宮瑾+沈小鍵+賈磊+李鴻鑫+楊子康

摘 要：針對(duì)新生兒父母難以準(zhǔn)確理解嬰幼兒哭鬧所傳達(dá)的信息，文中設(shè)計(jì)了嬰兒欲望與狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)由智能嬰兒襪、智能手機(jī)、云服務(wù)器構(gòu)成，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)嬰兒的體溫、心率、睡姿、踢被狀態(tài)并及時(shí)報(bào)警反饋給看護(hù)者，以降低嬰兒猝死綜合征的發(fā)病率。

關(guān)鍵詞：欲望與狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)；App

1 作品簡(jiǎn)介

由于很多新生兒父母對(duì)嬰幼兒監(jiān)護(hù)所知甚少，因此當(dāng)新生兒生病哭鬧時(shí)，父母往往無(wú)法準(zhǔn)確獲悉孩子的意愿，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)延誤治療時(shí)機(jī)，導(dǎo)致嬰兒病情加重甚至出現(xiàn)險(xiǎn)情。嬰兒猝死綜合征（SIDS），系指外表看似健康的嬰兒突然意外死亡，甚至幾分鐘的翻身，就會(huì)奪走嬰兒的生命。

本系統(tǒng)將智能手機(jī)與可穿戴設(shè)備相結(jié)合，將哭聲音頻分析、生理參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)、人機(jī)交互信息融為一體，設(shè)計(jì)了一款名為“Baby Saying”的嬰兒欲望與狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，來(lái)幫助初為父母的年輕家長(zhǎng)或嬰兒照料者準(zhǔn)確了解嬰兒的意圖和狀態(tài)，并及時(shí)發(fā)出提示和報(bào)警信息，以保護(hù)嬰兒安全，減少嬰兒家人的煩惱，使得人們家庭生活更幸福。

2 工作原理

2.1 系統(tǒng)總體方案

“Baby Saying”由智能嬰兒襪、智能手機(jī)、云服務(wù)器構(gòu)成，系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖如圖1所示。

智能嬰兒襪穿在嬰兒腳踝處，其上裝有以MCU為核心的硬件電路，用以實(shí)時(shí)檢測(cè)嬰兒的體溫、心率、睡姿、踢被狀態(tài)，以藍(lán)牙通信的方式將所采集的數(shù)據(jù)傳送到智能手機(jī)。

智能手機(jī)上需安裝系統(tǒng)App，可不斷接收嬰兒智能襪發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)與處理，在嬰兒出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)智能手機(jī)發(fā)出音響并顯示報(bào)警，以提示嬰兒照料者；同時(shí)，智能手機(jī)作為系統(tǒng)的操作界面，使用者可用手機(jī)查看相關(guān)信息并進(jìn)行相應(yīng)操作；當(dāng)嬰兒啼哭時(shí)，使用者可以使用手機(jī)對(duì)嬰兒的哭聲錄音，系統(tǒng)App將進(jìn)行處理并與云平臺(tái)連接，將錄制的嬰兒哭聲音頻數(shù)據(jù)、生理數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，與云平臺(tái)上的嬰兒哭聲音頻數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣本進(jìn)行比對(duì)、處理，分析出嬰兒啼哭的初步原因，并將該信息傳回智能手機(jī)，智能手機(jī)的App在接收到初步原因信息后將向嬰兒照料者提出若干問(wèn)題，待嬰兒照料者回答后智能手機(jī)將分析出嬰兒啼哭的原因。

2.2 體溫檢測(cè)及報(bào)警方案

我們采用非接觸式紅外測(cè)溫儀MLX90614作為溫度采集模塊，任何單片機(jī)都可以通過(guò)I2C接口與其通信。通過(guò)可穿戴設(shè)備上的溫度采集模塊（MLX90614）采集數(shù)據(jù)，經(jīng)STC15系列單片機(jī)（MCU）內(nèi)部的I2C通信模塊串口將轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)發(fā)送到手機(jī)客戶端。

