声控智能分类垃圾桶的设计与开发*

王宇鑫，刘 健，杨 哲，郑松霖，徐伟杰

（1. 天津工业大学机械工程学院， 天津 300387；2. 天津工业大学工程教学实习训练中心， 天津 300387）

0 引言

随着经济社会发展和物质消费水平大幅提高，我国生活垃圾产生量迅速增长，环境问题日益突出，城市垃圾处理已经成为关系城市生态可持续发展的重要影响因素，从而被列入政府议程[1]。十九大报告指出：“生态文明制度体系加快形成，主体功能区制度逐步健全，国家公园体制试点积极推进。全面节约资源有效推进，能源资源消耗强度大幅下降”。垃圾分类处理不仅可以营造适宜居住的城市环境，同时通过引导居民垃圾分类可加强居民环保意识，促进资源回收再利用[2-3]。

垃圾分类处理从最开始的人工式，到发出提醒的半自动式，再到感应式，其中感应式通常是通过识别垃圾的材质、颜色、成分、重量、尺寸等特征来实现的，最后发展成智能化程度很高的全自动小型机器人型，这也是该领域的发展方向[4]。目前，智能化垃圾分类的研究主要集中在社区和回收站的垃圾分类作业中，针对家庭层面智能分类垃圾桶还在研究和发展中[5]。为此本文针对家庭幼儿垃圾分类教育及家庭层面使用，设计研发了声控智能分类垃圾桶，当幼儿说出垃圾的名称时，垃圾桶即可判断其类别，并告知答案，同时旋转至对应垃圾分区以进行正确投放；另外，垃圾桶具备遥控、红外避障功能，增加幼儿使用的趣味性，从小培养垃圾分类意识，寓教于乐。

1 机械结构设计

如图1 所示，声控智能分类垃圾桶主要包括垃圾识别系统1、桶体2、双层盖系统3 和移动控制系统4。以51 单片机为主控芯片，接收垃圾识别系统的识别信号和移动控制指令，分别驱动双层盖系统和移动控制系统实现垃圾分类语音反馈及投放和自主移动。

图1 声控智能分类垃圾桶

垃圾识别系统采用的是LD3320 语音识别模块，利用语音识别模块储存海量生活垃圾关键词，通过语音输入比对识别垃圾分区，然后通过主控板发出指令信号指定垃圾投放位置。

如图1所示，桶体包括控制元件区21、主桶区22、4类垃圾内桶23和方管通道24，主桶区采用圆柱形桶，控制元件区位于主桶区底部，其中放置主控板、步进电机驱动器、直流电源等控制元件及配件，主桶区内部按圆周均匀放置可回收物、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾4类垃圾内桶，4类垃圾内桶中心形成竖直长方体空间，方管通道安装于中心竖直长方体空间中。

如图2 所示，双层盖系统由电动推杆31、步进电机32、钣金架33、桶盖34、旋转盖35 和离合块36组成，钣金架为正好包裹步进电机的金属片框，电动推杆固定端安装于方管通道底部，利用钣金架将步进电机安装于电动推杆执行端，在电动推杆的作用下步进电机可沿着方管通道上下移动，桶盖中心位置开设正方形通孔，以桶盖中心为中心、过正方形通孔一边的两个端点向外延伸开设一扇形通槽作为垃圾投放口，旋转盖形状与桶盖的垃圾投放口形状相同，用于遮盖桶盖的垃圾投放口，旋转盖转轴位置开设正方形盲槽，离合块两端为正方形轴段、中间为圆柱轴段，离合块底端的正方形轴段与步进电机转轴共轴心相连，并内嵌于桶盖中心正方形通孔中且可以自由滑动，离合块顶端的正方形轴段内嵌于旋转盖中心正方形盲槽中并进行固连。

图2 双层盖系统

移动控制系统安装于桶体底部，采用麦克纳姆轮底盘，可通过遥控方式或者红外避障方式控制万向轮底盘实现移动。

2 工作原理

2.1 工作过程

设计的智能分类垃圾桶中垃圾识别系统的主控板接收到语音识别模块发出的垃圾类别指令信号后，双层盖系统中的步进电机驱动离合块带动桶盖和旋转盖一起发生旋转，使旋转盖旋转至已识别的垃圾内桶上方，然后电动推杆向上运动，推动离合块底端的正方形轴段脱离桶盖中心的正方形通孔，随后步进电机驱动离合块带动与之相连的旋转盖旋转90°，从而露出桶盖上的垃圾投放口，以便于将垃圾投入对应的垃圾内桶，经过延时控制后电动推杆回到初始位置，最后步进电机驱动离合块带动桶盖和旋转盖也回到初始位置。

2.2 控制原理

2.2.1 声控语音识别模块

使用LD3320语音识别模块来实现声控垃圾分类功能，内部预设大量生活垃圾关键词。LD3320 芯片是一款 “语音识别” 专用芯片，该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括AD、DA 转换器、麦克风接口、声音输出接口等。该芯片不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM等，直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别/声控/人机对话功能，并且识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的[6-7]。

当幼儿拿着想要投放的垃圾靠近垃圾桶后，对着垃圾桶说出垃圾的名字，例如：矿泉水瓶、废纸、 易拉罐等， LD3320语音识别模块会捕捉其中的关键字，进而判断该垃圾的类型，向对应的引脚输出低电平0，单片机对应引脚接受到信号后控制双层盖系统发生动作，之后单片机控制SV5W 语音播放模块播放录制好的音频，待4 s 后，反向执行刚才的程序，使双层盖系统回到初始的位置。其系统框图如图3所示。

图3 语音识别垃圾分类投放原理

2.2.2 移动控制模块

（1）红外遥控：利用红外遥控器遥控垃圾桶前进、后退、左转、右转、停止动作。

（2）红外避障：利用两路红外避障传感器感知前方障碍，将信号反馈给51单片机，单片机对相关信号进行识别与处理，然后控制垃圾桶避开障碍实现自主行走。

3 结束语

本文设计的声控智能分类垃圾桶主要有4个创新点。

（1）专为低龄儿童学习垃圾分类知识所设计，同时可以遥控移动，方便家庭生活；从小培养儿童垃圾分类意识，实现垃圾分类启蒙教育，寓教于乐。

（2）具备交互系统，垃圾桶可根据语音自行判断垃圾类别并进行投放，降低由人工分辨垃圾类别而产生的错误率。

（3）在机械结构上，该垃圾与常规的翻盖类垃圾桶不同，通过类似离合器的双层盖结构实现桶盖与旋转盖的离合与共转。

（4）具有移动控制功能，在家庭中仅配备一个声控智能分类垃圾桶即可到达多个房间完成垃圾投放，为家庭生活提供方便。