基于A(yíng)RM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(shí)估計法實(shí)現聲源方位的實(shí)時(shí)檢測，從而實(shí)現語(yǔ)音控制垃圾桶的運動(dòng)；采用紅外傳感器實(shí)現垃圾桶行進(jìn)的蔽障功能；同時(shí)，采用語(yǔ)音識別技術(shù)實(shí)現用戶(hù)對垃圾桶的前、后、左、右行駛或開(kāi)啟、關(guān)閉垃圾桶蓋等各種語(yǔ)音指示的識別。從而實(shí)現垃圾桶的智能化與人性化，給生活帶來(lái)便利。
關(guān)鍵詞 S3C6410；聲源定位；語(yǔ)音識別；避障

隨著(zhù)人們生活水品的不斷提高，在人們購買(mǎi)各種家具或家電時(shí)越來(lái)越重視其智能化和人性化。人們在生活中產(chǎn)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(shí)存在的不便、費時(shí)、費力等問(wèn)題。設計針對這些問(wèn)題，提出了具有語(yǔ)音識別功能的智能垃圾桶設計方案，當用戶(hù)想要扔垃圾時(shí)，只要一聲令下，垃圾桶就會(huì )快速準確地來(lái)到你身邊。

1 系統硬件設計
系統硬件包括垃圾桶車(chē)體機械結構和硬件控制電路兩個(gè)部分。其中車(chē)體機械結構為一部三輪小車(chē)車(chē)體，能按照在不同地點(diǎn)處用戶(hù)發(fā)出的聲音指令，自動(dòng)行駛到用戶(hù)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(yǔ)音識別模塊、避障模塊和電機驅動(dòng)模塊。

工作原理：首先通過(guò)語(yǔ)音識別模塊識別出用戶(hù)的呼叫命令，同時(shí)通過(guò)聲源定位模塊判斷用戶(hù)所處位置，再通過(guò)ARM產(chǎn)生驅動(dòng)電機的PWM信號，利用電機驅動(dòng)模塊驅動(dòng)垃圾桶向聲源方向行駛，并在行進(jìn)過(guò)程中，利用避障模塊自行避開(kāi)障礙物。同時(shí)，該設計還支持用戶(hù)對垃圾桶前、后、左、右行駛或打開(kāi)、關(guān)閉垃圾桶蓋等語(yǔ)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(jìn)行供電，并用LM2576S-5穩壓芯片將電壓穩定在+5 V，然后通過(guò)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(yǔ)音芯片UDA1341TS、拾音器的5 V供電、紅外避障、直流電動(dòng)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(fēng)陣列和信號處理單元，如圖2所示。

系統中麥克風(fēng)陣列選用2個(gè)拾音器來(lái)實(shí)現，其監聽(tīng)范圍為30～50 m2。由于拾音器所拾取的聲音信號太小，易受環(huán)境噪聲影響，因此有必要對聲音信號進(jìn)行預處理，通過(guò)信號調理單元的處理，使其能夠滿(mǎn)足系統要求。為滿(mǎn)足拾音器所得到的微弱電信號進(jìn)行放大，系統采取兩級放大電路。又由于A(yíng)／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(jìn)行偏置，使其不出現負電壓，便于A(yíng)RM采樣，使其輸出的誤差更小。
1．3 語(yǔ)音識別模塊
設計采用Philips公司UDA1341TS專(zhuān)用的語(yǔ)音處理芯片，能對語(yǔ)音實(shí)現放大、濾波、采樣、A／D或D／A轉換及進(jìn)行數字語(yǔ)音處理功能，并且支持璐總線(xiàn)數據格式，與ARM芯片S3C6410內置IIS總線(xiàn)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(xiàn)上的數據，為FIFO數據提供DMA的傳輸模式，而且可以同時(shí)傳輸和接收數據。UDA1341TS對所采集的語(yǔ)音信號進(jìn)行采集和編碼，由DTW模型算法進(jìn)行模板訓練，并將訓練結果存儲在Flash中以便于在語(yǔ)音信號識別階段讀取模板。在語(yǔ)音信號識別階段，將輸入的語(yǔ)音信號經(jīng)過(guò)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(jìn)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(dòng)。
1．4 電機驅動(dòng)模塊
電機驅動(dòng)模塊根據ARM控制器輸出的控制信號驅動(dòng)電機的運行。電機的驅動(dòng)電路采用H橋驅動(dòng)電路，如圖3所示。

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