悬浮音响式幼儿早教机

孙美玉，龙圆圆，都朋超，冯 冲，施 展，雷 扬，李梦轩，唐玉敏

（大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁大连116600）

0 引 言

随着父母对儿童教育重视程度的不断提高，作为父母对儿童进行早期教育的工具之一，早教机已广泛出现在众多家庭的亲子互动场景中［1-3］。目前，市场上早教机有点读式、插入卡片式、平板微电脑式等等。但是，大多早教机却只能作为单一早教工具来使用，还不能满足家庭生活的智能化要求。

本设计是一款集照明、装饰摆台、音频播放和早教功能于一体的智能家居早教机［4-6］。首先，该早教机具有幼儿点读功能，幼儿可通过点读卡进行交互式早教活动；其次，该早教机是音响设备，家庭成员可在其上播放手机中的歌曲；再次，早教机采用悬浮形式，具有基于3D打印的可定制外形，可作为装饰摆台使用；最后，早教机配备了照明调节功能，具有夜灯的效果。对此，本文拟展开研究论述如下。

1 总体设计方案

该早教机以声音传输的方式，给儿童播放早教音频，从而达到幼儿早教目的，音频内容主要包括儿童故事、早教儿歌、早教英语等。研究得到的系统设计如图1所示，控制早教音频的播放方式有2种。一种是利用点读键盘实现点读功能，STM32开发板作为微控制器与点读键盘相接。另一种是利用手机App与蓝牙配对，实现手机与产品的智能交互。音频播放的部分由STC12单片机完成，负责接收指令的蓝牙与STC12单片机板相接，将接收到的指令经由单片机处理传递给MP3模块，控制MP3播放音乐。

2 硬件技术设计

2.1 点读设计

对于用户来说，如果只是单一播放一首早教音乐，除了感到无聊外，还会失去幼儿早教的根本目的。所以本项目利用矩阵按键来研发点读式早教机的功能。当按下不同的按键时，便会发送不同的指令到从机配属播放音乐的部分。按键可实现控制早教音乐的播放与暂停、切歌功能、点歌功能等。用户需要时可自由切换音乐，对儿童进行不同的幼儿早教，基本满足用户需求。

图1 早教机系统设计Fig.1 Design of early learning machine

2.2 音频播放设计

本设计选用的是MP3-TF-16P模块。MP3-TF-16P是一个提供串口的语音模块，完美地集成了MP3、WAV、WMA的硬解码，同时软件支持TF卡驱动。通过简单的串口指令即可选取播放指定的音乐，以及如何播放音乐等功能。模块有2种读取方式。一种是读文件地址（按存放顺序，只限于根目录），另一种是读文件名字（只要按芯片要求来命名歌曲名字，限于文件夹）。本次设计选用第一种读取方式。无需繁琐的底层操作，使用上的方便、稳定、可靠是此款产品的最大特点。研究可得MP3模块连接设计如图2所示。

图2 MP3模块连接图Fig.2 MP3 module connection diagram

2.3 灯光设计

本设计采用LED荧光带来制造灯光的闪烁与变换，由于早教机上部为半透明的3D打印外壳，接通电源后早教机的上部将会发出荧光。当音频播放时，灯光会随音乐的节奏、声音大小以及节拍快慢律动，为整体设计增加炫酷效果。作为幼儿早教机，不仅具备了其产品的实用性，同时也可作为家居艺术品装饰家庭。

2.4 蓝牙无线传输

由于此设计采用悬浮技术，2个微控制器中的一个放置在悬浮下部，另一个放置在悬浮上部，研究中就需要用到2块蓝牙来保证数据的无线透传。本设计选用ATK-HCO5型蓝牙模块，引线如图3所示。

图3 模块与STM32开发板连接图Fig.3 Connection diagram between the module and STM32 development board

该模块的定制功能为，用于实现2个微控制器以及手机之间的数据通信。点读方式中，STM32与蓝牙模块连接，由不同的按键发送出不同的指令，另一块蓝牙接收这些指令。此外，还可以利用手机与蓝牙配对做到智能互联，通过手机App发送指令，蓝牙将接收到的指令发送给STC12，控制MP3模块播放音乐，手机App发送不同的指令，MP3模块便可播放不同曲目的音乐，也可随意点选早教音乐的播放、暂停、切歌、点歌等多种功能。

2.5 悬浮系统

本项目选用磁悬浮机芯系统，以此作为整个系统悬浮的基础。磁悬浮机芯系统的底座内装置了电磁铁全线圈和一些电路控制系统。电磁铁绕组中接通一定的电流会产生电磁力，只要控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的磁力与物体的重力相平衡，物体就可以悬浮在空中而处于平衡状态。

2.6 3D 打印外观

3D打印是一种快速成型技术，与普通打印机工作原理基本相同。打印机内有打印材料，与电脑连接后，通过电脑控制把打印材料一层层叠加起来，最后把计算机上的设计图变成实物。

本项目就是利用3D技术打印的外壳。使用HW605型 FDM式3D打印机，耗材为 PLA。图4（a）为3D打印设计图，图4（b）为打印完成的整体外形图。

图4 3D打印设计图及整体外形图Fig.4 overall design of 3D printing

3 系统软件设计

3.1 主机控制模块

主机控制分为2部分。其中一部分，STM32单片机与矩阵键盘相连起到控制作用，通过按下不同的按键，可给单片机上的主蓝牙模块发送不同的指令［7-8］。另一部分为手机App向STC12上的蓝牙模块发送指令，实现手机与微控制器智能交互，也同样可以调用相应的功能。本次研究中，主机控制的设计流程如图5所示。

图5 主机控制流程图Fig.5 Master control flow chart

3.2 从机接收模块

作为从机部分，STC12系列单片机指派面对的就是接收工作。从机主要包含蓝牙模块，可用来接收主机发送的数据，根据接收的数据来做出相应的功能调整，再将数据传送回主机来判断目前的工作状态。音频播放使用MP3-TF-16P语音模块，通过蓝牙传输到单片机的数据将送入相应的音频播放，其播放的音频即储存在TF卡中，根据TF卡容量的大小，播放的歌曲数量会有限制（或达到音频播放模块上限）。本次研究中，从机接收的设计流程如图6所示。

图6 从机接收流程图Fig.6 Slave receiving flow chart

4 结束语

本设计为悬浮音响式幼儿早教机，该早教机具有3个特点，可解读阐述如下。

（1）采用蓝牙组建2个微控制器之间的数据无线透传，以及采用手机与蓝牙配对提供无线数据通信，以此控制音频播放，从而利用声音传输的方式对儿童实现早教。

（2）将早教机设计为点读式，以按键形式实现点读功能，可随意对音频进行切换。

（3）利用磁悬浮技术将早教机设计为悬浮式，增加早教机的趣味性和科幻感，并采用3D打印技术设计外观，研发不同样式以满足用户的任意需求。作为家居设计艺术品，实现家居生活智能化。