基于 STM32 的语音识别智能垃圾桶设计与实现

随着物联网和人工智能技术的快速发展，智能家居设备正逐渐融入我们的日常生活。作为智能家居的重要组成部分，智能垃圾桶通过集成语音识别、自动感应和垃圾分类等功能，大大提升了用户的使用体验并促进了资源回收。本文将详细介绍基于STM32微控制器的语音识别智能垃圾桶的设计方案，涵盖硬件选型、系统架构、软件实现和功能扩展等多个方面。

1 系统概述

基于STM32的语音识别智能垃圾桶系统集成了多种传感器技术和通信模块，能够实现语音控制、自动开关盖、垃圾满溢检测和远程监控等功能。整个系统以STM32F103C8T6微控制器为核心，通过语音识别模块接收用户指令，利用传感器检测环境状态，并控制执行机构完成相应的动作。此外，系统还配备了通信模块，实现与手机APP的无线连接，方便用户远程监控垃圾桶状态-1。

系统的主要特点包括：高效的语音识别能力、多传感器数据融合、灵活的执行机构控制和可靠的远程通信功能。这些特点使得智能垃圾桶不仅操作简便，而且智能化程度高，能够满足现代家庭对智能家居设备的需求。

2 硬件设计

硬件设计是智能垃圾桶系统的基础，合理的硬件选型和电路设计能够保证系统的稳定性和可靠性。本系统的硬件部分主要包括主控单元、语音识别模块、传感器模块、执行机构、通信模块和电源模块。

2.1 主控单元

主控单元采用STM32F103C8T6作为核心处理器，这是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，具有高性能、低功耗和丰富的外设资源-1。其主要任务包括：处理语音识别模块的数据、读取传感器状态、控制执行机构动作和管理通信模块。

核心控制：STM32F103C8T6负责协调系统各个模块的工作，处理来自语音识别模块和传感器的数据，并根据预设算法控制舵机、电机等执行机构-1。

通信接口：芯片提供了USART、SPI、I2C等多种通信接口，便于连接蓝牙模块、Wi-Fi模块等外设-1。

电源管理：通过芯片的电源管理功能，优化系统能耗，延长电池使用寿命-1。

主控单元的外围电路包括晶振电路、复位电路、调试接口和电源转换电路。为了确保系统稳定运行，电源电路需要提供3.3V和5V两种电压，分别用于微控制器和外设模块。

2.2 语音识别模块

语音识别模块采用LD3320或LD3322芯片，这两款芯片均支持非特定人语音识别，能够识别不超过50条指令，识别准确率较高-2-4。模块通过SPI或I2C接口与STM32F103C8T6通信，将识别结果传递给主控制器。