2.3 心率檢測(cè)及報(bào)警方案

心率傳感器的主要作用是判斷孩子的實(shí)時(shí)姿態(tài)。通過(guò)可穿戴設(shè)備上的心率模塊采集到的模擬量，經(jīng)STC15系列單片機(jī)（MCU）內(nèi)部的ADC模塊串口將轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)發(fā)送到手機(jī)客戶端。

2.4 睡姿檢測(cè)及報(bào)警方案

我們采用三軸加速度傳感器（GY-61）來(lái)判斷孩子的實(shí)時(shí)姿態(tài)。通過(guò)STC15系列單片機(jī)（MCU）內(nèi)部的ADC模塊經(jīng)過(guò)串口將轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)發(fā)送到手機(jī)客戶端。

2.5 踢被檢測(cè)及報(bào)警方案

由可穿戴設(shè)備上的溫度采集模塊（MLX90614）采集溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)STC15系列單片機(jī)（MCU）內(nèi)部的I2C通信模塊經(jīng)串口將轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)發(fā)送到手機(jī)客戶端。該模塊可同時(shí)監(jiān)測(cè)到嬰兒的體溫和嬰兒所處環(huán)境的溫度，通過(guò)計(jì)算溫度差值來(lái)判斷嬰兒是否在睡覺(jué)的過(guò)程中踢被。

2.6 啼哭原因識(shí)別方案

將哭聲音頻、生理數(shù)據(jù)、嬰兒現(xiàn)狀三部分相結(jié)合進(jìn)行啼哭原因分析。其中哭聲音頻比對(duì)分析占50%、生理數(shù)據(jù)占20%、嬰兒現(xiàn)狀占30%，可依據(jù)三者的基本權(quán)值得知啼哭原因。通過(guò)手機(jī)錄制的音頻信號(hào)、嬰兒智能襪獲取的生理數(shù)據(jù)、監(jiān)護(hù)人的問(wèn)題回答獲取嬰兒現(xiàn)狀，以生理數(shù)據(jù)為輔，以哭聲音頻比對(duì)和嬰兒現(xiàn)狀為主。

2.7 數(shù)據(jù)通訊方案

手機(jī)和嬰兒智能襪采用藍(lán)牙4.0傳輸，通過(guò)手機(jī)對(duì)藍(lán)牙串口進(jìn)行監(jiān)聽，從特定的串口讀取硬件設(shè)備獲得的生理數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。

手機(jī)和云端服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求進(jìn)行通信，采取HTTP的POST方法將處理哭聲得到的數(shù)據(jù)上傳，在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，并將結(jié)果返回至手機(jī)客戶端。實(shí)現(xiàn)手機(jī)與遠(yuǎn)端服務(wù)器的數(shù)據(jù)通訊。

2.8 硬件實(shí)現(xiàn)原理

嬰兒智能襪硬件框圖如圖2所示。

2.9 智能嬰兒襪軟件實(shí)現(xiàn)原理

通過(guò)傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由單片機(jī)進(jìn)行分析與處理，當(dāng)系統(tǒng)上電工作時(shí)，單片機(jī)初始化，溫度傳感器MLX90614、心率傳感器、角速度傳感器GY61、藍(lán)牙依次初始化，之后傳感器對(duì)嬰兒當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行分析與判斷，當(dāng)嬰兒體溫高于或低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙模塊向手機(jī)發(fā)送高溫、低溫報(bào)警指令。同理，當(dāng)嬰兒心率超出正常值時(shí)亦發(fā)送報(bào)警指令，同時(shí)，當(dāng)GY61監(jiān)測(cè)到嬰兒睡姿不正常（如俯臥）時(shí)，會(huì)及時(shí)提醒父母。程序流程如圖3所示。

2.9.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)提供了易操作、通俗易懂的界面設(shè)計(jì)。

