论文部分内容阅读
摘 要：为了能提高婴幼儿监护的效率和实现婴幼儿监护人生活的多樣化，设计了一种基于无线调频通信的多功能婴幼儿安全监护系统。系统的核心以STM32为主处理器、LC振荡电路为无线调频器、TA8164为解调器。系统包括婴幼儿端和监护人端，婴幼儿端通过语音采集模块采集婴幼儿房的语音信息，通过无线发射模块的无线调频方式发送至监护人端，并同时进行相应的信号处理来实现对婴幼儿的安全监护。测试结果表明，该系统具有语音信息的发送和接收、语音识别、声光报警和婴幼儿房端掉电提示等功能，系统成本低、辐射小、人机交互操作方便。
关键词：语音识别 LC振荡电路 TA8164 STM32 无线调频
中图分类号：TN87 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（b）-0025-03
随着人们生活水平的提高和改善，婴幼儿生活的安全保障已经成为社会和家庭日益关注的问题。婴幼儿的生活成长需要配有专人专职的照顾，通常需要监护人全天候地看管并及时地掌握婴幼儿的生活状态，即使在婴幼儿睡觉状态也要时刻观察是否醒来，极大地增加了监护人的劳动强度并制约了监护人的生活工作质量。另外，现代家庭中普遍存在有养猫和狗等宠物，难免在监护人繁忙或注意力不集中时会进入婴幼儿房内，此时将对婴幼儿的人身安全带来一定的危害[1]。
目前市面上已经有很多市场化婴幼儿监护产品和公开的婴幼儿监护产品，但仍存在如下4个方面的问题。一是缺少对指定婴幼儿哭啼声的身份鉴别，存在大量的误判，如基于音频传感器的检测装置，无法准确地判断是否为指定婴幼儿发出的哭啼声[2]。家里的宠物可能进入婴幼儿房对其安全造成威胁，大多数产品无法判断当婴幼儿啼哭时伴随着的其他多种声音类型。二是有些报警系统要么只有声音，要么只有屏幕显示，没有声、光、视三觉的同时报警，无法满足盲人、聋哑人等各种人群的需要[3]。三是当语音识别提示是婴幼儿啼哭的状态或有其他危险状态时，无法及时地在监护人侧终端进行监听并实时掌握其情况[4]。四是市面上大多产品大多采用SIM卡进行信息发送，或者工作在很高频率段，很多人对于产品的辐射表示担心。因此，设计一种基于无线调频通信的多功能婴幼儿安全监护装置有着重要的实用价值。
为了更好地满足实际生活的需要，该系统具备如下功能：
（1）语音信号的发送和接收；
（2）语音识别功能；
（3）显示语音识别结果；
（4）判断危险情况并进行声光报警的功能；
（5）婴幼儿端掉电提醒和监听婴幼儿房的功能；
（6）工作在调频段，能达到低功率、低辐射，绿色环保。
1 系统的设计及工作过程
多功能婴幼儿安全监护系统由婴幼儿端和监护人端两个部分组成。婴幼儿端包括语音采集模块与无线发射模块；监护人端包括无线接收模块、语音识别与控制模块、声光报警模块、语音播放模块与人机交互显示模块（如图1所示）。
系统通过语音采集模块收录婴幼儿房的语音信号，经过FM调制后无线传输到监护人端的无线接收模块，依次经过TA8164解调和LM386高频放大原语音信号，之后既可以通过语音播放模块进行语音播放，也可以通过语音识别模块、声光报警模块和人机交互显示模块实现语音快速识别与结果显示、危险情况的声光报警和及时监听婴幼儿房的功能。
2 系统硬件的设计
在该系统中，硬件设计在婴幼儿端采用分立原件构成，而监护人端的电路结构是以TA8164、LM386和LM258芯片为主，在这里给出婴幼儿端和监护人端的硬件电路整体设计，其核心包括无线FM调制发射电路、TA8164的解调电路和婴幼儿端掉电提醒电路。
在该系统中，语音的采集使用高保真的麦克风，无线FM调制采用分立原件构成的LC谐振电路，解调电路的核心是东芝公司的TA8164，语音识别采用的是意法半导体公司的STM32，语音识别结果显示和按键操作采用TFT-LCD液晶触摸屏。由于篇幅有限，给出婴幼儿端电路设计如图2。下面介绍几个关键电路。
2.1 无线FM调制发射电路
FM调制具备有良好的抗噪声性能并且无失真地传送语音信号。该系统的调制采用的是LC振荡电路，语音采集模块将收录的语音信号先经过一级电压放大电路处理之后直接由LC调谐回路进行FM调制，调制频率在20～30MHz范围内可调，最后将已调信号经过天线匹配电路通过天线发送至监护人端，调制采用LC调谐回路，电路结构简单、辐射小、调制频率稳定，及有良好的抗噪声性能。
