基于語音識別的智能垃圾桶設(shè)計與實現(xiàn)*

賀連升，周揚理，于新暢，牛子夫，趙一林

（山東石油化工學(xué)院機械與控制工程學(xué)院，山東東營 257000）

0 引言

現(xiàn)在許多國家從事研究智能垃圾桶，從國內(nèi)外研究的狀況看，缺乏一種集自動套袋/裝袋、自動打包、定點投送功能于一體的智能垃圾桶。市面上的垃圾桶分為兩類：一是機械式垃圾桶，此類垃圾桶采用機械式結(jié)構(gòu)，通過腳踩下方踏板實現(xiàn)垃圾桶蓋的升起[1]，不能實現(xiàn)垃圾袋的套袋、打包，需要人工的輔助；二是智能垃圾桶[2-4]，這類垃圾桶帶有傳感器，傳感器接收信號，處理器控制機械裝置進行必要動作[5]，移動時，無法精準(zhǔn)定位[6-7]。機械與控制相結(jié)合，傳感器檢測，部分具有自動打包功能，需要人工輔助。目前智能垃圾桶自動套袋功能所用結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，占據(jù)較大空間，因其體積限制不能實現(xiàn)全部功能。打包機構(gòu)無法準(zhǔn)確判斷垃圾是否填滿，加熱絲外漏，無準(zhǔn)確控制、保護此裝置設(shè)備，易造成危險[8]。目前出現(xiàn)在市面上的智能垃圾桶價格十分昂貴，普通家庭難以承受。

目前所研制的垃圾桶為一種新型智能垃圾桶[4]，這類垃圾桶目前可以完成定時打包并推出的功能，僅限于用戶實時控制其行走，因缺少定位系統(tǒng)無法做到垃圾袋的定點投送，打包不能根據(jù)垃圾桶實際情況進行，限于規(guī)定時間內(nèi)進行，功能有限。而白桂峰[8]基于STC89C52的家用智能垃圾桶設(shè)計，可以解決自動開關(guān)蓋，對桶內(nèi)垃圾進行高度檢測、異味檢測，但高度檢測無法解決密度較大物體重量較大而高度不夠的情況，容易造成垃圾過重的情況。不具備打包等功能。

目前智能垃圾桶比較成熟的設(shè)計是智能開蓋自動換袋垃圾桶，具備自動開蓋、自動套袋等功能，自動套袋設(shè)計采用上座裝袋盒，扔一個換一個的方式。需要人工進行打包，增加垃圾直接接觸的概率，垃圾桶不能自由移動?；谖锫?lián)網(wǎng)控制的智能垃圾桶[9]也已經(jīng)出現(xiàn)，通過傳感器等設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)進行通信，通過超聲波檢測進行自動的開關(guān)蓋?；赪iFi 的新型智能垃圾桶設(shè)計[10]通過WiFi進行定位與控制通信。新型智能垃圾桶的設(shè)計基于語音識別來控制垃圾桶的功能[11]。目前已經(jīng)上市的一款智能垃圾桶是小米智能垃圾桶[12]，具備自動打包、自動換袋功能。但其打包只能通過人工觀測確定，使用特制垃圾袋，價格昂貴[13]。垃圾打包后，需要人工將垃圾送至投送點，固定位置，不能移動，體積大但投入口較小，易造成垃圾散落，無語音控制系統(tǒng)，使用較為不便。

1 設(shè)計要求

智能垃圾桶的設(shè)計要求如表1所示。

表1 設(shè)計要求Tab.1 Design requirement

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能垃圾桶主要分為垃圾袋提升裝置、裝袋和打包裝置、行走裝置。如圖1 所示。提升裝置包括后側(cè)滾筒、提升裝置。裝袋和打包裝置主要有裝袋裝置、打包裝置組成，兩個裝置組合在一起，互相配合完成功能。行走裝置采用麥克納姆輪，當(dāng)其行走時可以任意角度行走。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

3 工作原理

3.1 自動提袋裝置

自動裝袋裝置分為提袋裝置和開袋裝置，提袋裝置主要由絲杠、升降滑塊、轉(zhuǎn)軸、光軸、電機等組成，結(jié)構(gòu)如圖2～3所示。開袋裝置主要由固定桿、支撐桿、電磁開關(guān)、吸碗等組成，如圖4所示。

圖2 后蓋打開示意圖

圖4 固定與打包裝置

其中升降滑塊連接絲桿組成絲桿升降裝置，絲桿下方連接有小型電機提供動力，兩側(cè)放置。兩側(cè)升降滑塊連接轉(zhuǎn)軸，當(dāng)小型電機轉(zhuǎn)動時，升降滑塊會上下移動。轉(zhuǎn)軸上安裝有夾緊裝置，可以夾緊垃圾袋。垃圾桶橫向可以裝載600 mm以內(nèi)垃圾袋，可以自由進行調(diào)整，可以使用市面上大部分的普通垃圾袋。

