懸浮音響式幼兒早教機(jī)

孫美玉，龍圓圓，都朋超，馮 沖，施 展，雷 揚(yáng)，李夢(mèng)軒，唐玉敏

（大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧大連116600）

0 引 言

隨著父母對(duì)兒童教育重視程度的不斷提高，作為父母對(duì)兒童進(jìn)行早期教育的工具之一，早教機(jī)已廣泛出現(xiàn)在眾多家庭的親子互動(dòng)場(chǎng)景中［1-3］。目前，市場(chǎng)上早教機(jī)有點(diǎn)讀式、插入卡片式、平板微電腦式等等。但是，大多早教機(jī)卻只能作為單一早教工具來使用，還不能滿足家庭生活的智能化要求。

本設(shè)計(jì)是一款集照明、裝飾擺臺(tái)、音頻播放和早教功能于一體的智能家居早教機(jī)［4-6］。首先，該早教機(jī)具有幼兒點(diǎn)讀功能，幼兒可通過點(diǎn)讀卡進(jìn)行交互式早教活動(dòng)；其次，該早教機(jī)是音響設(shè)備，家庭成員可在其上播放手機(jī)中的歌曲；再次，早教機(jī)采用懸浮形式，具有基于3D打印的可定制外形，可作為裝飾擺臺(tái)使用；最后，早教機(jī)配備了照明調(diào)節(jié)功能，具有夜燈的效果。對(duì)此，本文擬展開研究論述如下。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該早教機(jī)以聲音傳輸?shù)姆绞?，給兒童播放早教音頻，從而達(dá)到幼兒早教目的，音頻內(nèi)容主要包括兒童故事、早教兒歌、早教英語等。研究得到的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，控制早教音頻的播放方式有2種。一種是利用點(diǎn)讀鍵盤實(shí)現(xiàn)點(diǎn)讀功能，STM32開發(fā)板作為微控制器與點(diǎn)讀鍵盤相接。另一種是利用手機(jī)App與藍(lán)牙配對(duì)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)與產(chǎn)品的智能交互。音頻播放的部分由STC12單片機(jī)完成，負(fù)責(zé)接收指令的藍(lán)牙與STC12單片機(jī)板相接，將接收到的指令經(jīng)由單片機(jī)處理傳遞給MP3模塊，控制MP3播放音樂。

2 硬件技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 點(diǎn)讀設(shè)計(jì)

對(duì)于用戶來說，如果只是單一播放一首早教音樂，除了感到無聊外，還會(huì)失去幼兒早教的根本目的。所以本項(xiàng)目利用矩陣按鍵來研發(fā)點(diǎn)讀式早教機(jī)的功能。當(dāng)按下不同的按鍵時(shí)，便會(huì)發(fā)送不同的指令到從機(jī)配屬播放音樂的部分。按鍵可實(shí)現(xiàn)控制早教音樂的播放與暫停、切歌功能、點(diǎn)歌功能等。用戶需要時(shí)可自由切換音樂，對(duì)兒童進(jìn)行不同的幼兒早教，基本滿足用戶需求。

圖1 早教機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of early learning machine

2.2 音頻播放設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的是MP3-TF-16P模塊。MP3-TF-16P是一個(gè)提供串口的語音模塊，完美地集成了MP3、WAV、WMA的硬解碼，同時(shí)軟件支持TF卡驅(qū)動(dòng)。通過簡單的串口指令即可選取播放指定的音樂，以及如何播放音樂等功能。模塊有2種讀取方式。一種是讀文件地址（按存放順序，只限于根目錄），另一種是讀文件名字（只要按芯片要求來命名歌曲名字，限于文件夾）。本次設(shè)計(jì)選用第一種讀取方式。無需繁瑣的底層操作，使用上的方便、穩(wěn)定、可靠是此款產(chǎn)品的最大特點(diǎn)。研究可得MP3模塊連接設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 MP3模塊連接圖Fig.2 MP3 module connection diagram

2.3 燈光設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用LED熒光帶來制造燈光的閃爍與變換，由于早教機(jī)上部為半透明的3D打印外殼，接通電源后早教機(jī)的上部將會(huì)發(fā)出熒光。當(dāng)音頻播放時(shí)，燈光會(huì)隨音樂的節(jié)奏、聲音大小以及節(jié)拍快慢律動(dòng)，為整體設(shè)計(jì)增加炫酷效果。作為幼兒早教機(jī)，不僅具備了其產(chǎn)品的實(shí)用性，同時(shí)也可作為家居藝術(shù)品裝飾家庭。

2.4 藍(lán)牙無線傳輸

由于此設(shè)計(jì)采用懸浮技術(shù)，2個(gè)微控制器中的一個(gè)放置在懸浮下部，另一個(gè)放置在懸浮上部，研究中就需要用到2塊藍(lán)牙來保證數(shù)據(jù)的無線透?jìng)?。本設(shè)計(jì)選用ATK-HCO5型藍(lán)牙模塊，引線如圖3所示。

