基于純硬件的嬰兒監(jiān)護(hù)器的設(shè)計(jì)

李 楠，劉曉潔

（東華大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

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

1 設(shè)計(jì)背景

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

國內(nèi)外嬰兒監(jiān)護(hù)器品種繁多，但結(jié)構(gòu)基本上分為兩大部分：監(jiān)控部分和監(jiān)視部分。一般監(jiān)視部分放在嬰兒房間或其他嬰兒經(jīng)常出現(xiàn)的場所，通過無線信號把嬰兒活動情況傳送到監(jiān)控部分上。在國外，父母將孩子單獨(dú)放在房間里培養(yǎng)其獨(dú)立能力，因而嬰兒監(jiān)護(hù)器使用較普遍[2]。在國內(nèi)，由于大部分家庭居住面積不大以及傳統(tǒng)習(xí)慣問題，監(jiān)護(hù)器使用較少。

1.2 設(shè)計(jì)意義

隨著人口老齡化和超低生育率問題的出現(xiàn)，國家衛(wèi)計(jì)委優(yōu)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(qiáng)，嬰兒監(jiān)護(hù)器的關(guān)注度也越來越高。所以，設(shè)計(jì)一款合適的嬰兒監(jiān)護(hù)器顯得尤為重要，它有助于幫助父母更好地看護(hù)孩子，可以給父母節(jié)省更多可利用的寶貴時(shí)間，從而提高父母生活的自由性和靈活性。文中設(shè)計(jì)的嬰兒監(jiān)護(hù)器以調(diào)頻方式工作，用于近距離視距以外處對嬰兒的監(jiān)護(hù)。它采用純硬件電路來實(shí)現(xiàn)，分為監(jiān)控和監(jiān)聽兩個(gè)部分。監(jiān)聽器能監(jiān)聽到距離大于10 m的不同房間里的嬰兒哭聲和吵鬧聲，當(dāng)嬰兒哭聲、吵鬧聲持續(xù)一定時(shí)間，嬰兒踢被子、尿濕被子或監(jiān)控器不工作時(shí)，監(jiān)聽器都會發(fā)出報(bào)警[3]。

2 系統(tǒng)方案選擇

近年來，ZigBee、藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)得到廣泛應(yīng)用，因此，文中設(shè)計(jì)的嬰兒監(jiān)護(hù)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(fā)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(fā)射出去[4]。本系統(tǒng)的原理框圖如圖1、圖2所示。

圖1 監(jiān)控設(shè)計(jì)原理框圖

圖2 監(jiān)聽設(shè)計(jì)原理框圖

2.1 調(diào)頻發(fā)射部分

常見的調(diào)頻方式有直接調(diào)頻方式、采用鎖相環(huán)技術(shù)的調(diào)頻方式和采用DDS頻率全盛技術(shù)的調(diào)頻方式。直接調(diào)頻是晶體管等器件的調(diào)制特性，用調(diào)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(diào)制信號的變化規(guī)律。

直接調(diào)頻也有很多方法，具體如下：

（1）電容話筒式的調(diào)頻方法是將電容式話筒直接連在振蕩器的諧振回路上，當(dāng)對著話筒講話時(shí)，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(gè)電極的電容量變化，使振蕩器頻率做相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。

（2）晶體三極管調(diào)頻是在晶體管PN結(jié)上加一個(gè)反向電壓，如果這個(gè)反向電壓發(fā)生變化，將會引起結(jié)電容的變化，這就是PN結(jié)的變?nèi)菪?yīng)。在晶體三極管電路中，集電結(jié)就是一個(gè)加上反向電壓的PN結(jié)，利用集電結(jié)的變?nèi)菪?yīng)，可以達(dá)到調(diào)頻的目的，其通常工作在幾十MHz以上的工作頻率范圍。

（3）變?nèi)荻O管調(diào)頻具有電路簡單而性能好的優(yōu)點(diǎn)，是被廣泛采用的一種調(diào)頻電路。變?nèi)荻O管是根據(jù)PN結(jié)結(jié)電容能隨反向電壓而變化的原理所設(shè)計(jì)的一種二極管。它的伏安特性、電極結(jié)構(gòu)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(jié)電容能靈敏地隨反向偏壓而變化。由于變?nèi)荻O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(diào)制電壓而變化，從而改變了振蕩回路的振蕩頻率。