圖3 內(nèi)部示意圖

吸碗、固定桿與支撐桿連接在橫桿上，橫桿連接左右小型導(dǎo)軌，通過皮帶傳動實現(xiàn)吸碗前后移動。吸碗后方通過導(dǎo)管連接小型真空泵，垃圾袋提升至吸碗時，小型真空泵啟動，將垃圾袋吸住，導(dǎo)軌移動把垃圾袋打開，固定桿和支撐桿將之固定。

垃圾袋在垃圾桶內(nèi)壁后側(cè)滾筒帶動垃圾袋滾動下滑，由內(nèi)壁兩根轉(zhuǎn)軸夾緊固定好后，升降滑塊帶動轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)及垃圾袋整體上升，同時垃圾桶上部的封袋裝置向中間移動，當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動垃圾袋到達頂部后，由同時到達中間的吸碗吸住垃圾袋，電磁開關(guān)通電，固定桿升起。轉(zhuǎn)軸經(jīng)由導(dǎo)軌復(fù)位并重復(fù)夾緊下一個垃圾袋。吸碗則帶動垃圾袋在皮帶導(dǎo)軌配合運動下向兩邊運動并進行撐開動作，當(dāng)帶動吸碗的撐桿向兩端運動的過程中，垃圾袋撐開，電磁開關(guān)斷電，固定桿下降，固定桿與支撐桿加緊垃圾袋實現(xiàn)固定。且在垃圾袋被固定時，垃圾桶底部的電機帶動絲杠橫向運動，便于割刀進行垃圾袋間的割斷。功能開始需要人工將袋子引入滾筒上，當(dāng)一次動作完成后則不需要人工進行輔助動作，可以完成全部動作。

3.2 自動打包裝置

熱封打包主要依靠一對熱封部件，依據(jù)塑料袋特性將垃圾袋袋口熱封。

自動打包裝置主要有封口裝置和推出機構(gòu)等組成。封口裝置依靠封袋裝置上導(dǎo)軌的移動實現(xiàn)，在橫桿下方加入皮帶，皮帶上帶有封刀，皮帶在電機的作用下可以左右移動，兩側(cè)放置。如圖5所示。

圖5 固定與打包裝置

推出機構(gòu)主要由剪叉式伸縮裝置、絲杠、活動地板等組成絲杠轉(zhuǎn)動帶動剪叉式伸縮裝置伸出，把垃圾袋推出底板到達限位后回急速彈回。如圖6所示。

圖6 推出裝置

在垃圾桶底部設(shè)置重力感應(yīng)裝置，在垃圾桶側(cè)壁設(shè)置高度感應(yīng)裝置，當(dāng)垃圾滿足高度和重力任意一個標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)通過判斷進行打包功能。

通過皮帶傳動進行熱封打包，電機提供動能，皮帶帶動兩個熱封刀向中間移動。熱封刀由耐熱塑料包裹，頭部為導(dǎo)熱鋁片，當(dāng)感應(yīng)裝置檢測到垃圾桶內(nèi)的垃圾滿足所設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時，封刀加熱，同時電機驅(qū)動皮帶帶動兩個封刀向中間移動，熱封垃圾袋袋口。封刀兩側(cè)設(shè)置可減少封刀運行時間，熱熔加熱時間短，安全可靠。

垃圾袋推出裝置工作時，絲杠傳動和剪叉式伸縮裝置配合，后側(cè)裝有彈簧的活動底板作為輔助，將裝滿垃圾的垃圾袋向外推。在垃圾推出的過程中因與活動底板之間存在摩擦力，當(dāng)達到最大摩擦力時，彈簧不再伸長，此時彈簧帶動活動底板復(fù)位，垃圾袋被送出，垃圾桶前門頂部使用轉(zhuǎn)動銷釘固定，底部使用磁鐵將其吸附關(guān)閉。待垃圾袋推出的過程中慢慢將前門推開，待垃圾袋完全推出后，絲杠傳動帶動推出機構(gòu)復(fù)位，垃圾桶前門因受重力和磁鐵吸力同時作用將其關(guān)閉。此時，垃圾桶按指定點原路返回。

3.3 行進裝置

行進裝置主要由4 個獨立安裝的電機和麥克納姆輪組成，麥克納姆輪分為左右兩種，兩左兩右一共4 個組成一組，麥一組克納姆輪可以實現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運動方式。根據(jù)使用者的習(xí)慣，可以使用語音控制與實時控制兩種方式進行，可以在狹小的空間內(nèi)自由移動。