2.9.1.1 連接藍(lán)牙界面

打開智能手機(jī)的藍(lán)牙開關(guān)如圖4（a）所示。搜索一定范圍內(nèi)的藍(lán)牙傳輸設(shè)備如圖4（b）所示。選擇嬰兒智能襪設(shè)備如圖4（c）所示。

2.9.1.2 應(yīng)用界面

應(yīng)用主界面包含的4個(gè)按鈕分別代表所能實(shí)現(xiàn)的四個(gè)功能，簡(jiǎn)單易懂，層次清晰。應(yīng)用子界面簡(jiǎn)單大方，以圖文并茂的方式對(duì)嬰兒數(shù)據(jù)、哭聲識(shí)別和異常報(bào)警等情況進(jìn)行了展示和處理，把想要了解的信息清晰地展示在寶寶知音界面上。

程序主界面、哭聲分析按鈕按下后界面、分析結(jié)果返回展示界面、生理數(shù)據(jù)主界面、睡眠檢測(cè)界面、綜合信息界面、體溫曲線圖、心率曲線圖、睡姿餅形圖如圖5所示。endprint

2.9.1.3 藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)原理

藍(lán)牙通信采用BLE技術(shù)（Bluetooth Low Energy，BLE），手機(jī)須支持藍(lán)牙4.0，且需保證手機(jī)和硬件設(shè)備之間的距離小于15 m（無(wú)遮擋狀態(tài)下）。

硬件使用模擬串口技術(shù)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的發(fā)送。通過(guò)手機(jī)端搜索設(shè)備，可發(fā)現(xiàn)附近所有可連接設(shè)備。搜索設(shè)備的回調(diào)方法如圖6所示。

搜索指定的服務(wù)和串口，找到所需串口。服務(wù)搜索如圖7（a）所示。串口發(fā)現(xiàn)如圖7（b）所示。

找到所需串口，從串口中讀取數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，如圖8所示。

2.9.1.4 數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)原理

數(shù)據(jù)主要來(lái)源于藍(lán)牙接收的哭聲數(shù)據(jù)和服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)。藍(lán)牙數(shù)據(jù)為172A30.4A36.4A0形式，分別表示心率、環(huán)境溫度、體溫，睡姿選擇使用正則表達(dá)式處理數(shù)據(jù)，如圖9所示。

由于嬰兒心率較成人快，所以我們把心率的報(bào)警閾值設(shè)定為150次/min。體溫上限報(bào)警閾值設(shè)定為37.8℃。而當(dāng)嬰兒俯臥時(shí)，我們認(rèn)為嬰兒有窒息的可能。踢被報(bào)警則在環(huán)境溫度和體溫相差超過(guò)4℃時(shí)觸發(fā)。

哭聲數(shù)據(jù)保存為MP3格式，發(fā)送時(shí)讀取該MP3文件存入Byte數(shù)組中，然后通過(guò)HTTP協(xié)議發(fā)送該Byte數(shù)組的字符串表示形式。

服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)（1-5），其中，1代表困了，2代表病了，3代表尿了，4代表餓了，5代表無(wú)聊。只要根據(jù)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷就能確定嬰為何啼哭。判斷程序如圖10所示。

2.9.1.5 云服務(wù)原理

系統(tǒng)使用新浪云應(yīng)用（SAE）與云存儲(chǔ)服務(wù)（SCS），如 圖11所示。

首先在新浪云創(chuàng)建云應(yīng)用與云存儲(chǔ)。將服務(wù)器代碼通過(guò)git合并在云應(yīng)用的遠(yuǎn)程倉(cāng)庫(kù)master分支上，然后切換到當(dāng)前版本的代碼。此時(shí)云應(yīng)用和云存儲(chǔ)就可以作為云服務(wù)器使用。我們將解析好的音頻數(shù)據(jù)集以HTTP協(xié)議的POST方法上傳到部署在云應(yīng)用上的php代碼中，php訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，返回比對(duì)結(jié)果。云應(yīng)用部署代碼如圖12所示。

