基于STM32的智能垃圾桶

摘 要：基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款智能垃圾桶，它能夠依據(jù)用戶的語音指令識別日常垃圾種類，助力用戶更便捷地進(jìn)行垃圾分類與管理。此系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控芯片。其中，LD3320語音識別模塊用于精準(zhǔn)識別用戶的語音指令，并依據(jù)指令內(nèi)容辨別日常垃圾種類；SYN6288語音播報(bào)模塊負(fù)責(zé)對識別出的垃圾種類進(jìn)行語音播報(bào)；ESP8266 WiFi模塊可實(shí)現(xiàn)垃圾桶與手機(jī)或其他智能設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制；火焰檢測傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測垃圾桶內(nèi)是否有火源；HC-SR04超聲波與SG90舵機(jī)協(xié)作實(shí)現(xiàn)自動測距。經(jīng)過實(shí)際測試，該設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確識別常見生活垃圾種類并進(jìn)行播報(bào)，借助ESP8266 WiFi實(shí)現(xiàn)對垃圾桶的遠(yuǎn)程控制和信息傳輸，當(dāng)有火源時(shí)可及時(shí)報(bào)警，OLED顯示屏則實(shí)時(shí)顯示垃圾桶的狀態(tài)。此設(shè)計(jì)能夠滿足現(xiàn)代家庭日常的垃圾分類管理需求，為未來智能家居領(lǐng)域提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：STM32F103C8T6單片機(jī)；語音播報(bào)；數(shù)據(jù)傳輸；遠(yuǎn)程控制；火焰檢測；自動開合

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-0-04

0 引 言

隨著現(xiàn)代城市生活日益繁忙，人們對居住環(huán)境品質(zhì)的要求也不斷提升，城市垃圾處理成為亟待解決的問題。傳統(tǒng)垃圾桶功能單一且缺乏智能化管理，已無法滿足當(dāng)下城市管理需求?？萍疾粩噙M(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)[1]、傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)[2]飛速發(fā)展，這為智能垃圾桶[3]的研發(fā)與應(yīng)用提供了有力支持。智能垃圾桶集成這些先進(jìn)技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)自動感應(yīng)開蓋、智能垃圾分類、失火預(yù)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種功能，極大地提高了垃圾處理效率和智能化管理水平。在眾多微控制器里，STM32性能出色、功耗低且集成度高，是智能垃圾桶控制系統(tǒng)的理想之選。搭載多種傳感器后，STM32能夠?qū)斑M(jìn)行全方位智能控制，從而提升用戶體驗(yàn)和環(huán)保效果。基于上述背景，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32的智能垃圾桶，該垃圾桶是集火焰檢測、測距開蓋、語音識別并播報(bào)以及遠(yuǎn)程控制[4]于一體的智能化系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動化、智能化管理，為城市垃圾處理提供新的解決方案。

1 整體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控芯片，此芯片性價(jià)比高且處理能力強(qiáng)。系統(tǒng)搭載LD3320和SYN6288語音模塊，能準(zhǔn)確識別并播報(bào)日常生活垃圾種類；通過ESP8266 WiFi模塊，可實(shí)現(xiàn)垃圾桶與手機(jī)或其他智能設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制；利用HC-SR04超聲波與SG90舵機(jī)實(shí)現(xiàn)自動測距；借助火焰檢測傳感器對垃圾桶內(nèi)火源進(jìn)行檢測，一旦檢測到火源，能夠通過WiFi及時(shí)向系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息；還使用OLED顯示屏顯示垃圾桶的狀態(tài)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 LD3320語音識別模塊

本系統(tǒng)運(yùn)用LD3320語音識別模塊[5]來識別用戶的語音指令。此模塊支持用戶自由編輯50條關(guān)鍵詞語，工作于口令模式。該模塊采用非特定人語音識別技術(shù)，用戶無需進(jìn)行錄音訓(xùn)練，這讓應(yīng)用更加便捷。系統(tǒng)通過判斷用戶語音指令與關(guān)鍵詞語的匹配性，借助串口通信[6]把數(shù)據(jù)傳送到主控芯片，從而控制智能垃圾桶自動開合。

2.2 SYN6288語音播報(bào)模塊

本系統(tǒng)采用SYN6288語音播報(bào)模塊[7]來播報(bào)識別出的垃圾種類。它通過異步串口通信方式接收待合成的文本數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)從文本到語音（TTS語音）的轉(zhuǎn)換。該模塊具備高效性、準(zhǔn)確性和豐富性等優(yōu)點(diǎn)，用戶可靈活控制語音合成進(jìn)程，從而高效播報(bào)所識別的垃圾種類以及報(bào)警提示語音。

2.3 ESP8266 WiFi模塊

基于STM32的智能垃圾桶采用ESP8266 WiFi模塊[8]實(shí)現(xiàn)垃圾桶與手機(jī)或其他智能設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制。ESP8266 WiFi模塊支持AP、STA以及STA+AP工作模式，此系統(tǒng)采用AP工作模式。在AP模式下，ESP8266 WiFi模塊會創(chuàng)建一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，作為中心節(jié)點(diǎn)，其他設(shè)備能像連接常規(guī)WiFi網(wǎng)絡(luò)一樣連接到該模塊創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)并與之通信。