在自動狀態(tài)下，當(dāng)垃圾袋被熱熔打包好后，垃圾桶執(zhí)行程序命令，底部的驅(qū)動裝置開始運行，使用循跡定位，使底輪帶動垃圾桶到達預(yù)設(shè)地點。

4 控制程序設(shè)計

智能家用垃圾桶運動主要是控制每個裝置驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)裝袋與打包功能?？刂乒δ芰鞒倘鐖D7所示。

圖7 控制程序

4.1 系統(tǒng)硬件

智能垃圾桶采用STM32 單片機F103C8T6 作為主控芯片進行控制，其單片機是一種32位的單片機，該單片機性能好，功耗低，可以同時控制多個輸出。電機采用42 步進電機，該電機控制精確，扭矩大，滿足精確控制和實現(xiàn)基本功能的要求。

語音識別模塊采用LD3320語音識別模塊。該芯片有非特定人語音識別技術(shù)的優(yōu)勢，不需要進行錄音，識別過程中每次識別的過程，就是把用戶說出的語音內(nèi)容，轉(zhuǎn)換為語音特征，和關(guān)鍵詞語列表中的條目進行匹配，最優(yōu)匹配的一條作為識別結(jié)果。該芯片集成了語音識別處理器外部電路，不需要其他輔助芯片。集成在產(chǎn)品中實現(xiàn)語音識別對話功能?？梢宰杂蓛Υ娑鄺l不超過10個漢字的語音識別命令，可以自由添加，修改識別命令。LD3320芯片進行識別時，說出關(guān)鍵詞，芯片會送出一個中斷提示，一次識別流程結(jié)束，此時中斷處理函數(shù)會被調(diào)用并去寄存器中讀取識別結(jié)果。識別完成后向STM32單片機發(fā)送一條指令，單片機接受指令后控制電機運行，完成必要的功能。

WiFi 模塊采用ESP8266 芯片，利用此芯片與互聯(lián)網(wǎng)相連基于此，此設(shè)備可以和多個互聯(lián)網(wǎng)終端進行控制。至此此智能垃圾桶可以采用兩種方式進行語音識別，其中使用互聯(lián)網(wǎng)終端后，語音識別方式依靠終端識別進行，終端識別后發(fā)送命令給單片機。例如可以利用小愛同學(xué)進行控制，使用小愛同學(xué)終端設(shè)備進行語音識別，語音識別精度更高。

行進裝置采用Ardurno 單片機控制L298N 電機驅(qū)動模塊，與主控STM32 單片機進行串口通信完成信息交換。單片機獨立控制4 個電機的前進和后退，通過麥克納姆輪不同的轉(zhuǎn)向安裝方式控制行走。

4.2 關(guān)鍵程序

語音識別中，中文只能由拼音代替。本設(shè)備設(shè)置了兩種功能，可以通過本身的LD3320語音控制芯片進行控制設(shè)備運行，也可通過ESP8266 芯片接入互聯(lián)網(wǎng)，利用互聯(lián)網(wǎng)終端進行控制。其控制程序分為3 個部分，語音識別、檢測部分與控制部分。如圖8～9所示。

圖8 語音識別程序

圖9 功能控制程序

5 垃圾桶實物制作

智能垃圾桶采用歐標(biāo)20×20 鋁管制作，小型真空泵實現(xiàn)開袋，以解決上述功能，垃圾桶實物如圖10～11 所示，可實現(xiàn)全部功能。

圖10 垃圾桶側(cè)視

圖11 垃圾桶正視

本機共用6 個42 步進電機來協(xié)調(diào)各個裝置之間的運動關(guān)系。左右使用兩個T8 絲杠與滑塊。使用MGN7R 微型線軌實現(xiàn)滑動。下方使用4 個JGB37-520 直流減速電機獨立控制4 個麥克納姆輪，電源使用鉛酸電池進行供電。

6 結(jié)束語

針對現(xiàn)垃圾桶需要耗費大量人力，接觸垃圾等問題，本文設(shè)計的垃圾桶是一款基于語音識別的智能垃圾桶。通過LD3320芯片語音識別功能，解決動作控制等問題，采用STM32 芯片進行控制動作關(guān)系。集自動開蓋、裝袋、打包、封口、將垃圾輸送到指定地點的功能于一體。通過傳感器確定位置，自動循跡，采用全方位移動的麥克納姆輪，可在家庭的狹小空間內(nèi)進行移動，不需要人工走動即可將垃圾送入垃圾桶，并在垃圾填滿后自動送至垃圾投送點?；谡Z音識別的智能垃圾桶具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、結(jié)實耐用、操作方便等優(yōu)點。適用于家庭，可以減少人力時間、節(jié)省人工、減少細菌傳播、自動傾倒，實現(xiàn)現(xiàn)代家居設(shè)備的“智能化”。