一种多频带婴儿啼哭情感智能监测装置

1.本发明涉及婴儿啼哭的音频信号处理与检测技术领域，特别是涉及一种多频带婴儿啼哭情感智能监测装置。
技术背景
2.目前婴儿啼哭自动检测原理主要是检测并分析啼哭语音信号的频谱，根据频率的特征来进行对婴儿啼哭语音信号进行分析和判断。这种由时域转换为频域的信号分析方法应用非常广泛，其中硬件方面采用带通滤波器的设计思路也非常成熟，目前已经应用在各种行业领域，例如手机语音识别，智能家居，声控报警等多个领域。婴儿啼哭信号的分析的正确率极大地依赖于音频信号的获取与选择，因此带通滤波器的整体设计显得尤为重要。
3.在现有的婴儿啼哭检测装置大多只能起到一个报警作用，即婴儿啼哭即立马报警，但仅仅只是产生一个报警，并不能分析出婴儿啼哭声的含义，即所表示的真实情感需求，例如因饥饿产生的啼哭，因惊醒产生的啼哭，因瞌睡产生的啼哭，因排泄产生的啼哭，因想要关怀产生的啼哭，因身体某个部位不舒服产生的啼哭。亦或是完全依赖于软件算法对婴儿啼哭声进行分析，而忽略了硬件的重要性，以至于其分析结果受环境影响较大，或者是受限于软件算法技术的不成熟，导致婴儿对婴儿啼哭含义的识别率降低，以至于在面对婴儿啼哭时并不能帮助家长或者医护工作者做出更好的判断和处理。
4.现在大多数婴儿啼哭装置前端只有一个较大范围的带通滤波器，然而婴儿的啼哭声中却包含多种频率成分，因此这种方法首先极易受环境影响，其次不利于对婴儿啼哭信号精准的提取，而且仅仅一个带通滤波器，所包含的信号频率种类会更多，会增加单片机a/d采集的要求和分析难度，从而产生不必要的误差，降低检测识别准确率。


技术实现要素：

5.本发明技术目的是为了克服上述技术中的不足，提供一种多频带婴儿啼哭情感智能监测装置，使其具有六种信号频率通道选择，可以通过嵌入式系统单独地对每个通道的频率进行检测，再将各个通道的结果结合起来进行诊断，从而更加精确地分析婴儿啼哭声信号的频率成分，判断出婴儿啼哭声中的情感需求含义。
6.本发明设计的一种多频带婴儿啼哭情感智能监测装置，包括语音获取模块，初步带通滤波放大电路模块，多通道滤波选择电路模块，整形电路模块，比较器电路模块，嵌入式系统，音乐播放器，数据显示模块和无线通信模块。所述语音获取模块输出端与带通滤波放大电路的信号输入端相连，所述带通滤波放大电路的信号输出端与多通道滤波选择电路输入端相连，所述多通道滤波选择电路输出端与整形电路的信号输入端相连，所述整形电路的信号输出端与比较器电路的信号输入端相连，所述比较器电路的信号输出端与嵌入式系统的信号输入端相连，所述嵌入式系统的信号输出端与音乐播放器、数据显示模块和无线通信模块的信号输入端相连，所述无线通信模块的信号输出端又与嵌入式系统的信号输入端相连。
7.进一步地，所述多通道滤波选择电路模块包含6个窄范围的带通滤波电路1～6，所述带通滤波电路1～6对应的6个输出端连接整形电路模块的6个输入端。
8.进一步地，所述整形电路模块包含6个整形电路1～6，所述整形电路1～6对应的6个信号输出端连接比较器电路模块的6个输入端。
9.进一步地，所述比较器电路模块包含6个比较器1～6，所述比较器1～6对应的6个信号输出端连接嵌入式系统的i/o接口。
10.进一步地，所述嵌入式系统设置有6个a/d采集输入通道和3个输出通道，所述嵌入式系统包括但不限于mcs-51系列单片机、stm32系列单片机、dsp系列单片机、arm系列单片机。
11.进一步地，所述嵌入式系统的输出通道包括音乐播放器，所述嵌入式系统的信号输出端与音乐播放器的信号输入端相连，所述音乐播放器的类型包括但不限于mp3、mp4、小功率扬声器和音响。进一步地，所述嵌入式系统的输出通道包括数据显示模块，所述嵌入式系统的信号输出端与数据显示模块的信号输入端相连，所述数据显示模块的类型包括但不限于lcd显示器、led显示器、触摸显示屏。
12.进一步地，所述嵌入式系统的输出通道还包括无线通信模块，所述嵌入式系统的信号输出端与无线通信模块的信号输入端相连，所述无线通信模块的信号输出端与嵌入式系统的信号输入端相连，所述无线通信模块包括但不限于nrf24l01射频芯片、zigbee模块、wifi模块、蓝牙模块。
13.本发明多频婴儿啼哭检测装置，具有以下有益效果：初次滤波电路带宽较宽，后一级的多通道滤波选择电路又分为6种带宽，初次滤波的带宽保证了能够捕获到不同的婴儿啼哭信号中所含的各种频率的信号，整形比较后的信号更加利于嵌入式系统的采集，提高采集精度，保证了频率测量的准确率，不同于直接根据哭声信号频率测量的方法，而是采用将结果转换为6位二进制编码的方法，能很有效果的提高了婴儿啼哭声音的识别率，通过这种方法，也能够很好的滤掉那些频率与婴儿啼哭相近的信号，这是普通的声音信号处理装置所不能解决的，因此极大地降低了环境对检测结果的影响；同时通过单片机的控制将采集的结果上传到云端经过软件算法的处理，又能够为识别的结果增加一道保障；相较于依赖于软件算法而言本发明对婴儿啼哭声进行分析可集成度高，稳定性好，抗噪声能力强，识别种类多，能基本覆盖到所有婴儿的啼哭声，可广泛应用到智能家居和医疗护理行业。