2.4 SG90舵機(jī)

SG90舵機(jī)[9]是一種位置（角度）伺服驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化且能保持的控制系統(tǒng)。它的控制和輸出較為簡單，這使得單片機(jī)系統(tǒng)能輕松與之對接。該舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度在0～180°范圍內(nèi)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含電機(jī)、控制電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)三個(gè)部分?；赟TM32的智能垃圾桶是通過控制舵機(jī)的角度來控制垃圾桶蓋開合的。

2.5 HC-SR04超聲波模塊

本系統(tǒng)運(yùn)用HC-SR04超聲波模塊[10]，借助超聲波發(fā)送器和接收器來實(shí)現(xiàn)距離測量。其工作原理為：超聲波發(fā)送器先把電信號轉(zhuǎn)換成超聲波脈沖，再經(jīng)空氣介質(zhì)向外發(fā)送。超聲波在遇到障礙物時(shí)會反射，而后被接收器接收。模塊內(nèi)部設(shè)有一個(gè)計(jì)時(shí)器，用來測量超聲波發(fā)射與反射回來的時(shí)間差，此時(shí)間差就是聲波于空氣中傳播的時(shí)間。最終，將聲波傳播時(shí)間乘以聲速（340 m/s），就能算出目標(biāo)物體與傳感器間的距離。當(dāng)判定所測距離小于5 cm時(shí)，主控芯片控制舵機(jī)自動打開垃圾桶。

2.6 火焰檢測傳感器

火焰檢測傳感器[11]可實(shí)時(shí)檢測垃圾桶內(nèi)的火源。它利用紅外線對火焰的敏感特性，把火焰信號轉(zhuǎn)換為電平信號，從而有效檢測火焰?；鹧鏅z測傳感器的電路接口主要包含電源接口和信號輸出接口。其中，信號輸出接口用于輸出傳感器檢測到的火焰信號。該系統(tǒng)采用數(shù)字信號輸出接口（DO），通過讀取DO口的高低電平來判斷是否有火源產(chǎn)生。

2.7 OLED顯示屏

基于STM32的智能垃圾桶采用0.96英寸、基于I2C通信的OLED顯示屏[12]。此顯示屏輕薄柔韌、能耗小、可視效果佳且使用方便，可用于顯示識別出的垃圾類型圖標(biāo)，便于人機(jī)交互[13]。

2.8 蜂鳴器

蜂鳴器為一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，其由壓電陶瓷片、電路板以及聲音放大器等構(gòu)成。接通電源時(shí)，電路板會控制壓電陶瓷片振動以發(fā)聲，聲音經(jīng)放大器放大后從蜂鳴器傳出。若火焰檢測傳感器檢測到垃圾桶內(nèi)部有火源，主控芯片將控制蜂鳴器報(bào)警提示。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序流程

基于STM32的智能垃圾桶利用Keil5軟件編寫C語言程序，給系統(tǒng)供電后，系統(tǒng)主程序?qū)φZ音識別模塊、ESP8266 WiFi模塊等進(jìn)行初始化配置；初始化配置完成后，系統(tǒng)會打開ESP8266 WiFi模塊熱點(diǎn)和語音識別模塊響應(yīng)燈；用戶通過發(fā)出一級指令（小凱）喚醒語音識別模塊，若喚醒成功則指示燈閃爍，此時(shí)再次進(jìn)行二級指令采集，從而進(jìn)行垃圾識別和語音播報(bào)；若火焰檢測傳感器檢測到火源，則可通過串口發(fā)送指定警報(bào)句至系統(tǒng)上且蜂鳴器報(bào)警；用戶也可自行分類并將垃圾放在垃圾所屬類型的垃圾桶前，垃圾桶即可自動開蓋，且OLED顯示屏?xí)@示垃圾所屬種類圖標(biāo)。系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

3.2 語音識別程序設(shè)計(jì)

基于STM32的智能垃圾桶具有識別各類生活垃圾的功能。用戶能夠通過簡單話語喚醒這一功能，當(dāng)系統(tǒng)被一級指令激活時(shí)，板子上的LED燈就會作出反饋，之后用戶可給出更具體的指令以正確分類垃圾。該系統(tǒng)以STM32F103C8T6微控制器為基礎(chǔ)，借助串口1與語音識別模塊進(jìn)行串口通信來交換數(shù)據(jù)。語音識別程序流程如圖3所示。

3.3 語音播報(bào)程序設(shè)計(jì)

基于STM32的智能垃圾桶具備語音播報(bào)功能，這一功能讓人機(jī)交互變得更加便捷。在成功喚醒系統(tǒng)后，用戶只要說出垃圾種類，系統(tǒng)就能快速識別并歸類。接著，系統(tǒng)會清晰播報(bào)出該垃圾屬于可回收、廚余、有害或者其他類別。此功能極大地提升了用戶的使用體驗(yàn)，使用戶能夠更輕松地處理垃圾。語音播報(bào)程序流程如圖4所示。

