基于無線調(diào)頻通信的多功能嬰幼兒安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭熙 錢瑩晶

摘 要：為了能提高嬰幼兒監(jiān)護(hù)的效率和實(shí)現(xiàn)嬰幼兒監(jiān)護(hù)人生活的多樣化，設(shè)計(jì)了一種基于無線調(diào)頻通信的多功能嬰幼兒安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心以STM32為主處理器、LC振蕩電路為無線調(diào)頻器、TA8164為解調(diào)器。系統(tǒng)包括嬰幼兒端和監(jiān)護(hù)人端，嬰幼兒端通過語音采集模塊采集嬰幼兒房的語音信息，通過無線發(fā)射模塊的無線調(diào)頻方式發(fā)送至監(jiān)護(hù)人端，并同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理來實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰幼兒的安全監(jiān)護(hù)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有語音信息的發(fā)送和接收、語音識(shí)別、聲光報(bào)警和嬰幼兒房端掉電提示等功能，系統(tǒng)成本低、輻射小、人機(jī)交互操作方便。

關(guān)鍵詞：語音識(shí)別 LC振蕩電路 TA8164 STM32 無線調(diào)頻

中圖分類號(hào)：TN87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（b）-0025-03

隨著人們生活水平的提高和改善，嬰幼兒生活的安全保障已經(jīng)成為社會(huì)和家庭日益關(guān)注的問題。嬰幼兒的生活成長(zhǎng)需要配有專人專職的照顧，通常需要監(jiān)護(hù)人全天候地看管并及時(shí)地掌握嬰幼兒的生活狀態(tài)，即使在嬰幼兒睡覺狀態(tài)也要時(shí)刻觀察是否醒來，極大地增加了監(jiān)護(hù)人的勞動(dòng)強(qiáng)度并制約了監(jiān)護(hù)人的生活工作質(zhì)量。另外，現(xiàn)代家庭中普遍存在有養(yǎng)貓和狗等寵物，難免在監(jiān)護(hù)人繁忙或注意力不集中時(shí)會(huì)進(jìn)入嬰幼兒房?jī)?nèi)，此時(shí)將對(duì)嬰幼兒的人身安全帶來一定的危害[1]。

目前市面上已經(jīng)有很多市場(chǎng)化嬰幼兒監(jiān)護(hù)產(chǎn)品和公開的嬰幼兒監(jiān)護(hù)產(chǎn)品，但仍存在如下4個(gè)方面的問題。一是缺少對(duì)指定嬰幼兒哭啼聲的身份鑒別，存在大量的誤判，如基于音頻傳感器的檢測(cè)裝置，無法準(zhǔn)確地判斷是否為指定嬰幼兒發(fā)出的哭啼聲[2]。家里的寵物可能進(jìn)入嬰幼兒房對(duì)其安全造成威脅，大多數(shù)產(chǎn)品無法判斷當(dāng)嬰幼兒啼哭時(shí)伴隨著的其他多種聲音類型。二是有些報(bào)警系統(tǒng)要么只有聲音，要么只有屏幕顯示，沒有聲、光、視三覺的同時(shí)報(bào)警，無法滿足盲人、聾啞人等各種人群的需要[3]。三是當(dāng)語音識(shí)別提示是嬰幼兒啼哭的狀態(tài)或有其他危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，無法及時(shí)地在監(jiān)護(hù)人側(cè)終端進(jìn)行監(jiān)聽并實(shí)時(shí)掌握其情況[4]。四是市面上大多產(chǎn)品大多采用SIM卡進(jìn)行信息發(fā)送，或者工作在很高頻率段，很多人對(duì)于產(chǎn)品的輻射表示擔(dān)心。因此，設(shè)計(jì)一種基于無線調(diào)頻通信的多功能嬰幼兒安全監(jiān)護(hù)裝置有著重要的實(shí)用價(jià)值。

為了更好地滿足實(shí)際生活的需要，該系統(tǒng)具備如下功能：

（1）語音信號(hào)的發(fā)送和接收；

（2）語音識(shí)別功能；

（3）顯示語音識(shí)別結(jié)果；

（4）判斷危險(xiǎn)情況并進(jìn)行聲光報(bào)警的功能；

（5）嬰幼兒端掉電提醒和監(jiān)聽嬰幼兒房的功能；

（6）工作在調(diào)頻段，能達(dá)到低功率、低輻射，綠色環(huán)保。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工作過程