2.9.1.6 啼哭原因識(shí)別原理

啼哭原因識(shí)別將哭聲音頻、生理數(shù)據(jù)、嬰兒現(xiàn)狀三部分結(jié)合分析。其中哭聲音頻比對(duì)分析占50%、生理數(shù)據(jù)占20%、嬰兒現(xiàn)狀占30%，依據(jù)三者的基本權(quán)值得知啼哭的原因。

（1）啼哭聲音頻比對(duì)

哭聲音頻比對(duì)分析根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)庫(kù)中的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比?！皩殞氈簟钡脑贫嘶谛吕嗽品?wù)器開發(fā)，將搭建的云主機(jī)作為云計(jì)算的操作平臺(tái)，操作過(guò)程如下：

a.云主機(jī)接收到啼哭聲的音頻信息時(shí)，將音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，即采樣和量化。采樣即將模擬信號(hào)在時(shí)間域上進(jìn)行等間隔取樣；量化的目的在于將嬰兒啼哭聲信號(hào)波形的幅度值離散化。

b.對(duì)嬰兒啼哭聲的預(yù)加重。通過(guò)預(yù)加重技術(shù)可以提升高頻部分的頻譜，進(jìn)而使整個(gè)頻帶更為平坦，便于語(yǔ)音參數(shù)分析。

c.對(duì)嬰兒啼哭聲的分幀和加窗。分幀操作是將啼哭信號(hào)分段分析，由于嬰兒的聲帶不穩(wěn)定，為了截取嬰兒短時(shí)穩(wěn)定信號(hào)，采用分幀操作；加窗的目的在于提取每一幀特征信號(hào)。

d.對(duì)嬰兒啼哭聲進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)。端點(diǎn)檢測(cè)的目的在于找到啼哭聲聲段的準(zhǔn)確起止位置，有效去除啼哭聲前后的多余噪音后，才能夠確定啼哭聲段的有效數(shù)據(jù)，為后續(xù)獲取更準(zhǔn)確的日哭聲段提供依據(jù)。操作過(guò)程流程如圖13所示。

對(duì)啼哭聲進(jìn)行處理后，大大減少了啼哭聲的噪音，能夠更準(zhǔn)確地獲取啼哭聲的重要信息。使用IMFCC算法提取嬰兒啼哭信號(hào)的特征參數(shù)，該算法在嬰兒啼哭聲的高頻區(qū)域有出眾表現(xiàn)，對(duì)MFCC起到了較好的補(bǔ)充作用，因此將MFCC與IMFCC結(jié)合使用，進(jìn)行啼哭聲提取的優(yōu)化。

啼哭聲識(shí)別算法使用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（DTW）算法，由于嬰兒啼哭聲是一種特殊的“語(yǔ)音信號(hào)”，具有語(yǔ)音信號(hào)的相同特質(zhì)，而DTW是一種語(yǔ)音識(shí)別匹配算法，因此在“寶寶知音”的分析過(guò)程中也使用了這種算法。

（2）生理數(shù)據(jù)獲取

通過(guò)可穿戴設(shè)備上的溫度模塊（心率模塊）采集嬰兒的體溫（心率），并將采集到的體溫（心率）通過(guò)單片機(jī)的串口將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)發(fā)送到手機(jī)客戶端，客戶端將生理數(shù)據(jù)發(fā)送到云主機(jī)，云主機(jī)收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，最后將得出的初步結(jié)果發(fā)送給手機(jī)端。

（3）嬰兒表面現(xiàn)狀

服務(wù)器返回啼哭原因可能性結(jié)果，監(jiān)護(hù)人回答手機(jī)上2～3個(gè)關(guān)于嬰兒表面的問(wèn)題后，手機(jī)端將信息通過(guò)HTTP以表單的形式發(fā)送至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器通過(guò)云計(jì)算得到最終判斷。