2.2 TA8164解调电路
婴幼儿端的语音信号通过无线调频发送至监护人端，该系统的解调由TA8164完成，其过程是先将等幅调频信号送入频率-幅度变换网络，变换成成AM-FM信号，然后经过包络检波器还原出原调制语音信号[5]。在调频信号中心频率fc上，输出电压U0=0，当信号频率偏离中心频率升高、下降时，输出电压将分别向正负极性方向变化；在中心频率fc附近，U0与f之间近似为线性，当频率偏移过大，输出电压将会减小。
该系统解调采用的是TA8164完成，TA8164集成芯片采用16引脚双列直插结构，内部集成高频放大电路、本振电路、混频电路、中频放大电路和鉴频器，已调信号通过第1引脚输入，依次经过内部的高频放大器、变频器、中频放大器和鉴频器的处理，最后从第11引脚输出原语音信号，因TA8164高度的集成化，进而只需在其外围设计少许分立电子原件即可构成完整的解调电路，使其具有成本低、结构简单、性能突出等优点。图3为TA8164解调电路结构图。
2.3 婴幼儿端掉电提醒电路
为了提高该系统的实用性，在监护人端设计婴幼儿端掉电提醒电路，利用LM258内部的运算放大器组成电压比较电路，从TA8164的第11引脚输出的模拟电压信号与基准电压相比较，其两路输入均为模拟信号，输出则为二进制电平，当输入电压的差值增大或减小且正负符号不变时，其输出保持恒定，当出现婴幼儿端掉电情况，TA8164的第11引脚解调输出的信号电压会低于基准电压，则通过比较电路的处理可输出一定模拟电压将同时驱动蜂鸣器发出响声和LED灯闪烁以提示监护人。 3 系统的软件设计
该系统的软件设计以STM32为主控制器实现语音识别、声光报警和现场监听功能，在这里重点讲述语音识别软件设计、危险情况的声光报警软件设计。系统软件的整体设计如图4所示。
3.1 语音识别软件设计
在该系统中，语音识别设计是先将经过解调并且放大后的语音信号进行模拟信号到数字信号的转换处理，再进行快速傅里叶变换成频域信号，然后通过DSP处理提取语音的特征值并将其存到STM32的RAM存储器中建立语音特征值模板库，最后设计特征值匹配算法进行语音识别。该系统的语音识别的原理如图5所示。
语音识别软件的设计首先要进行初始化，初始化的过程包括主控制器STM32中对模拟信号输入GPIO引脚的初始化、DMA初始化、定时器初始化和AD采样频率初始化[6]；然后进行AD转换，将模拟信号转变为数字信号；因为在实际信道难免会受到各种噪声的干扰，故而需要不断地进行语音输入的判断，从而提高语音识别效率；当判断结果为语音输入时则进行语音识别；最后，在识别成功之后可将结果通过TFT-LCD屏幕显示出来。
3.2 危险情况的声光报警软件设计
该系统在语音识别结束后立即对识别结果进行判断，当识别结果为婴幼儿哭或者哭声和宠物的混合音时判断为危险情况，由STM32主控制器发送指令给声光报警模块同时驱动LED灯闪烁和喇叭发出声音进行声光报警。
4 系统测试结果
该系统在运行时，婴幼儿房端和监护人端之间能穿墙达到50余米的语音通信距离，监护人端能及时地识别出接收到的语音信号并将识别结果通过TFT-LCD屏幕显示，语音识别的频率范围为500Hz～20kHz，同时系统能进行识别结果的判断，当判断结果为危险情况，则进行相应地声光报警，另外，当监护人收到报警信号时，在监护人端能通过点击其中的红色触摸按键实现对婴幼儿端监听的功能，在监护人端能识别出单一频率和混合频率的语音，并将识别结果和语音频谱图显示出来，语音识别的速度快且准确度高。测试中的03、04、05等为语音编号，语音信号频谱显示范围为0～20kHz。系统测试结果如图6所示。
5 结语
通过测试表明该系统能够实时采集婴幼儿房的语音信号，通过无线调频方式发送到监护人端并具有语音识别、声光报警和现场监听等功能，系统成本低廉、操作简单、界面友好，能够达到实时地监护婴幼儿的生活状态，大大地减轻了监护人监护劳动强度，并提高了监护人生活质量，也极大地保障了婴幼儿的人身安全。随着人们日益增长的生活水平需要和科技的不断发展，以该系统为代表技术和概念的多功能婴幼儿安全监护系统必将广泛应用于婴幼儿监护领域之中。
参考文献
[1] 刘永凯.一种基于智能手机的新型婴儿睡眠监护系统设计[D].北京理工大学，2008.
[2] 杜仲平.基于音频监控的婴儿智能监护系统设计[D].天津大学，2016.
