摘 要：【目的】為了使聽障人群能在室內及時發(fā)現嬰兒的哭鬧，更好地照看嬰兒，設計出一款面向聽障家庭的智能嬰兒床系統(tǒng)。【方法】該系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機為主控芯片，通過聲音傳感器和溫度傳感器采集數據，實現對嬰兒的實時監(jiān)控。當嬰兒哭鬧或體溫異常時，會將異常信息發(fā)至監(jiān)護人所佩戴的手環(huán)，通過手環(huán)震動來提醒監(jiān)護人?！窘Y果】測試結果表明，該智能嬰兒床系統(tǒng)可以確保聽障人群在盡可能簡約的條件下及時回應嬰兒哭鬧或體溫異常，使聽障人群能更好地照看嬰兒?！窘Y論】研究成果為特定人群在生活中提供幫助。

關鍵詞：聽障人群；STM32F103C8T6；聲音傳感器；溫度傳感器；佩戴手環(huán)

中圖分類號：TP368.1" " 文獻標志碼：A" " " 文章編號：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

據世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全球不同程度聽力受損的人口超15億，其中，中國聽障人士有2 780萬人，占全國殘疾總人數的30%以上，這相當于全國每50個人中就有一位聽障人士［1］。聽障父母在照顧嬰兒時，常常會遇到信息獲取難題。傳統(tǒng)的嬰兒監(jiān)護方式依賴于聲音信號（如嬰兒的哭聲），但對聽障家庭來說，可能會導致重要信息漏失，進而影響嬰兒安全。因此，開發(fā)一款聽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)，結合現代科技，開發(fā)一款基于單片機的智能嬰兒床系統(tǒng)，通過集成先進的聲音識別技術、體溫監(jiān)測技術、振動提醒機制，能實時感知并準確識別嬰兒的哭聲、體溫等信息，并轉化為聽障父母可感知的振動信號。這一設計不僅增強了聽障父母與嬰兒之間的互動，還能提升嬰兒的安全感和舒適度，為聽障家庭提供更為友好的育兒方式。

1 整體設計方案

本研究設計的系統(tǒng)主要有硬件和軟件這兩部分組成，總體設計框架如圖1所示。其中，硬件部分以單片機STM32F103C8T6為主控，其與無線接收模塊NRF24L01+、無線發(fā)送模塊NRF24L01+、聲音檢測模塊MLX90640、紅外體溫人體檢測模塊LU90614、震動器Vibration Motor模塊相互配合，共同實現整個系統(tǒng)的功能。其中，聲音檢測模塊和紅外測溫模塊分別對嬰兒哭鬧聲、體溫進行監(jiān)測和記錄，通過預先編程好的程序和算法對數據進行分析處理，將異常數據發(fā)送到第二通信裝置，引起震動器Vibration Motor震動，能有效提醒嬰兒監(jiān)護人。

2 硬件設計

2.1 微控器

以STM32F103C8T6為主控芯片，其是一款基于ARM Cortex-M3內核的32位微控制器，內置的ARM Cortex-M3處理器的時鐘速度靈活可調，最高主頻為72 MHz，包括GPIO（通用輸入/輸出）、USART（串口通信）、SPI（串行外設接口）、I2C（I2C總線）、定時器、PWM控制器、ADC（模數轉換器）。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，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；撒嬌時發(fā)出的哭聲頻率為400～600 Hz；饑餓時發(fā)出的哭聲頻率為600～800 Hz；難過時發(fā)出的哭聲頻率為800～100 Hz；生氣時發(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，并將聲音信號轉換為電信號，電路原理如圖3所示。對上述音頻信號采集并進行濾波處理，濾出預設頻率范圍（350～1 250 Hz）的電信號，從而及時提醒監(jiān)護人照看嬰兒。

2.3 溫度采集模塊

本研究使用MLX90640紅外測溫傳感器測量嬰兒體溫，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系統(tǒng)聚焦到一個探測器上，探測器將紅外輻射能量轉換為

電信號，并將其傳送到信號處理器［3］。信號處理器對接收到的電信號進行處理和分析，根據測量信號的強度和頻率來計算物體溫度。MLX90640的測量速率最高為64 Hz，且感應靈敏，在1 Hz 時可以區(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37.5 ℃為低燒狀態(tài)，超過39.0 ℃為高燒狀態(tài)，所以將溫度設定為36.2～37.6 ℃［4］。當監(jiān)測到的體溫低于36.2 ℃或高于37.6 ℃，會向第二通信裝置發(fā)出信號，觸發(fā)報警裝置。

2.4 無線通信模塊

本研究設計的產品通過NRF24L01無線通信模塊與看護主體和佩戴手環(huán)相連接，將嬰兒異常信息轉化為電信號，引起手環(huán)震動，提醒監(jiān)護人。其支持六路通道的數據接收，且工作電壓低（1.9～3.6 V），但其2 Mbps空中傳輸縮點時間能減少無線傳輸中的碰撞現象（軟件設置1 Mbps或2 Mbps的空中傳輸速率）。此外，NRF24L01有125個頻點，能滿足多點通信和跳頻通信需要，且其體型較小，內置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)議相關的高速信號處理部分［5］，電路原理如圖5所示。

