基于一种新型多功能智能电动牙刷的天气、交通播报系统的设计

朱美，马明雨，赵祖莲，莫章洁，邓睿，余宏

（贵州师范学院物理与电子科学学院，贵州贵阳，550018）

0 引言

在当今快节奏生活背景下，早上时间的高效利用成为人们关注的热点。对于上班族等这类人群而言，早晨时间极其紧张，合理安排显得尤为重要。很多时候，谁的时间利用率高，就意味着你可以在相同的时间里做更多的事。在刷牙同时了解天气、交通信息，可以帮助自己选择更适合的衣服穿搭以及是否需要携带雨具等，为自己做好出行准备；获悉交通拥堵情况，帮助自己选择合适的交通方式或者绕开拥堵路段，提高交通出行效率。同一时间段上能够处理的事情越多，时间复用率也就越高，相较于以往刷完牙后再用手机获取当天的天气预报与交通路况，节约了一定时间并提高了效率。新型多功能智能牙刷能在普通人群的2-3分钟标准刷牙时间内同时完成刷牙、天气播报、交通播报事情，及时提示合理的穿衣、是否带雨具和早高峰出行线路选择。极大地提高了时间的利用率，满足人们对时间高效利用的需求。

1 总体设计要求

基于一种新型多功能智能电动牙刷的天气状况、交通路况播报系统主要由手机连接蓝牙模块、电台信息采集模块、信息数据接收储存模块、音频解码模块、扬声器播放模块、电源模块6个部分组成。由于该系统是基于电动牙刷设计的系统，要求成品体积要尽可能小，而植入蓝牙芯片这样的方式恰好可以在成品体积小的基础上实现实时获取天气与交通信息的功能；电台信息采集模块为天气状况、交通路况播报系统的主控电路，它主要负责获取手机电台中当日的天气与交通的音频数据，为随后数据的下一步传输做准备；信息数据蓝牙传输模块将获取的音频数据通过蓝牙主控芯片传输到音频解码芯片，最终由音频解码模块完成解码并由扬声器对已转换成的声音信号进行播报。

2 硬件部分

2.1 电台信息采集模块

天气状况、交通路况播报系统需要对电台信号进行精确的选择，而信号的选择由信号频率来决定，因此需要一种选择性强的频解调芯片来作为电台信息采集模块的核心。而TA31136频解调芯片恰好具有这样的优势，TA31136频解调芯片工作原理为：接收信号在经过第一次变频后，通过晶体滤波器进行滤波从而再次变频，输入信号的选择性增强，更容易选择到天气与交通电台的输入信号。该芯片为二次变频，比单次变频多了一次滤波，削弱了杂波对接收信号的干扰；分散了接收机总增益，并且更有效地隔离了本振信号和接收信号：获取的信号源更加稳定。因此我们将选用TA31136频解调芯片，以满足电台信息采集的质量要求。

图1 基于TA31136的电台信息采集电路

2.2 信息数据蓝牙传输模块

手机与电动牙刷之间的信息传输需要一个关键的中介——蓝牙，它是一种基于低成本的近距离无线连接，其低延迟性使得物与物之间可以实现数据同步。但是由于数据的多变性，处理数据的灵活性对于本系统的设计格外重要，因此信息数据的蓝牙传输我们选用功能、灵活性强的蓝牙控制芯片。nRF51822是一种多协议系统级芯片，其强大的功能和高灵活性使得该芯片与低功耗无线蓝牙应用的相性极强，非常适合用于本模块的设计。且在nRF51822软件开发套件免费提供S110蓝牙低功耗协议堆栈及24GHz协议堆栈(包括Gazell)，适当的降低了设计成本。

2.3 音频解码模块

音频信息在传输到喇叭内进行播放之前还需进行最后一步——音频解码，而对于由蓝牙实时传输的这种低延迟、复杂的信息，则需要一种高性能的音频解码器来对其进行解码，且由于要应用于无线设备上，电耗低的条件也不可缺少。所以在音频解码模块我们采用VS1053B芯片。VS1053B是一个单片Ogg Vorbis/AAC/MP3/WMA/MIDI音频解码器、IMA ADPCM编码器和可供用户加载的Ogg Vorbis编码器，综合性能强。VS1053在输出前先通过MISO﹑MOSI﹑SCK(SPI接口)来接收输入的数据，并经过VS1053内置的采样DAC转换为音频模拟量。具有高性能，低功耗的特点，应用于小型无线设备再合适不过。

图2 信息数据接收存储电路图

图3 VS1503B音频解码电路图

2.4 扬声器播放模块

由于电动牙刷体积小的约束,扬声器的尺寸是不得忽略的首要条件，我们将选用类似于VISTON这样的小型扬声器，在牙刷内部与音频解码器连接的合适位置进行安装。

2.5 电源模块

使用3.7V的电压作芯片的内核供电，同时也是其他模块电路的工作电压，能够保证此系统的正常运转。

3 主程序模块的设计

按下开关，接通电源后，单片机就能很快复位，准备执行程序，对单片机进行初始操作，开始工作，紧接着分辨有无键输入，若无，则停止分辨，不执行解码器功能；若有，则直接读取蓝牙主控芯片数据，并进行解码；最后通过扬声器执行播放。

图4 主程序流程图

4 结语

本系统是一种新型多功能智能电动牙刷的天气状况、交通路况播报。目前市场上常见的电动牙刷的综合设计存在功能单一、数据反馈不及时、缺乏人性化智能化程度不高等问题，而本设计通过小程序获取天气预报以及通过电台获取交通状况，能够实现多功能、动态检测、增强人性化和智能化。极大提高了人们对于使用电动牙刷的兴趣，增强了电动牙刷的实用性以及获取信息的便捷程度。