城市生活垃圾分類智能引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許佳文，孫澤宇，陳浦燦

（三亞學(xué)院，海南三亞，572000）

0 引言

在日常的工作以及生活中，生活垃圾的產(chǎn)生是不能避免的，在垃圾不斷增加的同時(shí)，垃圾處理手段也不斷增多。古羅馬時(shí)期，人們曾經(jīng)采用垃圾填埋的方式，或者安置排水系統(tǒng)將垃圾進(jìn)行遠(yuǎn)沖，早期填埋、焚燒的方式都有使用過。在那個(gè)時(shí)候，垃圾產(chǎn)量并不是很多，對生態(tài)環(huán)境也不會(huì)造成太大影響。但是，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，逐漸進(jìn)入到工業(yè)時(shí)代，垃圾數(shù)量隨之猛增。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年我國累積垃圾清運(yùn)量就達(dá)到了驚人的2.28億噸[1~2]。由于垃圾產(chǎn)量過大，環(huán)境污染嚴(yán)重，也嚴(yán)重影響到人們身體健康，在許多城市已被垃圾所包圍，嚴(yán)重的城區(qū)甚至出現(xiàn)了垃圾城。因此，如何進(jìn)行垃圾有效處置成為當(dāng)前棘手的問題[3]。

實(shí)際上，垃圾是一種可再生資源，但是如果沒有進(jìn)行分類處理就不能變廢為寶。垃圾分類，是按照某種規(guī)則，進(jìn)行垃圾分類投放，并作相應(yīng)的分類安排的一個(gè)過程。在西方一些發(fā)達(dá)國家，特別是德國、日本，垃圾處理方式遙遙領(lǐng)先[4]。在處理垃圾時(shí)，他們首先想到的是垃圾的可回收性，在進(jìn)行垃圾分類之后，如果垃圾能夠降解，就進(jìn)行堆肥處理，如果是可燃物，就進(jìn)行焚燒，剩下的無害垃圾采用填埋方式，并用特殊的方式來處理有害部分，垃圾可回收率不斷地提升[5]。

因此，在處理垃圾之前，進(jìn)行合理的垃圾分類是非常重要的，也是非常必要性。公民自覺將垃圾投入到不同的分類垃圾箱，并統(tǒng)一送往垃圾處理廠。在國內(nèi)，垃圾處理多數(shù)都是進(jìn)行人工分揀，效率非常低，海量垃圾處理需求很難得到滿足。而且長期在這樣的環(huán)境下工作，會(huì)影響到工作人員身體健康。隨著科技水平的不斷提升，機(jī)械自動(dòng)化操作越來越頻繁，手工作業(yè)量減輕了許多。即便如此，都會(huì)造成垃圾分類的額外工作量，如果大家在垃圾投放的時(shí)候就進(jìn)行分類投放，就會(huì)減輕分類環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)。然而，并不是所有人都能夠準(zhǔn)確地對垃圾進(jìn)行分類投放，尤其是小孩和老人不熟悉垃圾分類方式，錯(cuò)投、亂投經(jīng)常發(fā)生。設(shè)計(jì)一款能夠語音識(shí)別的智能垃圾分類引導(dǎo)系統(tǒng)就顯得尤為必要，既提高了垃圾分類投放的準(zhǔn)確率，又實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，減輕了勞動(dòng)力成本。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■1.1 功能需求分析

該生活垃圾智能分類引導(dǎo)系統(tǒng)，從對垃圾的識(shí)別出發(fā)，既可以對廚房余垃圾、其他垃圾、有害垃圾、可回收垃圾等四種垃圾類型進(jìn)行語音識(shí)別，又可以根據(jù)語音識(shí)別結(jié)果直接開啟對應(yīng)類別的垃圾桶，引導(dǎo)分類投放。垃圾關(guān)鍵詞可以直接以語音的方式讀書，由語音識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行分辨，當(dāng)遇到不能識(shí)別或者識(shí)別錯(cuò)誤時(shí)，也可直接說出垃圾桶分類名稱進(jìn)行投放。收到語音指令后語音播報(bào)會(huì)自動(dòng)對所識(shí)別到的垃圾進(jìn)行語音播報(bào)。因此，該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能主要包含以下四個(gè)方面：語音識(shí)別功能、語音播報(bào)功能、垃圾桶自動(dòng)開關(guān)蓋功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

■1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件電路總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)板作為城市生活垃圾智能分類引導(dǎo)系統(tǒng)的主控板，硬件電路如圖2所示。電路包括STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、LD3320 語音電路、語音播報(bào)電路、垃圾桶蓋板舵機(jī)控制電路、電源電路組成。通過語音識(shí)別電路來識(shí)別語音信息，并將信息傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)接收到信息后進(jìn)行分析處理，輸出指令驅(qū)動(dòng)蓋板舵機(jī)以開關(guān)垃圾箱，同時(shí)語音播報(bào)輸出識(shí)別結(jié)果，實(shí)現(xiàn)垃圾桶蓋板的控制功能。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

