基于STM32的智能分類垃圾桶設(shè)計

盛晴晴

摘要：隨著國家政策的落實，全國各地正積極倡導(dǎo)垃圾分類，但由于群眾對垃圾分類的認識不足，垃圾分類規(guī)范化仍面臨挑戰(zhàn)。文章從提高群眾垃圾分類意識、規(guī)范垃圾分類行為方面出發(fā)，設(shè)計了一款智能分類垃圾桶。該設(shè)計主要采用STM32F103C8T6單片機作為系統(tǒng)控制核心，搭配LD3320語音識別芯片和機智云App控制，旨在實現(xiàn)垃圾桶的智能化、自動化管理。

關(guān)鍵詞：STM32F103；LD3320；App；垃圾分類；語音識別

中圖分類號：TP312文獻標志碼：A

0 引言

隨著城市化進程的加速和人口的不斷增長，城市生活垃圾數(shù)量急劇增加。除了大量垃圾所產(chǎn)生的污染問題，如何高效地進行垃圾處理也成為一大難題^[1]。而垃圾分類是解決垃圾問題的關(guān)鍵，通過將不同種類的垃圾分開處理，可以最大限度地減少對環(huán)境的影響，并有效利用資源。常用的垃圾處理方式包含堆肥處理、衛(wèi)生填埋、焚燒處理^[2]。但垃圾處理的難點不是技術(shù)的實現(xiàn)，而是大眾缺乏垃圾分類意識。針對這一問題，本文提出了一款智能化、自動化的設(shè)計——基于STM32的智能分類垃圾桶。

1 整體方案

對于系統(tǒng)的整體設(shè)計而言，需要考慮系統(tǒng)如何對人聲進行識別、如何進行語音播報、如何顯示垃圾分類信息、如何通過App對垃圾桶進行操控。因此，本文設(shè)計以STM32F103C8T6單片機作為系統(tǒng)的微處理器，搭配ESP8266Wi-Fi模塊用于硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸^[3]。LD3320語音識別模塊負責(zé)識別用戶語音數(shù)據(jù)，作為垃圾分類的基礎(chǔ)。JQ8900-16P語音播報模塊負責(zé)對垃圾分類的結(jié)果進行語音播報，加深群眾印象，具有一定的教育意義。SG90舵機為執(zhí)行元件，負責(zé)垃圾桶的開合。TCRT5000紅外傳感器設(shè)置在垃圾桶的桶蓋上，紅外感應(yīng)垃圾桶是否滿溢。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件

本文設(shè)計以STM32F103C8T6單片機為控制核心，主要硬件包括ESP8266Wi-Fi模塊、LD3320語音識別模塊、JQ8900-16P語音播報模塊、OLED顯示屏、SG90舵機、TCRT5000紅外傳感器。

2.1 STM32F103C8T6核心板

為了確保系統(tǒng)操作的順暢以及高效，本文選擇了STM32F103C8T6單片機作為微控制器進行研究。STM32F103C8T6單片機具有低功耗、高效率、豐富的外設(shè)接口等優(yōu)勢^[4]，其原理如圖2所示。STM32是智能垃圾桶的重要組成部分，開發(fā)人員可以借助STM32直接驅(qū)動系統(tǒng)的各個模塊。

2.2 LD3320語音識別模塊

LD3320語音識別芯片是一款集低功耗和高效能于一體的芯片，具有出色的識別效率和準確性。該芯片采用ASR技術(shù)，無需用戶錄音訓(xùn)練即可實現(xiàn)非特定人的語音識別^[5]。盡管LD3320芯片在離線操作方面因內(nèi)存問題對識別指令有所限制，但是對于本文系統(tǒng)而言，選擇LD3320足以實現(xiàn)用戶迅速、流暢且相對全面的交互式體驗。當(dāng)使用LD3320時，系統(tǒng)需要設(shè)置喚醒詞，喚醒詞以相應(yīng)的拼音排列。當(dāng)用戶發(fā)出預(yù)先設(shè)置的喚醒詞時，系統(tǒng)將被喚醒，芯片會根據(jù)用戶輸入的語音信號進行一系列語音分析操作，并根據(jù)預(yù)先輸入的拼音字符串逐一匹配，最終得出匹配度最高的關(guān)鍵詞。然后，芯片將信息轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的識別碼反饋給單片機，由單片機執(zhí)行后續(xù)操作。同時，LD3320回到起始狀態(tài)，準備接收下一條語音指令信號。LD3320運行過程如圖3所示。

2.3 ESP8266Wi-Fi模塊

ESP8266Wi-Fi模塊是一款集成了TCP/IP協(xié)議棧的低功耗、高性能芯片，能通過串口快速連接至Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)并與互聯(lián)網(wǎng)通信^[6]。ESP8266原理如圖4所示，該模塊結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成到各種設(shè)備中，因此被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域。

