基于STM32語(yǔ)音識(shí)別的垃圾分類機(jī)器人設(shè)計(jì)

吳樹(shù)添，全釗鋒，覃雪婷，冉秋桂，藍(lán)國(guó)財(cái)，劉光曉，林雪瓊

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 前言

目前我國(guó)各城市正在深入開(kāi)展?fàn)巹?chuàng)國(guó)家衛(wèi)生城市活動(dòng)，這是全國(guó)愛(ài)國(guó)衛(wèi)生運(yùn)動(dòng)委員會(huì)辦公室評(píng)選命名的國(guó)家級(jí)衛(wèi)生優(yōu)秀城市的最高榮譽(yù)，是一個(gè)城市綜合素質(zhì)的重要標(biāo)志。沈陽(yáng)市正在深入開(kāi)展創(chuàng)建國(guó)家衛(wèi)生城市和建設(shè)國(guó)家健康城市(以下簡(jiǎn)稱“雙城雙創(chuàng)”)工作，全面加強(qiáng)區(qū)域衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)城鄉(xiāng)環(huán)境衛(wèi)生改善，營(yíng)造整潔健康的市容環(huán)境，解決與人民群眾切身利益息息相關(guān)的社會(huì)衛(wèi)生問(wèn)題，爭(zhēng)創(chuàng)生態(tài)宜居的健康示范城市。本設(shè)計(jì)的投放使用將使普通市民從不隨手亂扔垃圾這樣的點(diǎn)滴小事做起，養(yǎng)成良好的衛(wèi)生健康習(xí)慣，成為“雙城雙創(chuàng)”的主動(dòng)參與者，踴躍參與到環(huán)境治理中來(lái)，成為“雙城雙創(chuàng)”的積極踐行者。在逐步完善長(zhǎng)效管理機(jī)制中，智能垃圾桶的使用可以是人人可見(jiàn)的亮點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)思路

目前市場(chǎng)上智能垃圾桶比較多，但是一般是應(yīng)用超聲波傳感器或者是人體傳感器，這樣子的垃圾桶比較難應(yīng)用到人流穿梭的街道，而語(yǔ)音控制的垃圾分類機(jī)器人，可以通過(guò)語(yǔ)音喚醒，也可以通過(guò)按鍵觸發(fā)喚醒語(yǔ)音識(shí)別，這樣子可以應(yīng)用于人群密集和時(shí)常走動(dòng)的街道，較好地解決了人群流動(dòng)造成的系統(tǒng)誤以為有人需要丟垃圾而觸發(fā)的打開(kāi)垃圾桶蓋的影響，本設(shè)計(jì)使用STM32作為主要控制的芯片開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)了一款可以通過(guò)語(yǔ)音控制的垃圾分類機(jī)器人，本設(shè)計(jì)研究的“語(yǔ)音控制垃圾分類機(jī)器人”主要是幫助人們將垃圾進(jìn)行分類，使垃圾在清理時(shí)無(wú)需再次人工分類，能有效地節(jié)約環(huán)衛(wèi)工人的時(shí)間，本設(shè)計(jì)會(huì)在你說(shuō)出垃圾的名稱時(shí)自動(dòng)打開(kāi)該垃圾相應(yīng)的垃圾類型的桶蓋并且通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)告訴你是屬于什么類型的垃圾，當(dāng)檢測(cè)到垃圾裝滿后可以ESP8266-01這款無(wú)線WIFI模塊通過(guò)MQTT協(xié)議連接中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)OneNet云平臺(tái)告知工作人員垃圾已經(jīng)裝滿，等工作人員清理，以確保不會(huì)出現(xiàn)垃圾后期需要進(jìn)行分類和垃圾堆積的現(xiàn)象。本文使用STM32作為主要控制的芯片設(shè)計(jì)這款語(yǔ)音控制垃圾分類機(jī)器人來(lái)進(jìn)行垃圾的分類，其主要是為了方便人們對(duì)垃圾進(jìn)行分類，從而減少環(huán)衛(wèi)工人的工作量和提高人們對(duì)垃圾進(jìn)行分類的意識(shí)，且本設(shè)計(jì)能夠把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、高頻技術(shù)、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等理論知識(shí)結(jié)合引入到電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作工程實(shí)踐中，做到理論聯(lián)系實(shí)際，這個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)際生活緊密相關(guān)且具有很強(qiáng)的生活現(xiàn)實(shí)意義。

