基于ARM11的家用智能垃圾桶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著人們生活水品的不斷提高，在人們購(gòu)買各種家具或家電時(shí)越來越重視其智能化和人性化。人們?cè)谏钪挟a(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(fèi)時(shí)、費(fèi)力等問題。設(shè)計(jì)針對(duì)這些問題，提出了具有語(yǔ)音識(shí)別功能的智能垃圾桶設(shè)計(jì)方案，當(dāng)用 戶想要扔垃圾時(shí)，只要一聲令下，垃圾桶就會(huì)快速準(zhǔn)確地來到你身邊。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括垃圾桶車體機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件控制電路兩個(gè)部分。其中車體機(jī)械結(jié)構(gòu)為一部三輪小車車體，能按照在不同地點(diǎn)處用戶發(fā)出的聲音指令，自動(dòng)行駛到用戶所在 地。系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括電源模塊、ARM最小系統(tǒng)、聲源定位模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、避障模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

工作原理：首先通過語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別出用戶的呼叫命令，同時(shí)通過聲源定位模塊判斷用戶所處位置，再通過ARM產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM信號(hào)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 驅(qū)動(dòng)垃圾桶向聲源方向行駛，并在行進(jìn)過程中，利用避障模塊自行避開障礙物。同時(shí)，該設(shè)計(jì)還支持用戶對(duì)垃圾桶前、后、左、右行駛或打開、關(guān)閉垃圾桶蓋等語(yǔ)音 控制。

1.1 電源模塊

系統(tǒng)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(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定在+5 V，然后通過穩(wěn)壓源LM1117-33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(jī)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(gòu)成的麥克風(fēng)陣列和信號(hào)處理單元，如圖2所示。

系統(tǒng)中麥克風(fēng)陣列選用2個(gè)拾音器來實(shí)現(xiàn)，其監(jiān)聽范圍為30～50 m2。由于拾音器所拾取的聲音信號(hào)太小，易受環(huán)境噪聲影響，因此有必要對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，通過信號(hào)調(diào)理單元的處理，使其能夠滿足系統(tǒng)要求。為滿足拾音 器所得到的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，系統(tǒng)采取兩級(jí)放大電路。又由于A/D模塊不能采集負(fù)電壓信號(hào)，因此需要對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行偏置，使其不出現(xiàn)負(fù)電壓，便于 ARM采樣，使其輸出的誤差更小。

1.3 語(yǔ)音識(shí)別模塊

設(shè)計(jì)采用 Philips公司UDA1341TS專用的語(yǔ)音處理芯片，能對(duì)語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)放大、濾波、采樣、A/D或D/A轉(zhuǎn)換及進(jìn)行數(shù)字語(yǔ)音處理功能，并且支持璐總線數(shù) 據(jù)格式，與ARM芯片S3C6410內(nèi)置IIS總線接口配合使用。ARM芯片上內(nèi)置的IIS接口不但能夠讀取IIS總線上的數(shù)據(jù)，為FIFO數(shù)據(jù)提供 DMA的傳輸模式，而且可以同時(shí)傳輸和接收數(shù)據(jù)。UDA1341TS對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集和編碼，由DTW模型算法進(jìn)行模板訓(xùn)練，并將訓(xùn)練結(jié)果存儲(chǔ) 在Flash中以便于在語(yǔ)音信號(hào)識(shí)別階段讀取模板。在語(yǔ)音信號(hào)識(shí)別階段，將輸入的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過音頻數(shù)字信號(hào)編譯碼器UDA1341 TS處理后，通知S3C6410嵌入式Linux操作系統(tǒng)，與保存在Flash中的參考樣本進(jìn)行對(duì)比，找出最佳的聲音識(shí)別效果，然后由嵌入式Linux操 作系統(tǒng)中的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)控制S3C6410的I/O口，指揮垃圾桶的運(yùn)動(dòng)。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)ARM控制器輸出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用H橋驅(qū)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(dǎo)通與關(guān)斷，Q6控制Q1和Q4的導(dǎo)通 與關(guān)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(gè)橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使之正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)或 者停轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制垃圾桶的行駛。為避免用分立元件使電路板過于復(fù)雜，在設(shè)計(jì)中使用H橋驅(qū)動(dòng)L298N芯片。