1.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在圖2 中SMT32 單片機(jī)最小系統(tǒng)由STM32 單片機(jī)、復(fù)位電路和時(shí)鐘振蕩電路組成，單片機(jī)的執(zhí)行速度通常情況下跟晶振取值的大小成正比[6]。因而，時(shí)鐘振蕩電路采用的是外部時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能。C1、C7 為20pF 電容，用來配合8MHz 晶振實(shí)現(xiàn)起振功能，為系統(tǒng)提供固定的工作時(shí)鐘，系統(tǒng)的工作時(shí)間為0.125μs。

復(fù)位電路由電容、電阻和按鍵構(gòu)成，其中C15 是電容量為10μF的極性電容，R13 是10k的電阻。電容有一個(gè)重要特性：其端電壓不會(huì)發(fā)生突變。因此，當(dāng)系統(tǒng)接通電源時(shí)，RESET 腳將處于高電平狀態(tài)，并保持該狀態(tài)一段時(shí)間，其中RC 值的大小影響持續(xù)時(shí)間的長短。STM32 單片機(jī)將RESET 腳觸發(fā)為高電平狀態(tài)，等待2個(gè)機(jī)器周期后，復(fù)位作用就會(huì)生效。出于對復(fù)位可靠性的考慮，需要合理選取RC的數(shù)值，當(dāng)需要復(fù)位的時(shí)候可直接按鍵復(fù)位，按鍵持續(xù)時(shí)間一般要遠(yuǎn)大于兩個(gè)機(jī)器周期，實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位。

1.2.3 語音識(shí)別電路設(shè)計(jì)

語音識(shí)別電路以LD3320 語音識(shí)別模塊加外圍電路構(gòu)成，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)對垃圾丟棄者語音指令的識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果送到STM32 單片機(jī)中進(jìn)行處理，得出結(jié)果并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的舵機(jī)，以開關(guān)對應(yīng)垃圾桶的蓋子。

LD3320 語音識(shí)別模塊能夠根據(jù)關(guān)鍵字對垃圾類型進(jìn)行識(shí)別，該模塊功能強(qiáng)大，能直接對語音信息以及指令讀取后自動(dòng)識(shí)別。既不需要外部常規(guī)的麥克風(fēng)聲音采集模塊，也不需要復(fù)雜的DA 轉(zhuǎn)換輔助，對所需要實(shí)現(xiàn)功能的模塊都已經(jīng)進(jìn)行了集成。它是一款基于STC11 單片機(jī)的語音處理系統(tǒng)，在IC Route 算法作用下能以大于95%的識(shí)別率來完成對不特定的聲音進(jìn)行識(shí)別。內(nèi)置聲音采集電路和聲音輸出電路，能以550mW 喇叭功率、20mW 耳機(jī)功率來輸出聲音。

1.2.4 語音播報(bào)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用WT588D 該語音模塊來完成語音播報(bào)功能，該語音模塊配有voice chip 軟件對語音片段進(jìn)行下載，在內(nèi)部一共可以存儲(chǔ)220×128 段語音，同時(shí)語音還可以實(shí)現(xiàn)自由組合進(jìn)行播放，PWM 輸出12 字節(jié)可直接對0.5W/8Ω喇叭進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，13 字節(jié)的DA 轉(zhuǎn)換，其中內(nèi)部配備高精度DSP 能快速對音頻信號(hào)完成處理，高達(dá)22kHz的采樣頻率能確保音頻信息的準(zhǔn)確不失真。語音播報(bào)電路如圖2所示，通過USB 與下載器連接后，在上位機(jī)軟件上將語音片段下載到WT588D 內(nèi)部對應(yīng)地址的存儲(chǔ)器上，控制端通過輸入控制指令來選擇播放對應(yīng)的語音片段，WT588D 模塊既能夠驅(qū)動(dòng)音頻模塊實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)功能，同時(shí)通過BUSY 引腳對WT588D的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)指示，完成語音播報(bào)功能。

1.2.5 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用來分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)垃圾桶蓋板的開閉，提示系統(tǒng)識(shí)別到的垃圾信息屬于哪一類，來實(shí)現(xiàn)垃圾分類投放引導(dǎo)。四種垃圾分別對應(yīng)廚余垃圾、其他垃圾、可回收垃圾以及有害垃圾。

