随着城市经济快速发展和城市化进程加快,人们的生活日新月异，城市生活垃圾问题日益凸显，垃圾分类变得尤为重要。然而，很多市民缺乏垃圾分类的相关知识，往往凭直觉进行分类，导致垃圾分类的错误率高，难以实现垃圾分类的目的。为了更加高效地实现垃圾分类，使垃圾分类顺应潮流，更加智能化,设计了一款以STM32F103C8T6芯片为核心的语音识别分类垃圾桶。该垃圾桶内置语音识别模块，通过识别接收到的语音信息，做出正确的反馈并通过舵机打开对应分类的垃圾桶盖子。当垃圾桶中的垃圾溢满从而触发了红外感应模块时，系统触发蜂鸣器警报，直至取出垃圾并重新盖上盖子后蜂鸣器才会停止。除此之外，语音识别模块还具备自动调节音量的功能。基于STM32的语音识别分类的智能垃圾系统设计，能够实现垃圾的智慧化分类和实时状态监控，对于推动智慧城市建设和提升生活品质都有着积极的意义。
现如今，科技的发展使得智能化早已是不可阻挡的趋势，智能家居、智能汽车等领域的快速发展无不彰显着智能化的时代特色。在此背景下，环境治理领域也向着智能化不断前进。其中，垃圾分类作为一个不可逾越的话题，随着环境问题越来越突出，其引起了全球范围内的广泛关注[1]。随着人们生活的改善，垃圾的排放量也在增加[2]。垃圾分类作为环境保护的关键一环，其重要性愈发凸显。因此，环保行业急需一款能够方便大众使用的智能垃圾桶[3]，以实现高效、智能的垃圾分类。
智能垃圾桶的应用实例，可以深入挖掘用户需求[4]，更加突显了垃圾桶智能化的必要性。例如，基于WiFi定位的智能声控垃圾桶，能够借助蓝牙技术和语音控制技术实现智能声控垃圾桶的无线]。而基于声音识别的智能声控垃圾桶，能够根据人的语音进行识别和定位并可根据指令移动到指定位置[6]。事实上，自动化程度高的智能垃圾桶可以潜移默化地促使人们养成自觉正确垃圾分类的好习惯[7]。然而，智能垃圾桶的一些先进功能还尚未得到广泛应用[5]。比如，垃圾桶的防溢出功能，能够有效地避免垃圾溢出等问题[8]。在日常生活中，由于负责垃圾分类的清理员不能实时掌握每一个垃圾桶的运作状态，导致垃圾桶不能被及时更换或清理[9-10]。
本文设计了通过语音智能控制的智能垃圾桶。该垃圾桶以STM32F103单片机为核心控制系统，通过语音识别模块对用户发出的语音信息进行识别，继而进行语音反馈、垃圾类别判断和打开对应分类的垃圾桶盖等操作，高效且智能地实现了垃圾分类。它具备垃圾桶自动开关盖、语音播报提示、系统信息显示和数据云端管理等功能，提高了用户的垃圾分类体验，为社会群众积极配合垃圾分类工作提供了有力支持。
系统利用语音识别模块识别用户发出的语音信息，接收用户的指令并做出相应的语音反馈，接着利用舵机完成垃圾桶盖的开关，并在垃圾桶溢满时触发警报。系统结构设计如图1所示，其中涵盖了单片机开发技术、语音识别技术以及云平台技术的综合应用。系统通过传感器模块采集数据信息，再利用WiFi模块将这些信息上传至云平台作进一步处理。
本系统设计由硬件部分和软件部分构成。在电源电压保持稳定的状态下，传感器模块负责采集信息，同时，主控芯片会和语音识别模块建立联系，以实现基本的语音识别功能。随后，这些采集到的信息会被整合，并通过WiFi模块传输至云端。系统的总体设计流程如图2所示。
基于物联网技术的智能分类垃圾系统的硬件系统主要由红外收发模块、蜂鸣器模块、语音识别模块、STM32F103C8T6和WiFi模块组成。
图3所示为本系统的红外收发模块。红外收发模块采用TCRT5000红外反射传感器，该传感器主要用于黑白检测和障碍检测。TCRT5000传感器的红外发射二极管持续发射红外线，当发射出的红外线未被反射回来或反射回来但是强度不够大时，则红外接收管将维持非导通状态。在这种情况下，模块的输出电压将保持在高水平，表明二极管处于非激活状态。当被监控的对象进入监控区域，红外线被反射回来且强度足够大时，则红外接收管饱和。此时，模块的输出端会呈现低电压状态，这表明二极管已被激活。
图4所示为本系统的蜂鸣器模块。该蜂鸣器模块的模块接口是三线制的，与红外收发模块一样支持3.3～5 V的电压输入，可以与5 V或者3.3 V的单片机直接相连，外接地线和单片机I/O口。该模块采用S8050三极管来驱动。在I/O口输入为低电压的情况下，蜂鸣器会发出声音。
图5所示为本系统的语音识别模块。选择HLK-V20作为核心芯片，这是一款高效的AI加速架构，并且硬件和算法之间存在着高度的耦合关系。该模块使用32 bit的RSIC内核，同时融合了DSP这一特定的信号处理与语音辨识工具。该模块还配备有FPU运算单位和FFT加速器，通过神经网络算法对音频信息进行训练和学习，从而增强其识别能力。该语音识别模块支持与MCU的串口通信，在识别语音指令后，模块会通过串口输出相应的协议数据。MCU端串口在接收到来自语音识别模块的数据后，即可根据指令执行相应的操作。该语音模块采用5 V供电，平均待机功耗为63 mA。
