智能垃圾桶
智能垃圾桶
队员: 田世端(海淀区西苑小学)、陈予墨(朝阳实验小学 )
教师: 赵老师
组别: 小学高级组
队名: 墨端战队
地区: 天津
作品详情


说明视频




说明文字


基于Arduino的语音识别交互式智能垃圾桶控制装置

研究报告


项目摘要

该装置是一个语音识别交互式智能垃圾桶装置,该装置上利用语音智能芯片接收到对话信息并且转化为电信号,并且将信号传递给Arduino单片机,Arduino单片机识别后,控制舵机打开相对应的垃圾桶,并且发出语音提示,提示我们该物品应该丢到那种垃圾桶里,为了提示居民垃圾如何进行分类,较少垃圾监督人员的工作负担。


该项目的选题是怎样确定的

71日上海比全国其他城市早一步进入垃圾分类时代,微博上不少人说“垃圾分类逼疯上海人”,垃圾分类知识也将纳入上海市初中学业水平考试。就在全国都在看上海的热闹的时候,北京2020起也将强制性垃圾分类。而垃圾分类对于普通人来说,最艰难的还是不知道如何进行垃圾分类,丢到那个垃圾桶里等,而现在上海都是在垃圾投放点安排监管人员,指导监督人们丢垃圾,所以我想发明个智能垃圾桶能够指导人们进行垃圾分类。

我想做一个能够更加方便的帮助大家进行垃圾分类的装置,当人们不确定该物品是什么垃圾时,如创可贴,一开始我以为创可贴是有害垃圾,因为他是一种医学用品,但是当我查询资料之后我才理解,原理创口贴是一个干垃圾,而且我也做过一个调查,大部分人都不知道创口贴是干垃圾。所以我有了这个想法,带着这个想法,我开始思考,并在科学老师的帮助下,分析各种连接方式,设计电路,反复实验和调试,最终设计出智能垃圾桶装置


设计项目的目的和基本思路

设计项目的目的

     当人们准备丢垃圾的时候,只需要对着装置进行交流,该装置就会自动识别出这个问题,该物品是什么垃圾,并且为其打开垃圾桶的盖子。如果人们知道了手上的垃圾应该投放到那个垃圾桶时,也可以直接命令其直接打开垃圾桶的盖子。

设计项目的基本思路

我准备了智能语音芯片、控制模块、语音输入模块、语音输出模块、扬声器、集成到了一起,做成了一个主控制器,并且外接了4个舵机,用于打开垃圾桶的盖子。同时在垃圾桶上方,安装了一个太阳能电池板,当阳光充足时,可利用太阳能电池板给予供电。

利用语音智能芯片接收到对话信息并且转化为电信号,并且将信号传递给控制模块,控制模块识别后,会控制舵机打开对应的垃圾桶,并且发出对应的提示音,提示人们应该将手上的垃圾放到对应的垃圾桶里面。


该项目的研究步骤及过程


1.规划、设计

首先,我们进行了使用材料的规划,所有需要用到的材料清单。我们需要用到一个语音模块、一个Arduino主控板并且安装扩展板、49G舵机、4个垃圾桶模型、太阳能电池板、供电装置、外接按键、外接麦克风、电路板的壳子等内容,并且将其规划位置及设置底板大小。

1 硬件规划设计图

2.制作智能垃圾桶装置

应该我们需要用到舵机去控制垃圾桶盖子的打开及闭合,当时在制作过程当中发现,如果使用舵机去打开垃圾桶的盖子,还是需要其他零件的。第一次我们尝试使用铁丝,制作一个小零件,把舵机的舵盘连接到垃圾桶盖子上,但是发现铁丝比较坚硬,不好弯曲塑型,而且不好固定到垃圾桶上面,所以我们选用了3D打印去制作一个零件,可通过舵机的旋转,控制垃圾桶的开合。

我们通过3D打印技术,绘制了一个L形状的一个零件,将L3D打印零件安装到垃圾桶的盖子上,通过安装在垃圾桶背面的舵机进行旋转,推动L型零件,使其将垃圾桶的盖子打开。我们采用了热熔胶的方式将零件及舵机安装上去,也考虑过打孔螺丝固定,但是考虑到我们在测试阶段,就采用了热熔胶的固定方式,这样的话修改起来比较方便,不会留下痕迹。


           

   2-   3D打印零件                      3 - 垃圾桶开盖装置


智能垃圾桶编程及测试

在编程的时候,也是我本次发明中遇到困难最多的地方,我需要给语音模块进行编程,同时还需要给Arduino进行编程,之后需要通过串口将两个板子连接起来,进行数据交互。

在对Arduino编程的时候,发现无法使用Mixly模块进行编程,串口通信始终无法使用,最后没办法只能使用代码Arduino IDE进行代码编程,与语音模块进行串口通信,获取信息。

