基于声音识别的智能声控垃圾桶

郭建军 林丽君 陈红斌* 王克强 蔡 肯

（仲恺农业工程学院 自动化学院，广东 广州510225）

我们平常生活中产生的垃圾越来越多，垃圾问题渐渐成为社会问题，这将会严重影响生活的品质。尤其对于室内生产生活来说，发展和使用智能垃圾桶[1,2]，将垃圾桶中的病菌与人类隔绝起来是非常重要的。这不仅仅可以提高生活质量，还可以使人们免受垃圾病菌的侵害。正因为现实生活对使用智能垃圾桶并不普及，所以本文针对得不到重视的智能垃圾桶进行研究，以“基于声音识别的智能声控垃圾桶”为题进行研究，实现方便人们扔垃圾、将垃圾与人类隔绝起来等功能，从而达到它的隔离作用，方便人们的作用。

1 系统方案设计

基于声音识别的智能声控垃圾桶搭载在智能小车上移动，通过红外或者语音指令打开垃圾桶盖，就可以把垃圾安全方便地丢进垃圾桶了[3]。

1.1 智能声控垃圾桶中的声音控制采用人声识别模块LD3320，它是一种具有识别深度的非特定人声识别模块，新IDE软件识别深度不受限制，几乎可以识别我们日常生活中常用的所有语音指令；精细设计语音识别参数的语音识别模块可以通过特定的语音识别软件对语音音量、麦克风灵敏符、识别起始时间、语音端点检测识别等参数可以设置，从而使语音识别模块更适应日常环境，进而可以很好地应用到我们的装置中，达到声控的功能。

1.2 在智能声控垃圾桶的盖子上我们采用自动打开和关闭的方式，在其中添加一个电机来控制盖子的运动方式，它由红外传感器、齿轮和力臂组成。

1.3 智能声控垃圾桶的移动端，我们采用驱动小车的方式，这样能够随时控制装置的移动方向、运动轨迹，并对路径进行优化。

2 系统硬件设计

2.1 控制器选型

STM32 单片机最小系统STM32F103C8T6 主要由主芯片、上电复位电路、电源供电电路和时钟电路组成。STM32F103C8T6芯片内核是ARM 32 位的CortexTM-M3 CPU，内置高速存储器，足以保证数据快速读写和读取。

2.2 红外避障模块

智能小车通常使用的避障技术有红外避障和超声波避障这两种方式。但是超声波的传播极度容易受到干扰，温度、风向和某些信号都可以成为干扰因素。缺点太多，不太符合此设计的要求。选择采用稳定的红外避障模块来帮助小车完成行走避障。

2.3 电机驱动模块

本设计装载两个L298N 电机驱动模块来驱动四个电机，四个电机装上四个小轮，搭载一个可以装载垃圾桶的平台。L298N电机驱动模块可以提高小车运行的可靠性正是因为其内部电路中的电容和二极管等组成了稳定的电路。采用L298N 芯片电机驱动电机方向控制可以实现正反转，可以调节小车运行的速度、可以实现左右转向，能够实现对应的动作。该调速方式调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，而且能承受频繁的负载冲击。

2.4 语音识别模块

语音识别模块主要由语音识别芯片和相关附属电路组成，其主要功能是识别语音指令，并根据识别出的指令信息通过串口发送相应的指令编码[4]。本设计使用LD3320 语音识别模块，用来控制电机驱动模块，通过指令使电机驱动工作，使小车工作到达使用者附近，为后续的一系列动作作了很好的铺垫。本设计的LD3320 语音识别模块需要进行多次工作。

2.5 电源模块

本设计使用两个电池串联来为整个系统提供供电服务，但是不同的模块是工作在不同的电压当中。两个电池的总电压在7.5V 左右，通过降压电路将电压降压到5V，然后供给红外模块使用，而本降压电路最关键的是使用LM7805 这个三端稳压器。但是STM32 单片机一般工作在3.3V 的电压当中，所以还需要将5V 的电压降压到3.3V 当中，这时候采用AMS1117 正向低压稳压器和不同的电容将5V 的电压降压到3.3V，然后供给STM32 单片机使用。电机驱动直接连接7.5V 电压使用。

2.6 蓝牙模块

本设计使用产品型号HC-05 带底板焊排针的主从机一体BLE 蓝牙模块，需要工作在3.2-6V 的输入电压。模块可以使用在空旷环境的有效距离10 米内，超过10 米不能保证通信质量。这个蓝牙模块可以连接各种单片机，直接连接单片机的串口。与蓝牙2.0 设备连接，一主一从，需要配对码和波特率一致，当配对成功状态灯开启。

2.7 舵机

舵机一般分为直流和交流两种类型，此次设计使用的直流舵机来控制垃圾桶盖子的开闭，镶嵌在盖子和桶的结合处，所以其在智能声控垃圾桶起到重要的作用。

3 系统软件设计

STM32 主控制器在系统启动时要设置系统的运行环境、启动事件循环的控制程序。主控制器要对相关的端口进行初始化操作，为各端口接收指令做好准备。相关的寄存器也要进行设置，此设计的要用到中断服务程序，所以对中断相关的寄存器也要进行初始化操作。本次设计中，主机程序设计和从机程序有点差别，主机程序固有的语音识别模块随时都处在接收模式当中，主机程序中的蓝牙模块随时都处在发送模式，收到主机程序发送的指令后，从机程序中的蓝牙模块作出反应把接收的指令传输到单片机，单片机进行准确判断之后再通过串口来控制小车前行或者打开垃圾桶盖。

结束语

基于声音识别的智能声控垃圾桶利用STM32 单片机作为其控制系统。目的是完成一个具有简单的小范围移动能力、能够语音进行操控等功能，由语音识别装置、微电脑控制芯片、红外线探测装置、电机驱动模块等组成的控制系统。该系统具体包括了STM32 主控制器、语音识别模块、红外模块、蓝牙模块等主要控制外围器件。主要的操作流程是由人语音输入控制语音指令，由语音模块识别出语音指令，输出到STM32 主控制器里面，再由主控制器作出反应，使装载垃圾桶的小车移动到相应的位置。垃圾桶可以使用语音控制或者自动感应开盖。通过理论和实践的结合，本智能声控垃圾桶具有成本低、结构简单、性能稳定、智能化等优点。一定程度上弥补了我国传统垃圾桶的缺陷，将人们和垃圾隔离，防止细菌相互交叉感染，进一步提高人们的生活水平。