一種面向聾人的智能嬰兒看護(hù)裝置

李晉芳 陳基榮 譚靜 劉家遠(yuǎn)

關(guān)鍵詞： 嬰兒看護(hù); 聾人家長; 單片機; 聲音識別; 無線報警; 智能裝置

中圖分類號： TN915?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）02?0168?04

An intelligent baby care device for deaf people

LI Jinfang， CHEN Jirong， TAN Jing， LIU Jiayuan

（School of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 030051， China）

Abstract： In order to help deaf parents take care of babies and reduce deaf parents′ energy and cost of looking after babies， a SCM?based device is designed for monitoring babies′ cry and realizing wireless alarm. Babies′ cries are different as their demands change. The device in this paper can tell babies′ cries based on the template matching method， and send out different alarms so that the deaf parents can understand babies′ needs in time. The practical results show that the device has low cost， is easy to use， and is of great help not only for deaf people， but also for other parents to take care of their babies.

Keywords： baby care; deaf parent; SCM; voice recognition; wireless alarm; intelligent device

0 ?引 ?言

在當(dāng)今社會中，很多家庭的人口結(jié)構(gòu)都趨于兩代人，具有聽力障礙缺陷的父母或是爺爺奶奶在看護(hù)嬰兒時往往會顯得十分吃力。而在這種情況下，在看護(hù)嬰兒時，只能讓看護(hù)人幾乎時刻不停地陪在嬰兒身邊，以防嬰兒出現(xiàn)某種情況。這種傳統(tǒng)的看護(hù)方式不僅耗費看護(hù)人大量的時間和精力，在看護(hù)人不便時，看護(hù)嬰兒會顯得十分不及時。這樣在嬰兒有需求時，看護(hù)人不能及時出現(xiàn)在嬰兒身邊，嬰兒安全也就存在隱患的可能[1]。

因此，如何提供一種在看護(hù)人不便的時候，智能檢測嬰兒的聲音并通知看護(hù)人[2]，是本文需要解決的技術(shù)問題。針對上述所存在問題，提供一種使用簡單，成本低廉，嬰兒一發(fā)出哭聲，就能識別嬰兒此時的需求并且自動報警的嬰兒看護(hù)裝置。

1 ?裝置總體設(shè)計

本文裝置由主機和報警手環(huán)組成如圖1所示[3]。

圖中，主機主要由嬰兒哭聲檢測電路和信號發(fā)射電路組成，報警手環(huán)主要由報警電路組成。報警電路上有紅綠藍(lán)三個燈，對應(yīng)嬰兒有三種不同需求時亮[4]。此裝置工作時，主機置于嬰兒身邊，報警手環(huán)由看護(hù)人佩戴。主機的功能是監(jiān)測周圍聲音，一旦檢測到有嬰兒的哭聲并識別需求，立馬發(fā)射相應(yīng)的無線信號;報警手環(huán)一旦接收到主機發(fā)出的信號，立馬發(fā)出警報來提醒看護(hù)人。在本設(shè)計中，聲音傳感器將采集周圍的聲音，經(jīng)過濾波處理之后，將模擬信號傳給A/D轉(zhuǎn)換芯片，A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號[5]，然后將數(shù)字信號傳給單片機處理，單片機對數(shù)字信號進(jìn)行分析。如果分析是嬰兒哭聲，則使能無線模塊發(fā)射信號。在遠(yuǎn)處（100 m內(nèi)），無線接收模塊接收到無線模塊發(fā)出的信號[6]，就會報警模塊，報警模塊發(fā)出警報。

2 ?硬件設(shè)計

2.1 ?微控器

本設(shè)計詳細(xì)分析了各種MCU之間的優(yōu)缺點，選擇STC89C52作為本設(shè)計的主控芯片。STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB系統(tǒng)可編程FLASH存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS?51內(nèi)核，但是做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。

2.2 ?聲音傳感器

圖2為聲音傳感器。該聲音傳感器能對音頻信號進(jìn)行200倍放大，并且加入消噪電阻，抑制底噪的產(chǎn)生。利用該聲音傳感器模塊對周圍環(huán)境的聲音進(jìn)行收集，把聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號。