本设计通过4个舵机来实现垃圾桶开启和关闭的操作。舵机作为一种位置伺服驱动器，能够有效地操作角度的改变，特别适合那些需要频繁且稳定调整角度的控制系统。
舵机输入信号是单片机产生的PWM信号，通过调节PWM信号的占空比，控制舵机的旋转角度及方向。舵机电路接线条则用于接收控制信号（即单片机输出的PWM控制信号）。其工作原理是：单片机的4个引脚分别连接4个舵机的输入端，通过发送PWM信号来控制舵机的工作状态。舵机驱动电路内置基准电压，要求输入的PWM信号周期为20 ms，脉冲宽度为0.5 ms。通过对比输入的信号与基准电压，可以得出偏差结果，进而实现对外部设备（即垃圾桶盖）转动角度的精确控制。
图6 舵机电路接线单片机是意大利意法半导体公司推出的基于Cortex-M内核的新一代32位单片机系列，以其高性能、低功耗、一流的外设、易于使用和快速开发等特点，倍受广大开发者青睐。
本次设计选用了STM32F103系列中的STM32F103C8T6型号单片机。“STM32”代表着基于ARM构架的32位微控制器；“F”表示这款产品为通用型；“103”标志着这款产品属于该系列的增强版本，除了增强版还有基础版本“101”、USB版“102”、互联版“105”等。值得注意的是，STM32F103系列的增强版拥有高达72 MHz的时钟频率。“C”表示该型号的引脚数目为48；“8”表示该型号闪存储器的存储容量为64 KB；“T”表示LQFP的封装；“6”表示其在-40～85℃的工业级别温度范围内均能正常工作。单片机核心板的原理图如图7所示。
USR-C216是USR-C21系列中的一款高性价比WiFi模块，专为嵌入式系统的无线网络通信需求而设计。其采用低能耗的802.11 b/g/n模块，使得用户能够将各类实体设备连接至WiFi网络，进而实现物联网的远程操控和管理。USR-C216集成了MAC、基频芯片、射频收发单元，内置低功耗运行机制，能够有效降低能耗。USR-C216支持Wi Fi协议以及TCP/IP协议，用户仅需简单配置，即可实现UART设备的联网功能。该模块具备将串行数据转换为网络数据的能力，包括Socket和Httpd Client的转换，极大地增强了那些原本缺乏网络连接功能的设备的通信能力。数据云传输的过程如图8所示。
WiFi模块拥有UART接口，发送寄存器和接收寄存器共同构成DR（数据寄存器），CPU通过对USARTx-DR进行写/读操作，可以分别实现发送/接收数据。WiFi模块如图9所示。
在软件系统的构建过程中，需要对传感器获取的信息进行接收和处理，并将这些信息传输至微控制器中，执行数据融合、评估以及数据发送等步骤。具体的数据处理步骤如图10所示。
系统通过语音识别模块和红外收发模块来收集数据，STM32F103负责接收并处理所有收集到的数据。语音识别模块进行垃圾分类判断的流程如图11所示。
智能垃圾桶只有在盖子关闭的时候检测并更新桶内垃圾余量，同时云端也会接收到更新后的垃圾余量信息。通过云端可以将智能垃圾箱有关容量、经纬度等信息进行图形化显示。当垃圾量超过设定值时，有人云会发送警报信息，提醒用户对垃圾桶进行清理。
当用户点击联网设备时，跳转至垃圾信息界面，如图12所示。该界面集中展示了垃圾类别名、垃圾内存、垃圾桶的位置经纬度等详细信息。点击“历史查询”按钮可以进行垃圾溯源。点击“主动采集”按钮可以主动采集垃圾桶相关的数据。报警信息处理界面如图13所示。
在系统语音回复之后10 s内说出要扔垃圾的名字，垃圾桶就会自行判断垃圾所属分类并播报分类后的结果,随后自动开启对应分类的垃圾桶的盖子，3 s后自动关闭。如果垃圾桶盖子打开之后检测到垃圾溢满，系统会通过触发蜂鸣器警报提醒用户。如果垃圾溢满，用户需要再次说出垃圾的名字，打开垃圾桶盖并取走垃圾。当垃圾桶盖闭合后没有检测到垃圾桶溢满，警报声才会解除。另外点击菜单栏中的联网设备按钮，可以跳转到智能垃圾桶数据查看界面，如图18所示。
针对当前环境下的垃圾分类现状，本文设计了一款基于STM32的智能语音识别分类垃圾桶。该智能垃圾桶能够通过内置的语音识别模块精准识别用户发出的语音信息，根据指令做出相应的语音反馈并执行相应的操作。此外，该系统还具备通过云平台监控垃圾桶状态的功能。智能垃圾桶的实现为垃圾分类工作的自动化、智能化和高效化提供了有力支持，在潜移默化中增强人们的垃圾分类意识及素养，促使垃圾分类良好习惯的养成。
[6]郭建军,林丽君,陈红斌,等.基于声音识别的智能声控垃圾桶[J].科学技术创新,2020(3):95-96.
[7]魏子瑄,刘小刚,陈真贵,等.基于语音识别技术的智能分类垃圾桶[J].单片机与嵌入式系统应用,2020,20(1):79-82.
李雨婷,殷婷婷,曹达伟,等.基于物联网技术的智能分类垃圾系统[J].物联网技术,2025,15(01):113-117.
