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基于语音控制的智能垃圾桶的实现
简介：本文提出了一种基于语音控制的智能垃圾桶。垃圾桶以单片机为控制核心，具有语音交互功能，即根据语音识别功能指令，在移动过程中自动实现避障，当容量达到预设值时，可以提示人们清理。同时，所有垃圾桶的状态都可以显示在液晶屏上。经过调试，该设计功能多样，充分体现了实用性。
- 正式介绍
随着人们生活质量的提高，智能家居逐渐融入生活，具有良好的实用性和前景。垃圾桶在生活中的应用尤其广泛，无论是在公共场合还是在家庭中。以国内市场为例，广州一科家居用品有限公司的EKO带着2016系列新产品登陆第119届广交会。它的产品定位是以生活艺术家的名义，让垃圾倾倒变得有趣，让环境桶成为一件智慧的艺术。其产品多为感应式智能垃圾桶，但位置固定，不够灵活，功能单一，不能更好地满足人们的需求。
随着社会需求的日益强烈，灵活多功能的智能垃圾桶已经成为必要，体现了人们对生活质量和高质量生活的追求。但是垃圾桶里还是有一些问题:(1)垃圾桶里装的是各种垃圾，臭味在所难免。因为不可能知道垃圾桶的容量是什么时候满的，所以产生了臭味，产生了寄生虫,对人的健康是极其有害的。(2)现有的垃圾桶大多数不智能，人们需要手动打开垃圾桶盖，这样不方便，会接触到细菌，对人体也是有害的。因此，开发和研究智能垃圾桶是必然的。
将普通垃圾桶与声控结合起来，研究一种基于声控的智能垃圾桶，不仅可以作为家中的清洁卫士，还可以帮助行动不便的人。基于语音控制的智能垃圾桶的研究很少，设计一个实用性强、性价比高、语音交互的智能垃圾桶是非常必要的。
2. 垃圾桶系统设计
本文以51单片机为控制核心，立方体为主体，底盘类似于小型汽车，然后配备传感器。其功能简单实用:可以手动与垃圾桶互动(如开盖、关闭、前进、后退、左转、右转)。一旦垃圾桶在操作过程中检测到障碍物，它会立即停止，液晶屏显示状态、容量、时间和日期。垃圾桶装满时，指示灯亮，蜂鸣器响八次。所有的状态都显示在显示屏上，提醒人们清理垃圾。而且垃圾桶也能报时，有这样一个“聪明的小帮手”在身边，可以提高人们的生活质量。
2.1 体育节目设计
考虑到人们从四面八方“叫唤”垃圾桶，垃圾桶需要任意旋转，停在原地。因此，本文采用图1所示的方案。假设万向轮在平面内顺时针旋转为正，其运动设计为:设定轮1正向旋转，轮3反向旋转。此时垃圾桶处于前进状态；否则，垃圾桶处于落后状态；轮子1、车轮2、车轮3和车轮4都在向前旋转。这时垃圾桶在正确的地方右转，反过来就是左转。
图1 车轮结构示意图
2.2 容量检测程序设计
本文采用超声波传感器进行电容检测。检测原理如图A所示:其中A为超声波传感器，d1和d2分别为垃圾桶的总高度和剩余高度。最终容量计算以百分比(d2/d1*100%)显示。由于d2距离可以改变，所以采用超声波测距，系统使用的超声波为HC-SR04，实物如图B所示。
图A原理图 图B实物图
3. 垃圾系统编程
垃圾桶控制主程序的主要任务包括系统初始化、语音识别、运动控制、障碍物识别、液晶显示、时钟操作、提示等。垃圾桶在接收到外部语音指令时，执行相应的指令动作，优先确定前方障碍物。当没有收到语音指令时，垃圾桶等待指令；同时，主程序根据时钟信号和语音命令在液晶屏上显示时间和当前状态；当检测到太多垃圾时，蜂鸣器会发出提醒声，发光二极管灯会发出警报。
4. 语音系统编程
