基于STM32的智能回收小衛(wèi)士

吳志恒，張智林，龍星宇，戴漢橋，祝海強(qiáng)

（玉林師范學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，廣西玉林，537000）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境的治理和以及相應(yīng)可持續(xù)發(fā)展政策的實(shí)施，上海等一些一線城市紛紛制定了嚴(yán)格的智能回收政策，如把垃圾投錯(cuò)會(huì)收到罰款等。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)目標(biāo)是制作一個(gè)具備語(yǔ)音識(shí)別和攝像頭識(shí)別垃圾類型、并能檢測(cè)自身容量向清潔工人發(fā)送清理提示功能的智能垃圾桶，是以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，對(duì)各種模塊進(jìn)行初始化處理。其性能優(yōu)勢(shì)是：

（a）能夠正確辨別垃圾種類的人群：只需將垃圾靠近相應(yīng)垃圾桶的桶蓋上方，系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)紅外感應(yīng)，隨即桶蓋自動(dòng)打開(kāi)，將垃圾放入之后，延時(shí)5s垃圾蓋自動(dòng)關(guān)閉。

（b）對(duì)于回收垃圾不熟悉的人群：只需說(shuō)出的垃圾相應(yīng)名字，使用語(yǔ)音模塊識(shí)別或者將垃圾放在攝像頭下方掃描。語(yǔ)音模塊或者攝像頭將采集的數(shù)據(jù)傳回控制芯片，控制芯片進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，識(shí)別垃圾種類，同時(shí)發(fā)送正確的電平信號(hào)，打開(kāi)正確的相應(yīng)桶蓋。

（c）通過(guò)超聲波檢測(cè)垃圾容量：垃圾即將要滿時(shí)會(huì)把信號(hào)傳給GPRS，GPRS再把信息發(fā)送給環(huán)衛(wèi)工人，環(huán)衛(wèi)工人做出相應(yīng)處理。

1 總體方案設(shè)計(jì)

智能回收小衛(wèi)士是通過(guò)STM32F103C8T6單片機(jī)模塊進(jìn)行主控制，接收其他模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并發(fā)送提示至GPRS。流程為：①控制LD3320語(yǔ)音模塊識(shí)別垃圾的名稱，為判斷垃圾的類型做準(zhǔn)備；②控制OpenMV攝像頭模塊掃描垃圾的外型，為判斷垃圾的類型做準(zhǔn)備。③控制紅外模塊檢測(cè)是否需要打開(kāi)智能回收小衛(wèi)士的桶蓋；④控制MG995舵機(jī)模塊控制桶蓋的開(kāi)關(guān)；⑤控制超聲波傳感器模塊檢測(cè)智能回收小衛(wèi)士的容量情況。當(dāng)將垃圾靠近桶蓋上方，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、紅外感應(yīng)，進(jìn)行掃描確認(rèn)類型后自動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)垃圾桶蓋。使用者將垃圾放入之后，垃圾蓋延遲5s后自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)垃圾儲(chǔ)量滿時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)信息給環(huán)衛(wèi)工人，提醒及時(shí)清理垃圾，同時(shí)可播報(bào)一些感謝語(yǔ)或者宣傳語(yǔ)，營(yíng)造一個(gè)干凈溫馨的城市。本設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)圖

2 硬件各功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 STM32主控模塊

本設(shè)計(jì)是以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心主控，其運(yùn)算能力強(qiáng)、低耗能、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，降低成本的同時(shí)也能保證智能回收小衛(wèi)士的工作效率。STM32F103C8T6單片機(jī)原理圖如圖2所示。

圖2 STM32F103C8T6單片機(jī)原理圖

2.2 識(shí)別及控制模塊

（1）本產(chǎn)品的語(yǔ)音識(shí)別功能設(shè)計(jì)采用的是LD3320模塊，該模塊是由LD3320和單片機(jī)組成語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，提供多種操作方式，這可以讓用戶對(duì)此系統(tǒng)的操作更為方便、迅速。同時(shí)具有高效的語(yǔ)音識(shí)別功能，有很高的語(yǔ)言辨識(shí)度。LD3320語(yǔ)音模塊可以非常簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)說(shuō)出對(duì)應(yīng)垃圾名字從而進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，將得到的語(yǔ)音信息發(fā)送給單片機(jī)，然后單片機(jī)對(duì)于采集到信息進(jìn)行判斷和給予對(duì)應(yīng)標(biāo)志位，播報(bào)出對(duì)應(yīng)垃圾類型并打開(kāi)合適放進(jìn)的垃圾桶蓋。

（2）對(duì)于垃圾掃描識(shí)別功能，智能回收小衛(wèi)士采用OpenMV攝像頭進(jìn)行智能識(shí)別。此攝像頭體積小，功耗小，低成本，在機(jī)器視覺(jué)識(shí)別方面功能強(qiáng)大，并且該攝像頭可拆卸，同時(shí)能和不同的光感元器件連接，通過(guò)Python編程控制，由于OpenMV攝像頭的編程為開(kāi)源模式，在利用Python控制該攝像頭方面有很大的幫助。

（3）垃圾桶的容量監(jiān)控采用的是HC-SR04模塊，它是一種超聲波傳感器，使用IO觸發(fā)測(cè)距。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)輸入端輸入一個(gè)電平信號(hào)，然后傳感器輸出一個(gè)回響信號(hào),然后根據(jù)回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)距離成正比的關(guān)系，最后根據(jù)時(shí)間間隔計(jì)算出距離，從而知曉垃圾的容量。該模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，隨時(shí)間來(lái)檢測(cè)垃圾的容量，防止垃圾的溢滿。超聲波模塊電路圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)彎目標(biāo)的航跡濾波處理效果圖

