基于Arduino智能垃圾桶分類的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：系統(tǒng)以Aduino LU-ASR01單片機(jī)為核心單元，語(yǔ)音模塊、紅外傳感器模塊、舵機(jī)模塊、電源模塊等為主要組成部件。傳感器模塊可以檢測(cè)是否有障礙物靠近，當(dāng)有障礙物靠近時(shí)，在發(fā)射紅外線的同時(shí)，垃圾桶自動(dòng)開(kāi)蓋并語(yǔ)音提示，利用語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行各種垃圾的識(shí)別和分類，舵機(jī)模塊主要功能是控制垃圾桶蓋的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。該系統(tǒng)在為人們提供方便的同時(shí)，減少了環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：Arduino LU-ASR01單片機(jī)；語(yǔ)音模塊；舵機(jī)；垃圾桶；語(yǔ)音識(shí)別

一、前言

隨著人們生活水平的提高，生活垃圾也隨之增加，而垃圾混投、錯(cuò)投導(dǎo)致垃圾桶周圍出現(xiàn)臟和腐臭等問(wèn)題。同時(shí)，人投放垃圾時(shí)與垃圾桶直接接觸，影響健康，特別是在醫(yī)院等特殊場(chǎng)所，垃圾桶手動(dòng)或半開(kāi)放式加速了細(xì)菌的傳播。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能垃圾桶將實(shí)現(xiàn)垃圾的有效分類，解決了垃圾桶難以封口，垃圾得不到及時(shí)處理等問(wèn)題，這對(duì)提高垃圾回收率、養(yǎng)成居民分類投放垃圾的習(xí)慣、保護(hù)生態(tài)環(huán)境都起到一定的作用。

二、系統(tǒng)總體框架

智能垃圾桶系統(tǒng)整體框架如圖1所示，該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心。通過(guò)紅外檢測(cè)模塊，當(dāng)人距垃圾桶一定距離時(shí)，舵機(jī)控制電路運(yùn)轉(zhuǎn)將垃圾桶開(kāi)蓋，語(yǔ)音提示模塊語(yǔ)音播報(bào)“垃圾分類”；檢測(cè)模塊檢測(cè)到垃圾已滿時(shí)，語(yǔ)音提示模塊語(yǔ)音播報(bào)“垃圾溢滿報(bào)警”。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）舵機(jī)模塊

舵機(jī)采用SG90，舵機(jī)工作原理如圖2所示，該舵機(jī)由直流電機(jī)、減速齒輪、角度傳感器和控制電路板組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)來(lái)自單片機(jī)的PWM信號(hào)接入到控制電路時(shí)，直流電機(jī)帶動(dòng)減速齒輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而引起角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器產(chǎn)生的信號(hào)反饋給控制電路板來(lái)控制垃圾桶開(kāi)蓋。在舵機(jī)中直流電機(jī)為齒輪組提供充足的馬力，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)越快，電機(jī)的輸出動(dòng)力也就越大。

（二）紅外檢測(cè)模塊

紅外檢測(cè)模塊由一對(duì)紅外對(duì)管和比較器LM393構(gòu)成，如圖３所示，其中紅外對(duì)管由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成。當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外線遇到人時(shí)，紅外線反射會(huì)被接收管接收，經(jīng)過(guò)LM393，輸出端與單片機(jī)連接控制垃圾桶的開(kāi)關(guān)，垃圾桶溢滿檢測(cè)采用同樣的紅外檢測(cè)模塊。

（三）語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理和特征模式識(shí)別的一種技術(shù)[1]，它是信息化社會(huì)向著智能化與自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，使得人們?cè)趯?duì)信息的處理和提取時(shí)更加方便，快捷。模塊主要由語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理、特征提取、模式匹配、模型庫(kù)組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖4所示，輸入的語(yǔ)音信號(hào)需經(jīng)過(guò)預(yù)處理，目的是為了剔除語(yǔ)音中不必要的冗余信息，提高識(shí)別的準(zhǔn)確率。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的語(yǔ)音信號(hào)需要經(jīng)過(guò)特征提取，提取得到的重要特征與模型庫(kù)中的模型進(jìn)行模式匹配得到最終識(shí)別出的信息。其中模型庫(kù)中模型是預(yù)先訓(xùn)練好的，匹配要按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行，尋找一組與識(shí)別模型匹配度最高的模板，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別的算法和查表計(jì)算機(jī)就可以識(shí)別出結(jié)果。