LD3320/LD3322：内置DSP运算核心，支持离线语音识别，不需要网络连接即可工作-2。

麦克风：选用高灵敏度驻极体麦克风，捕捉用户语音指令-1。

连接方式：模块的VCC接3.3V电源，GND接地，SCK、MISO、MOSI分别连接STM32的对应SPI引脚，RST连接STM32的GPIO引脚-1。

在实际应用中，语音识别模块可以识别如”开盖”、”关盖”、”分类”等指令，识别成功后会将对应的指令编码发送给STM32处理。

2.3 传感器模块

传感器模块包括多种类型的传感器，用于检测垃圾桶周围的环境信息和垃圾状态。

红外感应传感器：采用HC-SR505人体感应模块，检测是否有人靠近。当检测到人体时输出高电平，通过GPIO接口与STM32连接-7。

超声波满溢检测传感器：使用HC-SR04模块检测垃圾桶内的垃圾高度。模块的Trig引脚连接STM32的GPIO输出引脚，Echo引脚连接GPIO输入引脚-9。

金属检测传感器：用于识别金属垃圾，输出信号接STM32的GPIO引脚-1。

光敏电阻：检测环境光强度，用于控制夜灯功能，输出模拟信号接STM32的ADC引脚-9。

2.4 执行机构

执行机构主要包括舵机和电机，用于控制垃圾桶盖的开关和垃圾分类动作。

舵机：选用SG90舵机控制垃圾桶盖的开关，通过PWM信号控制角度-1。舵机的控制线连接STM32的定时器PWM输出引脚，VCC接5V电源，GND接地。

电机：如需实现垃圾分类功能，可使用直流电机配合L298N驱动模块，控制线连接STM32的GPIO引脚-1。

2.5 通信模块

通信模块使智能垃圾桶能够与外部设备进行数据交换，实现远程监控和控制。

蓝牙模块：选用HC-05或HC-06模块，通过UART接口与STM32连接，实现与手机APP的通信-1。

Wi-Fi模块：可采用ESP8266模块，支持TCP/IP协议栈，通过UART与STM32通信，使垃圾桶接入互联网-5。

2.6 电源模块

电源模块为整个系统提供稳定的电力供应，考虑到便携性，通常采用可充电锂电池配合电源管理电路。

锂电池：选用3.7V可充电锂电池，容量根据系统功耗选择-1。

充电管理电路：采用TP4056芯片实现锂电池充电管理-1。

电压转换电路：使用LM2596等DC-DC降压模块将电池电压转换为5V和3.3V，分别供给不同外设和STM32芯片-1。

2.7 其他模块

除了上述主要模块外，系统还可以集成以下功能模块：

语音播报模块：采用JQ8400或JR6001芯片，通过UART接口接收STM32的指令，播放对应的提示音-4-7。

OLED显示模块：使用0.96英寸OLED屏幕，通过I2C接口与STM32通信，显示垃圾桶状态信息-9。

LED指示模块：使用RGB LED指示不同工作状态，如语音识别状态、垃圾满溢状态等-3。

下表总结了系统主要硬件模块的选型和连接方式：

模块类型	选用芯片/型号	接口方式	主要功能
主控单元	STM32F103C8T6	–	系统控制核心
语音识别	LD3320/LD3322	SPI/I2C	识别语音指令
人体感应	HC-SR505	GPIO	检测人体靠近
满溢检测	HC-SR04	GPIO	检测垃圾高度
金属检测	电感式传感器	GPIO	识别金属垃圾
光强检测	光敏电阻	ADC	检测环境光强
舵机	SG90	PWM	控制桶盖开关
蓝牙通信	HC-05	UART	与手机APP通信
Wi-Fi通信	ESP8266	UART	连接互联网
语音播报	JQ8400	UART	播放提示语音
显示模块	0.96寸OLED	I2C	显示状态信息

3 软件设计

软件设计是智能垃圾桶系统的核心，合理的软件架构和算法能够充分发挥硬件性能。系统软件采用模块化设计，主要包括初始化模块、语音识别处理模块、传感器数据采集模块、执行机构控制模块和通信模块。

3.1 软件流程图

以下是智能垃圾桶系统的主程序流程图：

具体的工作流程包括：

系统初始化：初始化STM32的各外设和全局变量-3；

语音识别处理：检测并处理语音指令-3；

传感器数据采集：定时采集各类传感器数据-9；

数据判断与处理：根据预设阈值判断是否触发相应动作-9；

执行机构控制：控制舵机或电机执行相应动作-3；

状态更新与显示：更新系统状态并在OLED上显示-9；

通信处理：处理与手机APP的数据交换-5。

3.2 关键代码实现

以下是系统关键功能的代码片段：

3.2.1 系统初始化



#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "pwm.h"
#include "adc.h"
#include "oled.h"
 
int main(void)
{	
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 设置中断优先级分组
    delay_init();        // 延时函数初始化
    Usart1_Init(9600);   // 串口1初始化，用于语音识别模块
    Usart3_Init(9600);   // 串口3初始化，用于语音播报模块
    Servo_GPIO_Config_Time2_Init(); // 定时器2初始化，用于舵机控制
    Hcsr04_Timer6_Init(); // 定时器6初始化，用于超声波测距
    Adc_Init();          // ADC初始化，用于光敏电阻和金属检测
    OLED_Init();         // OLED初始化
    OLED_CLS();          // OLED清屏
    
    // 设置4个舵机初始角度为0°，状态设置为"空闲"
    for(int i=0; i<4; i++)
    {
        servo[i].angle = 0;
        servo[i].status = IDLE;
    }
    
    while(1)
    {
        OLED_Display_Control(); // OLED显示控制函数
        Voice_Process();        // 语音识别处理
        Sensor_Process();       // 传感器处理
        Comm_Process();         // 通信处理
    }	 
}

3.2.2 语音识别处理



// 语音识别处理函数
void Voice_Process(void)
{
    if(USART1_RX_STA & 0x8000) // 判断串口1是否接收到数据
    {
        uint8_t voice_cmd = USART1_RX_BUF[0]; // 获取语音指令
        switch(voice_cmd)
        {
            case 0xFE: // 口令模式唤醒
                RGB_LED(RED); // RGB红灯亮
                UART3_Send_String("主人请吩咐"); // 语音播报
                break;
            case 0x01: // "可回收垃圾"指令
                RGB_LED(GREEN); // RGB绿灯亮
                UART3_Send_String("可回收垃圾"); // 语音播报
                Servo_Open(0); // 打开可回收垃圾桶盖
                break;
            case 0x02: // "厨余垃圾"指令
                RGB_LED(GREEN);
                UART3_Send_String("厨余垃圾");
                Servo_Open(1); // 打开厨余垃圾桶盖
                break;
            case 0x03: // "有害垃圾"指令
                RGB_LED(GREEN);
                UART3_Send_String("有害垃圾");
                Servo_Open(2); // 打开有害垃圾桶盖
                break;
            case 0x04: // "其他垃圾"指令
                RGB_LED(GREEN);
                UART3_Send_String("其他垃圾");
                Servo_Open(3); // 打开其他垃圾桶盖
                break;
            default:
                break;
        }
        USART1_RX_STA = 0; // 清除接收标志
    }
}
 
