基于ARM的家用智能垃圾桶設計

摘要 以ARM11 S3C6410為核心設計了一種家用智能垃圾桶，用拾音器作為聲音傳感器，采用延時估計法實現聲源方位的實時檢測，從而實現語音控制垃圾桶的運動；采用紅外傳感器實現垃圾桶行進的蔽障功能；同時，采用語音識別技術實現用戶對垃圾桶的前、后、左、右行駛或開啟、關閉垃圾桶蓋等各種語音指示的識別。從而實現垃圾桶的智能化與人性化，給生活帶來便利。
關鍵詞 S3C6410；聲源定位；語音識別；避障

隨著人們生活水品的不斷提高，在人們購買各種家具或家電時越來越重視其智能化和人性化。人們在生活中產生的生活垃圾都需用垃圾桶放置，考慮到老人、孕婦或者殘疾人，放置垃圾時存在的不便、費時、費力等問題。設計針對這些問題，提出了具有語音識別功能的智能垃圾桶設計方案，當用戶想要扔垃圾時，只要一聲令下，垃圾桶就會快速準確地來到你身邊。

1 系統硬件設計
系統硬件包括垃圾桶車體機械結構和硬件控制電路兩個部分。其中車體機械結構為一部三輪小車車體，能按照在不同地點處用戶發出的聲音指令，自動行駛到用戶所在地。系統硬件電路總體結構框圖如圖1所示，包括電源模塊、ARM最小系統、聲源定位模塊、語音識別模塊、避障模塊和電機驅動模塊。

工作原理：首先通過語音識別模塊識別出用戶的呼叫命令，同時通過聲源定位模塊判斷用戶所處位置，再通過ARM產生驅動電機的PWM信號，利用電機驅動模塊驅動垃圾桶向聲源方向行駛，并在行進過程中，利用避障模塊自行避開障礙物。同時，該設計還支持用戶對垃圾桶前、后、左、右行駛或打開、關閉垃圾桶蓋等語音控制。
1．1 電源模塊
系統所有模塊和控制器都需要+5 V的工作電壓，采用鋰電池進行供電，并用LM2576S-5穩壓芯片將電壓穩定在+5 V，然后通過穩壓源LM11 17-33和LM1117-18為S3C6410芯片3．3 V和1．8 V電壓。
其余語音芯片UDA1341TS、拾音器的5 V供電、紅外避障、直流電動機均為+5 V供電。
1．2 聲源定位模塊
聲源定位模塊主要包括拾音器構成的麥克風陣列和信號處理單元，如圖2所示。

系統中麥克風陣列選用2個拾音器來實現，其監聽范圍為30～50 m2。由于拾音器所拾取的聲音信號太小，易受環境噪聲影響，因此有必要對聲音信號進行預處理，通過信號調理單元的處理，使其能夠滿足系統要求。為滿足拾音器所得到的微弱電信號進行放大，系統采取兩級放大電路。又由于A／D模塊不能采集負電壓信號，因此需要對放大后的電信號進行偏置，使其不出現負電壓，便于ARM采樣，使其輸出的誤差更小。
1．3 語音識別模塊
設計采用Philips公司UDA1341TS專用的語音處理芯片，能對語音實現放大、濾波、采樣、A／D或D／A轉換及進行數字語音處理功能，并且支持璐總線數據格式，與ARM芯片S3C6410內置IIS總線接口配合使用。ARM芯片上內置的IIS接口不但能夠讀取IIS總線上的數據，為FIFO數據提供DMA的傳輸模式，而且可以同時傳輸和接收數據。UDA1341TS對所采集的語音信號進行采集和編碼，由DTW模型算法進行模板訓練，并將訓練結果存儲在Flash中以便于在語音信號識別階段讀取模板。在語音信號識別階段，將輸入的語音信號經過音頻數字信號編譯碼器UDA1341 TS處理后，通知S3C6410嵌入式Linux操作系統，與保存在Flash中的參考樣本進行對比，找出最佳的聲音識別效果，然后由嵌入式Linux操作系統中的系統調用函數控制S3C6410的I／O口，指揮垃圾桶的運動。
1．4 電機驅動模塊
電機驅動模塊根據ARM控制器輸出的控制信號驅動電機的運行。電機的驅動電路采用H橋驅動電路，如圖3所示。

Q1、Q2、Q3、Q4這4個三極管組成4個橋臂，Q1和Q4組成一組，Q2和Q3組成一組，Q5控制Q2、Q3的導通與關斷，Q6控制Q1和Q4的導通與關斷，而Q5、Q6由S3C6410的IO口來控制，這樣就可以通過IO輸出的高低電平，控制4個橋臂的導通與關斷控制電機的運行狀態，使之正轉反轉或者停轉，進而控制垃圾桶的行駛。為避免用分立元件使電路板過于復雜，在設計中使用H橋驅動L298N芯片。