鑒于實(shí)用性考慮，本設(shè)計(jì)采用變?nèi)荻O管進(jìn)行直接調(diào)頻。

2.2 調(diào)頻接收部分

目前調(diào)頻接收技術(shù)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(diào)制電路等。如CXA1019、CXA1191、CXA1619等。TDA7088調(diào)頻接收芯片是應(yīng)用較廣的器件之一[5]。它包含了調(diào)頻收音機(jī)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(shè)有搜索調(diào)諧電路、信號檢測電路及頻率鎖定環(huán)路。其電路性能穩(wěn)定，應(yīng)用技術(shù)簡單，主要用于低成本的裝置中。本設(shè)計(jì)就采用TDA7088作為前端電路。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)時(shí)聲音傳送的設(shè)計(jì)

這里利用MIC拾取嬰兒聲音轉(zhuǎn)換成電信號，放大后作為調(diào)制信號對載波進(jìn)行調(diào)頻，載波頻率選擇為32 MHz。放大電路中選用間質(zhì)較好的NE5532寬帶運(yùn)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(shè)置音量自控電路。頻率調(diào)制采用變?nèi)荻O管振蕩電路直接調(diào)制。以上部分均由小規(guī)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(chǎn)生電路與發(fā)射電路

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

圖4 射頻產(chǎn)生及發(fā)射電路

3.3 調(diào)頻接收電路

調(diào)頻接收電路以調(diào)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(diào)頻接收電路如圖5所示。

圖5 調(diào)頻接收電路

3.4 報(bào)警電路

如果嬰兒哭聲、吵鬧聲持續(xù)了一定時(shí)間，嬰兒踢被子、尿濕被子了或者監(jiān)控器不工作了，監(jiān)聽器都會發(fā)出報(bào)警等信號。

當(dāng)嬰兒哭聲、吵鬧聲持續(xù)了一定時(shí)間，這時(shí)監(jiān)聽器的報(bào)警電路一來用計(jì)時(shí)電路來控制延時(shí)時(shí)間，并使用可重復(fù)觸發(fā)電路來觸發(fā)計(jì)時(shí)器。這里應(yīng)用BISS0001集成塊來做觸發(fā)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(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)/?；旌蠈Ｓ眉呻娐贰Ｋ湟詿後岆娂t外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。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(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器[8]。BISS0001是一個(gè)可重復(fù)觸發(fā)的集成塊，當(dāng)無信號輸入時(shí)，輸出為高電平，反之則輸出低電平。這里用CD4060來做計(jì)時(shí)器。CD4060的計(jì)數(shù)頻率由其外接振蕩電阻和電容決定。其復(fù)位端由BISS0001的輸出信號控制。當(dāng)為高電平時(shí)計(jì)時(shí)，低電平時(shí)清零。當(dāng)無音頻信號輸入時(shí)，計(jì)數(shù)器應(yīng)該處于清零狀態(tài)，而當(dāng)有信號時(shí)處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，但是這正與BISS0001的輸出相反。所以在BISS0001的輸出口與CD4060的復(fù)位端之間應(yīng)加一個(gè)反相器。

當(dāng)嬰兒踢被子、尿濕被子或監(jiān)控器不工作時(shí)，為了在傳送聲音的同時(shí)傳送溫度、尿濕等信息，在監(jiān)控器中設(shè)置15 kHz的音頻振蕩器，發(fā)送音頻信號。既能適用15 kHz以下的調(diào)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(qū)分。15 kHz的音頻信號還可以作為監(jiān)控器是否處于正常工作的標(biāo)致性信息使用。正常情況下，15 kHz音頻振蕩器處于振蕩狀態(tài)。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(shí)，溫度會下降，則用一個(gè)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(dāng)干燥時(shí)，處于絕緣狀態(tài)，而當(dāng)尿濕時(shí)，棉花層有電解液，會處于導(dǎo)電狀態(tài)，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(zhǔn)電壓比較，來控制是否發(fā)射15 kHz的頻率[9]。最后在監(jiān)聽端判斷是不是有15 kHz的頻率來控制是否報(bào)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(jié) 語

本文采用分立元件，設(shè)計(jì)和制作了嬰兒監(jiān)護(hù)器的監(jiān)聽器的監(jiān)聽發(fā)射器部分，使用TDA7088集成電路制作了監(jiān)控器接收部分。利用BISS0001集成塊的可重復(fù)觸發(fā)和CD4062集成塊的計(jì)時(shí)功能設(shè)計(jì)制作完成嬰兒哭聲的超時(shí)檢測報(bào)警模塊。當(dāng)嬰兒哭聲、吵鬧聲持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，監(jiān)控器不僅傳送實(shí)時(shí)聲響，還會發(fā)送報(bào)警，蜂鳴器啟動。當(dāng)嬰兒踢被子、尿濕被子或監(jiān)控器不工作時(shí)，報(bào)警器也會發(fā)出報(bào)警信號[10]。在調(diào)試和運(yùn)行過程中，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、功能齊全、操作方便，具有較高的實(shí)用價(jià)值和市場推廣前景。