基于纯硬件的婴儿监护器的设计

李 楠，刘晓洁

（东华大学 信息学院，上海 201620）

0 引 言

婴儿监护器是一种家庭用安防产品。通过这种装置，父母或者监护人不再需要寸步不离地守候在婴儿的身旁，父母或监护人可以在别的房间甚至室外院落中处理其他事务。他们在处理别的事务时，对孩子的情况能了如指掌，不必再时刻提心吊胆；当异常情况出现时立即可以察觉并进行处理，也避免了频繁查看影响婴儿休息。此外，该婴儿监护器不仅用于婴儿监护，还广泛适用于老人看护及超市、公司、学校、家庭、医院等小型场所的安全防护[1]。

1 设计背景

1.1 国内外现状

国内外婴儿监护器品种繁多，但结构基本上分为两大部分：监控部分和监视部分。一般监视部分放在婴儿房间或其他婴儿经常出现的场所，通过无线信号把婴儿活动情况传送到监控部分上。在国外，父母将孩子单独放在房间里培养其独立能力，因而婴儿监护器使用较普遍[2]。在国内，由于大部分家庭居住面积不大以及传统习惯问题，监护器使用较少。

1.2 设计意义

随着人口老龄化和超低生育率问题的出现，国家卫计委优化了生育政策，放开“二胎”。此外，随着人们生活水平的不断提高，家庭居住面积也不断增大，安全意识不断增强，婴儿监护器的关注度也越来越高。所以，设计一款合适的婴儿监护器显得尤为重要，它有助于帮助父母更好地看护孩子，可以给父母节省更多可利用的宝贵时间，从而提高父母生活的自由性和灵活性。文中设计的婴儿监护器以调频方式工作，用于近距离视距以外处对婴儿的监护。它采用纯硬件电路来实现，分为监控和监听两个部分。监听器能监听到距离大于10 m的不同房间里的婴儿哭声和吵闹声，当婴儿哭声、吵闹声持续一定时间，婴儿踢被子、尿湿被子或监控器不工作时，监听器都会发出报警[3]。

2 系统方案选择

近年来，ZigBee、蓝牙（Bluetooth）、无线宽带（WiFi）、超宽带（UWB）和近场通信（NFC）等近距离无线通信标准得到广泛应用，因此，文中设计的婴儿监护器在近距离视距以外处的通信也采用无线通信方式，它由发射模块和接收模块两部分组成，把所需传送的信息加载在高频中发射出去[4]。本系统的原理框图如图1、图2所示。

图1 监控设计原理框图

图2 监听设计原理框图

2.1 调频发射部分

常见的调频方式有直接调频方式、采用锁相环技术的调频方式和采用DDS频率全盛技术的调频方式。直接调频是晶体管等器件的调制特性，用调制信号的电压幅度直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号的变化规律。

直接调频也有很多方法，具体如下：

（1）电容话筒式的调频方法是将电容式话筒直接连在振荡器的谐振回路上，当对着话筒讲话时，在声波的作用下，话筒的金属膜片振动，引起膜片与另外一个电极的电容量变化，使振荡器频率做相应的变化，从而实现调频。

（2）晶体三极管调频是在晶体管PN结上加一个反向电压，如果这个反向电压发生变化，将会引起结电容的变化，这就是PN结的变容效应。在晶体三极管电路中，集电结就是一个加上反向电压的PN结，利用集电结的变容效应，可以达到调频的目的，其通常工作在几十MHz以上的工作频率范围。

（3）变容二极管调频具有电路简单而性能好的优点，是被广泛采用的一种调频电路。变容二极管是根据PN结结电容能随反向电压而变化的原理所设计的一种二极管。它的伏安特性、电极结构与一般检波二极管没有明显差别，所不同的是在一定的反向电压下，其结电容能灵敏地随反向偏压而变化。由于变容二极管有这样一种特性，把它接在振荡器的回路里，回路的电容量将明显地随调制电压而变化，从而改变了振荡回路的振荡频率。

