基于一種新型多功能智能電動(dòng)牙刷的天氣、交通播報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱美，馬明雨，趙祖蓮，莫章潔，鄧睿，余宏

（貴州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)，550018）

0 引言

在當(dāng)今快節(jié)奏生活背景下，早上時(shí)間的高效利用成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。對(duì)于上班族等這類人群而言，早晨時(shí)間極其緊張，合理安排顯得尤為重要。很多時(shí)候，誰(shuí)的時(shí)間利用率高，就意味著你可以在相同的時(shí)間里做更多的事。在刷牙同時(shí)了解天氣、交通信息，可以幫助自己選擇更適合的衣服穿搭以及是否需要攜帶雨具等，為自己做好出行準(zhǔn)備；獲悉交通擁堵情況，幫助自己選擇合適的交通方式或者繞開擁堵路段，提高交通出行效率。同一時(shí)間段上能夠處理的事情越多，時(shí)間復(fù)用率也就越高，相較于以往刷完牙后再用手機(jī)獲取當(dāng)天的天氣預(yù)報(bào)與交通路況，節(jié)約了一定時(shí)間并提高了效率。新型多功能智能牙刷能在普通人群的2-3分鐘標(biāo)準(zhǔn)刷牙時(shí)間內(nèi)同時(shí)完成刷牙、天氣播報(bào)、交通播報(bào)事情，及時(shí)提示合理的穿衣、是否帶雨具和早高峰出行線路選擇。極大地提高了時(shí)間的利用率，滿足人們對(duì)時(shí)間高效利用的需求。

1 總體設(shè)計(jì)要求

基于一種新型多功能智能電動(dòng)牙刷的天氣狀況、交通路況播報(bào)系統(tǒng)主要由手機(jī)連接藍(lán)牙模塊、電臺(tái)信息采集模塊、信息數(shù)據(jù)接收儲(chǔ)存模塊、音頻解碼模塊、揚(yáng)聲器播放模塊、電源模塊6個(gè)部分組成。由于該系統(tǒng)是基于電動(dòng)牙刷設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，要求成品體積要盡可能小，而植入藍(lán)牙芯片這樣的方式恰好可以在成品體積小的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取天氣與交通信息的功能；電臺(tái)信息采集模塊為天氣狀況、交通路況播報(bào)系統(tǒng)的主控電路，它主要負(fù)責(zé)獲取手機(jī)電臺(tái)中當(dāng)日的天氣與交通的音頻數(shù)據(jù)，為隨后數(shù)據(jù)的下一步傳輸做準(zhǔn)備；信息數(shù)據(jù)藍(lán)牙傳輸模塊將獲取的音頻數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙主控芯片傳輸?shù)揭纛l解碼芯片，最終由音頻解碼模塊完成解碼并由揚(yáng)聲器對(duì)已轉(zhuǎn)換成的聲音信號(hào)進(jìn)行播報(bào)。

2 硬件部分

2.1 電臺(tái)信息采集模塊

天氣狀況、交通路況播報(bào)系統(tǒng)需要對(duì)電臺(tái)信號(hào)進(jìn)行精確的選擇，而信號(hào)的選擇由信號(hào)頻率來(lái)決定，因此需要一種選擇性強(qiáng)的頻解調(diào)芯片來(lái)作為電臺(tái)信息采集模塊的核心。而TA31136頻解調(diào)芯片恰好具有這樣的優(yōu)勢(shì)，TA31136頻解調(diào)芯片工作原理為：接收信號(hào)在經(jīng)過(guò)第一次變頻后，通過(guò)晶體濾波器進(jìn)行濾波從而再次變頻，輸入信號(hào)的選擇性增強(qiáng)，更容易選擇到天氣與交通電臺(tái)的輸入信號(hào)。該芯片為二次變頻，比單次變頻多了一次濾波，削弱了雜波對(duì)接收信號(hào)的干擾；分散了接收機(jī)總增益，并且更有效地隔離了本振信號(hào)和接收信號(hào)：獲取的信號(hào)源更加穩(wěn)定。因此我們將選用TA31136頻解調(diào)芯片，以滿足電臺(tái)信息采集的質(zhì)量要求。

