基于语音控制自提醒式的智能分类垃圾桶的设计

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摘要：目前，比较成熟的智能垃圾桶只能实现桶盖自主打开和闭合的功能，随着对垃圾分类要求的提高和智慧城市的建设需求，此类缺少智能分类和语音提醒的垃圾桶已经不能满足当前的需求。针对这个问题，本论文结合单片机技术和物联网技术，设计了一种具有网联功能和语音控制功能的智能分类垃圾桶。整个系统以STM32为主控芯片，利用NB-IoT技术实现智能分类垃圾桶与远程信息平台的通讯，此外还包括红外监测模块，光电传感模块，直流伺服电缸模块等结构。智能分类垃圾桶的控制系统在收到投放垃圾的语音指令后，垃圾桶桶盖会自动打开，并将垃圾分类并投放到相应的子垃圾桶中。同时，多个子垃圾桶内的垃圾量和位置等状态信息可以实时显示在监控平台上。最后进行了多次实验，实验结果表明所设计的智能分类垃圾桶能够准确的识别垃圾的种类并投放到对应的子垃圾桶中，能够很好的实现所预设的功能，具有一定的实际应用和研究价值。

关键词：智能分类垃圾桶；STM32；语音控制；NB-IoT

0 引言

随着人民生活水平的提高，人们对生活环境的要求也逐渐变高，垃圾桶无疑对改善人类生存环境起着非常重要的作用。近年来，市面上出现了各式各样的家用小型户内垃圾桶，但是对于应用在户外公共场所的大型智能垃圾桶的研究反而少之又少。目前大部分城市内的垃圾桶有两类，一类是敞开式的，垃圾桶里会散发各种刺鼻的味道；另外一类是闭合式的，但人们大都不愿意用手碰垃圾桶盖，垃圾就会堆满垃圾桶周边，而且普通垃圾桶并不具备向保洁部门提醒和报警功能，垃圾桶的垃圾溢出现象也举目皆是。如此这般严重影响了整个城市的文明整洁程度。针对这些问题，一种语音控制自提醒式垃圾桶应运而生。具有对垃圾的智能分类和满溢的自提醒功能，此智能垃圾桶的使用会进一步提高城市的清洁度，更能够提升城市内居民的幸福指数[1]。

1   垃圾桶结构与设计

该垃圾桶采用红外线探测技术，当有人扔垃圾时，会自动打开垃圾桶盖，使人们能够在不接触垃圾桶的条件下实现垃圾的投放，解决了敞开式垃圾桶散发刺鼻气味和闭合式垃圾桶人们不愿用手接触垃圾桶盖的问题；同时建立一个含有各类垃圾名称的语音信息库[2]，当语音系统听到某种垃圾的名称时会基于自身的信息库做出判断，做出相应的动作[3]，将相应垃圾桶移动到投放口下，实现垃圾的自动分类；综合运用激光测距技术，每当有垃圾进入后会自动检测一次桶内剩余容量的多少，并将所得到的数据传到相应的监测平台上，以便提醒相关人员及时进行垃圾的处理，防止垃圾溢出。

2   垃圾桶系统框架结构

每个智能垃圾桶配备三个红外检测模块[4]，各红外模块监测下实现垃圾桶的智能分类及垃圾桶满溢报警。第一个红外传感器在人们靠近垃圾箱时检测是否有垃圾投入。当有人靠近感应区范围内并说出相应垃圾的种类时，桶盖会自动开启，同时语音指令库判断相应垃圾的位置并进行相应的动作，当物体或手离开感应区范围内，桶盖会自动关闭。第二个红外传感器在垃圾投入垃圾桶，在传送带上开始运动时监测垃圾到达的位置，当检测到垃圾到达相应位置时单片机控制伺服电缸开始工作将垃圾推入相应的垃圾桶中，实现垃圾的智能分类。第三个红外距离检测模块在每个垃圾箱的正上方，当测距系统检测到垃圾桶剩余容量不足时会利用NB-IOT模块通过物联网开放平台进行远程通信[5]，将信息传递到监测平台。监测平台接入多个垃圾桶终端的信息，实现对垃圾桶状态信息的显示。本设计供电模块采用太阳能电池实电。

3   硬件设计

该智能垃圾桶硬件由以下部分构成：主控芯片STM32；红外检测模块；夏普2Y0A21红外距离传感器；执行模块：传送带结构，电机，电缸；NB-IOT通信模块；硬件电路如图1所示。

3.1红外测距系统

红外测距模块由夏普2Y0A21红外距离传感器提供监测，红外传感器1安装在箱体架下，垃圾桶的正上方，根据公式（c是光的传播速度）将来自于红外传感器发射出的红外线从发射到接收的时间t，然后通过计算时间t与光速的乘积计算出传播距离L。当垃圾即将满溢时提供信息传递到STM32，然后由NB-IOT系统传递到监测平台。

3.2执行部件

当垃圾桶盖上的红外传感器检测到有垃圾投入时，打开桶盖。由语音识别系统检测出相应的垃圾类型，随后驱动伺服电机1开始工作带动垃圾在在传送带上开始运动，由红外传感器检测垃圾位置，当垃圾到达相应的垃圾桶上方时电缸3运动将垃圾推入相应的垃圾桶内实现垃圾的分类。

4   控制系统程序设计

4.1 语音识别程序

本智能垃圾桶通过语音识别控制系统来控制垃圾桶盖的开合，传送带的运动，电缸的运动。语音识别系统设置三个指令：可回收垃圾，不可回收垃圾，有害垃圾。语音识别程序如下：

Voice.init（ ）;            //初始化VoiceRecognition模块

Voice.addCommand（“kehuishoulaji”，1）; //添加指令，参数

Voice.addCommand（“bukehuishoulaji”，2）;

