基于純硬件的嬰兒監護器的設計

李 楠，劉曉潔

（東華大學 信息學院，上海 201620）

0 引 言

嬰兒監護器是一種家庭用安防產品。通過這種裝置，父母或者監護人不再需要寸步不離地守候在嬰兒的身旁，父母或監護人可以在別的房間甚至室外院落中處理其他事務。他們在處理別的事務時，對孩子的情況能了如指掌，不必再時刻提心吊膽；當異常情況出現時立即可以察覺并進行處理，也避免了頻繁查看影響嬰兒休息。此外，該嬰兒監護器不僅用于嬰兒監護，還廣泛適用于老人看護及超市、公司、學校、家庭、醫院等小型場所的安全防護[1]。

1 設計背景

1.1 國內外現狀

國內外嬰兒監護器品種繁多，但結構基本上分為兩大部分：監控部分和監視部分。一般監視部分放在嬰兒房間或其他嬰兒經常出現的場所，通過無線信號把嬰兒活動情況傳送到監控部分上。在國外，父母將孩子單獨放在房間里培養其獨立能力，因而嬰兒監護器使用較普遍[2]。在國內，由于大部分家庭居住面積不大以及傳統習慣問題，監護器使用較少。

1.2 設計意義

隨著人口老齡化和超低生育率問題的出現，國家衛計委優化了生育政策，放開“二胎”。此外，隨著人們生活水平的不斷提高，家庭居住面積也不斷增大，安全意識不斷增強，嬰兒監護器的關注度也越來越高。所以，設計一款合適的嬰兒監護器顯得尤為重要，它有助于幫助父母更好地看護孩子，可以給父母節省更多可利用的寶貴時間，從而提高父母生活的自由性和靈活性。文中設計的嬰兒監護器以調頻方式工作，用于近距離視距以外處對嬰兒的監護。它采用純硬件電路來實現，分為監控和監聽兩個部分。監聽器能監聽到距離大于10 m的不同房間里的嬰兒哭聲和吵鬧聲，當嬰兒哭聲、吵鬧聲持續一定時間，嬰兒踢被子、尿濕被子或監控器不工作時，監聽器都會發出報警[3]。

2 系統方案選擇

近年來，ZigBee、藍牙（Bluetooth）、無線寬帶（WiFi）、超寬帶（UWB）和近場通信（NFC）等近距離無線通信標準得到廣泛應用，因此，文中設計的嬰兒監護器在近距離視距以外處的通信也采用無線通信方式，它由發射模塊和接收模塊兩部分組成，把所需傳送的信息加載在高頻中發射出去[4]。本系統的原理框圖如圖1、圖2所示。

圖1 監控設計原理框圖

圖2 監聽設計原理框圖

2.1 調頻發射部分

常見的調頻方式有直接調頻方式、采用鎖相環技術的調頻方式和采用DDS頻率全盛技術的調頻方式。直接調頻是晶體管等器件的調制特性，用調制信號的電壓幅度直接控制振蕩器的振蕩頻率，使其不失真地反映調制信號的變化規律。

直接調頻也有很多方法，具體如下：

（1）電容話筒式的調頻方法是將電容式話筒直接連在振蕩器的諧振回路上，當對著話筒講話時，在聲波的作用下，話筒的金屬膜片振動，引起膜片與另外一個電極的電容量變化，使振蕩器頻率做相應的變化，從而實現調頻。

（2）晶體三極管調頻是在晶體管PN結上加一個反向電壓，如果這個反向電壓發生變化，將會引起結電容的變化，這就是PN結的變容效應。在晶體三極管電路中，集電結就是一個加上反向電壓的PN結，利用集電結的變容效應，可以達到調頻的目的，其通常工作在幾十MHz以上的工作頻率范圍。

（3）變容二極管調頻具有電路簡單而性能好的優點，是被廣泛采用的一種調頻電路。變容二極管是根據PN結結電容能隨反向電壓而變化的原理所設計的一種二極管。它的伏安特性、電極結構與一般檢波二極管沒有明顯差別，所不同的是在一定的反向電壓下，其結電容能靈敏地隨反向偏壓而變化。由于變容二極管有這樣一種特性，把它接在振蕩器的回路里，回路的電容量將明顯地隨調制電壓而變化，從而改變了振蕩回路的振蕩頻率。