綜上所述，將通過(guò)手機(jī)端獲取的三類數(shù)據(jù)分別發(fā)送到云主機(jī)進(jìn)行處理分析，在云端服務(wù)器的云主機(jī)上根據(jù)基本的權(quán)值進(jìn)行結(jié)果比對(duì)，將得到的結(jié)果返回手機(jī)客戶端。啼哭聲原因分析處理流程如圖14所示。

2.9.1.7 哭聲音頻數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)原理

哭聲數(shù)據(jù)的采集并不考慮嬰兒的性別，只是對(duì)啼哭聲進(jìn)行分類標(biāo)識(shí)。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)按照嬰兒啼哭常見的原因類別進(jìn)行劃分，共分為病理性啼哭、饑餓性啼哭、寂寞性啼哭、排泄性啼哭、困倦性啼哭等五類。無(wú)論是手動(dòng)采集的數(shù)據(jù)還是來(lái)源于網(wǎng)上的數(shù)據(jù)，都采用了同樣的方法進(jìn)行標(biāo)注。

手動(dòng)采集的數(shù)據(jù)主要來(lái)自20個(gè)嬰兒，共計(jì)92條。經(jīng)過(guò)分類標(biāo)注后，病理性啼哭有18段、饑餓性啼哭有23段，寂寞性啼哭有13段，排泄性啼哭有23段，困倦性啼哭有15段。

來(lái)源于網(wǎng)上的數(shù)據(jù)，共計(jì)124個(gè)啼哭音頻段。同樣，通過(guò)初步篩選后，最終得到113段，其中病理性啼哭有24段，饑餓性啼哭有31段，寂寞性啼哭有22段，排泄性啼哭有21段，困倦性啼哭有15段。

啼哭聲采集說(shuō)明：

病理性啼哭包括嬰兒發(fā)燒啼哭聲、嬰兒腸絞痛時(shí)啼哭聲、嬰兒腸胃炎時(shí)的啼哭聲。

饑餓性哭聲包括嬰兒生理性饑餓的啼哭聲、嬰兒欲望性饑餓的啼哭聲。endprint

寂寞性啼哭包括嬰兒需要媽媽的懷抱時(shí)的啼哭聲、嬰兒需要玩耍時(shí)的啼哭聲。

排泄性啼哭包括嬰兒尿了、嬰兒拉屎時(shí)的啼哭聲。

困倦性啼哭包括嬰兒啼哭后熟睡前的啼哭聲。

數(shù)據(jù)庫(kù)的建立基于云端服務(wù)器的云存儲(chǔ)服務(wù)。采用新浪云服務(wù)器，其可以提供便捷的操作與高效的處理速率，將數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)在該云服務(wù)器的云存儲(chǔ)中，方便新浪云主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。我們提供了五種基本啼哭類型的哭聲庫(kù)作為App的比對(duì)樣本，并建立了數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)模型。Baby Saying文件如圖15所示。

嬰兒排泄性啼哭、嬰兒饑餓性啼哭、嬰兒寂寞性啼哭、嬰兒病理性啼哭、嬰兒困倦性啼哭等五種啼哭類型的數(shù)據(jù)庫(kù)建立界面如圖16所示。

基于24種嬰兒病理性啼哭建立的數(shù)據(jù)庫(kù)如圖17所示。

由于我們的資源有限，收集的數(shù)據(jù)量十分有限，只有上百條哭聲信息，理論上還不足以準(zhǔn)確匹配，但數(shù)據(jù)庫(kù)的建立為我們提供了對(duì)比的平臺(tái)，能夠保證一定的準(zhǔn)確程度。今后隨著使用量的增加，我們會(huì)繼續(xù)完善該數(shù)據(jù)庫(kù)，增加數(shù)據(jù)量，以提高啼哭原因的分析準(zhǔn)確性。