若想完成本設(shè)計(jì)需要使用到一個(gè)STM32F103C8T6核心板，一個(gè)ASR MO8-B語(yǔ)音識(shí)別模塊，一個(gè)MP3語(yǔ)音播報(bào)模塊，一個(gè)ESP8266-01WIFI模塊，一個(gè)HC-05藍(lán)牙模塊，四個(gè)紅外發(fā)射接收對(duì)管，四個(gè)SG90舵機(jī)，以STM32作為核心的控制器，語(yǔ)音識(shí)別模塊作為語(yǔ)音識(shí)別的裝置，MP3語(yǔ)音播報(bào)模塊用于播報(bào)垃圾的種類，ESP8266-01作為連接OneNet平臺(tái)的模塊，HC-05藍(lán)牙模塊作為單片機(jī)與手機(jī)APP通信的無(wú)線模塊，四個(gè)舵機(jī)用來(lái)控制垃圾桶的開(kāi)關(guān)，四個(gè)紅外發(fā)射接收對(duì)管用于檢測(cè)垃圾是否裝滿。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)電路原理圖可以細(xì)分為：電源電路、主控模塊、WiFi、藍(lán)牙無(wú)線通信電路、紅外對(duì)管檢測(cè)電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、語(yǔ)音識(shí)別模塊與語(yǔ)音播報(bào)模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 涉及模塊及驅(qū)動(dòng)原理

2.2.1 主控模塊

本設(shè)計(jì)主要是對(duì)WIFI模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送和ASR MO8-B語(yǔ)音識(shí)別模塊的串口數(shù)據(jù)接收還有手機(jī)APP與單片機(jī)通信的數(shù)據(jù)處理，對(duì)于這些數(shù)據(jù)可以使用STM32F103C8T6作為主控芯片，其本身自帶的三個(gè)串口通信功能可以剛好完成本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析和處理，使用單片機(jī)的USAR1串口打印輸出ESP8266對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接的狀態(tài)，ESP8266通過(guò)單片機(jī)的USAR2連接OneNet平臺(tái)獲取平臺(tái)的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)到平臺(tái)，HC-05模塊和語(yǔ)音識(shí)別模塊通過(guò)單片機(jī)的USAR3連接手機(jī)APP和語(yǔ)音識(shí)別模塊。

圖2 主控模塊

2.2.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊

本設(shè)計(jì)使用一個(gè)ASR MO8-B語(yǔ)音識(shí)別模塊用于對(duì)人聲進(jìn)行識(shí)別，ASR MO8-B語(yǔ)音識(shí)別模塊作為本設(shè)計(jì)的“耳朵”使用串口的通信方式向主控芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，支持按鍵觸發(fā)識(shí)別語(yǔ)音、命令詞觸發(fā)識(shí)別語(yǔ)音，還有循環(huán)觸發(fā)識(shí)別語(yǔ)音，使用串口的通信方式使其更方便與其他單片機(jī)或Ardiuno等其他開(kāi)發(fā)設(shè)備進(jìn)行連接使用，使用范圍廣，并且可以自己修改識(shí)別的關(guān)鍵詞，相關(guān)領(lǐng)域擴(kuò)展能力較強(qiáng)。

語(yǔ)音識(shí)別模塊將ASR MO8-B語(yǔ)音識(shí)別模塊的TX和RX腳分別接入單片機(jī)串口3的RX3（PB11）和TX3(PB10)腳與藍(lán)牙模塊共同使用單片機(jī)的串口通信3，由于兩個(gè)模塊只需要發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機(jī)并不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，所以兩個(gè)模塊可以正常工作且互不影響。

2.2.3 無(wú)線通信模塊與舵機(jī)模塊

ESP8266是一個(gè)無(wú)線保真（WiFi）的小工具。它是在芯片（SoC）一個(gè)實(shí)用系統(tǒng)，它是內(nèi)置的與TCP/IP協(xié)議中，可以結(jié)合任意微控制器與任何Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接，使用AT指令固件與單片機(jī)進(jìn)行通信，更方便與單片機(jī)進(jìn)行連接，在本設(shè)計(jì)中ESP8266是通過(guò)MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)與OneNet平臺(tái)連接及交換數(shù)據(jù)。

HC-05藍(lán)牙模塊是主從一體的藍(lán)牙串口模塊，簡(jiǎn)略的說(shuō)，當(dāng)藍(lán)牙主機(jī)與藍(lán)牙從機(jī)配對(duì)連接完成后，可以輕忽藍(lán)牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接把藍(lán)牙模塊當(dāng)作串口用。當(dāng)兩個(gè)藍(lán)牙互相連接后，這兩藍(lán)牙一起使用一個(gè)通道也就是相當(dāng)于使用了同一個(gè)串口，一個(gè)藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)到使用的通道中，另外一個(gè)藍(lán)牙就可以接收當(dāng)前通道的數(shù)據(jù)。