2.5 Vibration Motor震動模塊

本研究設計的產品采用的報警模塊為直流電機手機震動器（Vibration Motor）模塊，如圖6所示。該模塊采用高品質手機震動馬達，震動效果明顯，mos放大驅動可直接通過Ard數字口進行控制，并通過PWM控制馬達的震動強度，該模塊完成電信號到機械震動感的轉換。當輸入為高電平時，電動機會震動；當第一通信裝置發(fā)送信號至第二通信裝置時，會引起Vibration Motor震動模塊，從而有效提醒監(jiān)護人照看嬰兒。

3 軟件設計

3.1 軟件整體設計

程序開始運行時，先對系統(tǒng)進行初始化，包括延時函數、LM386聲音傳感器、LU90614紅外測溫傳感器、NRF24L01無線收發(fā)模塊、Vibration Motor震動模塊、GPIO等的初始化。同時，初始化STM32F103C8T6作為主控芯片，系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。程序在運行過程中會濾出預設頻率范圍（350～1 250 Hz）和體溫范圍（低于36.2 ℃或高于37.6 ℃）的電信號，使第一通信裝置向第二通信裝置發(fā)送信號，當第二通信裝置收到信號后會激活Vibration Motor震動模塊，引起手環(huán)震動，從而有效提醒監(jiān)護人。

3.2 聲音識別技術

Matlab軟件被廣泛運用于自動控制、數學運算、信號分析、計算機技術、圖像信號處理、語音處理和雷達工程等行業(yè)中，是國內外高校和研究部門科學研究的重要工具［6］。

Matlab程序如下。

［y，Fs］=audioread（′baby.mp3′）；//讀入嬰兒哭聲

p=audioplayer（y，Fs）；//播放讀入的數據

play（p）；

t=（1：length（y））/Fs；//做出嬰兒哭聲信號時域圖

plot（t，y）；

xlabel（′時間/s′）；

ylabel（′幅度′）；

title（′嬰兒哭聲信號時域圖′）；

除檢測嬰兒哭聲外，本研究還引入Dunstan嬰兒語言模型（Dunstan Baby Language，DBL），是由Dunstan開發(fā)的適用于0至3個月嬰兒的哭聲模型。根據哭聲的前音，將其劃分為五種不同類型的需求。當吸吮反射被觸發(fā)，舌頭被頂到口腔上顎時，嬰兒會發(fā)出“Neh”聲，表示嬰兒饑餓，需要進食；當感到不適或可能需要更換尿布時，嬰兒會發(fā)出“Heh”聲，這種聲音是對皮膚反射的響應，如感覺到汗水或瘙癢；當感到需要打嗝時，嬰兒會發(fā)出“Eh”聲，這種聲音是由嬰兒試圖將嗝釋放出口時產生的；當感到脹氣或胃部不適時，嬰兒會發(fā)出“Eairh”聲，這種聲音表明嬰兒正在排便；當感到疲倦時，嬰兒會發(fā)出“Owh”聲，其類似于可聽見的哈欠，表示嬰兒疲倦，需要休息［7］。在檢測嬰兒聲音時進一步細化，能更好地輔助監(jiān)護人看護嬰兒。

4 系統(tǒng)測試

在完成對智能嬰兒床系統(tǒng)硬件和軟件設計的基礎上，對智能嬰兒床系統(tǒng)進行功能測試，測試過程如下。

①給系統(tǒng)上電，此時系統(tǒng)處于自動模式，NRF24L01無線收發(fā)處于關閉狀態(tài)。當系統(tǒng)處于自動模式時，測試人員對系統(tǒng)假裝哭鬧，如果聲音傳感器檢測到哭鬧聲，則觸發(fā)NRF24L01無線收發(fā)模塊，第一通信裝置發(fā)送電信號至第二通信裝置，從而激活Vibration Motor震動模塊，及時提醒監(jiān)護人。如果再次檢測到哭鬧聲，重復上述過程。

②當系統(tǒng)處于自動模式時，測試人員將水盆放入嬰兒床中，通過水溫變化來模擬嬰兒體溫，如果溫度傳感器檢測到溫度低于36.2 ℃或高于37.6 ℃，則會觸發(fā)NRF24L01無線收發(fā)模塊，第一通信裝置發(fā)送電信號至第二通信裝置，激活Vibration Motor震動模塊，并及時提醒監(jiān)護人。如果再次檢測到溫度，重復上述過程。

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

5 結語

本研究設計了一款針對聽障家庭的智能嬰兒床，基于STM32F103C8T6單片機，結合視覺、觸覺和智能監(jiān)控技術，通過聲音識別、溫度監(jiān)測和手環(huán)震動等智能化功能，為聽障父母提供了更為便捷、高效的嬰兒照顧解決方案，使聽障父母能更好地照顧嬰兒，同時促進家庭成員間的互動。在滿足使用性能的前提下，充分考慮聽障父母的經濟負擔能力。測試結果表明，該智能嬰兒床具有較高的實用性和可靠性。本研究為聽障專用品的發(fā)展提供有益的參考價值和借鑒，未來將繼續(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。

參考文獻：

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［3］陳誠，何錦清，孫華.基于MLX90640探頭的熱成像圖劃分區(qū)域的研究［J］. 電子制作，2021（5）：88-90.

［4］聶茹.基于STM32 的智能嬰兒搖籃系統(tǒng)設計與實現［J］.信息技術，2021（9）：84-88.

［5］陳奇生，梁桂英.USB姿態(tài)感應游戲手柄設計［J］.電子設計，2018（1）：177，179.

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［7］才讓卓瑪，劉鵬飛，馬光祥.嬰兒情感識別綜述［J］.計算機工程與應用，2024，60（19）：32-45.