創(chuàng)新SIT家庭智能垃圾桶-袁昱霞

1、湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng) 目 申 報(bào) 表項(xiàng)目名稱:家庭智能垃圾桶學(xué)校名稱湖南大學(xué)學(xué)生姓名專 業(yè)性 別入 學(xué) 年 份袁昱霞自動(dòng)化1303女2013-09馮俊健自動(dòng)化1303男2013-09楊毅自動(dòng)化1303男2013-09戚懷宇自動(dòng)化1303男2013-09于延濤自動(dòng)化1303男2013-09指導(dǎo)教師顏志職稱博士學(xué)科專業(yè)學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況袁昱霞：大一開始接觸、學(xué)習(xí)單片機(jī)，利用51嘗試DIY，參加學(xué)院的創(chuàng)新比賽；大二上學(xué)期組隊(duì)使用freescaleK60做四旋翼飛行器，已于上學(xué)期期末成功試飛；上學(xué)期假期開始學(xué)習(xí)TI單片機(jī)，為現(xiàn)在所申報(bào)項(xiàng)目及全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽做準(zhǔn)備，關(guān)于本次

2、申報(bào)項(xiàng)目，目前，兩個(gè)重要的模塊-攝像頭、語音部分已調(diào)試完畢（后面將有調(diào)試資料）；利用假期時(shí)間學(xué)習(xí)了Altium Designer 、Tina-TI，本項(xiàng)目將會(huì)使用自己開發(fā)的PCB板。馮俊?。簠⒓恿穗娮诱拱逶O(shè)計(jì)大賽，在自學(xué)TM4C和MATLAB，在完善所做項(xiàng)目的語音模塊的功能于延濤：學(xué)過基本的單片機(jī)，曾經(jīng)參加過院里面的電子展板設(shè)計(jì)大賽，創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，現(xiàn)在在自學(xué)TM4C和MATLAB，學(xué)習(xí)項(xiàng)目所需知識(shí)戚懷宇：有一定的編程設(shè)計(jì)能力，喜歡團(tuán)隊(duì)合作，多次參加創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，正在自學(xué)matlab，利用TI單片機(jī)和組員一起做機(jī)器人方面的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，雖然剛起步，但堅(jiān)信我們會(huì)一步步完成自己的目標(biāo)楊毅：自學(xué)單片機(jī)，參

3、加院里舉辦的電子展板，創(chuàng)新比賽等多個(gè)相關(guān)活動(dòng)，做過光立方等小制作，對(duì)動(dòng)手創(chuàng)新制作類活動(dòng)具有濃厚的興趣，擁有獨(dú)特的思維能力以及出色的自學(xué)能力。指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題 1、研究?jī)?nèi)容與目的本項(xiàng)目研究課題名稱為“家庭智能垃圾桶”，項(xiàng)目并非是僅是垃圾桶一般功能或是外形的改進(jìn)，而是基于單片機(jī)的智能垃圾桶設(shè)計(jì)，帶給使用者的不僅是清新健康的家居環(huán)境，更有藝術(shù)的美感。該智能垃圾桶主要用于家庭，利用攝像頭、語音識(shí)別播報(bào)、無線通信等多個(gè)模塊集多種功能于一體。語音識(shí)別功能可以使使用者更加方便操作，攝像頭的信息采集、分析可以使該智能垃圾桶實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、自主清潔、自主充電等功