圖3 模塊與STM32開發(fā)板連接圖Fig.3 Connection diagram between the module and STM32 development board

該模塊的定制功能為，用于實(shí)現(xiàn)2個(gè)微控制器以及手機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。點(diǎn)讀方式中，STM32與藍(lán)牙模塊連接，由不同的按鍵發(fā)送出不同的指令，另一塊藍(lán)牙接收這些指令。此外，還可以利用手機(jī)與藍(lán)牙配對(duì)做到智能互聯(lián)，通過手機(jī)App發(fā)送指令，藍(lán)牙將接收到的指令發(fā)送給STC12，控制MP3模塊播放音樂，手機(jī)App發(fā)送不同的指令，MP3模塊便可播放不同曲目的音樂，也可隨意點(diǎn)選早教音樂的播放、暫停、切歌、點(diǎn)歌等多種功能。

2.5 懸浮系統(tǒng)

本項(xiàng)目選用磁懸浮機(jī)芯系統(tǒng)，以此作為整個(gè)系統(tǒng)懸浮的基礎(chǔ)。磁懸浮機(jī)芯系統(tǒng)的底座內(nèi)裝置了電磁鐵全線圈和一些電路控制系統(tǒng)。電磁鐵繞組中接通一定的電流會(huì)產(chǎn)生電磁力，只要控制電磁鐵繞組中的電流，使之產(chǎn)生的磁力與物體的重力相平衡，物體就可以懸浮在空中而處于平衡狀態(tài)。

2.6 3D 打印外觀

3D打印是一種快速成型技術(shù)，與普通打印機(jī)工作原理基本相同。打印機(jī)內(nèi)有打印材料，與電腦連接后，通過電腦控制把打印材料一層層疊加起來，最后把計(jì)算機(jī)上的設(shè)計(jì)圖變成實(shí)物。

本項(xiàng)目就是利用3D技術(shù)打印的外殼。使用HW605型 FDM式3D打印機(jī)，耗材為 PLA。圖4（a）為3D打印設(shè)計(jì)圖，圖4（b）為打印完成的整體外形圖。

圖4 3D打印設(shè)計(jì)圖及整體外形圖Fig.4 overall design of 3D printing

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)控制模塊

主機(jī)控制分為2部分。其中一部分，STM32單片機(jī)與矩陣鍵盤相連起到控制作用，通過按下不同的按鍵，可給單片機(jī)上的主藍(lán)牙模塊發(fā)送不同的指令［7-8］。另一部分為手機(jī)App向STC12上的藍(lán)牙模塊發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)手機(jī)與微控制器智能交互，也同樣可以調(diào)用相應(yīng)的功能。本次研究中，主機(jī)控制的設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 主機(jī)控制流程圖Fig.5 Master control flow chart

3.2 從機(jī)接收模塊

作為從機(jī)部分，STC12系列單片機(jī)指派面對(duì)的就是接收工作。從機(jī)主要包含藍(lán)牙模塊，可用來接收主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)來做出相應(yīng)的功能調(diào)整，再將數(shù)據(jù)傳送回主機(jī)來判斷目前的工作狀態(tài)。音頻播放使用MP3-TF-16P語音模塊，通過藍(lán)牙傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的數(shù)據(jù)將送入相應(yīng)的音頻播放，其播放的音頻即儲(chǔ)存在TF卡中，根據(jù)TF卡容量的大小，播放的歌曲數(shù)量會(huì)有限制（或達(dá)到音頻播放模塊上限）。本次研究中，從機(jī)接收的設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 從機(jī)接收流程圖Fig.6 Slave receiving flow chart

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)為懸浮音響式幼兒早教機(jī)，該早教機(jī)具有3個(gè)特點(diǎn)，可解讀闡述如下。

（1）采用藍(lán)牙組建2個(gè)微控制器之間的數(shù)據(jù)無線透?jìng)鳎约安捎檬謾C(jī)與藍(lán)牙配對(duì)提供無線數(shù)據(jù)通信，以此控制音頻播放，從而利用聲音傳輸?shù)姆绞綄?duì)兒童實(shí)現(xiàn)早教。

（2）將早教機(jī)設(shè)計(jì)為點(diǎn)讀式，以按鍵形式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)讀功能，可隨意對(duì)音頻進(jìn)行切換。

（3）利用磁懸浮技術(shù)將早教機(jī)設(shè)計(jì)為懸浮式，增加早教機(jī)的趣味性和科幻感，并采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)外觀，研發(fā)不同樣式以滿足用戶的任意需求。作為家居設(shè)計(jì)藝術(shù)品，實(shí)現(xiàn)家居生活智能化。