3.4 ESP8266 WiFi程序設(shè)計(jì)

基于STM32的智能垃圾桶搭載ESP8266 WiFi模塊，以此實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶的遠(yuǎn)程控制與通信功能。其工作原理如下：首先，WiFi模塊建立WiFi熱點(diǎn)，手機(jī)連接該熱點(diǎn)后，通過手機(jī)APP將待發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸給ESP8266芯片；接著，WiFi模塊經(jīng)串口3向單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對垃圾桶的遠(yuǎn)程控制。此外，當(dāng)火焰檢測傳感器檢測到火源時(shí)，單片機(jī)也會通過串口3向ESP8266芯片發(fā)送求救警報(bào)，手機(jī)APP系統(tǒng)能夠接收到該警報(bào)，從而起到預(yù)警作用。ESP8266 WiFi程序流程如圖5所示。

3.5 舵機(jī)驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

基于STM32的智能垃圾桶的蓋子由舵機(jī)操縱開啟和關(guān)閉。舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）來調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)是通過調(diào)整信號高電平時(shí)間占比實(shí)現(xiàn)的。簡單來講，PWM通過對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼，以改變占空比的方式調(diào)控信號變化，占空比即一個(gè)周期內(nèi)信號處于高電平狀態(tài)的時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比例。舵機(jī)驅(qū)動程序流程如圖6所示。

3.6 超聲波測距程序設(shè)計(jì)

首先，利用I/O口TRIG發(fā)出持續(xù)時(shí)間至少為10 μs的高電平信號，以此觸發(fā)測距操作。接著，模塊會自動發(fā)送8個(gè)頻率為40 kHz的方波，并且檢測是否有信號返回。一旦檢測到返回信號，模塊就會通過I/O口Echo輸出高電平，該高電平的持續(xù)時(shí)間即為超聲波往返的時(shí)間。最后，按照公式（高電平時(shí)間×聲速）/2來計(jì)算測試距離，聲速為340 m/s。

若所測距離小于5 cm，MCU將控制智能垃圾桶自動打開。超聲波程序流程如圖7所示。

3.7 火焰檢測傳感器程序設(shè)計(jì)

基于STM32的智能垃圾桶配備了火焰檢測傳感器。該傳感器在接通電源后會進(jìn)行自檢，以確認(rèn)能否正常工作。若正常工作，其會向控制器輸出信號，控制器則通過接收信號來判斷是否存在火焰。當(dāng)控制器檢測到火焰信號時(shí)，會借助ESP8266 WiFi向手機(jī)APP發(fā)送求救警報(bào)，從而保障設(shè)備安全，APP聊天界面如圖8所示。若控制器未檢測到火焰信號，傳感器會持續(xù)監(jiān)測火焰狀況，并向控制器輸出信號?；鹧鏅z測傳感器程序流程如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

圖10為基于STM32的智能垃圾桶實(shí)物圖。垃圾桶的主控芯片位于正中間，四個(gè)垃圾桶分布在四個(gè)角上。每個(gè)垃圾桶都配備有一個(gè)舵機(jī)、超聲波測距和火焰檢測傳感器。語音識別、語音播報(bào)、ESP8266 WiFi、OLED顯示屏以及蜂鳴器模塊則集成在主控芯片電路板上。此系統(tǒng)具有高度的集成性和便捷性，能夠?yàn)槲磥淼闹悄芗揖宇I(lǐng)域提供有益的參考和借鑒。

在基于STM32完成智能垃圾桶設(shè)計(jì)之后，開展了一系列實(shí)驗(yàn)。OLED顯示屏顯示、APP遠(yuǎn)程控制、超聲波測距自動開合垃圾桶、語音播報(bào)功能以及火焰檢測傳感器的測試結(jié)果見表1；語音識別模塊功能的測試結(jié)果見表2。

5 結(jié) 語

在當(dāng)前國家環(huán)境面臨日益嚴(yán)重的垃圾處理問題這一背景下，本文提出了一種創(chuàng)新的解決方案。設(shè)計(jì)了一款簡易、便攜的智能垃圾桶，其運(yùn)用了先進(jìn)的智能語音識別技術(shù)。這款垃圾桶有多種功能，它具備語音識別功能，能夠依據(jù)用戶的語音指令識別垃圾種類，同時(shí)還能進(jìn)行語音播報(bào)，以幫助用戶更好地了解不同的垃圾類型；此外，它可以通過WiFi、超聲波測距控制垃圾桶開蓋，利用火焰檢測傳感器檢測是否存在火源。本設(shè)計(jì)能夠滿足現(xiàn)代家庭對垃圾分類管理的日常需求，為未來智能家居領(lǐng)域提供有益的參考和借鑒。

注：本文通訊作者為黃凱升。

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收稿日期：2024-05-14 修回日期：2024-06-18

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