圖1 基于TA31136的電臺(tái)信息采集電路

2.2 信息數(shù)據(jù)藍(lán)牙傳輸模塊

手機(jī)與電動(dòng)牙刷之間的信息傳輸需要一個(gè)關(guān)鍵的中介——藍(lán)牙，它是一種基于低成本的近距離無(wú)線連接，其低延遲性使得物與物之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。但是由于數(shù)據(jù)的多變性，處理數(shù)據(jù)的靈活性對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)格外重要，因此信息數(shù)據(jù)的藍(lán)牙傳輸我們選用功能、靈活性強(qiáng)的藍(lán)牙控制芯片。nRF51822是一種多協(xié)議系統(tǒng)級(jí)芯片，其強(qiáng)大的功能和高靈活性使得該芯片與低功耗無(wú)線藍(lán)牙應(yīng)用的相性極強(qiáng)，非常適合用于本模塊的設(shè)計(jì)。且在nRF51822軟件開發(fā)套件免費(fèi)提供S110藍(lán)牙低功耗協(xié)議堆棧及24GHz協(xié)議堆棧(包括Gazell)，適當(dāng)?shù)慕档土嗽O(shè)計(jì)成本。

2.3 音頻解碼模塊

音頻信息在傳輸?shù)嚼葍?nèi)進(jìn)行播放之前還需進(jìn)行最后一步——音頻解碼，而對(duì)于由藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳輸?shù)倪@種低延遲、復(fù)雜的信息，則需要一種高性能的音頻解碼器來(lái)對(duì)其進(jìn)行解碼，且由于要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備上，電耗低的條件也不可缺少。所以在音頻解碼模塊我們采用VS1053B芯片。VS1053B是一個(gè)單片Ogg Vorbis/AAC/MP3/WMA/MIDI音頻解碼器、IMA ADPCM編碼器和可供用戶加載的Ogg Vorbis編碼器，綜合性能強(qiáng)。VS1053在輸出前先通過(guò)MISO﹑MOSI﹑SCK(SPI接口)來(lái)接收輸入的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)VS1053內(nèi)置的采樣DAC轉(zhuǎn)換為音頻模擬量。具有高性能，低功耗的特點(diǎn)，應(yīng)用于小型無(wú)線設(shè)備再合適不過(guò)。

圖2 信息數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)電路圖

圖3 VS1503B音頻解碼電路圖

2.4 揚(yáng)聲器播放模塊

由于電動(dòng)牙刷體積小的約束,揚(yáng)聲器的尺寸是不得忽略的首要條件，我們將選用類似于VISTON這樣的小型揚(yáng)聲器，在牙刷內(nèi)部與音頻解碼器連接的合適位置進(jìn)行安裝。

2.5 電源模塊

使用3.7V的電壓作芯片的內(nèi)核供電，同時(shí)也是其他模塊電路的工作電壓，能夠保證此系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 主程序模塊的設(shè)計(jì)

按下開關(guān)，接通電源后，單片機(jī)就能很快復(fù)位，準(zhǔn)備執(zhí)行程序，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始操作，開始工作，緊接著分辨有無(wú)鍵輸入，若無(wú)，則停止分辨，不執(zhí)行解碼器功能；若有，則直接讀取藍(lán)牙主控芯片數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解碼；最后通過(guò)揚(yáng)聲器執(zhí)行播放。

圖4 主程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是一種新型多功能智能電動(dòng)牙刷的天氣狀況、交通路況播報(bào)。目前市場(chǎng)上常見的電動(dòng)牙刷的綜合設(shè)計(jì)存在功能單一、數(shù)據(jù)反饋不及時(shí)、缺乏人性化智能化程度不高等問(wèn)題，而本設(shè)計(jì)通過(guò)小程序獲取天氣預(yù)報(bào)以及通過(guò)電臺(tái)獲取交通狀況，能夠?qū)崿F(xiàn)多功能、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、增強(qiáng)人性化和智能化。極大提高了人們對(duì)于使用電動(dòng)牙刷的興趣，增強(qiáng)了電動(dòng)牙刷的實(shí)用性以及獲取信息的便捷程度。