[3] 杨振雷.智能婴儿监护系统设计[J].电子世界，2012（22）：127-128.
[4] 李国诚，陈佳明，李伟林，等.基于物联网的婴儿实时监控系统的设计[J].电子设计工程，2015（18）：186-189.
[5] 張肃文.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2009.
[6] 黄智伟，王兵，朱卫华.STM32F 32位ARM微控制器应用设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.
关键词：语音识别 LC振荡电路 TA8164 STM32 无线调频
中图分类号：TN87 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（b）-0025-03
随着人们生活水平的提高和改善，婴幼儿生活的安全保障已经成为社会和家庭日益关注的问题。婴幼儿的生活成长需要配有专人专职的照顾，通常需要监护人全天候地看管并及时地掌握婴幼儿的生活状态，即使在婴幼儿睡觉状态也要时刻观察是否醒来，极大地增加了监护人的劳动强度并制约了监护人的生活工作质量。另外，现代家庭中普遍存在有养猫和狗等宠物，难免在监护人繁忙或注意力不集中时会进入婴幼儿房内，此时将对婴幼儿的人身安全带来一定的危害[1]。
目前市面上已经有很多市场化婴幼儿监护产品和公开的婴幼儿监护产品，但仍存在如下4个方面的问题。一是缺少对指定婴幼儿哭啼声的身份鉴别，存在大量的误判，如基于音频传感器的检测装置，无法准确地判断是否为指定婴幼儿发出的哭啼声[2]。家里的宠物可能进入婴幼儿房对其安全造成威胁，大多数产品无法判断当婴幼儿啼哭时伴随着的其他多种声音类型。二是有些报警系统要么只有声音，要么只有屏幕显示，没有声、光、视三觉的同时报警，无法满足盲人、聋哑人等各种人群的需要[3]。三是当语音识别提示是婴幼儿啼哭的状态或有其他危险状态时，无法及时地在监护人侧终端进行监听并实时掌握其情况[4]。四是市面上大多产品大多采用SIM卡进行信息发送，或者工作在很高频率段，很多人对于产品的辐射表示担心。因此，设计一种基于无线调频通信的多功能婴幼儿安全监护装置有着重要的实用价值。
为了更好地满足实际生活的需要，该系统具备如下功能：
（1）语音信号的发送和接收；
（2）语音识别功能；
（3）显示语音识别结果；
（4）判断危险情况并进行声光报警的功能；
（5）婴幼儿端掉电提醒和监听婴幼儿房的功能；
（6）工作在调频段，能达到低功率、低辐射，绿色环保。
1 系统的设计及工作过程
多功能婴幼儿安全监护系统由婴幼儿端和监护人端两个部分组成。婴幼儿端包括语音采集模块与无线发射模块；监护人端包括无线接收模块、语音识别与控制模块、声光报警模块、语音播放模块与人机交互显示模块（如图1所示）。
系统通过语音采集模块收录婴幼儿房的语音信号，经过FM调制后无线传输到监护人端的无线接收模块，依次经过TA8164解调和LM386高频放大原语音信号，之后既可以通过语音播放模块进行语音播放，也可以通过语音识别模块、声光报警模块和人机交互显示模块实现语音快速识别与结果显示、危险情况的声光报警和及时监听婴幼儿房的功能。
2 系统硬件的设计
在该系统中，硬件设计在婴幼儿端采用分立原件构成，而监护人端的电路结构是以TA8164、LM386和LM258芯片为主，在这里给出婴幼儿端和监护人端的硬件电路整体设计，其核心包括无线FM调制发射电路、TA8164的解调电路和婴幼儿端掉电提醒电路。
在该系统中，语音的采集使用高保真的麦克风，无线FM调制采用分立原件构成的LC谐振电路，解调电路的核心是东芝公司的TA8164，语音识别采用的是意法半导体公司的STM32，语音识别结果显示和按键操作采用TFT-LCD液晶触摸屏。由于篇幅有限，给出婴幼儿端电路设计如图2。下面介绍几个关键电路。
2.1 无线FM调制发射电路
FM调制具备有良好的抗噪声性能并且无失真地传送语音信号。该系统的调制采用的是LC振荡电路，语音采集模块将收录的语音信号先经过一级电压放大电路处理之后直接由LC调谐回路进行FM调制，调制频率在20～30MHz范围内可调，最后将已调信号经过天线匹配电路通过天线发送至监护人端，调制采用LC调谐回路，电路结构简单、辐射小、调制频率稳定，及有良好的抗噪声性能。
2.2 TA8164解调电路
婴幼儿端的语音信号通过无线调频发送至监护人端，该系统的解调由TA8164完成，其过程是先将等幅调频信号送入频率-幅度变换网络，变换成成AM-FM信号，然后经过包络检波器还原出原调制语音信号[5]。在调频信号中心频率fc上，输出电压U0=0，当信号频率偏离中心频率升高、下降时，输出电压将分别向正负极性方向变化；在中心频率fc附近，U0与f之间近似为线性，当频率偏移过大，输出电压将会减小。