4 - 编程及测试

电路焊接及制作过程

在使用语音模块的时候,我们选用了按钮唤醒模式,也就是需要按下按钮后,才会对其进行互动,提问等内容。

    但是我们遇到的情况是,按钮固定在智能语音版上面,所以无法延伸到外面,人们在使用的时候会不太方面。

经过测试发现,在电路板后面的两个焊点就是按钮对应的两个引脚,所以我使用电烙铁对其进行了外界一个延长按钮。

当所有功能全部完成后,我们准备制作一个底座,并且所以硬件安装固定到底座上面,一开始准备使用木头进行制作,但是发现没有好的工具能把木头进行切割,所以我们选用了KT板,我们进行测量,剪裁后就可以使用啦,并且加上了一些美观的小设计。

 最后我们用到的电路板及元器件放到了一个盒子的内部,并且用热熔胶对其进行固定。同时把4个垃圾桶放置到规定好的位置,并且进行固定。






5 - 焊机                 6 - 底板制作              7 - 固定

   

电路连接图

8 - 手绘电路连接图



程序设计

9 -   Arduino部分程序


全部程序展示:

#include <Servo.h>   //调用舵机库


Servo servo_2;   

Servo servo_3;

Servo servo_4;

Servo servo_5;


int a;//定义一个全局变量a,用来存放串口接收到的数据的。

void setup()

{

   servo_2.attach(2);    //干垃圾桶

   servo_3.attach(3);    //湿垃圾桶

   servo_4.attach(4);    //有害垃圾桶

   servo_5.attach(5);    //可回收垃圾桶

   servo_2.write(10);

   delay(10);

   servo_3.write(10);

   delay(10);

   servo_4.write(10);

   delay(10);

   servo_5.write(10);

   delay(10);

   Serial.begin(9600);//设置串口波特率为9600buad

   delay(3000);//每次上电需延时3秒钟,等待M6SE模块初始化,这个延时不能省略。

}

void loop()//循环执行

{

   a = Serial.read();//读取串口接收到的值,并且存放在a中保存起来

   if (1 == a || a == 9)   //接收到信号,打开干垃圾桶信号

   {

    delay(2000);

    servo_2.write(100);

    delay(0);

    delay(5000);

    servo_2.write(10);

    delay(0);

   }

   if (2 == a || a == 8)   //接收到信号,打开湿垃圾桶信号

   {

    delay(2000);

    servo_3.write(100);

    delay(0);

    delay(5000);

    servo_3.write(10);

    delay(0);

   }

   if (3 == a || a == 7)   //接收到信号,打开有害垃圾桶信号

   {

    delay(2000);

    servo_4.write(100);

    delay(0);

    delay(5000);

    servo_4.write(10);

    delay(0);

   }

   if (4 == a || a == 6)   //接收到信号,打开可回收垃圾桶信号

   {

    delay(2000);

    servo_5.write(100);

    delay(0);

    delay(5000);

    servo_5.write(10);

    delay(0);

   }

}




10 - 智能语音模块部分命令

   


效果测试

经过测试,发现语音识别的准确性比较高,能达到90%多,对于多音物品的识别率也很高,很准确。垃圾桶的开盖没有遇到卡壳,或者打不开的情况,而且打开是速度也很精准。

10 - 效果测试

该项目应用了哪些科学方法、科学原理

本项目使用了比照比较实验法。作品在不断完善的过程中,不同版本的程序带给用户的交互方式不同通过对比,可以找到最自然的交互方式。通过不断的尝试通过接收不同的语音命令,判断出那种语音接收到的信息识别率最高,挑选出最佳的设计方案。

本项目采用实验探究方法。作品在测试的环节下准备了不同的词条名字,通过多命令进行识别,如鸡蛋、鸡蛋壳、臭鸡蛋、鸡蛋黄、鸡蛋清等相近的命令识别,识别出是什么垃圾。

3. 本项目在设计的过程中结合了电路设计和制作的内容。了解开发板的电路结构绘制能够实现本作品功能的原理图电路图,完成电路焊接,编写程序,并经过多次测试功能调试。


该项目的主要贡献(创新部分)

本项目的创新点主要有以下几点:

采用了语音识别模块,可识别出大量的垃圾种类。

装置小巧方面,可对旧垃圾桶进行改造,节省更新后的成本。

减少了大量的人员的工作量,在垃圾桶旁边不需要大量的工作人员。

自动打开垃圾桶盖子,不需要人手直接触碰。


他人同类研究的情况调查

 现有专利









通过专利检索,可以检索到专利申请号为CN201910375104.3的已经公开的一份发明专利,其采用的技术为通过内部不同的隔断,通过自主选择垃圾的存放舱,当垃圾满了之后可助力行走等操作。









通过专利检索,可以检索到专利申请号为CN201910449673.8的已经公开的一份发明专利,其采用的技术为通过垃圾桶内部的热塑封装置,将其内部垃圾进行打包处理,防止液体或垃圾掉落。



进一步完善该项目的设想

下一步的设想添加一个热塑封装置,垃圾收集人员可通过按钮控制,将其内部垃圾袋塑封,防止液体或垃圾外流,弄脏垃圾回收人员的手或衣服。让垃圾回收人员也能成为一个体面干净的工作。




北京市海淀区西苑小学

田世端

中国教育科学院朝阳实验小学

陈予墨

2019-8-9




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