嬰兒狀態(tài)監(jiān)護預(yù)警裝置設(shè)計

楊晨昊 米月琴 王新懷 石佳澤 周明德

關(guān)鍵詞：嬰兒監(jiān)護；哭聲識別；尿床檢測；預(yù)警

0引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，家長也越來越重視孩子在嬰幼兒時期的成長發(fā)育。傳統(tǒng)的嬰兒監(jiān)護裝置通常具有聲音、視頻監(jiān)測等功能，但因受到環(huán)境干擾其檢測準(zhǔn)確性有限。市場相關(guān)產(chǎn)品監(jiān)護設(shè)備仍然存在一定的缺陷，例如，使用濕度傳感器直接接觸嬰兒并進行監(jiān)測會使孩子產(chǎn)生不適；非接觸式監(jiān)測可能導(dǎo)致準(zhǔn)確性不足；市售裝置的哭聲檢測模塊準(zhǔn)確率不高，這些問題均未得到有效解決。

因此，本文設(shè)計了一款嬰兒狀態(tài)監(jiān)護預(yù)警裝置，在電路結(jié)構(gòu)方面，添加濾波電路以提高哭聲檢測模塊的準(zhǔn)確性；在機械結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計了新型的雙層傳感器夾子，內(nèi)置傳感器探針，使傳感器在床墊上放置更穩(wěn)定，從而間接地提高檢測準(zhǔn)確性。通過優(yōu)化裝置的電路結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定的監(jiān)測和預(yù)警功能，提升用戶的業(yè)務(wù)體驗，幫助家長高效地看護嬰兒，且該裝置的應(yīng)用前景更廣泛。

1總體設(shè)計

該裝置由控制系統(tǒng)、聲音檢測系統(tǒng)、濕度檢測系統(tǒng)和監(jiān)護預(yù)警系統(tǒng)4個部分組成，各系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)對嬰兒狀態(tài)的監(jiān)護和預(yù)警。采用STM32F103C8T6單片機作為控制中樞，與各子系統(tǒng)相互連接，負責(zé)協(xié)調(diào)和管理所有子系統(tǒng)的運行，接收各傳感器發(fā)出的警報信號，并輸出相應(yīng)的控制信號。在實際使用中，將子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和結(jié)果集成到控制模塊，并進行協(xié)調(diào)和分析，控制系統(tǒng)可以觸發(fā)相應(yīng)的警報和提示。例如，當(dāng)聲音檢測系統(tǒng)、濕度檢測系統(tǒng)分別監(jiān)測到嬰兒啼哭、尿床等異常情況時，控制系統(tǒng)將相應(yīng)的信息傳遞給監(jiān)護預(yù)警系統(tǒng)，發(fā)出相應(yīng)警報。這些系統(tǒng)共同實現(xiàn)了嬰兒狀態(tài)監(jiān)護預(yù)警裝置的核心功能，為家長提供了全面的實時監(jiān)測和預(yù)警功能，幫助看護人更好地照顧嬰兒。裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2聲音檢測系統(tǒng)

哭啼檢測方法是先在嬰兒頭部附近放置一個麥克風(fēng)，拾取嬰兒的哭啼聲音，麥克風(fēng)采集語音信號，將采集到的語音信號進行濾波，獲得頻率為300～4000Hz的信號，經(jīng)過語音檢測模塊，判斷是否為嬰兒哭聲，最后對聲音進行分類，判斷嬰兒狀態(tài)是疲倦或饑餓等。實驗中測試不同干擾下聲音識別數(shù)據(jù)如表1所示。

2.1硬件電路設(shè)計

濾波電路是一種能讓指定頻段的信號順利通過而對其他頻段的信號起衰減或抑制作用的電路，廣泛應(yīng)用于信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等領(lǐng)域。按工作頻帶，可分為低通、高通、帶通和帶阻濾波電路。濾波電路與哭聲檢測模塊連接，濾波電路保留嬰兒哭聲所在頻段300～4000Hz的信號，以減少輸入信號中其他頻帶的干擾。這有助于提高聲音信號的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，從而更準(zhǔn)確地分析嬰兒的聲音。濾波電路如圖2所示。

2.2軟件程序流程

經(jīng)過濾波電路后，哭聲檢測模塊控制程序流程如圖3所示。

3濕度檢測系統(tǒng)

濕度傳感器、夾子、導(dǎo)水紙帶連接關(guān)系如圖4所示，濕度傳感器監(jiān)測導(dǎo)水紙帶的濕度，當(dāng)濕度達到預(yù)設(shè)的閾值時，濕度傳感器將濕度信息傳輸給控制模塊?？刂颇K接收到濕度傳感器的數(shù)據(jù)后，觸發(fā)相應(yīng)的警報。

3.1傳感器夾子

如圖5和圖6所示，新型傳感器設(shè)置有兩組夾子（夾持件1與夾持件2）。夾持件1的兩個夾持面配合夾緊床單；夾持件2的兩個夾持面上分別設(shè)置有正極探頭和負極探頭，通過正極探頭和負極探頭夾持多個導(dǎo)水紙帶的另一端，當(dāng)導(dǎo)水紙帶上有尿液時，正極探頭和負極探頭導(dǎo)電形成電信號。傳感器夾子可根據(jù)濕度傳感器有無輸入信號判斷嬰兒是否尿床，并在嬰兒尿床時發(fā)出警報。這也解決了當(dāng)需要頻繁地更換紙帶時，固定導(dǎo)水紙帶、探針、床單操作不便的難題。

3.2導(dǎo)水紙帶

多個導(dǎo)水紙帶均勻設(shè)置在床單下層靠近嬰兒的位置，通過導(dǎo)水紙帶的一端采集嬰兒的尿液。導(dǎo)水紙帶采用3層結(jié)構(gòu)，底層為隔水塑料薄膜，中層為導(dǎo)水紙，頂層為多孔隔水塑料薄膜。此結(jié)構(gòu)可以保證水從頂層被吸入紙帶，沿著導(dǎo)水紙帶滲向探頭，并且不會滲回床褥和床板。

4監(jiān)護預(yù)警系統(tǒng)

監(jiān)護預(yù)警系統(tǒng)可控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的警報信號，語音播報模塊通過播放安撫音樂，穩(wěn)定嬰兒情緒，LED提示燈根據(jù)嬰兒的狀態(tài)發(fā)出不同顏色的警示光，幫助家長判斷嬰兒狀態(tài)。另外，所有信息數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊上傳至云端，以便家長隨時訪問和監(jiān)測嬰兒的狀態(tài)。

5結(jié)論

一款合適的嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)能幫助家長實時地監(jiān)測嬰兒的活動情況，將可能產(chǎn)生的危險在第一時間向家長預(yù)警，利于家長及時應(yīng)對危險。因此開發(fā)一種功臺旨全面、安全可靠的嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)很有必要。本文設(shè)計了一款嬰兒狀態(tài)監(jiān)護預(yù)警裝置，由控制系統(tǒng)、聲音檢測系統(tǒng)、濕度檢測系統(tǒng)和監(jiān)護預(yù)警系統(tǒng)4個部分組成，改進了傳統(tǒng)嬰兒檢測裝置的電路結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)，使其具有更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為家長照顧嬰兒提供了更好的解決方案，降低了看護風(fēng)險。