2.3 ?A/D轉(zhuǎn)換芯片

A/D轉(zhuǎn)換芯片選用PCF8591。它是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8位CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。該芯片用于把聲音傳感器傳過來的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。器件功能包括多路復(fù)用模擬輸入、片上跟蹤和保持功能、8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)/模擬轉(zhuǎn)換。最大轉(zhuǎn)換速率取決于I2C總線的最高速率。

2.4 ?無線收發(fā)模塊

無線發(fā)射模塊選擇RF112編碼發(fā)射芯片，該芯片集成了RF聲表振蕩發(fā)射電路和PT2260及1527編碼芯片。RF112內(nèi)部聲表穩(wěn)頻、性能穩(wěn)定、貼片封裝、特小體積、基本無外圍零件、無需調(diào)試，可以實現(xiàn)現(xiàn)有的發(fā)射電路+編碼芯片方案。RF112芯片圖如圖3所示。

無線接收模塊選擇J06B，它是一款低功耗、低成本、小體積、帶解碼（學(xué)習(xí)碼）超外差無線接收模塊，采用高性價比無線數(shù)據(jù)接收芯片及低功耗單片機，接收靈敏度為-106 dBm，數(shù)據(jù)解調(diào)帶寬為5 KB，可兼容PT2262、PT2260及1527編碼，可學(xué)習(xí)PT2262，PT2260及1527編碼遙控器。

3 ?軟件設(shè)計

3.1 ?用于按鍵消抖的按鍵掃描算法

按鍵消抖一般分為硬件消抖和軟件消抖兩種方式。硬件消抖增加了成本和電路的復(fù)雜度，本文不采用。一般的軟件消抖就是當(dāng)檢測到按鍵狀態(tài)變化后，先等待10 ms左右的延遲時間，讓抖動消失后再進(jìn)行一次按鍵狀態(tài)的檢測，如果與剛才檢測到的狀態(tài)相同就可以確認(rèn)按鍵已經(jīng)穩(wěn)定的動作了。如果在程序中添加這種delay延時操作，可能會出現(xiàn)事件漏檢的情況。所以本文提出按鍵掃描算法來解決上述問題。

按鍵掃描算法思想為：先啟用一個定時中斷， 每2 ms進(jìn)1次中斷， 掃描1次按鍵狀態(tài)并且存儲起來， 連續(xù)掃描 8次后， 判斷這連續(xù)8次的按鍵狀態(tài)是否是一致的。8次按鍵的時間大概為16 ms，這16 ms內(nèi)如果按鍵狀態(tài)一直保持一致，那就可以確定現(xiàn)在按鍵處于穩(wěn)定的階段，而非處于抖動的階段。掃描算法流程圖見圖4。

3.2 ?嬰兒哭聲識別

這里運用Matlab來對嬰兒哭聲信號進(jìn)行分析。Matlab是MathWorks公司開發(fā)的科學(xué)與工程計算軟件，廣泛運用于自動控制、數(shù)學(xué)運算、信號分析、計算機技術(shù)、圖像信號處理、語音處理和雷達(dá)工程等行業(yè)，是國內(nèi)外高校和研究部門科學(xué)研究的重要工具[7]。

如圖5為Matlab做出的嬰兒哭聲信號時域圖。Matlab程序如下：

[y，F(xiàn)s]=audioread（′baby.mp3′）; ? ? ? ? ? ? ? ?%讀入嬰兒哭聲

p=audioplayer（y，F(xiàn)s）; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? %播放讀入的數(shù)據(jù)

play（p）;

t=（1：length（y））/Fs; ? ? ? ? ? ? ? %做出嬰兒哭聲信號時域圖

plot（t，y）;

xlabel（′時間/s′）;

ylabel（′幅度′）;

title（′嬰兒哭聲信號時域圖′）;

3.2.1 ?模板匹配法

圖6為利用模板匹配法進(jìn)行嬰兒哭聲識別的原理框圖。在訓(xùn)練階段，用戶錄制嬰兒哭聲（可以多錄制幾個），并且將嬰兒哭聲信號的特征作為模板存入模板庫;在識別階段，將采集到的聲音信號特征與模板庫中的模板進(jìn)行對比，將相似度最高的作為識別結(jié)果輸出。