多功能嬰幼兒安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由嬰幼兒端和監(jiān)護(hù)人端兩個(gè)部分組成。嬰幼兒端包括語音采集模塊與無線發(fā)射模塊；監(jiān)護(hù)人端包括無線接收模塊、語音識(shí)別與控制模塊、聲光報(bào)警模塊、語音播放模塊與人機(jī)交互顯示模塊（如圖1所示）。

系統(tǒng)通過語音采集模塊收錄嬰幼兒房的語音信號(hào)，經(jīng)過FM調(diào)制后無線傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)人端的無線接收模塊，依次經(jīng)過TA8164解調(diào)和LM386高頻放大原語音信號(hào)，之后既可以通過語音播放模塊進(jìn)行語音播放，也可以通過語音識(shí)別模塊、聲光報(bào)警模塊和人機(jī)交互顯示模塊實(shí)現(xiàn)語音快速識(shí)別與結(jié)果顯示、危險(xiǎn)情況的聲光報(bào)警和及時(shí)監(jiān)聽嬰幼兒房的功能。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，硬件設(shè)計(jì)在嬰幼兒端采用分立原件構(gòu)成，而監(jiān)護(hù)人端的電路結(jié)構(gòu)是以TA8164、LM386和LM258芯片為主，在這里給出嬰幼兒端和監(jiān)護(hù)人端的硬件電路整體設(shè)計(jì)，其核心包括無線FM調(diào)制發(fā)射電路、TA8164的解調(diào)電路和嬰幼兒端掉電提醒電路。

在該系統(tǒng)中，語音的采集使用高保真的麥克風(fēng)，無線FM調(diào)制采用分立原件構(gòu)成的LC諧振電路，解調(diào)電路的核心是東芝公司的TA8164，語音識(shí)別采用的是意法半導(dǎo)體公司的STM32，語音識(shí)別結(jié)果顯示和按鍵操作采用TFT-LCD液晶觸摸屏。由于篇幅有限，給出嬰幼兒端電路設(shè)計(jì)如圖2。下面介紹幾個(gè)關(guān)鍵電路。

2.1 無線FM調(diào)制發(fā)射電路

FM調(diào)制具備有良好的抗噪聲性能并且無失真地傳送語音信號(hào)。該系統(tǒng)的調(diào)制采用的是LC振蕩電路，語音采集模塊將收錄的語音信號(hào)先經(jīng)過一級(jí)電壓放大電路處理之后直接由LC調(diào)諧回路進(jìn)行FM調(diào)制，調(diào)制頻率在20～30MHz范圍內(nèi)可調(diào)，最后將已調(diào)信號(hào)經(jīng)過天線匹配電路通過天線發(fā)送至監(jiān)護(hù)人端，調(diào)制采用LC調(diào)諧回路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輻射小、調(diào)制頻率穩(wěn)定，及有良好的抗噪聲性能。

2.2 TA8164解調(diào)電路

嬰幼兒端的語音信號(hào)通過無線調(diào)頻發(fā)送至監(jiān)護(hù)人端，該系統(tǒng)的解調(diào)由TA8164完成，其過程是先將等幅調(diào)頻信號(hào)送入頻率-幅度變換網(wǎng)絡(luò)，變換成成AM-FM信號(hào)，然后經(jīng)過包絡(luò)檢波器還原出原調(diào)制語音信號(hào)[5]。在調(diào)頻信號(hào)中心頻率fc上，輸出電壓U0=0，當(dāng)信號(hào)頻率偏離中心頻率升高、下降時(shí)，輸出電壓將分別向正負(fù)極性方向變化；在中心頻率fc附近，U0與f之間近似為線性，當(dāng)頻率偏移過大，輸出電壓將會(huì)減小。

該系統(tǒng)解調(diào)采用的是TA8164完成，TA8164集成芯片采用16引腳雙列直插結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成高頻放大電路、本振電路、混頻電路、中頻放大電路和鑒頻器，已調(diào)信號(hào)通過第1引腳輸入，依次經(jīng)過內(nèi)部的高頻放大器、變頻器、中頻放大器和鑒頻器的處理，最后從第11引腳輸出原語音信號(hào)，因TA8164高度的集成化，進(jìn)而只需在其外圍設(shè)計(jì)少許分立電子原件即可構(gòu)成完整的解調(diào)電路，使其具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能突出等優(yōu)點(diǎn)。圖3為TA8164解調(diào)電路結(jié)構(gòu)圖。