4、能。擬通過該方案改進(jìn)垃圾桶的功能、提高智能設(shè)施的服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)功能如下：1) 自動(dòng)回充功能：當(dāng)電量即將耗盡之時(shí)，會(huì)自動(dòng)返回充電座。2) 語音識(shí)別功能：根據(jù)使用者發(fā)出的簡(jiǎn)單控制指令，做出相應(yīng)的行動(dòng)。3) 預(yù)約功能：提前設(shè)定清掃時(shí)間，一周7次，每天一次。4) 語音提示：當(dāng)遇到不當(dāng)操作或者特殊情況，發(fā)出語音提示5) 煙霧檢測(cè)：當(dāng)檢測(cè)到煙霧濃度超出指標(biāo)時(shí)發(fā)出語音警報(bào)。6) 溫濕度檢測(cè)：顯示或播報(bào)當(dāng)前室內(nèi)溫濕度7) 通過NRF24L01無線通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制8) 檢測(cè)到有人扔垃圾時(shí)自動(dòng)開蓋，5秒之后自動(dòng)關(guān)閉9) 底座安裝普通輪和全向輪使其具有靈活的移動(dòng)性10) 底部有毛刷轉(zhuǎn)輪和一個(gè)小型垃圾盒，自主清理

5、地面小垃圾近年來隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展，各種功能的智能設(shè)備走向市場(chǎng)，走向人們的生活。本次項(xiàng)目所做的智能垃圾桶與傳統(tǒng)的垃圾桶有較大的不同，這款家庭智能垃圾桶的設(shè)計(jì)基于實(shí)際需求，充分利用現(xiàn)代化高科技技術(shù)，應(yīng)用攝像頭信息處理技術(shù)、語音識(shí)別技術(shù)、多種傳感器采集數(shù)據(jù)和無線傳輸技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了一款真正的智能垃圾桶，將不僅是一個(gè)清潔工具，更是家庭裝飾的一部分，甚至是家庭成員。 2、解決問題 垃圾桶，又名廢物箱或垃圾箱，就是裝放垃圾的地方。傳統(tǒng)的垃圾桶就是一個(gè)桶狀的容器，一般是固定的放置在一個(gè)地方，需要人垃圾的時(shí)候走過去，打開蓋子丟進(jìn)去就好了。而我們?cè)O(shè)計(jì)的智能垃圾桶綜合清潔、娛樂等家用機(jī)器人的部分功能，在已有的技

6、術(shù)基礎(chǔ)上，添加更多功能：1.智能垃圾桶與智能家具的結(jié)合；2.利用攝像頭采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行動(dòng)；3.添加語音功能；使其功能更加強(qiáng)大，智能化程度更高，能為人類提供更便利、更好的服務(wù)。相比于傳統(tǒng)的垃圾桶解決了如下問題可移動(dòng)性視覺+聽覺雙系統(tǒng)規(guī)劃：采用視覺和聽覺雙系統(tǒng)定位，準(zhǔn)確規(guī)劃路徑，防止碰撞與跌落。智能移動(dòng)：根據(jù)使用者的需要，來到使用者的身邊或是指定方位，進(jìn)行清掃或是清理地面自主清潔底部清潔裝置：能吸取地面微小的顆粒，強(qiáng)效吸除家中常見的粉塵、紙屑、等地面小垃圾。沿邊清掃：底座全向輪各方向運(yùn)動(dòng)，可沿著墻壁行走，把墻邊的垃圾清掃出來。保護(hù)能力自我保護(hù)：遇到一般的電纜或者地毯流蘇，電機(jī)會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，防

7、止摔倒或是燒壞電機(jī)保護(hù)家具：前置軟性防撞帶，防止垃圾桶在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)家具的尖性碰撞，保護(hù)墻壁、家具及其它室內(nèi)用品不被撞擊。提醒功能垃圾盒滿提示：當(dāng)垃圾盒裝滿后，指示燈會(huì)閃亮，提示傾倒垃圾。無需時(shí)刻檢查垃圾盒是否裝滿。自動(dòng)開蓋當(dāng)垃圾桶檢測(cè)到上方有人扔垃圾的時(shí)候，自動(dòng)打開蓋子，5秒之后關(guān)閉蓋子，減掉了彎腰、開蓋、合蓋的過程。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)1. 發(fā)展現(xiàn)狀隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家用設(shè)備逐漸成為每戶家庭的智能核心終端。從二十世紀(jì)八十年代中期開始，智能機(jī)器已從工廠的結(jié)構(gòu)化環(huán)境進(jìn)入人的日常生活環(huán)境醫(yī)院、辦公室、家庭和其他雜亂及不可控環(huán)境，成為不僅能自主完成工作，而且能與人共同寫作完成任務(wù)或在人

