一种面向聋人的智能婴儿看护装置

李晋芳 陈基荣 谭静 刘家远

关键词： 婴儿看护; 聋人家长; 单片机; 声音识别; 无线报警; 智能装置

中图分类号： TN915?34                       文献标识码： A                         文章编号： 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

在當今社会中，很多家庭的人口结构都趋于两代人，具有听力障碍缺陷的父母或是爷爷奶奶在看护婴儿时往往会显得十分吃力。而在这种情况下，在看护婴儿时，只能让看护人几乎时刻不停地陪在婴儿身边，以防婴儿出现某种情况。这种传统的看护方式不仅耗费看护人大量的时间和精力，在看护人不便时，看护婴儿会显得十分不及时。这样在婴儿有需求时，看护人不能及时出现在婴儿身边，婴儿安全也就存在隐患的可能[1]。

因此，如何提供一种在看护人不便的时候，智能检测婴儿的声音并通知看护人[2]，是本文需要解决的技术问题。针对上述所存在问题，提供一种使用简单，成本低廉，婴儿一发出哭声，就能识别婴儿此时的需求并且自动报警的婴儿看护装置。

1  装置总体设计

本文装置由主机和报警手环组成如图1所示[3]。

图中，主机主要由婴儿哭声检测电路和信号发射电路组成，报警手环主要由报警电路组成。报警电路上有红绿蓝三个灯，对应婴儿有三种不同需求时亮[4]。此装置工作时，主机置于婴儿身边，报警手环由看护人佩戴。主机的功能是监测周围声音，一旦检测到有婴儿的哭声并识别需求，立马发射相应的无线信号;报警手环一旦接收到主机发出的信号，立马发出警报来提醒看护人。在本设计中，声音传感器将采集周围的声音，经过滤波处理之后，将模拟信号传给A/D转换芯片，A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号[5]，然后将数字信号传给单片机处理，单片机对数字信号进行分析。如果分析是婴儿哭声，则使能无线模块发射信号。在远处（100 m内），无线接收模块接收到无线模块发出的信号[6]，就会报警模块，报警模块发出警报。

2  硬件设计

2.1  微控器

本设计详细分析了各种MCU之间的优缺点，选择STC89C52作为本设计的主控芯片。STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB系统可编程FLASH存储器。STC89C52使用经典的MCS?51内核，但是做了很多的改进，使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

2.2  声音传感器

图2为声音传感器。该声音传感器能对音频信号进行200倍放大，并且加入消噪电阻，抑制底噪的产生。利用该声音传感器模块对周围环境的声音进行收集，把声音信号转换为电信号。

2.3  A/D转换芯片

A/D转换芯片选用PCF8591。它是一个单片集成、单独供电、低功耗、8位CMOS数据获取器件。该芯片用于把声音传感器传过来的模拟电信号转化为数字信号。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模/数转换和8位数/模拟转换。最大转换速率取决于I2C总线的最高速率。

2.4  无线收发模块

无线发射模块选择RF112编码发射芯片，该芯片集成了RF声表振荡发射电路和PT2260及1527编码芯片。RF112内部声表稳频、性能稳定、贴片封装、特小体积、基本无外围零件、无需调试，可以实现现有的发射电路+编码芯片方案。RF112芯片图如图3所示。

无线接收模块选择J06B，它是一款低功耗、低成本、小体积、带解码（学习码）超外差无线接收模块，采用高性价比无线数据接收芯片及低功耗单片机，接收灵敏度为-106 dBm，数据解调带宽为5 KB，可兼容PT2262、PT2260及1527编码，可学习PT2262，PT2260及1527编码遥控器。

3  软件设计

3.1  用于按键消抖的按键扫描算法

按键消抖一般分为硬件消抖和软件消抖两种方式。硬件消抖增加了成本和电路的复杂度，本文不采用。一般的软件消抖就是当检测到按键状态变化后，先等待10 ms左右的延迟时间，让抖动消失后再进行一次按键状态的检测，如果与刚才检测到的状态相同就可以确认按键已经稳定的动作了。如果在程序中添加这种delay延时操作，可能会出现事件漏检的情况。所以本文提出按键扫描算法来解决上述问题。