鉴于实用性考虑，本设计采用变容二极管进行直接调频。

2.2 调频接收部分

目前调频接收技术较成熟，市面上已有多种集成器件，性能较好，电路简洁，一般包含高频接收放大、变频、中频放大、解调制电路等。如CXA1019、CXA1191、CXA1619等。TDA7088调频接收芯片是应用较广的器件之一[5]。它包含了调频收音机中从天线接收、振荡器、混频器、AFC（频率自动控制）电路、中频放大器（中频频率为70 kHz）、中频限幅器、中频滤波器、鉴频器、低频静噪电路、音频输出等全部功能，还专门设有搜索调谐电路、信号检测电路及频率锁定环路。其电路性能稳定，应用技术简单，主要用于低成本的装置中。本设计就采用TDA7088作为前端电路。

3 系统的设计

3.1 实时声音传送的设计

这里利用MIC拾取婴儿声音转换成电信号，放大后作为调制信号对载波进行调频，载波频率选择为32 MHz。放大电路中选用间质较好的NE5532宽带运算放大器放大声音信号[6]。为了正确反映声音大小，放大电路不设置音量自控电路。频率调制采用变容二极管振荡电路直接调制。以上部分均由小规模电路完成[7]。拾音及放大电路如图3所示。

图3 拾音及放大电路

3.2 射频产生电路与发射电路

考虑电路的实用性，射频产生电路采用电容三点式振荡器，由LC元件直接产生射频。振荡电路产生的高频信号通过功率输出电路放大后输出。射频产生及发射电路如图4所示。

图4 射频产生及发射电路

3.3 调频接收电路

调频接收电路以调频接收芯片TDA7088为核心组成。与其他电路不同的是它的接收频率在32 MHz附近。调频接收电路如图5所示。

图5 调频接收电路

3.4 报警电路

如果婴儿哭声、吵闹声持续了一定时间，婴儿踢被子、尿湿被子了或者监控器不工作了，监听器都会发出报警等信号。

当婴儿哭声、吵闹声持续了一定时间，这时监听器的报警电路一来用计时电路来控制延时时间，并使用可重复触发电路来触发计时器。这里应用BISS0001集成块来做触发电路。BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，其是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数/模混合专用集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门等装置，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器[8]。BISS0001是一个可重复触发的集成块，当无信号输入时，输出为高电平，反之则输出低电平。这里用CD4060来做计时器。CD4060的计数频率由其外接振荡电阻和电容决定。其复位端由BISS0001的输出信号控制。当为高电平时计时，低电平时清零。当无音频信号输入时，计数器应该处于清零状态，而当有信号时处于计数状态，但是这正与BISS0001的输出相反。所以在BISS0001的输出口与CD4060的复位端之间应加一个反相器。

当婴儿踢被子、尿湿被子或监控器不工作时，为了在传送声音的同时传送温度、尿湿等信息，在监控器中设置15 kHz的音频振荡器，发送音频信号。既能适用15 kHz以下的调制频带范围，又能避开一般的语声、哭声频率范围，使得接收器电路能对不同频率的信号加以区分。15 kHz的音频信号还可以作为监控器是否处于正常工作的标致性信息使用。正常情况下，15 kHz音频振荡器处于振荡状态。15 kHz音频振荡器电路采用RC桥式振荡电路，如图6所示。考虑到被子被踢时，温度会下降，则用一个热敏电阻来检测是否被子被踢，然后送至比较器比较。同样，尿湿被子可用两片金属片之间夹一棉花层，当干燥时，处于绝缘状态，而当尿湿时，棉花层有电解液，会处于导电状态，从而改变电阻，所以可以用此装置与一合适电阻分压，送至比较器与基准电压比较，来控制是否发射15 kHz的频率[9]。最后在监听端判断是不是有15 kHz的频率来控制是否报警。15 kHz的音频振荡电路和音频检测电路分别如图6、图7所示。

图6 15 kHz音频振荡电路

图7 15 kHz音频检测电路

4 结 语

本文采用分立元件，设计和制作了婴儿监护器的监听器的监听发射器部分，使用TDA7088集成电路制作了监控器接收部分。利用BISS0001集成块的可重复触发和CD4062集成块的计时功能设计制作完成婴儿哭声的超时检测报警模块。当婴儿哭声、吵闹声持续一定时间时，监控器不仅传送实时声响，还会发送报警，蜂鸣器启动。当婴儿踢被子、尿湿被子或监控器不工作时，报警器也会发出报警信号[10]。在调试和运行过程中，该系统运行稳定可靠、功能齐全、操作方便，具有较高的实用价值和市场推广前景。