婴儿状态监护预警装置设计

杨晨昊 米月琴 王新怀 石佳泽 周明德

关键词：婴儿监护；哭声识别；尿床检测；预警

0引言

近年来，随着我国经济的迅速发展，人们对生活质量的要求越来越高，家长也越来越重视孩子在婴幼儿时期的成长发育。传统的婴儿监护装置通常具有声音、视频监测等功能，但因受到环境干扰其检测准确性有限。市场相关产品监护设备仍然存在一定的缺陷，例如，使用湿度传感器直接接触婴儿并进行监测会使孩子产生不适；非接触式监测可能导致准确性不足；市售装置的哭声检测模块准确率不高，这些问题均未得到有效解决。

因此，本文设计了一款婴儿状态监护预警装置，在电路结构方面，添加滤波电路以提高哭声检测模块的准确性；在机械结构方面，设计了新型的双层传感器夹子，内置传感器探针，使传感器在床垫上放置更稳定，从而间接地提高检测准确性。通过优化装置的电路结构和机械结构，实现更准确、更稳定的监测和预警功能，提升用户的业务体验，帮助家长高效地看护婴儿，且该装置的应用前景更广泛。

1总体设计

该装置由控制系统、声音检测系统、湿度检测系统和监护预警系统4个部分组成，各系统相互协调配合，实现对婴儿状态的监护和预警。采用STM32F103C8T6单片机作为控制中枢，与各子系统相互连接，负责协调和管理所有子系统的运行，接收各传感器发出的警报信号，并输出相应的控制信号。在实际使用中，将子系统的数据和结果集成到控制模块，并进行协调和分析，控制系统可以触发相应的警报和提示。例如，当声音检测系统、湿度检测系统分别监测到婴儿啼哭、尿床等异常情况时，控制系统将相应的信息传递给监护预警系统，发出相应警报。这些系统共同实现了婴儿状态监护预警装置的核心功能，为家长提供了全面的实时监测和预警功能，帮助看护人更好地照顾婴儿。装置结构框图如图1所示。

2声音检测系统

哭啼检测方法是先在婴儿头部附近放置一个麦克风，拾取婴儿的哭啼声音，麦克风采集语音信号，将采集到的语音信号进行滤波，获得频率为300～4000Hz的信号，经过语音检测模块，判断是否为婴儿哭声，最后对声音进行分类，判断婴儿状态是疲倦或饥饿等。实验中测试不同干扰下声音识别数据如表1所示。

2.1硬件电路设计

滤波电路是一种能让指定频段的信号顺利通过而对其他频段的信号起衰减或抑制作用的电路，广泛应用于信息处理、数据传送和抑制干扰等领域。按工作频带，可分为低通、高通、带通和带阻滤波电路。滤波电路与哭声检测模块连接，滤波电路保留婴儿哭声所在频段300～4000Hz的信号，以减少输入信号中其他频带的干扰。这有助于提高声音信号的质量和准确性，从而更准确地分析婴儿的声音。滤波电路如图2所示。

2.2软件程序流程

经过滤波电路后，哭声检测模块控制程序流程如图3所示。

3湿度检测系统

湿度传感器、夹子、导水纸带连接关系如图4所示，湿度传感器监测导水纸带的湿度，当湿度达到预设的阈值时，湿度传感器将湿度信息传输给控制模块。控制模块接收到湿度传感器的数据后，触发相应的警报。

3.1传感器夹子

如图5和图6所示，新型传感器设置有两组夹子（夹持件1与夹持件2）。夹持件1的两个夹持面配合夹紧床单；夹持件2的两个夹持面上分别设置有正极探头和负极探头，通过正极探头和负极探头夹持多个导水纸带的另一端，当导水纸带上有尿液时，正极探头和负极探头导电形成电信号。传感器夹子可根据湿度传感器有无输入信号判断婴儿是否尿床，并在婴儿尿床时发出警报。这也解决了当需要频繁地更换纸带时，固定导水纸带、探针、床单操作不便的难题。

3.2导水纸带

多个导水纸带均匀设置在床单下层靠近婴儿的位置，通过导水纸带的一端采集婴儿的尿液。导水纸带采用3层结构，底层为隔水塑料薄膜，中层为导水纸，顶层为多孔隔水塑料薄膜。此结构可以保证水从顶层被吸入纸带，沿着导水纸带渗向探头，并且不会渗回床褥和床板。

4监护预警系统

监护预警系统可控制系统发出相应的警报信号，语音播报模块通过播放安抚音乐，稳定婴儿情绪，LED提示灯根据婴儿的状态发出不同颜色的警示光，帮助家长判断嬰儿状态。另外，所有信息数据通过Wi-Fi模块上传至云端，以便家长随时访问和监测婴儿的状态。

5结论

一款合适的婴儿监护系统能帮助家长实时地监测婴儿的活动情况，将可能产生的危险在第一时间向家长预警，利于家长及时应对危险。因此开发一种功台旨全面、安全可靠的婴儿监护系统很有必要。本文设计了一款婴儿状态监护预警装置，由控制系统、声音检测系统、湿度检测系统和监护预警系统4个部分组成，改进了传统婴儿检测装置的电路结构和机械结构，使其具有更高的准确性和稳定性，为家长照顾婴儿提供了更好的解决方案，降低了看护风险。