一種面向聽(tīng)障家庭的智能嬰兒床設(shè)計(jì)

摘 要：【目的】為了使聽(tīng)障人群能在室內(nèi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)嬰兒的哭鬧，更好地照看嬰兒，設(shè)計(jì)出一款面向聽(tīng)障家庭的智能嬰兒床系統(tǒng)?！痉椒ā吭撓到y(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)為主控芯片，通過(guò)聲音傳感器和溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)嬰兒哭鬧或體溫異常時(shí)，會(huì)將異常信息發(fā)至監(jiān)護(hù)人所佩戴的手環(huán)，通過(guò)手環(huán)震動(dòng)來(lái)提醒監(jiān)護(hù)人?！窘Y(jié)果】測(cè)試結(jié)果表明，該智能嬰兒床系統(tǒng)可以確保聽(tīng)障人群在盡可能簡(jiǎn)約的條件下及時(shí)回應(yīng)嬰兒哭鬧或體溫異常，使聽(tīng)障人群能更好地照看嬰兒?！窘Y(jié)論】研究成果為特定人群在生活中提供幫助。

關(guān)鍵詞：聽(tīng)障人群；STM32F103C8T6；聲音傳感器；溫度傳感器；佩戴手環(huán)

中圖分類號(hào)：TP368.1" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）24-0034-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.24.007

Design of Smart Baby Crib for Hearing-Impaired Families

Abstract： [Purposes] In order to enable hearing-impaired individuals to promptly detect infants' crying indoors and better take care of them， this article designs an intelligent crib system based on STM32F103C8T6. [Methods] The system uses STM32F103C8T6 microcontroller as the main control chip， and monitors the baby in real time based on sound sensors and temperature sensors. Any abnormal results will be sent to the wristband worn by the guardian， causing the wristband to vibrate and reminding the guardian that the baby is crying or experiencing abnormal body temperature.[Findings] The test results show that the intelligent baby crib system can respond to the needs of hearing-impaired people for crying or abnormal body temperature in a timely manner under the simplest possible conditions， helping hearing-impaired people better take care of their babies.[Conclusions] The research results can help specific people in their daily life.

Keywords： hearing-impaired individuals; STM32F103C8T6; sound sensor; temperature sensor; wristban

0 引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全球不同程度聽(tīng)力受損的人口超15億，其中，中國(guó)聽(tīng)障人士有2 780萬(wàn)人，占全國(guó)殘疾總?cè)藬?shù)的30%以上，這相當(dāng)于全國(guó)每50個(gè)人中就有一位聽(tīng)障人士［1］。聽(tīng)障父母在照顧嬰兒時(shí)，常常會(huì)遇到信息獲取難題。傳統(tǒng)的嬰兒監(jiān)護(hù)方式依賴于聲音信號(hào)（如嬰兒的哭聲），但對(duì)聽(tīng)障家庭來(lái)說(shuō)，可能會(huì)導(dǎo)致重要信息漏失，進(jìn)而影響嬰兒安全。因此，開(kāi)發(fā)一款聽(tīng)障家庭專用的智能嬰兒床顯得尤為重要。

本研究從用戶需求出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代科技，開(kāi)發(fā)一款基于單片機(jī)的智能嬰兒床系統(tǒng)，通過(guò)集成先進(jìn)的聲音識(shí)別技術(shù)、體溫監(jiān)測(cè)技術(shù)、振動(dòng)提醒機(jī)制，能實(shí)時(shí)感知并準(zhǔn)確識(shí)別嬰兒的哭聲、體溫等信息，并轉(zhuǎn)化為聽(tīng)障父母可感知的振動(dòng)信號(hào)。這一設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了聽(tīng)障父母與嬰兒之間的互動(dòng)，還能提升嬰兒的安全感和舒適度，為聽(tīng)障家庭提供更為友好的育兒方式。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要有硬件和軟件這兩部分組成，總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。其中，硬件部分以單片機(jī)STM32F103C8T6為主控，其與無(wú)線接收模塊NRF24L01+、無(wú)線發(fā)送模塊NRF24L01+、聲音檢測(cè)模塊MLX90640、紅外體溫人體檢測(cè)模塊LU90614、震動(dòng)器Vibration Motor模塊相互配合，共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。其中，聲音檢測(cè)模塊和紅外測(cè)溫模塊分別對(duì)嬰兒哭鬧聲、體溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，通過(guò)預(yù)先編程好的程序和算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將異常數(shù)據(jù)發(fā)送到第二通信裝置，引起震動(dòng)器Vibration Motor震動(dòng)，能有效提醒嬰兒監(jiān)護(hù)人。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控器

