劉 鵬 伍玲玲 鄒行宇 張宇涵 侍中樓 徐 偉

（1．江漢大學(xué)智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430056；2．江漢大學(xué)工程訓(xùn)練中心，湖北 武漢 430056）

0 引言

智能垃圾箱是一種以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用自動控制技術(shù)，采用微電腦控制芯片、新型傳感探測裝置和機械傳動裝置等設(shè)備，對傳統(tǒng)垃圾箱進行改造發(fā)展而來的新型智能家居生活用品[1]。為了適應(yīng)垃圾分類工作的需求，各種智能垃圾箱進入市場。與傳統(tǒng)垃圾箱相比，智能垃圾箱解決了垃圾分類的需求，為生產(chǎn)生活帶來了許多便利。但自身也存在著諸多問題，例如，操作不方便、垃圾分類不準確、垃圾打包不衛(wèi)生、傳感器靈敏度不高以及人機交互功能不強等弊端。該文針對這些問題設(shè)計了一款基于語音交互功能的智能分類垃圾桶，以ESP8266物聯(lián)網(wǎng)模塊為核心，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)功能，垃圾箱配有多級齒輪箱、熱熔切斷裝置和簡易氣壓回路裝置，可以自動完成垃圾分類、打包套袋。此外該設(shè)計還配有語音識別播報系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了人機交互、垃圾智能分類，而且具有很強的市場應(yīng)用和推廣前景。

1 垃圾箱系統(tǒng)設(shè)計

該項目基于語音識別交互功能，控制部分硬件系統(tǒng)以Arduino Mega2560為設(shè)備終端CPU，LD3320和語音播報模塊構(gòu)成語音識別交互系統(tǒng)，實現(xiàn)智能分類，電磁換向閥和氣泵構(gòu)成簡易氣壓回路，實現(xiàn)套袋功能和打包功能。通過ESP8266、顯示屏和OneNET云平臺實現(xiàn)人工智能。系統(tǒng)可以通過2種方式實現(xiàn)控制。1）由OneNET云平臺連接設(shè)備終端節(jié)點和應(yīng)用端，用戶通過手機App或在PC端上發(fā)送命令，以此來控制相關(guān)模塊。2）用戶直接控制操作垃圾箱。

1.1 硬件設(shè)計

垃圾箱主體為鋁型材框架結(jié)構(gòu)，長80 cm，寬40 cm，高80 cm，適用于可回收垃圾和其他垃圾。如圖1所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為上、中、下3層，上層安裝上箱蓋、蓋子、多級減速箱、顯示屏、按鍵。中層安裝剪切機構(gòu)、垃圾袋收納盒、氣管。下層安裝箱體、垃圾支撐盒、兩位三通電磁換向閥、氣泵、電池、單片機，并配有中控語音識別播報系統(tǒng)、顯示屏控制系統(tǒng)、簡易氣壓回路系統(tǒng)。其中多級減速箱采用不完全齒輪，實現(xiàn)蓋子的打開與關(guān)閉。垃圾袋收納盒集中放置已折疊垃圾袋，剪切機構(gòu)采用環(huán)鏈式傳動機構(gòu)和加熱絲實現(xiàn)垃圾袋切割打包，垃圾支撐盒通過定滑輪實現(xiàn)垃圾袋的翻轉(zhuǎn)。圖1為系統(tǒng)總架構(gòu)圖。

圖 1系統(tǒng)總架構(gòu)實物圖

1.1.1 執(zhí)行機構(gòu)

垃圾箱具有自動打包套袋功能。自動套袋的執(zhí)行機構(gòu)采用二位三通換向閥切換回路產(chǎn)生氣壓差實現(xiàn)運動過程，其傳動機構(gòu)就是一整套氣壓回路裝置，動力源是氣泵。自動打包的執(zhí)行機構(gòu)是切斷桿，其傳動機構(gòu)是環(huán)式的鏈傳動和齒輪傳動，動力源是電機。

1.1.2 自動套袋

自動套袋功能通過氣壓回路傳動裝置、垃圾袋收納盒電動抽氣泵結(jié)合二位三通換向閥和限位開關(guān)實現(xiàn)，利用垃圾本身的重力實現(xiàn)垃圾袋套袋功能，通過抽氣機構(gòu)利用負壓的原理使垃圾袋自動套袋，然后通過接近開關(guān)檢查垃圾袋位置狀態(tài)，保證垃圾袋準確到達設(shè)計位置。

左邊套袋：當左端入口LI（left_in，ri（right_in））與左端出口LO（left_out，ro（right_out））相連通時，啟動抽氣機，抽走左垃圾箱下方內(nèi)的空氣并從上方吹入垃圾袋，實現(xiàn)垃圾桶的自動套袋。

