基于無線調頻通信的多功能嬰幼兒安全監護系統設計

彭熙 錢瑩晶

摘 要：為了能提高嬰幼兒監護的效率和實現嬰幼兒監護人生活的多樣化，設計了一種基于無線調頻通信的多功能嬰幼兒安全監護系統。系統的核心以STM32為主處理器、LC振蕩電路為無線調頻器、TA8164為解調器。系統包括嬰幼兒端和監護人端，嬰幼兒端通過語音采集模塊采集嬰幼兒房的語音信息，通過無線發射模塊的無線調頻方式發送至監護人端，并同時進行相應的信號處理來實現對嬰幼兒的安全監護。測試結果表明，該系統具有語音信息的發送和接收、語音識別、聲光報警和嬰幼兒房端掉電提示等功能，系統成本低、輻射小、人機交互操作方便。

關鍵詞：語音識別 LC振蕩電路 TA8164 STM32 無線調頻

中圖分類號：TN87 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0025-03

隨著人們生活水平的提高和改善，嬰幼兒生活的安全保障已經成為社會和家庭日益關注的問題。嬰幼兒的生活成長需要配有專人專職的照顧，通常需要監護人全天候地看管并及時地掌握嬰幼兒的生活狀態，即使在嬰幼兒睡覺狀態也要時刻觀察是否醒來，極大地增加了監護人的勞動強度并制約了監護人的生活工作質量。另外，現代家庭中普遍存在有養貓和狗等寵物，難免在監護人繁忙或注意力不集中時會進入嬰幼兒房內，此時將對嬰幼兒的人身安全帶來一定的危害[1]。

目前市面上已經有很多市場化嬰幼兒監護產品和公開的嬰幼兒監護產品，但仍存在如下4個方面的問題。一是缺少對指定嬰幼兒哭啼聲的身份鑒別，存在大量的誤判，如基于音頻傳感器的檢測裝置，無法準確地判斷是否為指定嬰幼兒發出的哭啼聲[2]。家里的寵物可能進入嬰幼兒房對其安全造成威脅，大多數產品無法判斷當嬰幼兒啼哭時伴隨著的其他多種聲音類型。二是有些報警系統要么只有聲音，要么只有屏幕顯示，沒有聲、光、視三覺的同時報警，無法滿足盲人、聾啞人等各種人群的需要[3]。三是當語音識別提示是嬰幼兒啼哭的狀態或有其他危險狀態時，無法及時地在監護人側終端進行監聽并實時掌握其情況[4]。四是市面上大多產品大多采用SIM卡進行信息發送，或者工作在很高頻率段，很多人對于產品的輻射表示擔心。因此，設計一種基于無線調頻通信的多功能嬰幼兒安全監護裝置有著重要的實用價值。

為了更好地滿足實際生活的需要，該系統具備如下功能：

（1）語音信號的發送和接收；

（2）語音識別功能；

（3）顯示語音識別結果；

（4）判斷危險情況并進行聲光報警的功能；

（5）嬰幼兒端掉電提醒和監聽嬰幼兒房的功能；

（6）工作在調頻段，能達到低功率、低輻射，綠色環保。

1 系統的設計及工作過程

多功能嬰幼兒安全監護系統由嬰幼兒端和監護人端兩個部分組成。嬰幼兒端包括語音采集模塊與無線發射模塊；監護人端包括無線接收模塊、語音識別與控制模塊、聲光報警模塊、語音播放模塊與人機交互顯示模塊（如圖1所示）。

系統通過語音采集模塊收錄嬰幼兒房的語音信號，經過FM調制后無線傳輸到監護人端的無線接收模塊，依次經過TA8164解調和LM386高頻放大原語音信號，之后既可以通過語音播放模塊進行語音播放，也可以通過語音識別模塊、聲光報警模塊和人機交互顯示模塊實現語音快速識別與結果顯示、危險情況的聲光報警和及時監聽嬰幼兒房的功能。

2 系統硬件的設計

在該系統中，硬件設計在嬰幼兒端采用分立原件構成，而監護人端的電路結構是以TA8164、LM386和LM258芯片為主，在這里給出嬰幼兒端和監護人端的硬件電路整體設計，其核心包括無線FM調制發射電路、TA8164的解調電路和嬰幼兒端掉電提醒電路。

在該系統中，語音的采集使用高保真的麥克風，無線FM調制采用分立原件構成的LC諧振電路，解調電路的核心是東芝公司的TA8164，語音識別采用的是意法半導體公司的STM32，語音識別結果顯示和按鍵操作采用TFT-LCD液晶觸摸屏。由于篇幅有限，給出嬰幼兒端電路設計如圖2。下面介紹幾個關鍵電路。

2.1 無線FM調制發射電路

FM調制具備有良好的抗噪聲性能并且無失真地傳送語音信號。該系統的調制采用的是LC振蕩電路，語音采集模塊將收錄的語音信號先經過一級電壓放大電路處理之后直接由LC調諧回路進行FM調制，調制頻率在20～30MHz范圍內可調，最后將已調信號經過天線匹配電路通過天線發送至監護人端，調制采用LC調諧回路，電路結構簡單、輻射小、調制頻率穩定，及有良好的抗噪聲性能。