基于31種局部嬰兒饑餓性啼哭建立的數(shù)據(jù)庫(kù)如圖18所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本作品突破了傳統(tǒng)嬰兒監(jiān)護(hù)產(chǎn)品的局限性，可以實(shí)現(xiàn)嬰兒重要生理參數(shù)、睡姿、踢被狀態(tài)的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并在出現(xiàn)異常情況時(shí)發(fā)出報(bào)警，對(duì)嬰兒啼哭原因進(jìn)行分析識(shí)別，為嬰兒監(jiān)護(hù)提供了一種現(xiàn)代化的方法，同時(shí)還有效解除了家長(zhǎng)在照料嬰兒時(shí)遇到的困難。

（2）本作品采用嬰兒智能襪作為系統(tǒng)檢測(cè)的載體，可在不需要安裝額外設(shè)備的前提下對(duì)嬰兒實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)護(hù)，系統(tǒng)搭建容易，使用方便。

（3）本作品采用智能手機(jī)作為系統(tǒng)的人機(jī)接口，通過(guò)智能手機(jī)應(yīng)用軟件良好的UI設(shè)計(jì)使用戶操作更加簡(jiǎn)單便利，及時(shí)獲得報(bào)警提示信息，便于系統(tǒng)升級(jí)和功能擴(kuò)展。

（4）本作品綜合運(yùn)用可穿戴式設(shè)備技術(shù)、移動(dòng)計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)提出了一種嬰兒監(jiān)護(hù)解決方案。

（5）應(yīng)用信息融合的方法結(jié)合嬰兒哭聲音頻數(shù)據(jù)、生理參數(shù)數(shù)據(jù)、照料人的觀察信息來(lái)進(jìn)行嬰兒啼哭原因的識(shí)別，以提高嬰兒啼哭原因識(shí)別的準(zhǔn)確性。

（6）運(yùn)用大數(shù)據(jù)的概念，在云端建立了嬰兒哭聲音頻數(shù)據(jù)庫(kù)，隨著產(chǎn)品的應(yīng)用推廣與用戶數(shù)量增多，逐漸積累樣本數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步提高嬰兒啼哭原因識(shí)別的準(zhǔn)確性。

4 發(fā)展前景

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前0～3歲的嬰幼兒約有5 000萬(wàn)，嬰幼兒無(wú)法用語(yǔ)言來(lái)準(zhǔn)確表達(dá)自身的狀態(tài)和欲望，需要精心監(jiān)護(hù)，人們對(duì)應(yīng)用高科技開發(fā)的嬰兒監(jiān)護(hù)產(chǎn)品具有極大的興趣，市場(chǎng)需求廣闊。

現(xiàn)有市場(chǎng)上的嬰兒監(jiān)護(hù)產(chǎn)品主要有如下幾種類型：

（1）視頻監(jiān)視產(chǎn)品。該類產(chǎn)品將傳統(tǒng)的視頻安防技術(shù)移植到了嬰兒監(jiān)護(hù)領(lǐng)域。通過(guò)在嬰兒床上安裝攝像頭來(lái)實(shí)時(shí)采集嬰兒的圖像，并借助無(wú)線通信方式將信息傳送到手持終端或手機(jī)上，照料者可以在不同的房間通過(guò)手持終端或手機(jī)觀察嬰兒的狀態(tài)?，F(xiàn)有市場(chǎng)上的該類產(chǎn)品包括摩托羅拉MBP系列無(wú)線嬰兒監(jiān)視器、飛利浦InSight系列無(wú)線高清嬰兒監(jiān)護(hù)儀、大華股份與阿里云聯(lián)合推出的樂(lè)橙小逗寶等，市場(chǎng)價(jià)格約在500～2 000元之間。該類產(chǎn)品可以遠(yuǎn)程監(jiān)視嬰兒的活動(dòng)，但不能分析嬰兒的欲望和生理狀態(tài)，對(duì)提升照料嬰兒的質(zhì)量和及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況的作用有限。