按键扫描算法思想为：先启用一个定时中断， 每2 ms进1次中断， 扫描1次按键状态并且存储起来， 连续扫描 8次后， 判断这连续8次的按键状态是否是一致的。8次按键的时间大概为16 ms，这16 ms内如果按键状态一直保持一致，那就可以确定现在按键处于稳定的阶段，而非处于抖动的阶段。扫描算法流程图见图4。

3.2  婴儿哭声识别

这里运用Matlab来对婴儿哭声信号进行分析。Matlab是MathWorks公司开发的科学与工程计算软件，广泛运用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图像信号处理、语音处理和雷达工程等行业，是国内外高校和研究部门科学研究的重要工具[7]。

如图5为Matlab做出的婴儿哭声信号时域图。Matlab程序如下：

[y，Fs]=audioread（′baby.mp3′）;                %读入婴儿哭声

p=audioplayer（y，Fs）;                         %播放讀入的数据

play（p）;

t=（1：length（y））/Fs;               %做出婴儿哭声信号时域图

plot（t，y）;

xlabel（′时间/s′）;

ylabel（′幅度′）;

title（′婴儿哭声信号时域图′）;

3.2.1  模板匹配法

图6为利用模板匹配法进行婴儿哭声识别的原理框图。在训练阶段，用户录制婴儿哭声（可以多录制几个），并且将婴儿哭声信号的特征作为模板存入模板库;在识别阶段，将采集到的声音信号特征与模板库中的模板进行对比，将相似度最高的作为识别结果输出。

3.2.2  婴儿哭声信号的特征

婴儿哭声信号的特征如下：

1） 平均值：[X=1Ni=0N-1Xi]（[Xi]为声音信号）;

2） 标准差：[σX=1Ni=0N-1（Xi-X）2] ;

3） 极差;

4） 平均幅度：A=[1Ni=0N-1Xi];

5） 平均强度：M=[1Ni=0N-1X2i];

6） 零交叉的数目：在语音信号中零交叉的数目是一个有用的统计量。这个统计量的值是语音信号中由正到负或由负到正的转换次数[8]。

7） 间歇性：指声音规律性地出现一段强一段弱或者没有，其时域图表现如图7所示。经过对大量婴儿哭声信号图进行分析得出，婴儿的哭声是间歇的，并且间歇0.1～0.2 s之间不等。根据分析设置阈值为3，声音强度低于3，则认为是处于间隔期。

通过以上7个信号特征，就能对婴儿哭声实现简单的识别。

3.2.3  实验与分析

本文运用Matlab对婴儿哭声1（平缓）、婴儿哭声2（一般）、婴儿哭声3（急促）、空调声、洗衣机声、及一段歌声进行分析[9]，发现相比于其他声音，婴儿哭声都存在规律性间歇（之后本文会用数据说明）。三段婴儿哭声对比如图8所示。

再计算出各个语音的数字信号的平均值、极差、标准差、平均强度、平均幅度、零交叉率、间歇频率。计算结果如表1所示。

分析表中的数据可知，间歇性是婴儿哭声区别于其他声音的重要参数。婴儿床所处的环境中声音不止一种，但一般音量不会太大，声音种类不会太多，并非所有声音都是规律性间歇的。哭声中间隔存在是因为婴儿在发出哭声时是呼气，由于婴儿需要换气，吸气发声音量忽略不计，所以出现了间隔，这是婴儿声的一个特点[10]。所以将这一参数设置为判断是否为婴儿声的重要依据。识别出是婴儿声之后，还要分析婴儿此时是发出何种需求的哭声。本文重点分析婴儿哭声1（平缓）、婴儿哭声2（一般）、婴儿哭声3（急促），发现哭声的极差和标准差与婴儿哭声急促度一致。婴儿发出的哭声越急促，标准差和极差越大。

3.3  哭声识别方案

装置检测到有声音，立马算出平均强度、平均幅度和间歇频率，判断是否为婴儿哭声;判断为婴儿哭声后，还要识别婴儿此时处于何种需求，算出其标准差与极差，与录制好的模板的标准差和极差进行比较，与哪个模板最接近，就判定婴儿此时处于该模板的何种需求，然后发送相应的无线信号，接收端震动并且相应的灯光闪起。

4  结  语

国内外已经有不少面向聋人开发的辅助产品，弥补了聋人生活中的不便。而本文提出的设计“一种面向聋人的智能婴儿看护装置”在一定程度上也弥补了聋人家长育婴的不便。经过测试，该装置能够满足要求，并且具有较高的经济效益和使用价值。

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