基于STM32的智慧垃圾回收系统设计_韩晶晶.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering58近年来，随着社会的快速发展，居民垃圾日益增多且种类也越来越多，目前垃圾回收面临的两个问题：人们缺乏一定的垃圾分类的知识，垃圾桶设计简单也不能引导人们对垃圾进行分类；市面上现有的智慧垃圾桶智能化水平略低，不足以自动完成垃圾分类1。本文基于STM32 对智慧垃圾回收系统进行了设计，该系统具有实时监控、分类回收、满溢报警等功能。1 系统总体设计首先对市面上现有的智能垃圾桶进行了一定调研，梳理并确定了智慧垃圾桶要具备实时环境监测、定位、重量检测、满溢报警以及分类投放等功能，结合系统的功能，本系统将以 STM32 为核心，以 GPS 定位模块、GPRS 网络模块、重量检测模块、环境检测模块、语音识别模块、满溢检测模块、显示模块和云平台检测模块为辅助进行设计2。其组成框图见图 1。其中，满溢检测模块用来检测垃圾桶的满空状态，环境检测模块用于检测垃圾桶内的温湿度重量检测模块用来检测垃圾桶重量是否在允许的范围内，GPS 定位模块用来确定垃圾桶的身份和位置信息，GPRS 模块实现垃圾桶实时状态数据的上报和下发指令，语音识别模块识别语音信号并对其进行对比分析和处理3。2 硬件设计2.1 满溢检测模块该模块安装在智慧垃圾桶的顶部，选用了红外传感器 E18-D80NK 来检测垃圾桶满否，这种感应模块主要利用红外线探测附近物品，由于它对光线和环境具有很强的适应能力，因此被广泛应用于各种智能产品4。它的工作原理是通过一对红外管实现周围障碍物的探测，由发射管发射出用于检测周围障碍物的红外线，探测到障碍物时，红外线发生反射并由接收管接收，而后将信息传输给处理器进行处理。一般这种传感器的工作电压在 3.35V，有效检测范围是 260cm，可由电位器调控，有安装操作简单、适应力强、干扰小的优点。另外，该红外传感模块对用户的手也具有很好的识别分辨能力，当用户的手放在智慧垃圾桶 60cm 内时，红外传感接收到信号并控制开关电机打开桶盖，它相较于普通的红外传感而言，有更强的识别能力和更快的传输速度5。2.2 语音识别模块本文设计的智慧垃圾回收系统，使用 SU-03T 作为语音识别模块，SU-03T 芯片是国内语音鉴别专用型芯片。在没有其他外部协助 Flash 芯片、RAM 芯片或 AD芯片，就可以执行语音识别功能6。该芯片具备 16 位A/D 转化器、16 位 D/A 转换器和功率放大电路。话筒、基于 STM32 的智慧垃圾回收系统设计韩晶晶（山西工商学院计算机信息工程学院 山西省太原市 030006）摘要：本文对基于 STM32 的智慧垃圾回收系统的设计进行了研究。目前我国城市中的垃圾桶仅是通过标签进行垃圾分类，加上人们对相关知识的匮乏，这种人工手段显得效率低下，质量不高。在信息化的时代，将先进的信息化技术运用到垃圾回收可以大幅提高垃圾回收的分类效率和质量，“智慧垃圾回收系统”就是在这样的背景下逐渐发展起来的。本文深剖智慧垃圾回收系统的现状，对基于 STM32 的智慧垃圾回收系统进行了总体分析、硬件及系统软件设计，以期智慧垃圾回收系统的出现让人们的生活更智能化。关键词：STM32；智慧垃圾回收系统；系统设计图 1：智慧垃圾回收系统组成框图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering59立体声耳机和单声道音箱可以轻轻松松联接到芯片管脚。根据要求将识别垃圾种类的语音信号载入存储器（TF卡中），设置语音鉴别目录并进行语音鉴别。在识别的过程中，语音识别模块的麦克风会收集客户的语音数据信号，处理器模块会将麦克风收集的语音信号转换成数字信号，并同存储在 TF 卡内的语音指令库进行对比分析7，如果两者有一定的相似度，则相应引脚的输出电平会发生变化，并和电机并联，进而控制电机使相应的垃圾桶打开。