8、的指導(dǎo)下完成任務(wù)的智能服務(wù)型機(jī)器，特別是最近幾年，對(duì)會(huì)清潔地面、割草或充當(dāng)導(dǎo)游、保姆和警衛(wèi)等智能設(shè)備技術(shù)上的進(jìn)步，大家有目共睹。但是，現(xiàn)在市場(chǎng)上智能垃圾桶較少，國內(nèi)外智能垃圾桶目前功能還比較單一，還尚待補(bǔ)充，而且人性化的設(shè)計(jì)還不完善，在運(yùn)行期間有可能對(duì)家具或環(huán)境造成破壞，導(dǎo)致主人的損失，對(duì)家庭等環(huán)境的適應(yīng)性能還需提高。2. 研究發(fā)展趨勢(shì)這些年來，智能化設(shè)備的發(fā)展蓬勃，它涉及到機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。以機(jī)器人為例：一方面，機(jī)器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程

9、度也越來越高，功能越來越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展；另一方面，家用機(jī)器人向著非制造業(yè)應(yīng)用發(fā)展以及微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。我國相對(duì)于國外的機(jī)器人研究起步較晚,一些核心技術(shù)和重要的零部件等都不能自主研發(fā),所以長期以來都處于相對(duì)落后的水平。但是，我國的機(jī)器人發(fā)展正逐步追趕，雖然價(jià)格對(duì)于某些群體還算高，但是我國機(jī)器人需求的市場(chǎng)仍然龐大。對(duì)于清潔類的家庭機(jī)器人市場(chǎng)還有很大的空缺，傳統(tǒng)的功能單一，外形簡(jiǎn)單甚至丑陋的垃圾桶以不能夠滿足現(xiàn)代人的日常需求及審美標(biāo)準(zhǔn)。2013年中國機(jī)器人銷量不斷攀升，龐大的需求量促使機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)正在突破，我們應(yīng)抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，綜合智能機(jī)器人及傳統(tǒng)垃

10、圾桶的便利和功能，打造一款智能垃圾桶機(jī)器人。本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī) 小組成員使用過51系列、stm32、freescaleK60等單片機(jī)，做四旋翼飛行器有PID參數(shù)調(diào)節(jié)，電機(jī)控制，串口、藍(lán)牙、NRF24L01等通信的經(jīng)驗(yàn)，做電子展板時(shí)熟悉了LCD顯示屏的使用。自去年申報(bào)項(xiàng)目開始，小組成員已為該項(xiàng)目做了許多準(zhǔn)備工作，目前每個(gè)人均已可以使用本項(xiàng)目所使用的單片機(jī)TM4C123G。小組成員分工明確，每人負(fù)責(zé)至少一個(gè)模塊的調(diào)試，在這里展示本項(xiàng)目最主要的三個(gè)大模塊-攝像頭，語音識(shí)別，無線通信攝像頭本項(xiàng)目擬使用HQ7620攝像頭模塊，一個(gè)采樣頻率60HZ，OV7620是1/3CMOS彩色黑白

11、圖像傳感器。它支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式，VGA與QVGA兩種圖像格式；最高像素為664492，幀速率為30fps；數(shù)據(jù)格式包括YUV、YCrCb、RGB三種，能夠滿足一般圖像采集系統(tǒng)的要求。OV7620內(nèi)部寄存器有上電模式和SCCB編程模式，現(xiàn)使用默認(rèn)設(shè)置調(diào)試攝像頭，調(diào)試情況如下：部分代碼-攝像頭數(shù)據(jù)獲取部分/*- * GPIO-B 4、5、6端口作為場(chǎng)中斷、行中斷和PCLK中斷* -*/void GPIO_B_Int_Cam(void) /獲取圖像數(shù)據(jù)if(GPIOIntStatus(GPIO_PORTB_BASE,true)&0x10)=0x10) / get the status of