2.2 TA8164解調電路

嬰幼兒端的語音信號通過無線調頻發送至監護人端，該系統的解調由TA8164完成，其過程是先將等幅調頻信號送入頻率-幅度變換網絡，變換成成AM-FM信號，然后經過包絡檢波器還原出原調制語音信號[5]。在調頻信號中心頻率fc上，輸出電壓U0=0，當信號頻率偏離中心頻率升高、下降時，輸出電壓將分別向正負極性方向變化；在中心頻率fc附近，U0與f之間近似為線性，當頻率偏移過大，輸出電壓將會減小。

該系統解調采用的是TA8164完成，TA8164集成芯片采用16引腳雙列直插結構，內部集成高頻放大電路、本振電路、混頻電路、中頻放大電路和鑒頻器，已調信號通過第1引腳輸入，依次經過內部的高頻放大器、變頻器、中頻放大器和鑒頻器的處理，最后從第11引腳輸出原語音信號，因TA8164高度的集成化，進而只需在其外圍設計少許分立電子原件即可構成完整的解調電路，使其具有成本低、結構簡單、性能突出等優點。圖3為TA8164解調電路結構圖。

2.3 嬰幼兒端掉電提醒電路

為了提高該系統的實用性，在監護人端設計嬰幼兒端掉電提醒電路，利用LM258內部的運算放大器組成電壓比較電路，從TA8164的第11引腳輸出的模擬電壓信號與基準電壓相比較，其兩路輸入均為模擬信號，輸出則為二進制電平，當輸入電壓的差值增大或減小且正負符號不變時，其輸出保持恒定，當出現嬰幼兒端掉電情況，TA8164的第11引腳解調輸出的信號電壓會低于基準電壓，則通過比較電路的處理可輸出一定模擬電壓將同時驅動蜂鳴器發出響聲和LED燈閃爍以提示監護人。

3 系統的軟件設計

該系統的軟件設計以STM32為主控制器實現語音識別、聲光報警和現場監聽功能，在這里重點講述語音識別軟件設計、危險情況的聲光報警軟件設計。系統軟件的整體設計如圖4所示。

3.1 語音識別軟件設計

在該系統中，語音識別設計是先將經過解調并且放大后的語音信號進行模擬信號到數字信號的轉換處理，再進行快速傅里葉變換成頻域信號，然后通過DSP處理提取語音的特征值并將其存到STM32的RAM存儲器中建立語音特征值模板庫，最后設計特征值匹配算法進行語音識別。該系統的語音識別的原理如圖5所示。

語音識別軟件的設計首先要進行初始化，初始化的過程包括主控制器STM32中對模擬信號輸入GPIO引腳的初始化、DMA初始化、定時器初始化和AD采樣頻率初始化[6]；然后進行AD轉換，將模擬信號轉變為數字信號；因為在實際信道難免會受到各種噪聲的干擾，故而需要不斷地進行語音輸入的判斷，從而提高語音識別效率；當判斷結果為語音輸入時則進行語音識別；最后，在識別成功之后可將結果通過TFT-LCD屏幕顯示出來。

3.2 危險情況的聲光報警軟件設計

該系統在語音識別結束后立即對識別結果進行判斷，當識別結果為嬰幼兒哭或者哭聲和寵物的混合音時判斷為危險情況，由STM32主控制器發送指令給聲光報警模塊同時驅動LED燈閃爍和喇叭發出聲音進行聲光報警。

4 系統測試結果

該系統在運行時，嬰幼兒房端和監護人端之間能穿墻達到50余米的語音通信距離，監護人端能及時地識別出接收到的語音信號并將識別結果通過TFT-LCD屏幕顯示，語音識別的頻率范圍為500Hz～20kHz，同時系統能進行識別結果的判斷，當判斷結果為危險情況，則進行相應地聲光報警，另外，當監護人收到報警信號時，在監護人端能通過點擊其中的紅色觸摸按鍵實現對嬰幼兒端監聽的功能，在監護人端能識別出單一頻率和混合頻率的語音，并將識別結果和語音頻譜圖顯示出來，語音識別的速度快且準確度高。測試中的03、04、05等為語音編號，語音信號頻譜顯示范圍為0～20kHz。系統測試結果如圖6所示。

5 結語

通過測試表明該系統能夠實時采集嬰幼兒房的語音信號，通過無線調頻方式發送到監護人端并具有語音識別、聲光報警和現場監聽等功能，系統成本低廉、操作簡單、界面友好，能夠達到實時地監護嬰幼兒的生活狀態，大大地減輕了監護人監護勞動強度，并提高了監護人生活質量，也極大地保障了嬰幼兒的人身安全。隨著人們日益增長的生活水平需要和科技的不斷發展，以該系統為代表技術和概念的多功能嬰幼兒安全監護系統必將廣泛應用于嬰幼兒監護領域之中。

參考文獻

[1] 劉永凱.一種基于智能手機的新型嬰兒睡眠監護系統設計[D].北京理工大學，2008.

[2] 杜仲平.基于音頻監控的嬰兒智能監護系統設計[D].天津大學，2016.

[3] 楊振雷.智能嬰兒監護系統設計[J].電子世界，2012（22）：127-128.

[4] 李國誠，陳佳明，李偉林，等.基于物聯網的嬰兒實時監控系統的設計[J].電子設計工程，2015（18）：186-189.

[5] 張肅文.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6] 黃智偉，王兵，朱衛華.STM32F 32位ARM微控制器應用設計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.