楊晨昊 米月琴 王新懷 石佳澤 周明德

關(guān)鍵詞：嬰兒監(jiān)護(hù)；哭聲識(shí)別；尿床檢測(cè)；預(yù)警

0引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，家長(zhǎng)也越來(lái)越重視孩子在嬰幼兒時(shí)期的成長(zhǎng)發(fā)育。傳統(tǒng)的嬰兒監(jiān)護(hù)裝置通常具有聲音、視頻監(jiān)測(cè)等功能，但因受到環(huán)境干擾其檢測(cè)準(zhǔn)確性有限。市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品監(jiān)護(hù)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(jìn)行監(jiān)測(cè)會(huì)使孩子產(chǎn)生不適；非接觸式監(jiān)測(cè)可能導(dǎo)致準(zhǔn)確性不足；市售裝置的哭聲檢測(cè)模塊準(zhǔn)確率不高，這些問(wèn)題均未得到有效解決。

因此，本文設(shè)計(jì)了一款嬰兒狀態(tài)監(jiān)護(hù)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(cè)模塊的準(zhǔn)確性；在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計(jì)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(cè)準(zhǔn)確性。通過(guò)優(yōu)化裝置的電路結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能，提升用戶(hù)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，幫助家長(zhǎng)高效地看護(hù)嬰兒，且該裝置的應(yīng)用前景更廣泛。

1總體設(shè)計(jì)

該裝置由控制系統(tǒng)、聲音檢測(cè)系統(tǒng)、濕度檢測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)護(hù)預(yù)警系統(tǒng)4個(gè)部分組成，各系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒狀態(tài)的監(jiān)護(hù)和預(yù)警。采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為控制中樞，與各子系統(tǒng)相互連接，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理所有子系統(tǒng)的運(yùn)行，接收各傳感器發(fā)出的警報(bào)信號(hào)，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。在實(shí)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(jìn)行協(xié)調(diào)和分析，控制系統(tǒng)可以觸發(fā)相應(yīng)的警報(bào)和提示。例如，當(dāng)聲音檢測(cè)系統(tǒng)、濕度檢測(cè)系統(tǒng)分別監(jiān)測(cè)到嬰兒啼哭、尿床等異常情況時(shí)，控制系統(tǒng)將相應(yīng)的信息傳遞給監(jiān)護(hù)預(yù)警系統(tǒng)，發(fā)出相應(yīng)警報(bào)。這些系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)了嬰兒狀態(tài)監(jiān)護(hù)預(yù)警裝置的核心功能，為家長(zhǎng)提供了全面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能，幫助看護(hù)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(cè)系統(tǒng)

哭啼檢測(cè)方法是先在嬰兒頭部附近放置一個(gè)麥克風(fēng)，拾取嬰兒的哭啼聲音，麥克風(fēng)采集語(yǔ)音信號(hào)，將采集到的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，獲得頻率為300～4000Hz的信號(hào)，經(jīng)過(guò)語(yǔ)音檢測(cè)模塊，判斷是否為嬰兒哭聲，最后對(duì)聲音進(jìn)行分類(lèi)，判斷嬰兒狀態(tài)是疲倦或饑餓等。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試不同干擾下聲音識(shí)別數(shù)據(jù)如表1所示。

2.1硬件電路設(shè)計(jì)

濾波電路是一種能讓指定頻段的信號(hào)順利通過(guò)而對(duì)其他頻段的信號(hào)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(cè)模塊連接，濾波電路保留嬰兒哭聲所在頻段300～4000Hz的信號(hào)，以減少輸入信號(hào)中其他頻帶的干擾。這有助于提高聲音信號(hào)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(guò)濾波電路后，哭聲檢測(cè)模塊控制程序流程如圖3所示。

3濕度檢測(cè)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(cè)導(dǎo)水紙帶的濕度，當(dāng)濕度達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，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(bào)。

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(gè)夾持面配合夾緊床單；夾持件2的兩個(gè)夾持面上分別設(shè)置有正極探頭和負(fù)極探頭，通過(guò)正極探頭和負(fù)極探頭夾持多個(gè)導(dǎo)水紙帶的另一端，當(dāng)導(dǎo)水紙帶上有尿液時(shí)，正極探頭和負(fù)極探頭導(dǎo)電形成電信號(hào)。傳感器夾子可根據(jù)濕度傳感器有無(wú)輸入信號(hào)判斷嬰兒是否尿床，并在嬰兒尿床時(shí)發(fā)出警報(bào)。這也解決了當(dāng)需要頻繁地更換紙帶時(shí)，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(gè)導(dǎo)水紙帶均勻設(shè)置在床單下層靠近嬰兒的位置，通過(guò)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(huì)滲回床褥和床板。

4監(jiān)護(hù)預(yù)警系統(tǒng)

監(jiān)護(hù)預(yù)警系統(tǒng)可控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)信號(hào)，語(yǔ)音播報(bào)模塊通過(guò)播放安撫音樂(lè)，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(zhǎng)判斷嬰兒狀態(tài)。另外，所有信息數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi模塊上傳至云端，以便家長(zhǎng)隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)和監(jiān)測(cè)嬰兒的狀態(tài)。

5結(jié)論

一款合適的嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能幫助家長(zhǎng)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)嬰兒的活動(dòng)情況，將可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)在第一時(shí)間向家長(zhǎng)預(yù)警，利于家長(zhǎng)及時(shí)應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)。因此開(kāi)發(fā)一種功臺(tái)旨全面、安全可靠的嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)很有必要。本文設(shè)計(jì)了一款嬰兒狀態(tài)監(jiān)護(hù)預(yù)警裝置，由控制系統(tǒng)、聲音檢測(cè)系統(tǒng)、濕度檢測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)護(hù)預(yù)警系統(tǒng)4個(gè)部分組成，改進(jìn)了傳統(tǒng)嬰兒檢測(cè)裝置的電路結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其具有更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為家長(zhǎng)照顧嬰兒提供了更好的解決方案，降低了看護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。