圖3 HC-SR04模塊

（4）桶蓋打開(kāi)與關(guān)閉的識(shí)別采用的是紅外傳感器模塊。該傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力較強(qiáng)，當(dāng)發(fā)射管發(fā)射出紅外線，檢測(cè)方向遇到有使用者時(shí)，接收管吸收紅外線，經(jīng)過(guò)比較器電路處理之后，信號(hào)輸出口輸出電平信號(hào)，最后反饋給主控系統(tǒng)控制桶蓋的關(guān)閉與打開(kāi)。紅外模塊電路圖如圖4所示。

圖4 紅外傳感器模塊

（5）垃圾桶蓋的控制使用了MG995舵機(jī)，MG995舵機(jī)對(duì)單片機(jī)及傳感器送來(lái)的電平信號(hào)能迅速處理，且操作簡(jiǎn)單，容易控制，低成本，低功耗，極大地節(jié)約了智能回收小衛(wèi)士的成本，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

3 軟件部分

3.1 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)識(shí)別垃圾種類、檢測(cè)是否需要打開(kāi)桶蓋、檢測(cè)垃圾容量。系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)做主控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能回收的正確性和高效性。由單片機(jī)控制語(yǔ)音模塊對(duì)垃圾種類進(jìn)行判斷，而攝像頭模塊也可用于掃描垃圾的外形，進(jìn)行對(duì)垃圾的種類進(jìn)行分類 ，紅外檢測(cè)模塊檢測(cè)是否需要打開(kāi)垃圾桶的蓋子，如要通過(guò)舵機(jī)模塊對(duì)桶蓋進(jìn)行開(kāi)關(guān)；然后再由超聲波模塊對(duì)判斷垃圾箱的容量情況，垃圾即將要滿是把信號(hào)傳給GPRS，最后再通過(guò)環(huán)衛(wèi)工人做出相應(yīng)處理。

3.2 判斷垃圾種類

對(duì)于智能回收不熟悉的用戶，本設(shè)計(jì)可以智能識(shí)別垃圾的種類。智能識(shí)別模塊包括語(yǔ)音模塊和攝像頭模塊。語(yǔ)音模塊采用了LD3320模塊進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，當(dāng)識(shí)別相應(yīng)垃圾名字的時(shí)候，該模塊收集到信息發(fā)送給單片機(jī)，然后單片機(jī)對(duì)于采集的信息進(jìn)行判斷并打開(kāi)相應(yīng)的垃圾桶蓋并進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)模塊播報(bào)出來(lái)幫助人們完成智能回收；攝像頭模塊采用的是OpenMV，它可以直接掃描到垃圾的種類數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)中進(jìn)行控制，打開(kāi)垃圾桶蓋，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，與主控制模塊靈活的結(jié)合，方便人們進(jìn)行正確回收。

3.3 檢測(cè)是否需要打開(kāi)桶蓋

小衛(wèi)士判斷是否應(yīng)該打開(kāi)桶蓋的功能則由紅外對(duì)管模塊決定，該傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力較強(qiáng)，當(dāng)發(fā)射管發(fā)射出紅外線，檢測(cè)方向遇到有使用者時(shí)，接收管吸收紅外線，經(jīng)過(guò)比較器電路處理之后，信號(hào)輸出端口輸出一個(gè)低電平信號(hào)，反饋給主系統(tǒng)來(lái)控制桶蓋的張開(kāi)與閉合。

3.4 檢測(cè)智能回收小衛(wèi)士容量

容量監(jiān)測(cè)采用了HC-SR04模塊，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)輸入端產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)，然后傳感器輸出一個(gè)回響信號(hào),然后根據(jù)回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)距離成正比的關(guān)系，最后根據(jù)時(shí)間間隔計(jì)算出距離，從而知曉垃圾的容量。該模塊測(cè)量距離精確，性能穩(wěn)定，可以一直監(jiān)測(cè)垃圾的容量，減少了垃圾滿溢的麻煩，讓環(huán)境變的更加整潔。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

在知道垃圾名字和不知道垃圾名字的條件下，分別測(cè)試獲得實(shí)際的數(shù)據(jù)，如表1和表2所示。設(shè)置桶內(nèi)定值達(dá)到時(shí)是否提示環(huán)衛(wèi)工人，如表3所示。

表1 知道垃圾名字的測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 不知道垃圾名字的測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 當(dāng)桶內(nèi)垃圾達(dá)到定值容量時(shí)是否提醒工作人員的測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)上述的表1和2的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，垃圾小衛(wèi)士判斷垃圾類型是十分準(zhǔn)確的，僅在不知道垃圾名字的條件下有個(gè)別誤差。誤差來(lái)源：植入的垃圾類型圖片與實(shí)際判斷的垃圾類型有較大的偏差，尤其是在顏色和大小上。

對(duì)上述的表3的數(shù)據(jù)不難看出，桶內(nèi)定值或多或少都有個(gè)別偏差，但是在經(jīng)過(guò)我們實(shí)踐結(jié)果分析，只要超過(guò)桶內(nèi)定值的一定范圍都是可以提醒環(huán)衛(wèi)工人。所以在設(shè)置定值時(shí)，需要給桶內(nèi)留有一定的容量。這樣在超過(guò)定值的同時(shí)是百分百提示環(huán)衛(wèi)工人的。

5 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)主要是解決智能回收的問(wèn)題。通過(guò)高性能、低功耗的STM32為控制芯片，配合語(yǔ)言、攝像頭等模塊達(dá)到垃圾正確分類的結(jié)果，使知道垃圾名字卻不知道什么分類和不知道垃圾名字也不知道什么分類的情況得以解決，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，此方案可靠、實(shí)用。