以STM32F103C8T6為主控芯片，其是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，內(nèi)置的ARM Cortex-M3處理器的時(shí)鐘速度靈活可調(diào)，最高主頻為72 MHz，包括GPIO（通用輸入/輸出）、USART（串口通信）、SPI（串行外設(shè)接口）、I2C（I2C總線）、定時(shí)器、PWM控制器、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。電路原理如圖2所示。

2.2 聲音采集模塊

聲音采集模塊由音頻放大器LM386及外圍電路組成。研究發(fā)現(xiàn)，嬰兒在不同情況下的哭聲頻率不同。嬰兒因困倦而發(fā)出的哭聲頻率在400 Hz左右；撒嬌時(shí)發(fā)出的哭聲頻率為400～600 Hz；饑餓時(shí)發(fā)出的哭聲頻率為600～800 Hz；難過(guò)時(shí)發(fā)出的哭聲頻率為800～100 Hz；生氣時(shí)發(fā)出的哭聲頻率為1 000～1 200 Hz［2］。

本研究利用LM386聲音傳感器模塊采集周圍環(huán)境聲音，并將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電路原理如圖3所示。對(duì)上述音頻信號(hào)采集并進(jìn)行濾波處理，濾出預(yù)設(shè)頻率范圍（350～1 250 Hz）的電信號(hào)，從而及時(shí)提醒監(jiān)護(hù)人照看嬰兒。

2.3 溫度采集模塊

本研究使用MLX90640紅外測(cè)溫傳感器測(cè)量嬰兒體溫，其電路原理如圖4所示。其工作原理如下，物體輻射出的紅外輻射能量被傳感器的光學(xué)系統(tǒng)聚焦到一個(gè)探測(cè)器上，探測(cè)器將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為

電信號(hào)，并將其傳送到信號(hào)處理器［3］。信號(hào)處理器對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行處理和分析，根據(jù)測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度和頻率來(lái)計(jì)算物體溫度。MLX90640的測(cè)量速率最高為64 Hz，且感應(yīng)靈敏，在1 Hz 時(shí)可以區(qū)分出0.1 ℃。嬰兒正常的體溫為36.2～37.2 ℃，但嬰兒的新陳代謝較快，嬰兒體溫超過(guò)37.5 ℃為低燒狀態(tài)，超過(guò)39.0 ℃為高燒狀態(tài)，所以將溫度設(shè)定為36.2～37.6 ℃［4］。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的體溫低于36.2 ℃或高于37.6 ℃，會(huì)向第二通信裝置發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)報(bào)警裝置。

2.4 無(wú)線通信模塊

本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品通過(guò)NRF24L01無(wú)線通信模塊與看護(hù)主體和佩戴手環(huán)相連接，將嬰兒異常信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，引起手環(huán)震動(dòng)，提醒監(jiān)護(hù)人。其支持六路通道的數(shù)據(jù)接收，且工作電壓低（1.9～3.6 V），但其2 Mbps空中傳輸縮點(diǎn)時(shí)間能減少無(wú)線傳輸中的碰撞現(xiàn)象（軟件設(shè)置1 Mbps或2 Mbps的空中傳輸速率）。此外，NRF24L01有125個(gè)頻點(diǎn)，能滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要，且其體型較小，內(nèi)置2.4 GHz天線，總面積為435 mm2（15 mmx29 mm）（包括天線）。NRF24L01還集成了所有與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理部分［5］，電路原理如圖5所示。

2.5 Vibration Motor震動(dòng)模塊

本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品采用的報(bào)警模塊為直流電機(jī)手機(jī)震動(dòng)器（Vibration Motor）模塊，如圖6所示。該模塊采用高品質(zhì)手機(jī)震動(dòng)馬達(dá)，震動(dòng)效果明顯，mos放大驅(qū)動(dòng)可直接通過(guò)Ard數(shù)字口進(jìn)行控制，并通過(guò)PWM控制馬達(dá)的震動(dòng)強(qiáng)度，該模塊完成電信號(hào)到機(jī)械震動(dòng)感的轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入為高電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)震動(dòng)；當(dāng)?shù)谝煌ㄐ叛b置發(fā)送信號(hào)至第二通信裝置時(shí)，會(huì)引起Vibration Motor震動(dòng)模塊，從而有效提醒監(jiān)護(hù)人照看嬰兒。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體設(shè)計(jì)

程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括延時(shí)函數(shù)、LM386聲音傳感器、LU90614紅外測(cè)溫傳感器、NRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊、Vibration Motor震動(dòng)模塊、GPIO等的初始化。同時(shí)，初始化STM32F103C8T6作為主控芯片，系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。程序在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)濾出預(yù)設(shè)頻率范圍（350～1 250 Hz）和體溫范圍（低于36.2 ℃或高于37.6 ℃）的電信號(hào)，使第一通信裝置向第二通信裝置發(fā)送信號(hào)，當(dāng)?shù)诙ㄐ叛b置收到信號(hào)后會(huì)激活Vibration Motor震動(dòng)模塊，引起手環(huán)震動(dòng)，從而有效提醒監(jiān)護(hù)人。