右邊套袋：CPU給右邊回路以模擬輸出，模擬開關(guān)打開，指示燈亮起，感應(yīng)線圈Y得電，二位三通電磁換向閥進入工作狀態(tài)，T轉(zhuǎn)換到P形成右邊回路，抽氣機工作，抽出右垃圾桶下方的空氣并從上方吹入垃圾袋，實現(xiàn)垃圾桶的自動套袋。如圖2抽氣系統(tǒng)運作示意圖和表1氣壓傳動真值表所示。

表1 氣壓傳動真值表

1.1.3 自動打包

剪切熔斷裝置的功能是將打包好的垃圾袋封口，等待自動打包動作結(jié)束后，垃圾箱側(cè)向開口，方便用戶提取垃圾。

當垃圾裝滿后，通過電機驅(qū)動環(huán)鏈帶帶動第一切斷桿（如圖3（b）所示）和第二切斷桿（如圖3（c）所示）相對運動，最后被第一切斷桿中間鑲嵌的熔斷器熔斷，形成新的封口端，裝滿垃圾的部分同時被封口，可以直接取出，具備很好的實用性[2]。

垃圾袋送出功能，采用活頁翻轉(zhuǎn)鏈接實現(xiàn)。下活頁固定在大垃圾箱底部，上活頁固定在垃圾支撐盒底部。翻轉(zhuǎn)垃圾箱處于閉合工作狀態(tài)時，其底面與水平面平行。當需要取出垃圾袋時，內(nèi)桶電機開始運行，收繩通過定滑輪拉動垃圾箱定向翻轉(zhuǎn)。以翻轉(zhuǎn)垃圾箱外把手一面為0°基準面，逆時針為正方向，繞活頁旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)49°到達極限位置即限位開關(guān)處。

1.2 電子控制部分

該智能垃圾箱所有的硬件設(shè)備都在Arduino Mega2560開發(fā)板上進行集成和控制，通過ESP8266模塊實現(xiàn)了垃圾箱與計算機之間的通信功能?？刂撇糠钟蒀PU、I/O模塊以及通信模塊3個部分組成，通過Arduino IDE程序和中移物聯(lián)網(wǎng)（OneNET）客戶端的控制，完成各個模塊之間接口的數(shù)據(jù)傳遞和協(xié)同工作。該垃圾箱各模塊及其所用的硬件如圖4電子模塊鏈接示意圖和表2硬件參數(shù)所示。

表2 硬件參數(shù)

1.2.1 CPU

該項目采用Arduino Mega2560作為CPU，相較于Arduino UNO提供了更多的I/O口，它有54個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中15個可用于PWM輸出）、16個模擬輸入引腳、4個UART接口、1個USB接口、1個DC接口、1個16 MHz的晶體振蕩器、1個復(fù)位按鈕。該設(shè)計產(chǎn)品需要40個數(shù)字輸入/輸出，10個模擬輸入/輸出，2個UART接口，采用12VDC供電，因此滿足該項目要求。

圖2 抽氣系統(tǒng)運作示意圖

圖3 切斷裝置運動流程圖

1.2.2 IO模塊

IO模塊分為4個部分。1）微動開關(guān)提供位置限定，分布在20～39數(shù)字輸入引腳，信號采用0、1數(shù)字量讀取和輸出。2）LD3320語音識別模塊進行語音識別，分布在2～7數(shù)字輸入引腳，信號采用組合串口輸入輸出。3）JQ8900模塊進行語音播報，分布在18、19數(shù)字輸出引腳，信號采用0、1數(shù)字量控制輸出。4）SG90舵機和TT馬達實現(xiàn)基本運動，分布在8～13數(shù)字輸出引腳，信號采用PWM（脈沖寬度調(diào)節(jié)）輸出，另外預(yù)留14個數(shù)字和6個模擬引腳作為擴展。

1.2.3 通信模塊

ESP8266芯片是一款串口轉(zhuǎn)無線模芯片，內(nèi)部自帶固件，操作簡單，不需要編寫時序信號等[3]。ESP8266-Wi-Fi實現(xiàn)實時通信，分布在0、1的UART引腳，采用標準串口協(xié)議，ST7789彩屏提供界面交互，分布在0～4模擬輸入/輸出。

2 軟件設(shè)計

該項目初步設(shè)計了上下位機軟件，上位機為客戶端提供垃圾箱的基本狀態(tài)信息，下位機則實時監(jiān)控垃圾箱的工作狀態(tài)以及相關(guān)用戶引導(dǎo)提示。