2.4 JQ8900-16P語音播報模塊

JQ8900-16P語音播報模塊可通過串口輸出音頻^[7]，并支持開關(guān)、播放器和單片機等多種控制方式。該模塊對語音質(zhì)量有嚴格要求，能夠播放6000～22000 Hz的聲音文件，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和音質(zhì)。

2.5 TCRT5000紅外傳感器

TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線^[8]。當(dāng)沒有反射光線或反射回來的紅外線強度不足時，紅外接收管保持關(guān)閉狀態(tài)，輸出高電平，表示二極管處于熄滅狀態(tài)^[9]。當(dāng)被檢測物體在感知范圍內(nèi)時，其反射的紅外線強度足夠，紅外接收管飽和，輸出低電平，點亮二極管^[10]。

2.6 OLED顯示屏

OLED顯示屏是一種使用有機發(fā)光二極管作為發(fā)光材料的顯示技術(shù)。與傳統(tǒng)的液晶顯示屏不同，OLED顯示屏無需背光源。每個像素點都可以獨立發(fā)光，從而實現(xiàn)更高的對比度和更廣的視角。

2.7 SG90舵機

SG90舵機主要用于控制垃圾桶的開合動作，舵機的控制采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號，通過調(diào)節(jié)占空比來控制舵機的轉(zhuǎn)動角度^[11]。這種方式可以靈活地控制舵機的位置，實現(xiàn)垃圾桶的準確分類和開合功能^[12]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括STM32主程序設(shè)計以及App程序設(shè)計。

3.1 STM32主程序設(shè)計

STM32主程序主要根據(jù)輸入信號判斷是語音信號還是App控制信號：若是語音信號，則LD3320識別語音數(shù)據(jù)后得到識別碼，單片機控制相對應(yīng)的舵機轉(zhuǎn)動，進行語音播報；若是App控制信號，則單片機通過判斷控制相對應(yīng)的舵機轉(zhuǎn)動，進行語音播報。

3.2 App程序設(shè)計

App程序設(shè)計采用機智云平臺實現(xiàn)，機智云平臺是一款物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺，提供設(shè)備接入、遠程控制、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析等功能，旨在幫助開發(fā)者快速搭建和管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。機智云平臺支持多種通信方式，如Wi-Fi、藍牙、2G/3G/4G等，兼容性強，可接入各類設(shè)備。通過移植機智云平臺到STM32芯片上，可以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入和遠程控制等功能。此外，機智云平臺還提供了完善的安全機制，包括設(shè)備身份驗證、數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)?，保障?shù)據(jù)的安全性。具體的操作為：在機智云平臺新建項目名稱，輸入數(shù)據(jù)點的各個屬性，生成并下載MCU代碼包，將其移植到相應(yīng)的STM32項目。App界面如圖5所示。

4 智能分類垃圾桶系統(tǒng)測試

首先，用戶需要對系統(tǒng)通電。然后，系統(tǒng)根據(jù)特定詞喚醒智能垃圾分類桶。最后，系統(tǒng)根據(jù)垃圾名稱實現(xiàn)垃圾分類功能。只要系統(tǒng)回復(fù)的垃圾分類結(jié)果以及打開的舵機均正確，則記為識別成功；否則，記為識別失敗。下面對已錄入數(shù)據(jù)進行測試（設(shè)定每人在室內(nèi)和室外分別說10遍關(guān)鍵詞），智能分類垃圾桶測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明：室內(nèi)、室外環(huán)境對測試結(jié)果幾乎不存在影響，均有較高的準確率。

5 結(jié)語

基于國家政策和環(huán)境問題，本文設(shè)計了基于STM32的智能分類垃圾桶。設(shè)計方案運用智能化和自動化技術(shù)對現(xiàn)有的垃圾分類問題進行分析解決。這項技術(shù)可以幫助人們快速進行垃圾分類，從而促進資源回收利用，減少環(huán)境污染，提高城市垃圾處理效率，在一定的程度上還兼具教育意義。在未來的推廣運用中，課題組還需根據(jù)當(dāng)?shù)氐睦诸愓吆屠诸悩藴?，調(diào)整語音庫；同時，合理地調(diào)整垃圾桶的外形設(shè)計以及移動端App界面，進一步提升智能分類垃圾桶的使用效果。

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（編輯 沈 強編輯）

Design of intelligent classified garbage can based on STM32

Sheng? Qingqing

（Xijing University， Xian 710000， China）

Abstract： With the implementation of national policies， garbage classification is being actively advocated across the country. Due to the lack of awareness of garbage classification among the masses， the standardization of garbage classification is still facing challenges. In this paper， from the two aspects of improving the awareness of garbage classification and standardizing the garbage classification behavior， an intelligent classified garbage can is designed， which mainly uses STM32F103C8T6 single-chip microcomputer as the system control core， with LD3320 voice recognition chip and Gizwits App control， aiming to realize the intelligent and automatic management of garbage cans.

Key words： STM32F103; LD3320; App; garbage classification; voice recognition