2.2.4 舵機(jī)模塊

舵機(jī)是一種通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服器，舵機(jī)可以通過(guò)改變一個(gè)周期高低電平的時(shí)間來(lái)改變角度。在本設(shè)計(jì)中SG09舵機(jī)用于對(duì)垃圾桶的控制，使四個(gè)舵機(jī)從0°至180°轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)四個(gè)垃圾桶的打開(kāi)和閉合，這四個(gè)舵機(jī)信號(hào)控制端分別接在單片機(jī)的PB0、PB1、PB4、PB5中，這四個(gè)IO口都是單片機(jī)自帶的PWM接口，都由單片機(jī)的定時(shí)器3自帶的PWM驅(qū)動(dòng)。

2.2.5 紅外對(duì)管檢測(cè)模塊與MP3語(yǔ)音模塊

本設(shè)計(jì)使用了四對(duì)紅外發(fā)射接收對(duì)管，紅外對(duì)管檢測(cè)模塊對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)就相當(dāng)于是一雙“眼睛”用于查看垃圾桶內(nèi)的垃圾是否裝滿，紅外對(duì)管使用紅外線發(fā)射和接收來(lái)進(jìn)行判斷是否有障礙物的存在，紅外發(fā)射接收對(duì)管在無(wú)阻擋物時(shí)輸出高電平，有阻擋物時(shí)輸出低電平，垃圾是否裝滿的檢測(cè)只需要使用STM32單片機(jī)的IO口檢測(cè)紅外對(duì)管輸出的高低電平即可完成檢測(cè)，需要注意的是需要判斷低電平的時(shí)間超過(guò)三秒，防止投擲垃圾的時(shí)候系統(tǒng)檢測(cè)到一瞬間的低電平時(shí)誤以為是垃圾桶裝滿。

MP3語(yǔ)音播報(bào)模塊電路是連接MP3語(yǔ)音播報(bào)模塊信號(hào)端口與單片機(jī)IO口的電路，讓MP3模塊的信號(hào)端發(fā)生一次周期為20ms的下降沿即可使其播報(bào)對(duì)應(yīng)端口設(shè)置的語(yǔ)音，單片機(jī)串口檢測(cè)到垃圾分類的指令后會(huì)給需要播報(bào)語(yǔ)音的信號(hào)端一個(gè)下降沿，讓MP3模塊播報(bào)對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音。

3 軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)軟件的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)一大重點(diǎn)，為了后續(xù)對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行更好的開(kāi)發(fā)與調(diào)試，本文開(kāi)發(fā)了一款具有語(yǔ)音識(shí)別功能的手機(jī)APP，能夠解決語(yǔ)音識(shí)別模塊只能識(shí)別普通話和內(nèi)部只能存儲(chǔ)50條命令關(guān)鍵詞的這兩大缺陷，讓設(shè)計(jì)者和使用者后續(xù)對(duì)本設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)和完善變得更加簡(jiǎn)單，并且使用手機(jī)APP后續(xù)本設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)垃圾分類的知識(shí)不需要改動(dòng)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的硬件，只需要不斷更新APP的數(shù)據(jù)庫(kù)可以了，所以APP的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)對(duì)本設(shè)計(jì)而言無(wú)論是從開(kāi)發(fā)成本還是后續(xù)對(duì)垃圾分類知識(shí)的學(xué)習(xí)都起到了很大的作用。

3.1 STM32的軟件設(shè)計(jì)

STM32的程序設(shè)計(jì)也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在等待系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)成功后使用串口讀取語(yǔ)音識(shí)別模塊、藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)就對(duì)比事先設(shè)定的數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的分類，在不斷讀取語(yǔ)音模塊和藍(lán)牙的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)也在不斷的利用ESP8266模塊向OneNet平臺(tái)發(fā)送紅外對(duì)管檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，對(duì)垃圾桶是否裝滿的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

3.2 手機(jī)APP的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

APP設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 APP界面設(shè)計(jì)圖

這款由 MIT App Inventor網(wǎng)頁(yè)版設(shè)計(jì)的APP，基于語(yǔ)音識(shí)別的智能垃圾桶軟件主要圍繞4大功能：

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾桶內(nèi)部容量的監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)清理垃圾，避免造成垃圾堵塞的情況。

（2）監(jiān)測(cè)智能垃圾桶各功能模塊的工作狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到垃圾裝滿后可以ESP8266-01S這款無(wú)線WIFI模塊通過(guò)MQTT協(xié)議連接中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)OneNet云平臺(tái)告知工作人，以便及時(shí)修復(fù)，從而恢復(fù)智能垃圾桶的正常運(yùn)行狀態(tài)。