1.5 避障模塊

避障電路采用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)是集發(fā)射頭和接收頭于一體的檢測(cè)開關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光束，被障礙物反射，接收頭據(jù)此做出判 斷是否有障礙物。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平；當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平。ARM根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制，避免小車碰到障礙物，由 于接收管輸出TTL電平，有利于ARM對(duì)信號(hào)的處理。障礙檢測(cè)模塊作為對(duì)外部障礙信息的采集窗口，將行進(jìn)過程中障礙信息檢測(cè)出來，并傳遞給ARM控制器進(jìn) 行處理。

1.6 ARM最小系統(tǒng)

智能垃圾桶以三星公司的ARM微處理器 S3C6410為核心控制器，其主要作用：接收和處理收到的各種傳感器信號(hào)，并通過決策后輸出合適的控制信號(hào)。利用S3C6410豐富的片上外設(shè)可以方便 地采集和處理各種傳感器的信號(hào)，實(shí)時(shí)控制垃圾桶的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)完成與語(yǔ)音芯片UDA1341 TS之間的通信。

2 系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括聲源定位算法、特定語(yǔ)音識(shí)別算法和自動(dòng)避障算法等。

2.1 聲源定位算法

針對(duì)聲源定位，系統(tǒng)采用基于傳聲器陣列時(shí)延估計(jì)法來估測(cè)用戶發(fā)聲的方向。基于時(shí)延估計(jì)的聲源定位算法分為兩個(gè)部分：(1)時(shí)延估計(jì)，即計(jì)算聲源到兩兩傳聲器 之間的時(shí)間差。(2)方位估計(jì)，即根據(jù)時(shí)延和傳聲器陣列的幾何位置估計(jì)出聲源的位置，其中時(shí)延估計(jì)的精度是關(guān)系到聲源定位精確與否的關(guān)鍵因素。

(1)時(shí)延估計(jì)。時(shí)延估計(jì)采用廣義互相關(guān)法。假設(shè)兩傳聲器m1和m2間距為d，在沒有混響的情況下，兩傳聲器接受到的信號(hào)x1(t)和x2(t)為
x1(t)=α1s(t)+n1(t) (1)
x2(t)=α2s(t-τ)+n2(t) (2)

其中，s(t)為聲源信號(hào)；α1、α2是聲波從聲源到傳感器的傳播衰減系數(shù)；τ是聲源傳播到兩個(gè)傳感器所需延遲時(shí)間，即到達(dá)時(shí)延。n1(t)、n2(t)為環(huán)境噪聲。這時(shí)，到達(dá)時(shí)延(TDOA)可以采用傳統(tǒng)的互相關(guān)法進(jìn)行估計(jì)，這時(shí)互相關(guān)方程為

其中，是傳聲器1、2拾取信號(hào)的互相關(guān)譜；ψ12：(ω)是權(quán)函數(shù)；φx1x2(ω)=ψ12(ω)Gx1x2(ω)是廣義互相關(guān)譜，這樣到達(dá)時(shí)延為。

根據(jù)上式選取不同的權(quán)函數(shù)ψ12(ω)就可得到到達(dá)時(shí)延的不同算法，它的選取可根據(jù)實(shí)際的聲學(xué)環(huán)境選擇相應(yīng)的準(zhǔn)則，使得Rx1x2(τ)有個(gè)比較尖銳的峰 值，得到最好的估計(jì)效果。Rx1x2(τ)的峰值處即為兩傳聲器間的時(shí)延。但在實(shí)際應(yīng)用中，權(quán)函數(shù)的選取是一個(gè)難點(diǎn)。目前用得較多的是基于互功率譜相位加 權(quán)(CSP)法，其中加權(quán)函數(shù)選為ψ12=1/|Gx1x2(ω)|。這種方法通過對(duì)信號(hào)互功率譜的歸一化，去除了信號(hào)的幅度信息，只保留了信號(hào)的相位特 性，對(duì)于噪聲和混響都有一定的抑制效果。

(2)方位估計(jì)。采用幾何定位法，利用角度距離估計(jì)方位。利用兩個(gè)拾音器擺成如圖4所示，利用拾音器1和2接收到得時(shí)間差就可以檢測(cè)出聲源偏離主軸的角度θ。

由圖4可得

由于AB距離和V聲音已知，時(shí)延(tA-tB)可由式(1)～式(3)算出，再由式(4)和式(5)可求得聲源偏移正方向的角度θ，則可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使垃圾桶向用戶方位旋轉(zhuǎn)并前進(jìn)。