婴儿啼哭监测及安抚系统_朱江灿.pdf
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1、16ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.3$消费类电子电子产品世界Design设计应用&Application婴儿啼哭监测及安抚系统*Baby crying monitoring and soothing system朱江灿,王新怀,徐 茵,米月琴(西安电子科技大学,西安710126)摘 要:系统由采集与信号调理模块的声音拾取装置(MEMS麦克风)收集环境声音,经自动增益控制(AGC)模块处理后被采集,处理器模块将采集到的音频数据首先通过获取环境信号特征完成环境噪声与端点检测特征值自适应,对音频信号预处理后,通过端点检测算法提取出有音信号段,将有
2、音信号段导入MFCC算法提取信号倒谱,然后根据信号倒谱获取基音频率,最后通过基音频率各类统计值做最后判断,若判断结果为有效婴儿啼哭声,则触发执行安抚与信息通知,包括驱动语音安抚模块播放安抚音乐或父母安抚声,驱动无线通信模块通知父母婴儿发生啼哭。关键词:AIR32F103CBT6;MEMS麦克风;端点检测;基音频率;啼哭监测本文受陕西省重点研发计划项目(2020ZDXM5-01)和中央高校业务费项目(XJS220209)支持照顾婴儿是一项辛苦的工作,婴儿往往会因为环境的轻微的变化而产生啼哭行为,需要父母去安抚,这耗费了父母的大量精力,影响了父母正常的工作和生活。随着语音识别技术的迅速发展,语音识
3、别已经成为各类边缘嵌入式电子系统的重要感知手段。针对婴儿领域的产品也是层出不穷,其中包括针对婴儿啼哭声识别的产品。随着人机交互、语音识别、嵌入式等技术在智能家居领域的快速应用,出现了一系列高度智能化、便捷化的商业产品,诸如扫地机器人、小米音箱、智能门锁和智能监控摄像头等。同时智能化的婴儿看护产品也逐渐兴起并推广开来,为母婴用户带来了巨大的便利,用户不用时刻陪伴在婴儿身边。本文就婴儿啼哭识别系统进行设计,力图以简易的方式和方法搭建一个婴儿啼哭声识别系统。1 系统设计1.1 系统组成部分如图 1 所示,该系统主要分为 4 个组成部分,首先是声音拾取与信号调理模块,模块使用集成硅麦克风芯片拾取环境声
4、音,经自动增益电路调理后接入处理器AD 采集端口。然后是处理器主控模块,MCU 以 ping-pong 工作机制同时完成采集操作与信号处理操作,其中信号处理程序包括预处理、端点检测、基音频率提取3 个部分。最后是语音安抚模块与无线通信模块,当识别到有效婴儿啼哭声时,语音安抚模块将播放音乐,无线通信模块将通知监护人。声音拾取装置信号调理功放发生单元以及无线通信装置触发安抚声音采集以及预处理与端点检测声音倒谱提取以及基音频率获取安抚音频通知父母图1 系统结构框图1.2 系统工作过程婴儿啼哭监测及安抚系统的工作过程如下:首先, 2023.3电子产品世界设计应用消费类电子Design&Applicat
5、ion由声音拾取与信号调理模块的声音拾取芯片(MEMS 硅麦克风)收集环境声音,经信号调理电路完成自动增益后由处理器主控模块采集,处理器主控模块采集到音频数据后,将首先通过获取环境信号特征完成环境噪声与端点检测特征值自适应,然后对音频信号预处理,最后通过端点检测算法提取出有音信号段,如处理器主控模块检测到有效的音频信号段,则通过 MFCC 算法提取此段信号的频率特征,然后根据音频信号频率倒谱提取出基音频率,最后通过基音频率各类统计值做最后判断,若识别结果为有效婴儿啼哭声,则触发安抚行为,包括驱动语音安抚模块播放安抚音乐与父母安抚声,驱动无线通信模块通知父母婴儿发生啼哭。2 系统功能实现与工作原
6、理2.1 硬件部分2.1.1 采集与信号调理模块麦克风采用 MEMS 微型硅麦克风,MEMS 麦克风将电容器集成在微硅晶片上,可以采用表贴工艺进行制造,直径不到 1 mm 的小型薄膜的重量非常轻巧,且与ECM 相比,MEMS 麦克风会对由安装在同一 PCB 上的扬声器引起的 PCB 噪声产生更低的振动耦合;另外,它也具有改进的噪声消除性能与良好的RF及EMI抑制。2.1.2 语音安抚及无线通信模块语音安抚模块采用 YX5200-24SS 作为主芯片,YX5200-24SS 是一个支持串口的语音芯片,集成了MP3、WAV、WMA 的硬解码;预先将安抚音乐与父母的安抚音频存入,安抚事件触发信号到来
7、时,将通过串口驱动语音安抚模块播放某一安抚音频。而无线通信模块采样集成蓝牙芯片,安抚事件触发信号到来时将通知父母监测到婴儿啼哭。2.2 软件部分2.2.1 预处理预处理程序流程图如图 2 所示,所述的信号预处理程序的流程为:当预处理程序接收到采集的信号后,首先求取此段信号均值,然后利用均值完成噪声自适应与端点检测特征值自适应,完成自适应之后,对原信号完成预加重操作,增强高频成分,最后将此段信号按设定的帧长与帧移完成分帧操作即可传入端点检测程序。预加重的目的是提升高频部分,使信号的频谱变得平坦,使得全频带尽可能的均衡,以此来补偿语音信号受到发音系统所抑制的高频部分,突出高频的共振峰;然后是信号分
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