系統(tǒng)選用SG90 舵機(jī)控制系統(tǒng)，該舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度最180°，根據(jù)輸入的脈沖信號(hào)來控制驅(qū)動(dòng)角度?？刂菩盘?hào)由STM32 單片機(jī)產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)角度控制、位置跟蹤，該舵機(jī)在180°范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)五個(gè)角度方向的旋轉(zhuǎn)，一般一次舵機(jī)控制需要一個(gè)20ms的脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)高電平的比例，完成對舵機(jī)角度的控制，通常時(shí)間與對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)角度關(guān)系如下，0.5ms 對應(yīng)0 度；1.0ms 對應(yīng)45 度；1.5ms 對應(yīng)90 度；2.0ms 對應(yīng)135 度；2.5ms 對應(yīng)180 度。因此，該舵機(jī)就是一個(gè)簡單的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，供電電壓在4.8~6V 之間，4.8V 供電時(shí)輸出恒定扭矩為1.6kg.cm，對應(yīng)的舵機(jī)速度0.12s/60 度?？刂凭€路由三引腳構(gòu)成，兩個(gè)供電引腳，一正一負(fù)，另一個(gè)是信號(hào)控制引腳[7]。單片機(jī)的B6~B9 引腳與四路舵機(jī)控制信號(hào)端連接，根據(jù)輸出的脈寬信號(hào)與角度關(guān)系，來完成對舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的控制。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該城市生活垃圾智能分類引導(dǎo)系統(tǒng)工作流程為，系統(tǒng)上電初始化，在外部語音指令輸入的作用下，以關(guān)鍵字和語音來輸入到LD3320 語音識(shí)別模塊中，利用LD3320 識(shí)別的外部語音送入STM32 單片機(jī)中進(jìn)行處理，來驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作開啟對應(yīng)的垃圾蓋板，同時(shí)驅(qū)動(dòng)WT588D 語音播報(bào)模塊，語音播報(bào)出識(shí)別到的垃圾類型。

主程序第一步就是以初始化為主，包括輸出指令的初始化，LD3320 工作模塊的初始化。包含對通信寄存器設(shè)置，實(shí)現(xiàn)串口通信，對于定時(shí)中斷設(shè)置，對內(nèi)部定時(shí)器設(shè)置，實(shí)現(xiàn)20ms的中斷來讀取數(shù)據(jù)。第二步，就開始循環(huán)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀取，根據(jù)語音識(shí)別輸出的數(shù)據(jù)來判斷垃圾類型，最后輸出指令來驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，對裝載不同垃圾的垃圾蓋開啟，當(dāng)開啟后，延時(shí)一定的時(shí)間來表示丟垃圾完成，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)反轉(zhuǎn)后，關(guān)閉垃圾桶蓋板，主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

主程序如下所示

void main()

{

uint8 nAsrRes=0;

LD3320_Init();

Line_1A(0);

TIM2_Init(99,71);

//Tout = ((arr+1)*(psc+1))/Tclk ;

//Tclk:定時(shí)器輸入頻率(單位MHZ)

//Tout:定時(shí)器溢出時(shí)間(單位us)

while(1)

{

switch(nAsrStatus)

{

case LD_ASR_RUNING:

case LD_ASR_ERROR:

break;

case LD_ASR_NONE:

nAsrStatus=LD_ASR_RUNING;

if (RunASR()==0) / /ASR 初始化

}

}

}

3 系統(tǒng)焊接與調(diào)試

■3.1 焊接要點(diǎn)

常見的電子電路焊接調(diào)試的方法有以下兩種：在萬能上焊接元件組裝電路，或者在面包板上插接電路，驗(yàn)證功能并制作PCB 板。然而這兩種方法均需注意以下列問題，在正式組裝焊接之前，應(yīng)對各個(gè)元器件的功能進(jìn)行測試，挑出那些存在問題的元器件，這樣可以最大限度地避免電路焊接失?。恍枰⒁怆娮与娐分性臄[放方向，合理布局，讓元器件以及電路模塊沿著一個(gè)指定的方向布局，方便后期的布線與焊接工作。

■3.2 系統(tǒng)功能調(diào)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)工作的可靠性和語音識(shí)別模塊的識(shí)別準(zhǔn)確率，分別對系統(tǒng)在安靜環(huán)境、有噪聲環(huán)境和嘈雜環(huán)境進(jìn)行功能驗(yàn)證。在不同環(huán)境中分別對四種不同類型的垃圾進(jìn)行投放，驗(yàn)證開蓋引導(dǎo)投放是否精準(zhǔn)。系統(tǒng)上電后，通過語音發(fā)出“有害垃圾”識(shí)別指令，可以聽到語音播報(bào)對應(yīng)的垃圾信息，并且對應(yīng)垃圾蓋板打開，如圖4所示。延時(shí)5s 后，舵機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉垃圾蓋。經(jīng)過在不同環(huán)境對不同垃圾類型的測試，系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，識(shí)別率較高，測試結(jié)果如表1所示。

表1 城市生活垃圾智能分類引導(dǎo)系統(tǒng)功能測試表

圖4 有害垃圾投放測試

4 結(jié)語

垃圾分類是全社會(huì)共同的責(zé)任，我們要為城市環(huán)境的發(fā)展作出自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)，通過城市生活垃圾分類系統(tǒng)的投放可以大大提高垃圾分類的準(zhǔn)確率，幫助老人和小孩等容易造成垃圾分類錯(cuò)誤的人群正確投放。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了語音識(shí)別并反饋的方式，通過語音的反饋?zhàn)尷斗耪吣軌蚣皶r(shí)了解垃圾分類的正確性，以及是否是自己語音輸出的垃圾類型。系統(tǒng)工作可靠、識(shí)別正確率較高，尤其是在安靜環(huán)境和有噪聲環(huán)境中基本可以達(dá)到100%正確識(shí)別。但是，在嘈雜噪聲環(huán)境和有口音的普通話人群中測試效果并不理想，也是我們未來努力改進(jìn)的方向。