首先裝置上電后，對垃圾箱各模塊進行初始化自檢，如果不符合設(shè)定標準，將發(fā)出警報提示用戶進行修復(fù)。垃圾箱自檢正常后，完成ESP8266模塊初始化接入OneNET云平臺，垃圾箱開始進行上下位機運作，用戶開始垃圾分類并請示語音播報反饋，通過對話引導(dǎo)用戶進行垃圾分類。如果垃圾符合分類要求，將開啟分類動作和顯示屏實時動畫。此時同步采集電源電壓、垃圾袋儲存余量、垃圾袋使用情況，并實時反饋到OneNET形成人機互動。對于不滿足互動和分類要求的，將進行特殊處理，最后返回到ESP8266模塊初始化接入OneNET云平臺。進而完成一個響應(yīng)周期，以此周而復(fù)始，實時響應(yīng)遠程電器使能命令，圖5為垃圾箱程序設(shè)計流程圖。

2.1 總體控制框架

各模塊上電后，以Arduino Mega2560作為控制核心，通過RX、TX雙線串口與ESP8266模塊進行通信，通過MQTT協(xié)議與計算機進行通信，進而在客戶端顯示垃圾箱的基本特征。與此同時，相關(guān)數(shù)據(jù)實時顯示在ST7789型1.44寸顯示屏上，控制器直接對舵機、電機和繼電器電熱絲進行控制，并設(shè)計了對應(yīng)的控制子程序。人機交互由LD3320語音識別模塊通過串口接入的麥克風進行語音識別，JQ8900-TF語音播報模塊通過4 W揚聲器進行語音播報，該部分是通過對應(yīng)的數(shù)據(jù)接口與CPU通信，圖6為總體控制框架圖。

2.2 語音識別垃圾智能分類

垃圾箱通過紅外測距技術(shù)對是否有用戶接近進行感應(yīng)測量，如果沒有人靠近，將會進入休眠狀態(tài)，觸發(fā)靠近中斷檢測程序。當用戶接近或超過垃圾箱距離臨界值時，語音識別、語音播報和機械控制功能待命，將進入人機交互劇本過程，該語音一共有兩級指令，第一級是“小米渣同學(xué)”，第二級是“我要扔什么垃圾”。指令分等級，只有觸發(fā)第一級指令才能進行第二級指令的觸發(fā)，并且觸發(fā)第一級指令后，有20 s的第二級指令機會時間，如果錯過20 s識別時間，將會進入初始狀態(tài)進行第一級指令判斷。根據(jù)語音提示區(qū)分2類垃圾，完成第二級指令觸發(fā)之后，對應(yīng)垃圾箱上方的蓋子將會自動打開，檢測垃圾入箱之后，會在5 s后關(guān)閉蓋子，完成整個垃圾分類投放過程。接下來檢查垃圾袋里面的垃圾是否填充滿，如果填充滿，將會實現(xiàn)垃圾袋自動打包，接著自動安裝新的垃圾袋，自動進入靠近檢測。如果沒有填滿，也將自動進入靠近檢測。

2.3 垃圾箱上位機智能物聯(lián)（OneNET）

該項目使用ESP8266-Wi-Fi模塊，采用Wi-Fi形式實現(xiàn)遠程MQTT通信。Arduino從OneNET平臺請求數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給OneNET平臺，都是發(fā)送特定的JSON格式數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)的不同點在于，接收數(shù)據(jù)需要對OneNET平臺返回的數(shù)據(jù)進行解析，提取出需要的值。手機端只需要在局域網(wǎng)中連接對應(yīng)垃圾箱的IP與端口號，就可以與該垃圾箱進行通信[4]。配合手機和電腦，用戶能通過客戶端直接獲取垃圾箱內(nèi)部的各種實時監(jiān)測信息，包括電源電壓、垃圾箱儲存余量以及垃圾袋使用情況等。

圖6 總體控制框架圖

3 結(jié)語

該文設(shè)計了一個基于語音交互功能的智能分類垃圾箱，基于語音交互功能實現(xiàn)垃圾的智能分類、自動套袋、打包以及封裝等功能。同時結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺（OneNET），實現(xiàn)了電腦和手機端對垃圾箱的遠程通信和控制功能。作為未來智能家居的一個有機組成部分，該產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)不僅可以為人類提供生活上的便利方便，而且具有極強的市場應(yīng)用及推廣前景。在實際應(yīng)用過程中，該設(shè)計作品仍存在語音識別易受環(huán)境噪聲干擾等問題，未來需要進一步改進。在將來的應(yīng)用中，可以構(gòu)建對智能分類垃圾桶的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，對垃圾投放情況進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，為垃圾分類工作提供更加準確、智能化的服務(wù)。