3.2 聲音識(shí)別技術(shù)

Matlab軟件被廣泛運(yùn)用于自動(dòng)控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像信號(hào)處理、語(yǔ)音處理和雷達(dá)工程等行業(yè)中，是國(guó)內(nèi)外高校和研究部門(mén)科學(xué)研究的重要工具［6］。

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(hào)時(shí)域圖

plot（t，y）；

xlabel（′時(shí)間/s′）；

ylabel（′幅度′）；

title（′嬰兒哭聲信號(hào)時(shí)域圖′）；

除檢測(cè)嬰兒哭聲外，本研究還引入Dunstan嬰兒語(yǔ)言模型（Dunstan Baby Language，DBL），是由Dunstan開(kāi)發(fā)的適用于0至3個(gè)月嬰兒的哭聲模型。根據(jù)哭聲的前音，將其劃分為五種不同類型的需求。當(dāng)吸吮反射被觸發(fā)，舌頭被頂?shù)娇谇簧项€時(shí)，嬰兒會(huì)發(fā)出“Neh”聲，表示嬰兒饑餓，需要進(jìn)食；當(dāng)感到不適或可能需要更換尿布時(shí)，嬰兒會(huì)發(fā)出“Heh”聲，這種聲音是對(duì)皮膚反射的響應(yīng)，如感覺(jué)到汗水或瘙癢；當(dāng)感到需要打嗝時(shí)，嬰兒會(huì)發(fā)出“Eh”聲，這種聲音是由嬰兒試圖將嗝釋放出口時(shí)產(chǎn)生的；當(dāng)感到脹氣或胃部不適時(shí)，嬰兒會(huì)發(fā)出“Eairh”聲，這種聲音表明嬰兒正在排便；當(dāng)感到疲倦時(shí)，嬰兒會(huì)發(fā)出“Owh”聲，其類似于可聽(tīng)見(jiàn)的哈欠，表示嬰兒疲倦，需要休息［7］。在檢測(cè)嬰兒聲音時(shí)進(jìn)一步細(xì)化，能更好地輔助監(jiān)護(hù)人看護(hù)嬰兒。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在完成對(duì)智能嬰兒床系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)智能嬰兒床系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試，測(cè)試過(guò)程如下。

①給系統(tǒng)上電，此時(shí)系統(tǒng)處于自動(dòng)模式，NRF24L01無(wú)線收發(fā)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)模式時(shí)，測(cè)試人員對(duì)系統(tǒng)假裝哭鬧，如果聲音傳感器檢測(cè)到哭鬧聲，則觸發(fā)NRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊，第一通信裝置發(fā)送電信號(hào)至第二通信裝置，從而激活Vibration Motor震動(dòng)模塊，及時(shí)提醒監(jiān)護(hù)人。如果再次檢測(cè)到哭鬧聲，重復(fù)上述過(guò)程。

②當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)模式時(shí)，測(cè)試人員將水盆放入嬰兒床中，通過(guò)水溫變化來(lái)模擬嬰兒體溫，如果溫度傳感器檢測(cè)到溫度低于36.2 ℃或高于37.6 ℃，則會(huì)觸發(fā)NRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊，第一通信裝置發(fā)送電信號(hào)至第二通信裝置，激活Vibration Motor震動(dòng)模塊，并及時(shí)提醒監(jiān)護(hù)人。如果再次檢測(cè)到溫度，重復(fù)上述過(guò)程。

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能滿足聽(tīng)障父母照看嬰兒的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一款針對(duì)聽(tīng)障家庭的智能嬰兒床，基于STM32F103C8T6單片機(jī)，結(jié)合視覺(jué)、觸覺(jué)和智能監(jiān)控技術(shù)，通過(guò)聲音識(shí)別、溫度監(jiān)測(cè)和手環(huán)震動(dòng)等智能化功能，為聽(tīng)障父母提供了更為便捷、高效的嬰兒照顧解決方案，使聽(tīng)障父母能更好地照顧嬰兒，同時(shí)促進(jìn)家庭成員間的互動(dòng)。在滿足使用性能的前提下，充分考慮聽(tīng)障父母的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)能力。測(cè)試結(jié)果表明，該智能嬰兒床具有較高的實(shí)用性和可靠性。本研究為聽(tīng)障專用品的發(fā)展提供有益的參考價(jià)值和借鑒，未來(lái)將繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)性能，并拓展更多智能化功能，以滿足更多特殊家庭的需求。

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