卢 武
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摘要：设计一款基于WeMos D1物联网开发板的智能垃圾桶，以实现对垃圾桶的远程及现场的控制，满足对垃圾分类的语音识别，并通过阿里云物联网平台实现对桶内垃圾容量的准确监控。硬件部分包括WeMosD1物联网开发板、HC-SR04超声波传感器、LDV7语音识别模块以及称重传感器；软件部分包括开发板的Arduino程序及语音识别模块的单片机程序，并通过阿里云的IOT Studio实现自建手机App。本系统的开发实现了硬件设计和软件编程，该系统能够对桶内垃圾容量进行实时监控，在容量超过上限时可通过云平台或手机APP发出报警信息提示环卫人员。智能垃圾桶的监控系统能够及时地提醒环卫人员，使垃圾桶的清理更加便捷，节省了人力物力。
关键词：物联网；语音识别；数据采集；远程监控；云平台
引言
《海南省生活垃圾管理条例》中明确要求自2020年10月1日起正式实施垃圾分类，而大部分传统垃圾桶需要居民手动进行分类，且城市垃圾居多已对环境卫生造成严重压力。随着物联网技术的快速发展，通过传感器采集相关的数据信息，并发送到物联网云平台进行存储、分析及处理，而获取的大量关键数据被广泛应用于智慧城市及智能环境监测，其大为改善了人们的社会生活状态，所以有必要在城市垃圾桶中运用物联网技术[1]。
综上所述，本文设计了一款能够实现语音识别及实时监控垃圾容量的智能垃圾桶，可以满足居民方便快捷地通过语音识别进行垃圾分类和及时通知环卫人员回收垃圾。
1系统设计
本文设计的智能垃圾桶监控系统基于物联网平台，主要实现的功能为：第一，利用语音识别模块和超声波传感器以实现对现场垃圾桶盖的自动开合；第二，利用称重传感器采集垃圾桶内的垃圾重量，并将该数据通过无线通信技术上传至云平台；第三，在云平台上设定相关阈值以实现远程控制现场垃圾桶盖的开合，并将垃圾桶信息推送至移动端以提醒环卫人员及时回收垃圾。系统整体框架如图一所示。
图一 系统整体框架
为了满足本系统设计的具体功能，该系统的组成主要分为：终端、云端和移动端。其中终端的设计包括：主控制器、语音识别模块、称重传感器、超声波传感器及舵机；云端采用阿里云生活物联网平台；移动端则采用阿里云IOT Studio自建手机App。
本系统的设计主要分为硬件组成和软件设计。由于市场上已存在成熟及便捷的硬件产品，所以本系统在选择完合适的硬件产品之后主要完成整体的硬件电路搭建；而本系统的主要设计任务为软件设计部分，其中基于不同模块之间的通信考虑，将采用的处理方法为：语音识别模块采用单片机编程以实现与主控器的通信；主控制器通过Arduino编程以实现对传感器的数据采集及对舵机的控制，并实现与阿里云生活物联网平台建立连接。
2终端设计
智能垃圾桶的终端设计主要为采用合适的硬件产品，并完成整体的硬件电路搭建。硬件模块主要有：主控制器、语音识别模块、称重传感器、超声波传感器及舵机，并通过相应的电路连接以完成终端的设计。
2.1 传感器模块
本系统主要使用超声波传感器和称重传感器。
超声波传感器型号为HC-SR04，其具有性能稳定、测度距离准及高精度等特点。该传感器的发射端与接收端分别连接到主控制器的D2、D8口，主控制器先发出高电平信号到发送端，接收端将检测该信号是否为高电平；当接收端读取到高电平时会打开定时器来计时，而超声波的传播时间即高电平持续的时间，可利用发送端和接收端的高低电平记录的时间差来计算距离[2]。
称重传感器模块采用压力传感器与24位AD转化模块HX711来实现对桶内垃圾的重量测量，可提供超高准确的数据。HX711模数转换芯片具有可靠、集成一体化、响应速度快、抗干扰强等优点。主控制器通过2个I/O口与HX711的数据接口（DT）和同步时钟（SCK）引脚相连，并根据相应时序编程[3]。
2.2 主控制器模块
主控制器模块采用WeMos D1开发板。该开发板是基于乐鑫的WiFi芯片ESP-8266EX，可兼容Arduino并使用ArduinoIDE进行编程。WeMos D1具有11个I/O引脚，1个输入范围为0-3.3 V的模拟数字转换器（ADC）引脚，具有高集成度[4]。
其中ESP-8266是WiFi串口模块，可用于从串口接收称重传感器的采集数据，并通过WiFi发送至云平台；或通过WiFi接收云平台的命令，并用串口输出来控制舵机，以实现远程控制现场垃圾桶盖的开合[5]。
2.3 语音识别模块
在语音识别功能上，采用模块LDV7，该模块集成了语音识别芯片LD3320和控制MCU为STC的51单片机；模块采用串口与主控制器进行数据通信，用户可自行通过编程来实现该模块的语音识别等功能[6]。
3软件设计