12、 the VSYNC interruptGPIOIntClear(GPIO_PORTB_BASE,GPIO_INT_PIN_4|0x10); / Clear the timer interrupt GPIOIntDisable(GPIO_PORTB_BASE,GPIO_INT_PIN_4); /Disable VSYNCGPIOIntEnable(GPIO_PORTB_BASE,GPIO_INT_PIN_5); /Enable HREFif(GPIOIntStatus(GPIO_PORTB_BASE,true)&0x20)=0x20) / get the status of the HREF

13、interruptGPIOIntClear(GPIO_PORTB_BASE,GPIO_INT_PIN_5|0x20); uDMAChannelEnable(UDMA_CHANNEL_SW); /Enable DMA GPIODMATriggerEnable(GPIO_PORTB_BASE,GPIO_INT_PIN_6); / GPIOB trigger DMA 獲取的圖像（采集的像素點(diǎn)比較少，未去噪點(diǎn)）語音模塊 語音識(shí)別播報(bào)：語音識(shí)別擬采用LD332X，該系列芯片是一顆集成了高精度A/D和D/A接口的語音識(shí)別芯片，不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM、加密芯片等，也不需要其他在PC機(jī)上

14、的有關(guān)語音識(shí)別訓(xùn)練的任何軟件，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話功能。現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了LD3320語音模塊的語音識(shí)別功能，并能實(shí)現(xiàn)語音模塊跟主芯片TM4C通信，例如通過說“打開蓋子”，垃圾桶就會(huì)打開蓋子，但由于垃圾桶功能有限，如果是超出能實(shí)現(xiàn)的功能，語音模塊將會(huì)提醒執(zhí)行有誤；現(xiàn)正逐步提高語音識(shí)別的準(zhǔn)確性、兼容性、快速響應(yīng)。部分代碼uint8 code Asr_sRecogAsr_sRecog_Size20 = ,qianjin,youzhuan, zuozhuan,houtui;/*添加關(guān)鍵詞，可修改*/ 需要識(shí)別的語音內(nèi)容識(shí)別列表，最多可識(shí)別50個(gè)條目uint8 code A

15、sr_pCodeAsr_sRecog_Size = CODE_NONE,CODE_qianjan,CODE_youzhuan, CODE_zuozhuan,CODE_houtui;/*添加識(shí)別碼，可修改*/ 識(shí)別碼，對(duì)應(yīng)的識(shí)別內(nèi)容的返回值switch(nAsrRes) /*對(duì)結(jié)果執(zhí)行相關(guān)操作,可修改*/通過switch函數(shù)來識(shí)別不同的返回值對(duì)應(yīng)的函數(shù)，進(jìn)而控制機(jī)器人的對(duì)應(yīng)運(yùn)作無線通信nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。利用GPIO模擬SPI進(jìn)行通信，已測(cè)試成功，通信正常且各種通信協(xié)議已設(shè)定完畢 NRF發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)- uint8 NRF24L01_TxPacket(uint8 *txbuf)項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色 1、解決了一般垃圾桶非智能問題，提高智能化應(yīng)用。2、利用攝像頭實(shí)現(xiàn)清潔垃圾、自主充電，巡跡等功能；3、智能垃圾桶語音控制、語音播報(bào)、識(shí)別等人性化的設(shè)計(jì)；4、這款垃圾桶不僅僅是一個(gè)容器，更將是家庭裝飾的一部分，甚至作為一個(gè)家庭成員一般的存在項(xiàng)目的技術(shù)路線、進(jìn)度安排及預(yù)期成果進(jìn)度安排201