浅谈一种智能家居垃圾桶的设计

张瑞丹 房新月 李银轮

摘 要 对一款具有语音控制、智能开关盖、超声波避障、自动打包和夜灯功能的家居垃圾桶进行原理分析及流程图展示，赋予垃圾桶多功能应用，旨在提高居民生活品质。

关键词 垃圾桶;语音识别;超声波避障

1背景

随着高新技术的不断发展，各行各业呈现出一种智能化的趋势，智能家居、智慧城市、智能物流的出现极大地改善了人们的生活，为人们带来了便利[1]。垃圾桶作为生活中必不可少的家居用品，市面上产品却良莠不齐、功能模式单一、无法满足人们的日常生活需求，因此设计一款基于语音控制、随叫随到、智能打包的多功能垃圾桶，创造一个安全、舒适、幸福的家居环境。

2系统设计原理

接收到语音命令后，语音控制系统将信号传输给单片机控制系统，做出运算后，发送给电机驱动系统和超声波检测系统。超声波检测系统检测到有障碍物时，将障碍物信号发送给控制系统，控制系统做出相应判断并反馈给超声波检测系统，绕开障碍物继续前进，直至到达目的地。当超声波检测系统检测到上方有垃圾时，发生信号至控制系统，控制系统控制开盖系统工作，垃圾桶盖打开并延长一定时间再关闭。电源系统由组成垃圾桶壁的薄膜光伏构件及锂电池组成，在无命令时，薄膜光伏构件为系统供电且将多余电量储存在锂电池中，晚上无光照时，锂电池为系统供电。夜灯系统在处于设定时间段时，语音检测模块检测到语音时，控制系统启动垃圾桶边缘侧的小夜灯，在漆黑的室内提供照明工作。自动打包系统为当传感器检测到桶内垃圾超过4/5位置时发出信号至控制系统，控制系统控制打包装置收口挤压，利用热能将将垃圾袋熔融封口，并开盖提醒需更换垃圾袋。

综上所述，垃圾桶设计原理图如下。

3系统功能分析

3.1 智能语音系统

垃圾桶安装语音识别模块，可以直接通过语音指令，控制垃圾桶的移动状态和垃圾桶盖的闭合。语音识别技术就是非特定人的语音通过机器的识别，理解转换成相应的字符串或者指令。具体的实现步骤包括：采取语音样本，确定语音输入的起始点，计算语音频谱，分解输入信号，关键词识别，对输入信号做出反应[2]。系统识别到“过来”命令后，将信号传输给单片机，单片机将处理后的信号传输给超声波避障系统，并到达目的区域;识别到“离开”指令后，在返回原处，完成一个工作流程。智能语音系统流程图如图2所示。

3.2 智能开关盖系统

在垃圾桶盖上方安装有超声波检测模块，当检测到垃圾桶上方有垃圾处于阈值内时，桶盖打开并延迟一定时间，再次检测到上方阈值内无障碍物时，桶盖关闭。流程图如图3所示。

3.3 超声波检测系统

超声波检测系统包括检测系统与避障系统两部分，检测系统为自动开关盖服务，避障系统工作于定位与行走。在垃圾桶的前、左、右方均设置有超声波检测，当有障碍时，超声波检测模块会将信号反馈给单片机，单片机依据收集的信号做出反馈。单片机发出命令给电机系统，控制行走方向直至到达目的地。

3.4 自动打包系统

桶内剩余空间可通过超声波测距计算得到[3]。计算得出桶内剩余容量仅为垃圾桶容量的1/5处时，将此信号输送给单片机，单片机控制桶口处的传动丝杠，带动两个电热棒向中间移动，处于中间位置相互接触时，开始加热电热棒的热熔薄片，加热一定时间后停止加热，在电热棒相互挤压和加热的过程中，垃圾袋局部熔融并黏结在一起，封口打包完成。之后将完成的信息传送给单片机，单片机控制垃圾桶开盖提醒用户需要更换垃圾袋。

3.5 夜灯系统

夜灯在黑夜起照明作用，减少夜间家庭电力能源消耗。在晚上23：00至凌晨5：00期间内，智能语音系统接收到语音后启动夜灯系统，位于桶底部的夜灯开启并持续5分钟之后关闭，夜灯灯光柔和适中、不会影响家人睡眠、方便夜间生活。

3.6 电机驱动系统

单片机收集到各个信号时，进行运算并做出反应输送给电机驱动系统。电机驱动系统在自动开关盖系统中控制垃圾桶的开关盖功能;在超声波避障系统中控制垃圾桶的前进轨迹，可实现前行、后退、左拐、右拐功能;在自动打包装置中控制电热棒的移动以便封口打包。

3.7 电源系统

薄膜电池组件具有转化效率高、光吸收能力强、弱光性好、衰退少的特点，故采用薄膜电池与垃圾桶壁相结合组成薄膜构件，垃圾桶壁既作为垃圾桶的一部分同时还具有发电功能，为系统提供綠色能源。备用电源采用锂离子电池为系统提供电能。因锂离子电池具有高电压、高容量、高安全性及循环寿命长等优点[4]。

3.8 STM32单片机

STM32单品机为整个产品的核心装置。STM32单片机其运算速度是51单片机的几十倍。该单片机融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压、丰富的外围接口于一身，配合丰富的软硬件开发工具，让该类单片机成为项目中解决方案的理想选择[5]。适合作为该智能垃圾桶的控制系统。

4结束语

在人工智能的浪潮下，智能家居因贴近生活，而被人们所憧憬。该产品利用太阳能将垃圾桶，语音控制、超声波检测、自动开关盖集于一体，使科技与绿色、环保相结合，符合可持续发展理念。且该款智能垃圾桶反应速度快、系统误差较低、功能多且实用、具有一定的市场价值和商业前景。

参考文献

[1] 刘晓蒙，赵立强，李伟.一种新型智能垃圾桶的设计[J].物联网技术，2019，9（9）：79-81.

[2] 王志，雷达，周仔明，等.基于Arduino语音控制室内垃圾分类的系统设计[J].电脑知识与技术，2020，16（5）：81-82.

[3] 崔明珠，董玉华，陈冰.景区智能垃圾桶的设计[J].智能计算机与应用，2016，6（6）：124-126.

[4] 王力臻，张文静，刘玉军，等.MF对锂离子电池负极的修饰改性[J].电源技术，2014，38（6）：1030-1033.

[5] 郭昌鑫，陈公兴.基于深度学习的智能垃圾桶识别分类系统[J].科技与创新，2020（12）：30-31，35.

作者简介

张瑞丹（1999-），现就读学校：青海师范大学，本科在读，研究方向：新能源科学与工程。

李银轮（1963-），男;职称：教授，现就职单位：青海师范大学，研究方向：新能源应用技术。