本文的语音通过串口连接到控制器。波特率9600，该命令被输入到语音模块，命令以返回值的形式通过串口发送给单片机，从而驱动电机使垃圾桶移动。
语音识别的操作顺序是:首先初始化语音识别(包括语音模块、系统初始化和指令识别列表)，编写中断功能，等待系统开始语音识别，响应中断功能完成相应的动作。
1.语音模块初始化和系统初始化。通过CH340 USB转串口芯片将语音模块连接到电脑，设置识别模式、波特率等参数。语音模块设置好后，通过串口连接到单片机，在单片机的初始化功能中，定时器用于设置波特率和打开串口中断。
2.写下指令识别清单。每个指令对应一个数字，这个数字就是返回值。不同的指令可以对应同一个数字，但不能超过255。同时，本文选择的语音模块支持多达50种不同的指令，每个命令都可以用标准汉语拼音表示，每两个字节之间有一个空格。
3. 语音识别写入中断功能后，系统通电并复位，等待接收语音命令。语音模块收到设置命令后，会通过串口给出相应的返回值。此时串口中断响应，系统进入中断功能:单片机存储接收到的数据，接收中断标志置零，中断结束。退出中断后，微控制器根据接收到的数据确定并响应相应的动作。
5. 声控垃圾桶调试
语音模块是ASR-M08-A。
5.1 声控测试
本设计选择的语音模块配有扬声器，其选择模式为环路检测模式。正确的检测率 如表1所示。
表1 检测准确率
|
指示 |
频率 |
正确的数字 |
正确率 |
影响因素 |
|
预约保险单 |
100 |
75 |
75% |
人声和噪声干扰，关键词重复，识别错误。 |
|
接近 |
100 |
78 |
78% |
|
|
向前 |
100 |
80 |
80% |
|
|
落后的 |
100 |
79 |
79% |
|
|
左转 |
100 |
73 |
73% |
|
|
右转 |
100 |
72 |
72% |
从上表可以看出，语音接收命令会受环境、噪声和关键词误识别的影响。因此，选择循环检测模式，并且执行时间检测。只要检测到正确的命令，识别并接收到语音，就可以完成某个动作。
5.2 开关盖测试
该设计的开关盖可以手动或语音控制。当语音模块收到“开盖”命令时，完成开盖操作。
5.3 驾驶员考试
本设计中使用的车轮是可以任意旋转360°的万向轮，可以通过PWM波控制。
5.4 超声波测距试验
本设计中的超声波主要是测量垃圾桶的容量.其容量的百分比显示在液晶屏上。同时，LED灯和蜂鸣器用来警告人们垃圾已经满了，需要清理。
6． 总结
在整个设计过程中，首先详细分析了垃圾桶的结构和功能电路，传感器的安装位置直接影响设计的性能，电机驱动器的安装位置也会影响设计操作，所以每个模块的安装位置极其重要。
在实现其功能的过程中，路径规划仍然依赖于用户的指令，而不能独立定位声源，自行移动到指定位置，未来应在此基础上增加声源定位和路径规划等功能，使垃圾桶更加全面和多样化。
基于NB-IOT的智能垃圾桶研究模式
目前，环境保护处于重要地位。旨在解决制约城市发展的垃圾处理不及时、餐厨垃圾等可回收垃圾分类不全、环卫工人效率低下等问题。目前使用的普通垃圾桶只是承载了单一有限的功能，应用的智能垃圾桶存在机械消耗高的缺点。它需要消耗更多环卫工人的精力，依靠人工进行垃圾分类效率低下。但我的研究对象是一种基于窄带物联网(NB-IoT)技术的智能垃圾桶，不同于普通垃圾桶。它在物联网感知系统的基础上增加了垃圾检测和分类功能，通过红外传感器、气味传感器来实现各种功能，利用NB-IOT通信模块来传输信息。这种新型智能垃圾桶可以使环卫工人获得垃圾是否变满以及垃圾是否有毒的信息。