该系统解调采用的是TA8164完成，TA8164集成芯片采用16引脚双列直插结构，内部集成高频放大电路、本振电路、混频电路、中频放大电路和鉴频器，已调信号通过第1引脚输入，依次经过内部的高频放大器、变频器、中频放大器和鉴频器的处理，最后从第11引脚输出原语音信号，因TA8164高度的集成化，进而只需在其外围设计少许分立电子原件即可构成完整的解调电路，使其具有成本低、结构简单、性能突出等优点。图3为TA8164解调电路结构图。
2.3 婴幼儿端掉电提醒电路
为了提高该系统的实用性，在监护人端设计婴幼儿端掉电提醒电路，利用LM258内部的运算放大器组成电压比较电路，从TA8164的第11引脚输出的模拟电压信号与基准电压相比较，其两路输入均为模拟信号，输出则为二进制电平，当输入电压的差值增大或减小且正负符号不变时，其输出保持恒定，当出现婴幼儿端掉电情况，TA8164的第11引脚解调输出的信号电压会低于基准电压，则通过比较电路的处理可输出一定模拟电压将同时驱动蜂鸣器发出响声和LED灯闪烁以提示监护人。 3 系统的软件设计
该系统的软件设计以STM32为主控制器实现语音识别、声光报警和现场监听功能，在这里重点讲述语音识别软件设计、危险情况的声光报警软件设计。系统软件的整体设计如图4所示。
3.1 语音识别软件设计
在该系统中，语音识别设计是先将经过解调并且放大后的语音信号进行模拟信号到数字信号的转换处理，再进行快速傅里叶变换成频域信号，然后通过DSP处理提取语音的特征值并将其存到STM32的RAM存储器中建立语音特征值模板库，最后设计特征值匹配算法进行语音识别。该系统的语音识别的原理如图5所示。
语音识别软件的设计首先要进行初始化，初始化的过程包括主控制器STM32中对模拟信号输入GPIO引脚的初始化、DMA初始化、定时器初始化和AD采样频率初始化[6]；然后进行AD转换，将模拟信号转变为数字信号；因为在实际信道难免会受到各种噪声的干扰，故而需要不断地进行语音输入的判断，从而提高语音识别效率；当判断结果为语音输入时则进行语音识别；最后，在识别成功之后可将结果通过TFT-LCD屏幕显示出来。
3.2 危险情况的声光报警软件设计
该系统在语音识别结束后立即对识别结果进行判断，当识别结果为婴幼儿哭或者哭声和宠物的混合音时判断为危险情况，由STM32主控制器发送指令给声光报警模块同时驱动LED灯闪烁和喇叭发出声音进行声光报警。
4 系统测试结果
该系统在运行时，婴幼儿房端和监护人端之间能穿墙达到50余米的语音通信距离，监护人端能及时地识别出接收到的语音信号并将识别结果通过TFT-LCD屏幕显示，语音识别的频率范围为500Hz～20kHz，同时系统能进行识别结果的判断，当判断结果为危险情况，则进行相应地声光报警，另外，当监护人收到报警信号时，在监护人端能通过点击其中的红色触摸按键实现对婴幼儿端监听的功能，在监护人端能识别出单一频率和混合频率的语音，并将识别结果和语音频谱图显示出来，语音识别的速度快且准确度高。测试中的03、04、05等为语音编号，语音信号频谱显示范围为0～20kHz。系统测试结果如图6所示。
5 结语
通过测试表明该系统能够实时采集婴幼儿房的语音信号，通过无线调频方式发送到监护人端并具有语音识别、声光报警和现场监听等功能，系统成本低廉、操作简单、界面友好，能够达到实时地监护婴幼儿的生活状态，大大地减轻了监护人监护劳动强度，并提高了监护人生活质量，也极大地保障了婴幼儿的人身安全。随着人们日益增长的生活水平需要和科技的不断发展，以该系统为代表技术和概念的多功能婴幼儿安全监护系统必将广泛应用于婴幼儿监护领域之中。
参考文献
[1] 刘永凯.一种基于智能手机的新型婴儿睡眠监护系统设计[D].北京理工大学，2008.
[2] 杜仲平.基于音频监控的婴儿智能监护系统设计[D].天津大学，2016.
[3] 杨振雷.智能婴儿监护系统设计[J].电子世界，2012（22）：127-128.
[4] 李国诚，陈佳明，李伟林，等.基于物联网的婴儿实时监控系统的设计[J].电子设计工程，2015（18）：186-189.
[5] 張肃文.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2009.
[6] 黄智伟，王兵，朱卫华.STM32F 32位ARM微控制器应用设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.