软件设计主要完成的任务有：第一，语音识别模块LDV7与主控器WeMos D1的串口通信控制；第二，主控器WeMos D1对各传感器的数据采集及舵机的控制；第三，主控器WeMosD1连接上阿里云生活物联网平台；第四，应用阿里云IOT Studio制作手机App。
3.1语音识别模块的程序设计
语音识别模块LDV7在程序设计上主要实现两个功能：第一，对语音的识别处理；第二，与主控器建立通信。
LD3320音频处理的过程为：LD3320音频采样并辨识，将结果存储在LD3320的寄存器中，由MCU读取LD3320的寄存器，并根据STC单片机内编好的程序进行具体判断，最后输出识别结果。
语音识别模块LDV7与主控器建立通信的过程为：在LD_AsrAddFixed()处为该模块添加关键词；在LDCHIP.H文件中修改识别码；识别成功后，执行User_handle(uint8dat)函数，实现通过串口向主控制器发送十六进制的信号。而主控制器通过Arduino编程，建立与语音模块的串口通信，实现语音模块每接收到一个语音指令并通过串口发送十六进制的信号时，主控制器的对应引脚会发生相应的电平变化。
3.2主控制器模块的程序设计
主控制器模块WeMos D1在程序设计上主要实现三个功能：第一，对各传感器的数据采集；第二，对舵机的控制；第三，连接阿里云生活物联网平台。
为了实现超声波测距，在Arduino编程中调用delayMicroseconds(10)函数即发送10us脉冲；调用return pulseIn(Echo，HIGH)函数即脉冲波在传输过程保持echo引脚为高电平，则高电平的时间即为波传输的时间getTime()，最后得到波在空气中的距离为dis=getTime()/58。
对实现对舵机的控制即打开或关闭垃圾桶盖，在主控制器的Arduino编程中通过定义Servo类函数的变量名为myDuoJi，首先在程序的初始化过程中设置舵机的引脚为myDuoJi.attach(DuoPIN)；在超声波测距时，调用myDuoJi.write()函数，可实现对舵机的角度控制。
为了连接阿里云生活物联网平台并成功实现远程控制舵机对垃圾桶盖的开合，在主控制器的Arduino编程中，首先要定义在物联网平台上的设备三元组信息：PRODUCT_KEY，DEVICE_NAME，DEVICE_SECRET和REGION_ID，以及WIFI路由器的SSID和密码；其次为WIFI初始化，通过调用esp8266wifi库的函数来实现WIFI连接；然后调用AliyunIoTSDK库内的public函数之一的begin函数，该函数功能为使用规定格式的参数进行计算之后连接阿里云物联网平台；最后实现在阿里云物联网平台上发送Switch开关命令，主控制器即调用myDuoJi.write()函数来实现对舵机的远程角度控制。
3.3云平台制作手机App
移动端采用阿里云IOTStudio自建手机App。首先登陆阿里云物联网平台，打开菜单IoTStudio的开发服务并创建一个空白项目，完成填写项目名称和项目描述，并在新界面中点击关联产品及设备；然后选择移动可视化开发，填写应用名称，点击选择智能设备，确认后进如入界面设置；完成APP的前期工作后即可在线生成。
4结论
本文提出一种基于WeMos D1物联网开发板的智能垃圾桶，并完成了系统的软硬件设计。硬件部分包括称重传感器、超声波传感器、语音识别模块和作为核心控制的开发板；软件部分包括开发板的Arduino程序及语音识别模块的单片机程序。实验结果表明，本文系统更加智能，可实现对垃圾桶的云端、手机端远程控制或语音识别、超声波感应的现场控制。垃圾桶本身可通过称重传感器采集当前的容量数据并上传至云平台，如果容量超过上限可通过云平台及时下发信息以提醒环卫人员，使垃圾桶的清理更加便捷，节省了人力物力。
参考文献
[1]聂壮壮,李伟恒,冯海杰,杨书豪,刘忠途.基于物联网的智能垃圾桶[J].物联网技术,2021,11(03):62-63+67.
[2]吴瑞锐,朱晓峰,宋宗峰.基于HC-SR04多超声波避障技术[J].智库时代,2020(03):281-283.
[3]孙毅敏,宋余君.基于STC15F2K60S2单片机的智能垃圾桶的设计与实现[J].物联网技术,2021,11(02):58-60.
[4]郭辉.基于多传感器的物联网监测系统设计与实现[D].浙江大学,2018.
[5]凌加平,潘绍明,田径北,韦明峥,周俊男,谭晧.基于物联网的智能垃圾桶监管系统[J].科学技术创新,2020(23):94-95.
[6]贾成宇,范从勉,张渝,颜思瑞,冯月芹.基于单片机智能语音垃圾桶识别设计[J].电子世界,2020(23):192-193.