Voice.addCommand（“youhailaji”，3）;

4.2 执行程序

以下程序反应为垃圾投入垃圾桶内，桶盖正下方传送结构和电缸将垃圾推入内桶的运行情况，假设为可回收垃圾内桶的情况[6]。

当语音模块识别出可回收垃圾时，桶盖打开，垃圾进入传送机构，投入垃圾后进行红外检测，若是检测到垃圾堆满则触发蜂鸣器，其他保持原状态。延时2分钟进行再次检测，并将信息传递到主控系统，如若没有清理掉满溢的垃圾，将一直循环。若是检测到内桶未满， 传送带电机开始工作，到达相应位置时电缸运动将垃圾投入相应的垃圾桶内，完成投放。执行程序如下;

digitalWrite（wolun，HIGH）;

digitalWrite（dianji，LOW）;    //垃圾桶盖旋转

delay（375）;

digitalWrite（dianji，HIGH）;

delay（15000）;

if（guangdian==1）      //光电传感器判断垃圾是否装满

{

digitalWrite（fengmingqi，HIGH）;//装满，蜂鸣器响

delay（120000）;    //等待2分钟

else

{

digitalWrite（fengmingqi，LOW）;  //未装满蜂鸣器工作

}

digitalWrite（dianji，LOW）;

digitalWrite（diangang，LOW）;    //电缸工作

delay（375）;

digitalWrite（dianji，HIGH）;

break;

5   远程传输系统的设计

远程传输系统主要采用NB-IOT网络，由垃圾桶终端、基站、核心网、M2M平台及运营支撑系统等组成。通过NB-IOT模块和第三方物联网平台将多个垃圾桶终端信息发送给远程监控平台。第三方平台采用OneNet中国移动物联网开放平台[7]。

将设备NB-IOT模块接入物联网--建立垃圾桶实物模型，并将NB-IOT系统接入设备实体--垃圾桶将垃圾容量信息等信息通过串口将相应的指令发送给NB-IOT模块，再通过OneNet物联网开放平台将数据发送给远程监控平台实现数据的监控

6系统仿真

当垃圾投入垃圾箱中（以5N垃圾为例）垃圾桶传动结构运动，传送机构运转，带动垃圾在传动机构上运动，当红外检测系统检测到垃圾经过时，执行系统电缸运动，将垃圾推入垃圾桶其受力图如图4，及系统运动能量消耗图如图5，在0-4s内垃圾在传送带上运动电缸未运转，4-6s时红外检测系统检测到垃圾的经过，电缸快速推出将垃圾推入，6-8s延时静止，在8-12s电缸缓慢退回完成垃圾的投放。

7 结束语

近几年来，我国垃圾分类取得了积极的进展和初步的成果[9]。于此同时，也展现出了一些惹人注目的问题，比如垃圾虽然进行的分类，但还会有垃圾分类错误等问题，这无疑给垃圾回收又增加了难度。其次垃圾回收的工作人员不能很好的了解到实时的情况，在垃圾多的地方不能很好的及时清理，而某些垃圾投放相对较少的地方多次打扫，耗费了大量人工却不能得到很好的效果。本文设计了一种采用语音控制的智能分类垃圾桶，能较好的解决我国当前人们垃圾分类知识相对薄弱，不能很好的实现垃圾分类的问题。主要应用在当前垃圾分类主要应用在我国垃圾分类普及较落后的地方，语音控制垃圾桶可以减少人们对于垃圾的错误投放，从而实现垃圾的准确回收，运用红外监测系统和NB-IOT通信模块，可以实现对垃圾桶容量的精确监控，然后实现垃圾的及时回收。当前垃圾分类已经成为世界的潮流，虽然本设计可以解决当前垃圾分类的部分问题，但是垃圾分类根本的解决方法还是要靠人们的垃圾分类意识，只有人们都养成良好的卫生习惯，建设一个和谐文明的生活环境，使垃圾分类变成一种共识，成为一种习惯才能从根本上解决垃圾分类的问题。

参考文献

[1]林雯雯，张胜权，吴峰，陈璐，童俊. 城市生活垃圾资源化利用标准化现状与对策研究[J]. 中国标准化，2023，No.624（03）：73-77.

[2]刘磊，潘旭，余坤，林权. 语音控制自动分类智能垃圾桶设计[J]. 科技创新与应用，2021，11（30）：43-47.

[3]陈华毅，叶舒云，邱州鹏，潘利红，林建樟，郑紫萍，符若水. 基于语音识别技术的智能垃圾桶设计[J]. 电脑编程技巧与维护，2022，No.449（11）：131-134.

[4]张亦勋. 基于红外技术测距仪的设计与实现[J]. 电子制作，2021，No.434（24）：12-14.

[5]严益强. NB-IoT技术简介及其在智慧城市中应用研究[J]. 广东通信技术，2016，36（11）：6-8.

[6]陈铎，卢元烁，张幽彤. 语音控制智能垃圾桶设计[J]. 电子技术与软件工程，2022，No.234（16）：95-98.

[7]丁礼磊. 基于NB-IoT网络的智能垃圾桶设计[J]. 自动化与仪器仪表，2022，No.275（09）：124-127+131.

[8]徐涛，高子鉴.基于NB-IoT的集中供热阀门远程控制系统设计[J].机电工程技术，2023，52（01）：188-192.