（3）智能垃圾桶的控制界面，通過(guò)控制界面實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶的閉合和啟動(dòng)等操作。當(dāng)點(diǎn)擊一個(gè)類別的垃圾的類別時(shí)，可以對(duì)該垃圾桶進(jìn)行垃圾桶蓋關(guān)閉和啟動(dòng)的操作。

（4）同時(shí)本設(shè)計(jì)還設(shè)置了一個(gè)語(yǔ)音識(shí)別的功能，讓手機(jī)APP也可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別的功能進(jìn)行對(duì)垃圾種類的區(qū)分，并且語(yǔ)音識(shí)別的結(jié)果的垃圾種類數(shù)據(jù)庫(kù)可以較為簡(jiǎn)單的更新。

通過(guò)這4大功能，就能實(shí)時(shí)對(duì)語(yǔ)音控制智能垃圾桶的工作情況進(jìn)行了解和掌握，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制智能垃圾桶硬件與軟件的聯(lián)接，APP在設(shè)計(jì)之初就在APP的垃圾種類數(shù)據(jù)庫(kù)里寫(xiě)入了大量的垃圾分類知識(shí)，且后續(xù)對(duì)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的更新和學(xué)習(xí)不需要再改動(dòng)硬件部分，有效的為后續(xù)對(duì)此機(jī)器人的開(kāi)發(fā)節(jié)約來(lái)通過(guò)改動(dòng)硬件造成的高成本，本次開(kāi)發(fā)的這款手機(jī)APP的語(yǔ)音識(shí)別功能也彌補(bǔ)了硬件部分的語(yǔ)音識(shí)別模塊只能識(shí)別普通話的這一重大缺陷，這款A(yù)PP的語(yǔ)音識(shí)別功能可以識(shí)別個(gè)別地方的方言比如：粵語(yǔ)和四川話，使得語(yǔ)音識(shí)別功能不再局限于普通話，如此就更適合應(yīng)用到人們的日常生活使用，為了本設(shè)計(jì)的垃圾分類機(jī)器人不局限于國(guó)人使用，對(duì)此本文設(shè)計(jì)的這款A(yù)PP后續(xù)還可以開(kāi)發(fā)對(duì)英語(yǔ)的語(yǔ)音識(shí)別。APP在手機(jī)運(yùn)行的實(shí)際效果如圖5所示。

圖5 手機(jī)APP運(yùn)行效果圖

在軟件設(shè)計(jì)的之初，考慮到可能有許多人不會(huì)使用本文開(kāi)發(fā)的這款軟件，所以本設(shè)計(jì)在使用界面寫(xiě)了一個(gè)軟件的使用說(shuō)明，讓第一次接觸這款軟件的人也能快速上手使用。選擇識(shí)別的語(yǔ)言如圖6所示。手機(jī)APP的用戶可以通過(guò)選項(xiàng)自行選擇需要識(shí)別語(yǔ)言是普通話還是粵語(yǔ)或者是四川話。

圖6 用戶選擇識(shí)別語(yǔ)言

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)完成了一個(gè)智能垃圾分類的機(jī)器人，這款機(jī)器人可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別的方式識(shí)別垃圾種類并且能自動(dòng)打開(kāi)垃圾桶和通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)告知使用者要丟是什么類型的垃圾，相當(dāng)于市面上的一些智能垃圾桶，本設(shè)計(jì)多了語(yǔ)音識(shí)別和垃圾分類的效果，能夠很好的幫助人們完成垃圾的分類，并且本設(shè)計(jì)還有檢測(cè)垃圾是否裝滿的設(shè)計(jì)和與OneNet平臺(tái)的連接，能夠?qū)崟r(shí)傳輸垃圾是否裝滿的數(shù)據(jù)上傳至OneNet平臺(tái)讓負(fù)責(zé)清潔的環(huán)衛(wèi)工人更好的查看垃圾桶是否裝滿從而能夠?qū)凹皶r(shí)進(jìn)行的清理，有效的防止垃圾堆積無(wú)人清理的現(xiàn)象，使用語(yǔ)音呼叫應(yīng)答的方式對(duì)垃圾進(jìn)行分類可以提高國(guó)民對(duì)垃圾分類的知識(shí)和意識(shí)，可以幫助普通居民更好的對(duì)垃圾進(jìn)行分類，本設(shè)計(jì)也有部分缺陷，比如：在聲音比較雜的情況下，語(yǔ)音識(shí)別可能會(huì)無(wú)法識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別的距離較短等問(wèn)題，不過(guò)這些存在的問(wèn)題后續(xù)可以使用手機(jī)APP來(lái)進(jìn)行改良。