2.3 嬰幼兒端掉電提醒電路

為了提高該系統(tǒng)的實(shí)用性，在監(jiān)護(hù)人端設(shè)計(jì)嬰幼兒端掉電提醒電路，利用LM258內(nèi)部的運(yùn)算放大器組成電壓比較電路，從TA8164的第11引腳輸出的模擬電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓相比較，其兩路輸入均為模擬信號(hào)，輸出則為二進(jìn)制電平，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小且正負(fù)符號(hào)不變時(shí)，其輸出保持恒定，當(dāng)出現(xiàn)嬰幼兒端掉電情況，TA8164的第11引腳解調(diào)輸出的信號(hào)電壓會(huì)低于基準(zhǔn)電壓，則通過比較電路的處理可輸出一定模擬電壓將同時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出響聲和LED燈閃爍以提示監(jiān)護(hù)人。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以STM32為主控制器實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別、聲光報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)聽功能，在這里重點(diǎn)講述語音識(shí)別軟件設(shè)計(jì)、危險(xiǎn)情況的聲光報(bào)警軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.1 語音識(shí)別軟件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，語音識(shí)別設(shè)計(jì)是先將經(jīng)過解調(diào)并且放大后的語音信號(hào)進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理，再進(jìn)行快速傅里葉變換成頻域信號(hào)，然后通過DSP處理提取語音的特征值并將其存到STM32的RAM存儲(chǔ)器中建立語音特征值模板庫(kù)，最后設(shè)計(jì)特征值匹配算法進(jìn)行語音識(shí)別。該系統(tǒng)的語音識(shí)別的原理如圖5所示。

語音識(shí)別軟件的設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行初始化，初始化的過程包括主控制器STM32中對(duì)模擬信號(hào)輸入GPIO引腳的初始化、DMA初始化、定時(shí)器初始化和AD采樣頻率初始化[6]；然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；因?yàn)樵趯?shí)際信道難免會(huì)受到各種噪聲的干擾，故而需要不斷地進(jìn)行語音輸入的判斷，從而提高語音識(shí)別效率；當(dāng)判斷結(jié)果為語音輸入時(shí)則進(jìn)行語音識(shí)別；最后，在識(shí)別成功之后可將結(jié)果通過TFT-LCD屏幕顯示出來。

3.2 危險(xiǎn)情況的聲光報(bào)警軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在語音識(shí)別結(jié)束后立即對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行判斷，當(dāng)識(shí)別結(jié)果為嬰幼兒哭或者哭聲和寵物的混合音時(shí)判斷為危險(xiǎn)情況，由STM32主控制器發(fā)送指令給聲光報(bào)警模塊同時(shí)驅(qū)動(dòng)LED燈閃爍和喇叭發(fā)出聲音進(jìn)行聲光報(bào)警。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，嬰幼兒房端和監(jiān)護(hù)人端之間能穿墻達(dá)到50余米的語音通信距離，監(jiān)護(hù)人端能及時(shí)地識(shí)別出接收到的語音信號(hào)并將識(shí)別結(jié)果通過TFT-LCD屏幕顯示，語音識(shí)別的頻率范圍為500Hz～20kHz，同時(shí)系統(tǒng)能進(jìn)行識(shí)別結(jié)果的判斷，當(dāng)判斷結(jié)果為危險(xiǎn)情況，則進(jìn)行相應(yīng)地聲光報(bào)警，另外，當(dāng)監(jiān)護(hù)人收到報(bào)警信號(hào)時(shí)，在監(jiān)護(hù)人端能通過點(diǎn)擊其中的紅色觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰幼兒端監(jiān)聽的功能，在監(jiān)護(hù)人端能識(shí)別出單一頻率和混合頻率的語音，并將識(shí)別結(jié)果和語音頻譜圖顯示出來，語音識(shí)別的速度快且準(zhǔn)確度高。測(cè)試中的03、04、05等為語音編號(hào)，語音信號(hào)頻譜顯示范圍為0～20kHz。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)語

通過測(cè)試表明該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集嬰幼兒房的語音信號(hào)，通過無線調(diào)頻方式發(fā)送到監(jiān)護(hù)人端并具有語音識(shí)別、聲光報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)聽等功能，系統(tǒng)成本低廉、操作簡(jiǎn)單、界面友好，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)地監(jiān)護(hù)嬰幼兒的生活狀態(tài)，大大地減輕了監(jiān)護(hù)人監(jiān)護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度，并提高了監(jiān)護(hù)人生活質(zhì)量，也極大地保障了嬰幼兒的人身安全。隨著人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活水平需要和科技的不斷發(fā)展，以該系統(tǒng)為代表技術(shù)和概念的多功能嬰幼兒安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)必將廣泛應(yīng)用于嬰幼兒監(jiān)護(hù)領(lǐng)域之中。

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