本模块与 STM32 的连接如图 2。2.3 环境检测模块环境监测模块用于检测垃圾桶内的温湿度，我们选择 SHT10 作为温湿度传感器，这种传感器是一种复合型传感器，属于 Sensirion 温湿度传感器家族中的贴片封装系列。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。传感器具有体积小、响应速度快、接口简单、性价比高等特点。SHT10 的供电电压范围为 2.4V-5.5V，供电电压为 3.3V，连接到 I2C 总线上，与处理器进行串行通信，按照传感器的协议工作。它共有 4 个引脚，引脚 1 用来连接GND；引脚 2 和引脚 3 分别是串行数据、串行时钟引脚，4 脚为电源引脚，通常情况采用 3.3V 供电。2.4 GPRS网络模块该模块使用的是 Air202 型号，它采用 RDA8955 平台，内置 32Mb SRAM、32Mb NorFlash，共有 AT 命令开发模式、C 语言 SDK 开发模式以及 Lua 脚本开发模式三种开发模式。该型号是四频段 GSM/GPRS 模块，外围有丰富的接口，可支持语音输入和输出、ADC 等。智慧垃圾回收系统通过单片机串口和 Air202 进行数据通信，将 Air202 上的 UART1_RXD 与 UART1_TXD 接口分别与 STM32 的 PA9 和 PA10 引脚相连，对于没有使用到的管脚，使其处于悬空状态即可。2.5 GPS定位模块GPS 定位模块主要是获取垃圾桶的当前位置，垃圾桶满了以后，方便相关工作人员快速定位满溢的垃圾桶并进行相应处理，提高了清扫人员的工作效率。该模块使用 Air530 作为 GPS 定位模块，它具有高集成度、高性能的特点，在硬件上集成了 LNA、32 位 RISC CPU、FLASH 存储、射频前端、DC/DC、RAM、LDO、基带处理以及电源管理等功能，是射频基带一体化设计。3 系统软件设计系统初次上电后，进行初始化，获取各个垃圾桶的位置信息、环境信息和满空信息；语音播报即输出声音“欢迎使用智慧垃圾回收系统，请说你好小智或小智精灵唤醒我。”若使用者给予回应“你好小智”或“小智精灵”，则进入语音识别。使用者说出垃圾名称后，语音识别模块将其与内部保存名称相比较，若正确，则控制相应大类的舵机开始转动同时进行满溢检测，若满，就想信息提交到云台，通知相关工作人员进行处理，不满则打开垃圾桶盖，等待使用者将垃圾放入，完成后关闭垃圾桶。其工作流程如图 3。3.1 数据采集上报图 2：SU-03T 与单片机连接示意图图 3：工作流程图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering60智慧垃圾桶需要每隔一段时间将定位信息和环境信息发送给云平台，辅助相关人员制定合适的决策。云平台是通过设备序列号或二维码连接并识别智慧垃圾桶的，当连接成功后，对TLINK_DATA_LINK记录位置位，并对智慧垃圾桶的相关数据进行采集，依照一定的数据格式封装，每隔半分钟经过 GPRS 模块上将数据上传到云平台。3.2 语音识别模块启动硬件设备，唤醒“小智”，输入语音，系统会判断语音是否能够和语音库里的关键字匹配，如果可以匹配的话，语音会提示并且打开相应的垃圾箱，如果不匹配的话，则需要重新要语音输入，语音提示流程图如图 4 所示。首先，需要给 SU-03T 模块设置一个开始口令，本系统设置为“ni hao xiao zhi”。然后，依照标准，将常见的一些垃圾，分为厨余垃圾、其他垃圾、有害垃圾和可回收物这四大类：（1）厨余垃圾：剩菜、剩饭、菜叶、果皮、隔夜饭、骨头、鸡蛋壳、茶叶渣、菜根、苹果核。（2）其他垃圾：果壳、泥土、瓜子壳、废水、陶瓷、一次性筷子、卫生纸、烟头、餐巾纸、牙签。