关键词红外传感器，铌IOT，气味传感器，单片机
1．正式介绍
1.1 智能垃圾桶的研究背景
垃圾桶作为人类生活中不可或缺的必需品，经历了人类社会进化的每个时代。尤其是现在的城市环境，更是必不可少。随着人们环保意识和审美标准的提高，垃圾箱的种类和数量也在不断翻新和增加。
传统垃圾桶需要环卫工人检查是否满了，是否需要逐一清理。而且工作量相当大。在垃圾收集过程中，我们需要手动检查垃圾箱中垃圾的类型，这增加了环卫工人的工作量。已经存在的垃圾桶，当人的手或物体靠近15厘米以内的垃圾桶盖时，可以自动打开垃圾桶，使用3-4秒后自动关闭垃圾桶盖。
综上所述，现有技术的问题如下:
- 垃圾箱要求环卫工人逐个检查是否需要清理。
- 垃圾收集完成后，需要手动完成垃圾分类。
- 目前使用的普通垃圾桶功能单一且有限，应用的智能垃圾桶存在机械消耗高的缺点。
- 人们可以被引导或要求正确分类垃圾，导致可回收资源越来越少。
1.2 本研究项目需要解决的问题
在这项研究中，我使用了不同于普通垃圾桶NB-IoT芯片。它增加了一个基于物联网感知系统的垃圾检测和分类功能，通过红外传感器，气味传感器实现各种功能。它使用NB-IOT通信模块传输信息。需要解决的问题如下：
- 依靠人力进行垃圾分类效率低下。环境卫生工作每天重复同样简单的工作，精神疲惫，健康受到潜在的毒害。更重要的是，清洁工作的表现不好，有时会导致垃圾收集，这严重制约了城市的发展。
- 垃圾可以正确分类。垃圾分类不正确会造成大量可回收资源的浪费。然后，社会环保意识会变弱，地球资源会越来越少。
- 城市垃圾的大数据还没有完全分析出来。垃圾的类型、垃圾的位置等数据没有得到很好的分析，这种情况没有为城市发展和政府规划提供大数据支持。
- 研究对象的总体设计
2.1 设计思想和模块设计如下：
使用太阳能电池板供能；
-
- 由单片机控制，用红外传感器检测垃圾桶是否变满，垃圾桶上方有led显示屏显示垃圾桶是否装满。
- 气味传感器用于检测食物垃圾的气味。如果检测到有毒气体，将立即关闭。
- 窄带物联网通信模块用于传输信号，云端设置服务器处理垃圾桶检测分类系统上传的数据，并将结果推送给环卫人员。
- 垃圾桶盖的结构采用机械结构设计，垃圾桶盖可以关闭。
- 垃圾箱里有蜂鸣器系统。如果垃圾分类不正确，就会发出声音。
2.2 研究内容
NB-IOT模块研究
1.终端设备:UE(用户设备)，通过空口连接到基站(eNodeB(演进节点B，E-UTRAN基站)。
2.无线网络方面:包括两种组网方式，一种是综合无线接入网(Singel RAN)，包括2G / 3G / 4G和NB - IoT无线网络。
3.核心网:EPC(演进分组核心网)，承担与终端非接入层交互的功能，将物联网业务相关数据转发给物联网平台进行处理。
4.平台:电信平台是主要平台。
作为优选实施例，NB-IOT通信模块基于华为Boudica芯片的一系列NB-物联网模块WH-NB71(高性能、低功耗的NB-物联网通信模块WH-NB71)。
红外传感器是一种利用红外线进行传感的仪器。它在英语中被称为红外线传感器。它是一种以红外线为媒介完成测量功能的传感器。红外线也称为红外光。它具有反射、折射、散射、干涉和吸收的特性。红外传感器不直接与被测物体一起测量、接触，所以没有摩擦，具有灵敏度高、反应快等优点。
红外测距传感器有一对发射和接收红外信号的二
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