附图说明
14.图1为本发明多频带婴儿啼哭情感监测装置的结构示意图。
15.图2为本发明多频带婴儿啼哭情感监测装置的工作流程示意图。
16.图3～8为本发明多频带婴儿啼哭情感监测装置的信号频率处理形成编码的原理图。
具体实施方式
17.下面结合附图及实例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
18.如图1所示，本发明多频带婴儿啼哭情感监测装置包括语音获取模块01，带通滤波
放大电路02，多通道滤波选择电路03，整形电路04，比较器电路05，嵌入式系统06，音乐播放器07，数据显示模块08和无线通信模块09。所述语音获取模块01输出端与带通滤波放大电路02的信号输入端相连，所述带通滤波放大电路02的信号输出端与多通道滤波选择电路03输入端相连，所述发多通道滤波选择电路03输出端与整形电路04的信号输入端相连，所述整形电路04的信号输出端与比较器电路05的信号输入端相连，所述比较器电路05的信号输出端与嵌入式系统06的信号输入端相连，所述嵌入式系统06的信号输出端与3个外设(音乐播放器07，数据显示模块08，无线通信模块09)的信号输入端相连，其中无线模块09的信号输出端又与嵌入式系统06的信号输入端相连。
19.本实施例所述语音获取模块01，其本质是集成了一个咪头或音频传感器的模块，作用是将婴儿啼哭的声音信号转换为可处理的电信号。
20.本实施例所述初步的滤波放大02即将获取到的电信号进行一个初步的处理，即将大于10khz，小于300hz的信号给滤除掉，且基于由语音获取模块捕获到的信号幅值在60mv左右，因此又添加了放大功能，其增益为50倍。其主要目的是为了排除信号中的噪声和信号中非婴儿啼哭的成分。
21.本实施例所述的6个带通滤波器，即分别表示6个不同的频带，通过对大量婴儿啼哭语音信号样本的频谱分析之后，在这里设置了以下6种频带，分别为300hz到600hz，600hz到1khz，1khz到3khz，3khz到6khz，6khz到8khz，8khz到10khz。信号在哪一种频带的幅度大，则该频带所对应的通道输出信号响应就越强。需要特别指明的是，本发明专利设计的6种频带仅作具体设计中的一种参考方案，在应用中可根据实际需求做适应性地增加或减少频带的数量。
22.本实施例所述整形电路04即一个简单的二极管，即为了方便单片机的采集处理，将波形小于零的部分给消除掉，只保留大于零的部分。
23.本实施例所述比较器电路05及将信号转换为方波，从而更有利于单片机的采集和测频。其中比较器电压阈值为1v，大于1v的为高电平，小于1v的为低电平。
24.本实施例所述嵌入式系统的采集和测频即为在嵌入式系统输入端设置6个采集通道，分别对应6个位(d6d5d4d3d2d1)，其中最低位d1对应最低频段300hz到600hz，d2对应最低频段600hz到1khz，d3对应最低频段1khz到3khz，d4对应最低频段3khz到6khz，d5对应最低频段6khz到8khz，d6对应最低频段8khz到10khz。若采集到某频段内对应的信号为高电平，即此位设置为1，并根据6个采集通道对应的d6d5d4d3d2d1数值来综合判断出婴儿啼哭的含义。例如，000100对应饥饿，001111对应婴儿需要排泄，000100对应婴儿需要关怀，001110对应婴儿瞌睡，000111对应婴儿惊醒，011111对应婴儿不舒服，如图3～8所示。
25.本实施例所述音乐播放器07即检测到婴儿哭声，就开始进行放婴儿歌曲，缓解婴儿啼哭。
26.本实施例所述数据显示模块08的作用是实时显示婴儿的啼哭声的状态，若捕获到哭声，实时的将婴儿啼哭声分析结果显示出来，可以为监护人给出合适的参考依据，并及时的做出相应的处理措施。
27.本实施例所述无线通信模块09第一个作用是是指接收处理的结果，并将其结果发送到监护人的手机app端，再次提醒监护人；第二个作用是将测到的频率数据发送到app端，通过软件的算法，再次进行一个测评，得出最优结果，显示到app端，并且传输到嵌入式系统
在数据显示模块显示出来。
28.参照图2，本发明的具体控制流程，其步骤如下：
