基于ARM的智能嬰兒床設(shè)計(jì)

劉利新　趙瑩　苗帥楠　李赫

摘? 要：針對(duì)現(xiàn)有嬰兒床功能單一的現(xiàn)象，該文設(shè)計(jì)了一款基于ARM控制下的智能嬰兒床。該智能嬰兒床系統(tǒng)包括多種傳感器、音頻分析模塊、圖像采集與處理模塊、報(bào)警模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、顯示模塊及通信模塊等。可實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)、哭聲監(jiān)測(cè)，自動(dòng)完成報(bào)警、音樂播放、嬰兒床搖擺以及父母遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、手機(jī)監(jiān)控等功能。并由ARM主控制器采集傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行重復(fù)分析處理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒床的智能監(jiān)測(cè)與控制。現(xiàn)場應(yīng)用表明，該嬰兒床運(yùn)行安全、方便、可靠，檢測(cè)精度高，具有廣闊的使用前景。

關(guān)鍵詞：ARM? 傳感器? 音頻分析? 圖像采集與處理

中圖分類號(hào)：TP311 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（c）-0003-02

Abstract： Aiming at the single function of existing crib， an intelligent crib based on ARM control is designed in this paper. The intelligent crib system includes a variety of sensors， audio analysis module， image acquisition and processing module， alarm module， motor drive， display module and communication module. It can realize temperature and humidity detection， cry monitoring， automatic completion of alarm， music playback， baby bed sway， parents remote video monitoring， mobile phone monitoring and other functions. Sensor data are collected by ARM master controller， and repeated analysis and processing are carried out to realize intelligent monitoring and control of the crib. The field application shows that the crib is safe， convenient， reliable and has wide application prospect.

Key Words： ARM; Sensor; Audio analysis; Image acquisition and processing

近年來，隨著人們生活水平的提高，對(duì)嬰兒更加體貼的照顧成為很多初為人父母者的頭等大事，因此設(shè)計(jì)一款功能更加智能、更加完善的嬰兒床成為很多家庭的迫切需要。傳統(tǒng)的嬰兒床有的功能簡單、單一[1];而還有一些雖然集成部分功能，但由于采用低性能主控芯片[2]，無法實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能。該文設(shè)計(jì)的基于ARM的智能嬰兒床，具有高性能、高精度等特點(diǎn)，而且可實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)、哭聲監(jiān)測(cè);自動(dòng)完成報(bào)警、音樂播放、嬰兒床搖擺以及父母遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、手機(jī)監(jiān)控等功能。

1? 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括多種傳感器、音頻分析模塊、圖像采集與處理模塊、報(bào)警模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、顯示模塊及通信模塊等。ARM主控制器采集傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒床的智能控制。

手機(jī)APP可實(shí)時(shí)會(huì)話，隨時(shí)視頻查看嬰兒動(dòng)態(tài)，并與嬰兒實(shí)時(shí)語音互動(dòng)，點(diǎn)擊狀態(tài)詳情頁面可以查看嬰兒床各項(xiàng)檢測(cè)的參數(shù)。

嬰兒床檢測(cè)與控制系統(tǒng)如圖1所示。

2? 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 嬰兒尿床檢測(cè)設(shè)計(jì)

導(dǎo)電布[3]來監(jiān)測(cè)嬰兒尿床，這種布料編織在嬰兒床的表面，水分和導(dǎo)電布料接觸會(huì)阻礙電的傳導(dǎo)，而相應(yīng)的系統(tǒng)也將收到信號(hào)，達(dá)到監(jiān)測(cè)嬰兒尿床的目的，而且能消除電磁，讓嬰兒更健康安全，這種導(dǎo)電對(duì)嬰兒是沒有傷害的，布料也可以隨時(shí)拆下來清洗，非常方便。圖2為尿床檢測(cè)原理圖。

2.2 嬰兒床搖擺功能設(shè)計(jì)

嬰兒床搖擺部分采用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)[4]實(shí)現(xiàn)。電機(jī)放到床下邊通過一定角度的反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿推動(dòng)床體擺動(dòng)。

通過在線自學(xué)習(xí)功能[5-6]，自適應(yīng)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度參數(shù)，來調(diào)整嬰兒床擺動(dòng)的頻率和幅度，增強(qiáng)安撫效果。通過音頻分析判斷出嬰兒哭鬧原因后，可以自啟動(dòng)也可由父母遠(yuǎn)程控制啟動(dòng)。

圖3為嬰兒床搖擺功能機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖。

3? 音頻分析

該設(shè)計(jì)在訓(xùn)練階段是由300組已知的嬰兒哭聲當(dāng)作訓(xùn)練樣本[7]，且由專業(yè)保姆判斷得知對(duì)應(yīng)的特殊需求類別，并將各時(shí)頻特征與對(duì)應(yīng)的各需求類別的關(guān)聯(lián)組成關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，由此數(shù)據(jù)庫對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練[8]，以倒傳遞演算法（BackPropagation）進(jìn)行各神經(jīng)元加權(quán)值的調(diào)整。圖4為基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的音頻分析流程圖。

4? 結(jié)語

智能型嬰兒床系統(tǒng)的開發(fā)涉及到電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域;是一個(gè)綜合性的應(yīng)用研究課題。該文設(shè)計(jì)的基于ARM的智能嬰兒床，具有高性能、高精度和高靠性等優(yōu)點(diǎn)，具有產(chǎn)品化意義。

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