（2）寶寶尿濕提醒器。該類產(chǎn)品一般由一或兩個(gè)發(fā)射器（尿濕感應(yīng)發(fā)射器和動(dòng)作感應(yīng)發(fā)射器）以及一個(gè)接收器組成，發(fā)射器與接收器之間通過(guò)無(wú)線通信連接，當(dāng)出現(xiàn)寶寶睡醒、哭鬧、爬起、踢被、尿濕和汗?jié)竦葼顩r時(shí)，接收器接收相關(guān)信息，并自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警?，F(xiàn)有市場(chǎng)上的該類產(chǎn)品包括愛瑪科YB系列嬰兒尿濕提醒器、沃塔森嬰兒寶寶感應(yīng)尿濕提醒器、凱威達(dá)尿濕報(bào)警器等，市場(chǎng)價(jià)格約在200～500元之間。該類產(chǎn)品能夠有效檢測(cè)出嬰兒出現(xiàn)的尿濕及踢被等現(xiàn)象，但功能有限、使用不便。

（3）嬰幼兒智能體溫監(jiān)護(hù)儀。該類產(chǎn)品由佩帶在嬰兒臂上的連續(xù)檢測(cè)嬰兒體溫和環(huán)境溫度的溫度測(cè)量單元與實(shí)現(xiàn)顯示功能的手機(jī)組成，當(dāng)嬰兒發(fā)燒時(shí)或踢被子后，溫度測(cè)量單元通過(guò)藍(lán)牙通信向照料者手機(jī)發(fā)出報(bào)警信息，或者照料者隨時(shí)查看嬰兒的體溫?，F(xiàn)有市場(chǎng)上的該類產(chǎn)品包括呵護(hù)寶嬰幼兒智能體溫監(jiān)護(hù)儀、樂(lè)測(cè)智能體溫貼等。該類產(chǎn)品能夠佩帶在嬰兒身上，連續(xù)檢測(cè)嬰兒的體溫并在嬰兒發(fā)燒時(shí)發(fā)出報(bào)警，但功能單一。

（4）嬰兒哭聲分析器。該類產(chǎn)品包含兩種類型，一種是嬰兒哭聲分析器硬件產(chǎn)品，在嬰兒哭鬧時(shí)將該產(chǎn)品放在嬰兒旁錄制一段幾十秒的哭聲，系統(tǒng)對(duì)嬰兒的哭聲音頻信息進(jìn)行解析來(lái)判斷出嬰兒表達(dá)出的欲望與狀態(tài)，具體包括Hungry-餓了，Bored-想要人陪，Annoyed-尿了或身體不適，Sleepy-困了，Stressed-緊張有壓力，現(xiàn)有市場(chǎng)上該類產(chǎn)品為美國(guó)格朗電器的“Why Cry Baby Crying Analyzer”，價(jià)格約100美元；另一種產(chǎn)品為安裝在iPhone或Android智能手機(jī)上的App，這款嬰兒哭聲分析軟件能夠幫助翻譯寶寶的哭聲，現(xiàn)有市場(chǎng)上的該類產(chǎn)品為西班牙一家公司開發(fā)的Cry Translator，可以在Apple Store上有償下載。該類產(chǎn)品能夠通過(guò)嬰兒哭聲解析嬰兒的欲望與狀態(tài)，解決了嬰兒無(wú)法用語(yǔ)言表達(dá)給人們帶來(lái)的困惑。但是嬰兒實(shí)際的欲望與狀態(tài)除了與哭聲還與其他信息相關(guān)，所以該解決方案在實(shí)際使用時(shí)的判斷準(zhǔn)確率并不高，沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，逐漸應(yīng)用計(jì)算機(jī)音頻處理技術(shù)來(lái)分析嬰兒的哭聲以確定嬰兒啼哭的原因。日本研究者K Kikuchi等人利用嬰兒哭聲的頻率來(lái)分析嬰兒的欲望和狀態(tài)，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)。上海上悅通信技術(shù)有限公司的孫萍提出了一種嬰兒哭聲解讀方法與裝置，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法將嬰兒哭聲的反應(yīng)狀態(tài)分為饑餓、不適、疲勞、驚嚇、煩躁、生病疼痛6種，并建立了哭聲特征值文件庫(kù)，通過(guò)將采集的當(dāng)前嬰兒哭聲與哭聲特征值文件庫(kù)進(jìn)行比較來(lái)判別哭聲所代表的嬰兒當(dāng)前狀態(tài)。解讀裝置由麥克風(fēng)、語(yǔ)音輸入電路、中央處理器、語(yǔ)音輸出電路、鍵盤、揚(yáng)聲器與液晶顯示器組成。北京大學(xué)深圳研究生院劉宏等提出了一種實(shí)時(shí)嬰兒啼哭聲識(shí)別方法，錄制嬰兒啼哭聲音信號(hào)建立聲音庫(kù)并進(jìn)行預(yù)處理，在判斷時(shí)，采集嬰兒啼哭聲音并依次進(jìn)行分幀、加窗處理后提取實(shí)時(shí)特征向量序列，將獲得的實(shí)時(shí)特征向量序列與模版進(jìn)行匹配得到似然度最大的類，并進(jìn)行投票得出嬰兒啼哭原因的類別。Cry Translator軟件能把嬰兒的各種哭聲歸納到“饑餓、累了、無(wú)聊、生氣、感到壓力”幾種模式中。當(dāng)嬰兒啼哭時(shí)，將智能手機(jī)麥克風(fēng)靠近他，按下開始鍵，10 s之內(nèi)這款軟件就能夠分析出嬰兒的欲望和狀態(tài)，并告訴照料者一些應(yīng)對(duì)的方法。以上研究和產(chǎn)品都僅僅依據(jù)采集的嬰兒哭聲進(jìn)行分析和處理，對(duì)錄音環(huán)境要求較高，沒(méi)有充分利用嬰兒的生理參數(shù)和嬰兒照料者能夠觀察到的信息，實(shí)際應(yīng)用判斷準(zhǔn)確率不高，同時(shí)還缺乏對(duì)嬰兒發(fā)燒、翻身等狀態(tài)的識(shí)別，并未得到廣泛應(yīng)用。