（四）穩(wěn)壓電路模塊

穩(wěn)定電壓是一個(gè)恒定值，為系統(tǒng)電路提供了保障。穩(wěn)壓電路如圖5所示，單片機(jī)電源模塊的芯片為L(zhǎng)7805CV ，內(nèi)部屬于一個(gè)三端穩(wěn)壓器，引腳分別為1、2、3。連接電源，經(jīng)過(guò)整流、濾波后的外部直流電壓9v從引腳1進(jìn)入穩(wěn)壓器，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器內(nèi)部工作處理后，有引腳2和3輸出穩(wěn)定的5v電壓給單片機(jī)系統(tǒng)。

四、軟件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能垃圾桶軟件設(shè)計(jì)部分流程如圖6所示，開(kāi)始將紅外檢測(cè)模塊初始化，為了使紅外檢測(cè)模塊能正常測(cè)距離，設(shè)置了200ms的延遲。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有障礙物靠近時(shí)自動(dòng)打開(kāi)垃圾桶蓋，當(dāng)檢測(cè)到障礙物距離在80cm以內(nèi)，語(yǔ)音提示模塊語(yǔ)音播報(bào)“垃圾分類”；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到垃圾桶滿時(shí)，語(yǔ)音提示模塊語(yǔ)音播報(bào)“垃圾溢滿報(bào)警”。

（二）垃圾分類喚醒設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的四種垃圾分類有：可回收垃圾、其他垃圾、廚余垃圾、有害垃圾。當(dāng)接入電源后，喇叭會(huì)第一時(shí)間播報(bào)“歡迎使用語(yǔ)音識(shí)別垃圾分類系統(tǒng)，請(qǐng)用小白小白喚醒我”語(yǔ)音提示，當(dāng)說(shuō)出各種垃圾喚醒詞時(shí)，相應(yīng)的垃圾桶會(huì)開(kāi)蓋。常見(jiàn)的四種垃圾分類的喚醒詞如表1所示。

（三）舵機(jī)正反轉(zhuǎn)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)程序功能設(shè)計(jì)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，以達(dá)到垃圾箱開(kāi)蓋與關(guān)閉[2]。單片機(jī)得到供電，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，先觀察舵機(jī)是否需要轉(zhuǎn)動(dòng)，若有需要就將AB、BC、CD、DA電源實(shí)現(xiàn)搖臂正轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)3ms延時(shí)后搖臂反轉(zhuǎn)回原來(lái)的位置，AB、AD、CD、CB充電即為充電狀態(tài)。程序流程如圖7所示。

五、系統(tǒng)測(cè)試與總結(jié)

將軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)連接，調(diào)試完成后開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)垃圾（紙團(tuán)）靠近垃圾桶的紅外傳感器時(shí)，傳感器輸出提示燈會(huì)亮起，舵機(jī)正轉(zhuǎn)90度垃圾桶會(huì)自動(dòng)開(kāi)蓋，并且伴有語(yǔ)音提示“靠近垃圾桶自動(dòng)開(kāi)蓋”[3-4]，經(jīng)過(guò)3ms延時(shí)，垃圾桶關(guān)閉，測(cè)試結(jié)果如圖8所示；當(dāng)垃圾（紙團(tuán)）達(dá)到一定高度時(shí)，被傳感器檢測(cè)到，舵機(jī)正轉(zhuǎn)90度垃圾桶開(kāi)蓋，并且伴有語(yǔ)音提示“垃圾溢滿報(bào)警”（如圖9所示）；語(yǔ)音識(shí)別垃圾分類為可回收垃圾、其他垃圾、廚余垃圾、有害垃圾[5]。通過(guò)USB接口接入電源，語(yǔ)音會(huì)第一時(shí)間播報(bào)“歡迎使用語(yǔ)音識(shí)別垃圾分類系統(tǒng)[6]，請(qǐng)用小白小白喚醒我”，當(dāng)說(shuō)出四種垃圾種類的喚醒詞后，相對(duì)應(yīng)的垃圾桶打開(kāi)，經(jīng)過(guò)3ms延時(shí)關(guān)閉（如圖10所示）。

參考文獻(xiàn)

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[6]唐國(guó)明，王智群.C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

基金項(xiàng)目：2023年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于ISGW毫米波濾波陣列天線的研究”（課題編號(hào)：2023KY0630）

作者單位：河池學(xué)院大數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)學(xué)院

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