29.s1，嵌入式系统06的六个a/d采集通道分别和多通道滤波选择通道对应，嵌入式系统06采集测频即为在嵌入式系统设置6个采集通道，分别对应6个位，形成一个6位的二进制编码，其规则为若采集到的信号有高电平，即此位设置为1，并根据此6位二进制编码进行匹配，判断出婴儿啼哭的含义。000100对应饥饿，001111对应婴儿需要排泄，000110对应婴儿需要关怀，001110对应婴儿瞌睡，000111对应婴儿惊醒，011111对应婴儿不舒服，其中低频段为最低位，高频段为最高位。
30.s2，接收到有婴儿啼哭的信息，就立即驱动音乐播放器07播放音乐
31.s3，将匹配到的结果通过无线模块09发送到app端，同时将a/d采集到的每个通道的频率数据也发送到app端，经过再一次的算法处理后将结果再次发送到嵌入式系统06，并通过手机app端和数据显示模块08显示出来，最终实现一个基于多频带的婴儿啼哭声情感监测。
32.本发明技术原理如下：
33.多频带婴儿啼哭情感智能监测装置，其核心在于对婴儿的啼哭信号有6个频带的滤波选择，整个系统主要由咪头(音频传感器)，初步带通滤波放大电路，6个通道的带通滤波器以及分别对应的整形电路，比较器电路，嵌入式系统，音乐播放器，数据显示模块和无线通信模块构成，整个结果的显示以及系统的响应由嵌入式系统处理和控制。其具体流程为语音获取模块(咪头)将声音信号转换为电信号，经过初步的滤波放大后，接到6个带通滤波的输入端，经过再次滤波之后信号传输到整形电路的输入端，整形过后将其传送到比较器电路的输入端，最后形成一个有一定频率的方波信号，由嵌入式系统进行采集测频，并且标记有响应的通道。根据处理后的结果对音乐播放器模块进行驱动，同时可将结果无线传送至用户端，再结合用户端软件算法处理结果，反馈到嵌入式系统，并将最终结果用数据显示模块显示出来。
34.所述语音获取模块，其本质是一个咪头，其作用是将婴儿啼哭的声音信号转换为可处理的电信号。
35.所述初步的滤波放大即将获取到的电信号进行一个初步的处理，即将大于10khz，小于300hz的信号给滤除掉，且基于由语音获取模块捕获到的信号幅值在60mv左右，因此又添加了放大功能，其增益为50倍。其主要目的是为了排除信号中的噪声和信号中非婴儿啼哭的成分。
36.所述6个带通滤波器，即分别表示6个不同的频带，通过对大量婴儿啼哭语音信号样本的频谱分析之后，在这里设置了以下6种频带，分别为300hz到600hz，600hz到1khz，1khz到3khz，3khz到6khz，6khz到8khz，8khz到10khz。信号在哪一种频带的幅度大，则该频带所对应的通道输出信号响应就越强。需要特别指明的是，本发明专利设计的6种频带仅作具体设计中的一种参考方案，在应用中可根据实际需求做适应性地增加或减少频带的数量。
37.所述整形电路即采用二极管或mos管设计的半波/全波整流电路，目的是为了方便嵌入式系统的采集处理，将波形小于零的部分滤除掉，只保留大于零的部分。
38.所述比较器将信号转换为方波，从而更有利于嵌入式系统的采集和测频。其中比
较器电压阈值为1v，大于1v的为高电平，小于1v的为低电平。
39.所述嵌入式系统的采集和测频即为在嵌入式系统输入端设置6个采集通道，分别对应6个位(d6d5d4d3d2d1)，其中最低位d1对应最低频段300hz到600hz，d2对应低频段600hz到1khz，d3对应低频段1khz到3khz，d4对应中频段3khz到6khz，d5对应中频段6khz到8khz，d6对应高频段8khz到10khz。若采集到某频段内对应的信号为高电平，即此位设置为1，并根据6个采集通道对应的d6d5d4d3d2d1数值来综合判断出婴儿啼哭的含义。例如，000100对应饥饿，001111对应婴儿需要排泄，000110对应婴儿需要关怀，001110对应婴儿瞌睡，000111对应婴儿惊醒，011111对应婴儿不舒服。
40.所述音乐播放器即检测到婴儿哭声，就开始自动播放婴儿情绪安抚音频或婴儿父母的录音片段，缓解婴儿啼哭。
41.所述数据显示模块的作用是实时显示婴儿的啼哭状态，若捕获到哭声，实时地将婴儿啼哭声分析结果显示出来，可以为监护人给出合适的参考依据，并及时的做出相应的处理措施。
42.所述无线通信模块第一个作用是是指接收处理的结果，并将其结果发送到监护人的手机app端，再次提醒监护人，第二个作用是将测到的频率数据发送到app端，通过软件的算法，再次进行一个测评，得出最优结果，显示到app端，并且传输到嵌入式系统在数据显示模块显示出来。
43.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。