綜上所述，目前市場(chǎng)上還缺少能夠全面、可靠、便捷地幫助嬰兒照料者識(shí)別嬰兒體溫、心率、姿態(tài)是否正常，嬰兒是否饑餓、寂寞、困倦、病痛、恐懼，并在出現(xiàn)異常時(shí)立即報(bào)警提示的產(chǎn)品。本項(xiàng)目提出和實(shí)現(xiàn)了一種融合嬰兒生理參數(shù)、嬰兒哭聲音頻數(shù)據(jù)、監(jiān)護(hù)人觀察到的嬰兒表現(xiàn)信息的嬰兒欲望與狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)及方法。所開發(fā)的智能嬰兒襪能夠幫助嬰兒照料者識(shí)別嬰兒的體溫、心率、姿態(tài)是否正常，嬰兒是否饑餓、寂寞、困倦、病痛、恐懼，并在出現(xiàn)異常時(shí)立即報(bào)警提示，提出對(duì)應(yīng)的處理建議。本產(chǎn)品科技含量高、功能全面，處于黃金時(shí)機(jī)，具有巨大的市場(chǎng)潛力。

本項(xiàng)目是將智能手機(jī)與可穿戴設(shè)備相結(jié)合，將哭聲音頻分析、生理參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)、人機(jī)交互信息融合為一體所設(shè)計(jì)的名為“Baby Saying”的嬰兒欲望與狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，用以幫助初為人父母的年輕家長(zhǎng)或嬰兒照料者準(zhǔn)確了解嬰兒的意圖和狀態(tài)，并及時(shí)發(fā)出提示和報(bào)警信息，以保護(hù)嬰兒安全，減少嬰兒家人的煩惱，使得人們的家庭生活更幸福。測(cè)試結(jié)果表明，“Baby Saying”能夠?qū)崿F(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)和商品化后將有廣闊的市場(chǎng)前景。endprint