃圾分類處理從最開始的人工式，到發(fā)出提醒的半自動(dòng)式，再到感應(yīng)式，其中感應(yīng)式通常是通過識(shí)別垃圾的材質(zhì)、顏色、成分、重量、尺寸等特征來實(shí)現(xiàn)的，最后發(fā)展成智能化程度很高的全自動(dòng)小型機(jī)器人型，這也是該領(lǐng)域的發(fā)展方向[4]。目前，智能化垃圾分類的研究主要集中在社區(qū)和回收站的垃圾分類作業(yè)中，針對家庭層面智能分類垃圾桶還在研究和發(fā)展中[5]。為此本文針對家庭幼兒垃圾分類教育及家庭層面使用，設(shè)計(jì)研發(fā)了聲控智能分類垃圾桶，當(dāng)幼兒說出垃圾的名稱時(shí)，垃圾桶即可判斷其類別，并告知答案，同時(shí)旋轉(zhuǎn)至對應(yīng)垃圾分區(qū)以進(jìn)行正確投放；另外，垃圾桶具備遙控、紅外避障功能，增加幼兒使用的趣味性，從小培養(yǎng)垃圾分類意識(shí)，寓教于樂。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，聲控智能分類垃圾桶主要包括垃圾識(shí)別系統(tǒng)1、桶體2、雙層蓋系統(tǒng)3 和移動(dòng)控制系統(tǒng)4。以51 單片機(jī)為主控芯片，接收垃圾識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別信號和移動(dòng)控制指令，分別驅(qū)動(dòng)雙層蓋系統(tǒng)和移動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)垃圾分類語音反饋及投放和自主移動(dòng)。

圖1 聲控智能分類垃圾桶

垃圾識(shí)別系統(tǒng)采用的是LD3320 語音識(shí)別模塊，利用語音識(shí)別模塊儲(chǔ)存海量生活垃圾關(guān)鍵詞，通過語音輸入比對識(shí)別垃圾分區(qū)，然后通過主控板發(fā)出指令信號指定垃圾投放位置。

如圖1所示，桶體包括控制元件區(qū)21、主桶區(qū)22、4類垃圾內(nèi)桶23和方管通道24，主桶區(qū)采用圓柱形桶，控制元件區(qū)位于主桶區(qū)底部，其中放置主控板、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電源等控制元件及配件，主桶區(qū)內(nèi)部按圓周均勻放置可回收物、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾4類垃圾內(nèi)桶，4類垃圾內(nèi)桶中心形成豎直長方體空間，方管通道安裝于中心豎直長方體空間中。

如圖2 所示，雙層蓋系統(tǒng)由電動(dòng)推桿31、步進(jìn)電機(jī)32、鈑金架33、桶蓋34、旋轉(zhuǎn)蓋35 和離合塊36組成，鈑金架為正好包裹步進(jìn)電機(jī)的金屬片框，電動(dòng)推桿固定端安裝于方管通道底部，利用鈑金架將步進(jìn)電機(jī)安裝于電動(dòng)推桿執(zhí)行端，在電動(dòng)推桿的作用下步進(jìn)電機(jī)可沿著方管通道上下移動(dòng)，桶蓋中心位置開設(shè)正方形通孔，以桶蓋中心為中心、過正方形通孔一邊的兩個(gè)端點(diǎn)向外延伸開設(shè)一扇形通槽作為垃圾投放口，旋轉(zhuǎn)蓋形狀與桶蓋的垃圾投放口形狀相同，用于遮蓋桶蓋的垃圾投放口，旋轉(zhuǎn)蓋轉(zhuǎn)軸位置開設(shè)正方形盲槽，離合塊兩端為正方形軸段、中間為圓柱軸段，離合塊底端的正方形軸段與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸共軸心相連，并內(nèi)嵌于桶蓋中心正方形通孔中且可以自由滑動(dòng)，離合塊頂端的正方形軸段內(nèi)嵌于旋轉(zhuǎn)蓋中心正方形盲槽中并進(jìn)行固連。

圖2 雙層蓋系統(tǒng)