3.2.2 ?嬰兒哭聲信號的特征

嬰兒哭聲信號的特征如下：

1） 平均值：[X=1Ni=0N-1Xi]（[Xi]為聲音信號）;

2） 標(biāo)準(zhǔn)差：[σX=1Ni=0N-1（Xi-X）2] ;

3） 極差;

4） 平均幅度：A=[1Ni=0N-1Xi];

5） 平均強度：M=[1Ni=0N-1X2i];

6） 零交叉的數(shù)目：在語音信號中零交叉的數(shù)目是一個有用的統(tǒng)計量。這個統(tǒng)計量的值是語音信號中由正到負(fù)或由負(fù)到正的轉(zhuǎn)換次數(shù)[8]。

7） 間歇性：指聲音規(guī)律性地出現(xiàn)一段強一段弱或者沒有，其時域圖表現(xiàn)如圖7所示。經(jīng)過對大量嬰兒哭聲信號圖進(jìn)行分析得出，嬰兒的哭聲是間歇的，并且間歇0.1～0.2 s之間不等。根據(jù)分析設(shè)置閾值為3，聲音強度低于3，則認(rèn)為是處于間隔期。

通過以上7個信號特征，就能對嬰兒哭聲實現(xiàn)簡單的識別。

3.2.3 ?實驗與分析

本文運用Matlab對嬰兒哭聲1（平緩）、嬰兒哭聲2（一般）、嬰兒哭聲3（急促）、空調(diào)聲、洗衣機聲、及一段歌聲進(jìn)行分析[9]，發(fā)現(xiàn)相比于其他聲音，嬰兒哭聲都存在規(guī)律性間歇（之后本文會用數(shù)據(jù)說明）。三段嬰兒哭聲對比如圖8所示。

再計算出各個語音的數(shù)字信號的平均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、平均強度、平均幅度、零交叉率、間歇頻率。計算結(jié)果如表1所示。

分析表中的數(shù)據(jù)可知，間歇性是嬰兒哭聲區(qū)別于其他聲音的重要參數(shù)。嬰兒床所處的環(huán)境中聲音不止一種，但一般音量不會太大，聲音種類不會太多，并非所有聲音都是規(guī)律性間歇的。哭聲中間隔存在是因為嬰兒在發(fā)出哭聲時是呼氣，由于嬰兒需要換氣，吸氣發(fā)聲音量忽略不計，所以出現(xiàn)了間隔，這是嬰兒聲的一個特點[10]。所以將這一參數(shù)設(shè)置為判斷是否為嬰兒聲的重要依據(jù)。識別出是嬰兒聲之后，還要分析嬰兒此時是發(fā)出何種需求的哭聲。本文重點分析嬰兒哭聲1（平緩）、嬰兒哭聲2（一般）、嬰兒哭聲3（急促），發(fā)現(xiàn)哭聲的極差和標(biāo)準(zhǔn)差與嬰兒哭聲急促度一致。嬰兒發(fā)出的哭聲越急促，標(biāo)準(zhǔn)差和極差越大。

3.3 ?哭聲識別方案

裝置檢測到有聲音，立馬算出平均強度、平均幅度和間歇頻率，判斷是否為嬰兒哭聲;判斷為嬰兒哭聲后，還要識別嬰兒此時處于何種需求，算出其標(biāo)準(zhǔn)差與極差，與錄制好的模板的標(biāo)準(zhǔn)差和極差進(jìn)行比較，與哪個模板最接近，就判定嬰兒此時處于該模板的何種需求，然后發(fā)送相應(yīng)的無線信號，接收端震動并且相應(yīng)的燈光閃起。

4 ?結(jié) ?語

國內(nèi)外已經(jīng)有不少面向聾人開發(fā)的輔助產(chǎn)品，彌補了聾人生活中的不便。而本文提出的設(shè)計“一種面向聾人的智能嬰兒看護(hù)裝置”在一定程度上也彌補了聾人家長育嬰的不便。經(jīng)過測試，該裝置能夠滿足要求，并且具有較高的經(jīng)濟效益和使用價值。

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