（3）有害垃圾：灯泡、电池、药品、灯管、油漆桶、化妆品、老鼠药、指甲油、杀虫剂、农药。（4）可回收物：旧报纸、塑料瓶、废铁、图书、坏手机、玻璃瓶、旧水管、洗衣机、电视机、电饭煲。为了防止语音识别模块出厂时自带的一些指令跟我们需要增加的指令有冲突8，需要先在 SU-03T 的上位机软件中将其芯片内部关键字重置。添加关键词时，只需在“数据发送区”输入并发送“00,ni hao xiao zhi,254,$”，当数据接受区出现“写入成功”后，关键词即成功建立。如图 5 所示。由于关键词较多，所以可以采用文件操作，将需要设置的关键词写进一个记事本文档中如下，再由软件读取。其中，“可回收物”的返回值是 001；“厨余垃圾”的返回值是 002；“有害垃圾”的返回值是 003；“其他垃圾”的返回值是 004。3.3 GPS定位模块要通过 Air530 模块采集定位信息9，先对其工作模式进行设置，它支持 NMEA 协议，它接收的单片机发送的配置命令采用了 GKC 接口数据格式。一旦接收到定位消息后，先对定位数据内容进行判断，看它是否有效，再校验数据格式是否正确，如果定位消息定位数据内容有效且数据格式正确，将其初入到特定变量中。3.4 满溢检测模块本模块主要应用红外探测附近物品的原理进行满空检测，设垃圾桶的高度为 h，红外线的传播速度为 v，处理器来记录红外线传播的时长，红外线传播的距离为s，垃圾桶内未存放垃圾时的深度为 s/2=vt/2。当 s/2 等于 h 时，说明垃圾桶为空，s/2 等于 0 时，垃圾桶已满，图 4：语音提示流程图图 5：关键词设置电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering61s/2 介于 0 和 h 之间，说明垃圾桶已有垃圾未满。3.5 云平台系统设计对于云平台设计，采用了 TLINK 平台，这是一种开放免费的设备连接平台，在平台上，可参考项目的实际需要添加相应的设备10，完成后可对每个设备的连接状态、基础信息以及实时数据情况进行查看，该平台满足了智慧垃圾回收系统对智慧垃圾桶的远程监控的需要。平云台上，要想创建设备，首先要明确设备的参数和功能，根据系统的需求可知，要有满溢、湿度、称重、温度及定位功能的设备，它的创建流程是：（1）在云平台添加响应设备，填写设备名称；（2）选择使用哪种协议进行连接，本系统采用的是 TCP 传输协议，该传输协议因其有重发控制和顺序控制可确保数据正确传输的特点得以广泛应用；（3）结合系统的实际需求，为设备添加满载、温度、重量、湿度以及定位 5 个传感器，其中满载的状态分别用 1、0 来表示，温湿度数据保留 1 位小数，重量数据保留 0 位小数，定位传感器是定位置数值；（4）为设备添加一个地理位置，当需要位置的经纬度信息时，通过搜索便可查询；（5）对数据格式进行设置，平台对数据包的解析是通过协议标签组合的方式，它能够接收并正确解析协议标签中已经设置的规范数据格式，因此要先设置规范的数据格式，其中一个标准的协议标签要遵循一定规范，它的顺序依次是数据头、分隔符、数据以及结束符标签。4 系统测试当软硬件的设计均完成后，要搭建环境进行功能测试，在 STM32 单片机上烧录可执行文件，并根据需求方案中的功能一一进行验证，其中具体的测试内容有：（1）数据上报：云平台可对收集到的重量、温湿度、定位和满载信息进行实时检测，当智慧垃圾桶的实际环境发生改变时，云平台中的检测数据也会发生相应的变化，并时钟和实际环境的数据值保持一致。（2）语音识别：除播报提示信息外，该智慧垃圾回收系统的语音模块可以识别并正常播报相应的提示内容。5 总结目前，我国非常重视文明城市的建设，智慧垃圾回收系统在美化城市环境上有着重要意义，有助于加快文明城市的建设。随着智慧垃圾回收系统逐渐走进大众的视野，并广泛应用到商场、广场或学校等公众领域，真正做到垃圾智慧分类，让大量的垃圾变废为宝，以期建设绿色环