移動(dòng)控制系統(tǒng)安裝于桶體底部，采用麥克納姆輪底盤，可通過遙控方式或者紅外避障方式控制萬向輪底盤實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。

2 工作原理

2.1 工作過程

設(shè)計(jì)的智能分類垃圾桶中垃圾識(shí)別系統(tǒng)的主控板接收到語音識(shí)別模塊發(fā)出的垃圾類別指令信號后，雙層蓋系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)離合塊帶動(dòng)桶蓋和旋轉(zhuǎn)蓋一起發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使旋轉(zhuǎn)蓋旋轉(zhuǎn)至已識(shí)別的垃圾內(nèi)桶上方，然后電動(dòng)推桿向上運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)離合塊底端的正方形軸段脫離桶蓋中心的正方形通孔，隨后步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)離合塊帶動(dòng)與之相連的旋轉(zhuǎn)蓋旋轉(zhuǎn)90°，從而露出桶蓋上的垃圾投放口，以便于將垃圾投入對應(yīng)的垃圾內(nèi)桶，經(jīng)過延時(shí)控制后電動(dòng)推桿回到初始位置，最后步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)離合塊帶動(dòng)桶蓋和旋轉(zhuǎn)蓋也回到初始位置。

2.2 控制原理

2.2.1 聲控語音識(shí)別模塊

使用LD3320語音識(shí)別模塊來實(shí)現(xiàn)聲控垃圾分類功能，內(nèi)部預(yù)設(shè)大量生活垃圾關(guān)鍵詞。LD3320 芯片是一款 “語音識(shí)別” 專用芯片，該芯片集成了語音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括AD、DA 轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。該芯片不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM等，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別/聲控/人機(jī)對話功能，并且識(shí)別的關(guān)鍵詞語列表是可以任意動(dòng)態(tài)編輯的[6-7]。

當(dāng)幼兒拿著想要投放的垃圾靠近垃圾桶后，對著垃圾桶說出垃圾的名字，例如：礦泉水瓶、廢紙、 易拉罐等， LD3320語音識(shí)別模塊會(huì)捕捉其中的關(guān)鍵字，進(jìn)而判斷該垃圾的類型，向?qū)?yīng)的引腳輸出低電平0，單片機(jī)對應(yīng)引腳接受到信號后控制雙層蓋系統(tǒng)發(fā)生動(dòng)作，之后單片機(jī)控制SV5W 語音播放模塊播放錄制好的音頻，待4 s 后，反向執(zhí)行剛才的程序，使雙層蓋系統(tǒng)回到初始的位置。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 語音識(shí)別垃圾分類投放原理

2.2.2 移動(dòng)控制模塊

（1）紅外遙控：利用紅外遙控器遙控垃圾桶前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止動(dòng)作。

（2）紅外避障：利用兩路紅外避障傳感器感知前方障礙，將信號反饋給51單片機(jī)，單片機(jī)對相關(guān)信號進(jìn)行識(shí)別與處理，然后控制垃圾桶避開障礙實(shí)現(xiàn)自主行走。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的聲控智能分類垃圾桶主要有4個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

（1）專為低齡兒童學(xué)習(xí)垃圾分類知識(shí)所設(shè)計(jì)，同時(shí)可以遙控移動(dòng)，方便家庭生活；從小培養(yǎng)兒童垃圾分類意識(shí)，實(shí)現(xiàn)垃圾分類啟蒙教育，寓教于樂。

（2）具備交互系統(tǒng)，垃圾桶可根據(jù)語音自行判斷垃圾類別并進(jìn)行投放，降低由人工分辨垃圾類別而產(chǎn)生的錯(cuò)誤率。

（3）在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，該垃圾與常規(guī)的翻蓋類垃圾桶不同，通過類似離合器的雙層蓋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)桶蓋與旋轉(zhuǎn)蓋的離合與共轉(zhuǎn)。

（4）具有移動(dòng)控制功能，在家庭中僅配備一個(gè)聲控智能分類垃圾桶即可到達(dá)多個(gè)房間完成垃圾投放，為家庭生活提供方便。