鑒于實用性考慮，本設計采用變容二極管進行直接調頻。

2.2 調頻接收部分

目前調頻接收技術較成熟，市面上已有多種集成器件，性能較好，電路簡潔，一般包含高頻接收放大、變頻、中頻放大、解調制電路等。如CXA1019、CXA1191、CXA1619等。TDA7088調頻接收芯片是應用較廣的器件之一[5]。它包含了調頻收音機中從天線接收、振蕩器、混頻器、AFC（頻率自動控制）電路、中頻放大器（中頻頻率為70 kHz）、中頻限幅器、中頻濾波器、鑒頻器、低頻靜噪電路、音頻輸出等全部功能，還專門設有搜索調諧電路、信號檢測電路及頻率鎖定環路。其電路性能穩定，應用技術簡單，主要用于低成本的裝置中。本設計就采用TDA7088作為前端電路。

3 系統的設計

3.1 實時聲音傳送的設計

這里利用MIC拾取嬰兒聲音轉換成電信號，放大后作為調制信號對載波進行調頻，載波頻率選擇為32 MHz。放大電路中選用間質較好的NE5532寬帶運算放大器放大聲音信號[6]。為了正確反映聲音大小，放大電路不設置音量自控電路。頻率調制采用變容二極管振蕩電路直接調制。以上部分均由小規模電路完成[7]。拾音及放大電路如圖3所示。

圖3 拾音及放大電路

3.2 射頻產生電路與發射電路

考慮電路的實用性，射頻產生電路采用電容三點式振蕩器，由LC元件直接產生射頻。振蕩電路產生的高頻信號通過功率輸出電路放大后輸出。射頻產生及發射電路如圖4所示。

圖4 射頻產生及發射電路

3.3 調頻接收電路

調頻接收電路以調頻接收芯片TDA7088為核心組成。與其他電路不同的是它的接收頻率在32 MHz附近。調頻接收電路如圖5所示。

圖5 調頻接收電路

3.4 報警電路

如果嬰兒哭聲、吵鬧聲持續了一定時間，嬰兒踢被子、尿濕被子了或者監控器不工作了，監聽器都會發出報警等信號。

當嬰兒哭聲、吵鬧聲持續了一定時間，這時監聽器的報警電路一來用計時電路來控制延時時間，并使用可重復觸發電路來觸發計時器。這里應用BISS0001集成塊來做觸發電路。BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路，其是由運算放大器、電壓比較器、狀態控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數/?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋電紅外開關。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門等裝置，內設延遲時間定時器和封鎖時間定時器[8]。BISS0001是一個可重復觸發的集成塊，當無信號輸入時，輸出為高電平，反之則輸出低電平。這里用CD4060來做計時器。CD4060的計數頻率由其外接振蕩電阻和電容決定。其復位端由BISS0001的輸出信號控制。當為高電平時計時，低電平時清零。當無音頻信號輸入時，計數器應該處于清零狀態，而當有信號時處于計數狀態，但是這正與BISS0001的輸出相反。所以在BISS0001的輸出口與CD4060的復位端之間應加一個反相器。

當嬰兒踢被子、尿濕被子或監控器不工作時，為了在傳送聲音的同時傳送溫度、尿濕等信息，在監控器中設置15 kHz的音頻振蕩器，發送音頻信號。既能適用15 kHz以下的調制頻帶范圍，又能避開一般的語聲、哭聲頻率范圍，使得接收器電路能對不同頻率的信號加以區分。15 kHz的音頻信號還可以作為監控器是否處于正常工作的標致性信息使用。正常情況下，15 kHz音頻振蕩器處于振蕩狀態。15 kHz音頻振蕩器電路采用RC橋式振蕩電路，如圖6所示?？紤]到被子被踢時，溫度會下降，則用一個熱敏電阻來檢測是否被子被踢，然后送至比較器比較。同樣，尿濕被子可用兩片金屬片之間夾一棉花層，當干燥時，處于絕緣狀態，而當尿濕時，棉花層有電解液，會處于導電狀態，從而改變電阻，所以可以用此裝置與一合適電阻分壓，送至比較器與基準電壓比較，來控制是否發射15 kHz的頻率[9]。最后在監聽端判斷是不是有15 kHz的頻率來控制是否報警。15 kHz的音頻振蕩電路和音頻檢測電路分別如圖6、圖7所示。

圖6 15 kHz音頻振蕩電路

圖7 15 kHz音頻檢測電路

4 結 語

本文采用分立元件，設計和制作了嬰兒監護器的監聽器的監聽發射器部分，使用TDA7088集成電路制作了監控器接收部分。利用BISS0001集成塊的可重復觸發和CD4062集成塊的計時功能設計制作完成嬰兒哭聲的超時檢測報警模塊。當嬰兒哭聲、吵鬧聲持續一定時間時，監控器不僅傳送實時聲響，還會發送報警，蜂鳴器啟動。當嬰兒踢被子、尿濕被子或監控器不工作時，報警器也會發出報警信號[10]。在調試和運行過程中，該系統運行穩定可靠、功能齊全、操作方便，具有較高的實用價值和市場推廣前景。