// 舵机打开函数
void Servo_Open(uint8_t servo_id)
{
    if(servo[servo_id].status == IDLE) // 判断舵机是否空闲
    {
        servo[servo_id].status = BUSY; // 设置状态为忙碌
        // 逐步增加舵机角度，实现平滑打开
        for(int i=0; i<=90; i++)
        {
            servo[servo_id].angle = i;
            SERVO_SET_ANGLE(servo_id, i); // 设置舵机角度
            delay_ms(20); // 延时，控制打开速度
        }
        delay_ms(5000); // 保持打开状态5秒
        
        // 逐步减小舵机角度，实现平滑关闭
        for(int i=90; i>=0; i--)
        {
            servo[servo_id].angle = i;
            SERVO_SET_ANGLE(servo_id, i); // 设置舵机角度
            delay_ms(20); // 延时，控制关闭速度
        }
        servo[servo_id].status = IDLE; // 设置状态为空闲
    }
}

3.2.3 传感器数据处理



// 传感器处理函数
void Sensor_Process(void)
{
    static uint32_t sensor_timer = 0;
    
    if(HAL_GetTick() - sensor_timer > 100) // 每100ms处理一次传感器数据
    {
        sensor_timer = HAL_GetTick();
        
        // 读取超声波传感器数据
        float distance = Hcsr04_Get_Distance();
        
        // 如果检测到垃圾满溢
        if(distance < FULL_THRESHOLD)
        {
            UART3_Send_String("垃圾箱已满"); // 语音提示
            OLED_ShowString(0, 4, "Status: FULL "); // OLED显示状态
            // 通过Wi-Fi发送满溢信息到服务器
            ESP8266_Send_Data("垃圾桶已满，请及时清理");
        }
        else
        {
            OLED_ShowString(0, 4, "Status: NORMAL"); // OLED显示正常状态
        }
        
        // 读取人体红外传感器
        if(HAL_GPIO_ReadPin(PIR_GPIO_Port, PIR_Pin) == GPIO_PIN_SET)
        {
            // 检测到人体靠近，自动打开所有垃圾桶盖
            for(int i=0; i<4; i++)
            {
                if(servo[i].status == IDLE)
                {
                    Servo_Open(i);
                }
            }
        }
        
        // 读取光敏传感器
        uint16_t light_value = Get_ADC_Value(ADC_CHANNEL_0);
        if(light_value < LIGHT_THRESHOLD)
        {
            // 环境光较弱，开启夜灯
            HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET);
        }
        else
        {
            // 环境光较强，关闭夜灯
            HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        }
    }
}

3.2.4 通信处理



// ESP8266 Wi-Fi模块发送数据
void ESP8266_Send_Data(char *message)
{
    char buffer[100];
    
    // 连接到Wi-Fi网络
    UART2_Send_String("AT+CWJAP="SSID","PASSWORD"
");
    delay_ms(3000);
    
    // 建立TCP连接
    UART2_Send_String("AT+CIPSTART="TCP","api.iotserver.com",80
");
    delay_ms(2000);
    
    // 发送数据
    sprintf(buffer, "AT+CIPSEND=%d
", strlen(message));
    UART2_Send_String(buffer);
    delay_ms(500);
    UART2_Send_String(message);
    delay_ms(1000);
    
    // 关闭连接
    UART2_Send_String("AT+CIPCLOSE
");
}

4 系统功能扩展

在基础功能之上，智能垃圾桶系统还可以进行多种功能扩展，以提升其智能化和实用性。

垃圾分类功能：通过增加图像识别模块，使用OpenMV或K210等视觉识别模块，自动识别垃圾类型并引导用户正确投放-6；

语音交互优化：引入自然语言处理技术，使垃圾桶能够理解更复杂的语音指令，并增加语音合成功能，实现更自然的人机交互-1；

物联网集成：将智能垃圾桶接入智能家居系统，实现与其他设备的联动。例如，当垃圾桶满溢时，自动通知清洁人员或触发垃圾回收服务预约-5；

太阳能供电：在垃圾桶顶部集成太阳能电池板，配合储能电池，实现自给自足的能源供应，特别适合户外使用-8；

数据统计与分析：通过手机APP或云平台记录用户投放垃圾的数据，生成统计报告，为垃圾管理提供数据支持-5。

5 结论

本文详细介绍了基于STM32的语音识别智能垃圾桶的设计方案，包括硬件设计、软件实现和功能扩展。系统以STM32F103C8T6微控制器为核心，结合LD3320语音识别模块、多种传感器和执行机构，实现了语音控制、自动开关盖、垃圾满溢检测和远程监控等功能。通过模块化的硬件设计和软件编程，系统具有灵活性高、可扩展性强的特点。

实验结果表明，该智能垃圾桶系统能够准确响应语音指令，实时检测垃圾状态，并通过无线通信模块实现远程监控。随着技术的不断发展，智能垃圾桶将在智能家居和智慧城市领域发挥更加重要的作用。未来的研究方向包括提高语音识别的准确率、优化垃圾分类算法和增强系统的节能性能。

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THE END