基于物聯(lián)網(wǎng)的嬰兒實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

李國城,陳佳明,李偉林,莫偉健

(中山大學 新華學院 廣東 廣州510520)

基于物聯(lián)網(wǎng)的嬰兒實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

李國城,陳佳明,李偉林,莫偉健

(中山大學 新華學院 廣東 廣州510520)

為了避免在照顧嬰幼兒時產(chǎn)生不可預見的因素而影響著嬰幼兒的健康成長,設(shè)計了一種嬰兒實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了無線網(wǎng)絡、無線傳感技術(shù)與嵌入式技術(shù),以模塊化設(shè)計實現(xiàn)監(jiān)測和監(jiān)控功能,針對無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)丟失問題,采用最新的socket程序庫,防止數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時產(chǎn)生錯誤,保證整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性。該系統(tǒng)以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的微控制器,采用W5500、nRF24L01、GSM、WiFi網(wǎng)絡負責無線網(wǎng)絡通信的實現(xiàn),將檢測到的數(shù)據(jù)實時傳到上位機并對嬰兒異常進行報警。經(jīng)過測試,該系統(tǒng)實時性好、穩(wěn)定性高、安全性高等優(yōu)點。

嵌入式；無線網(wǎng)絡；無線傳感器；實時監(jiān)控系統(tǒng)

隨著社會的發(fā)展,父母越來越重視孩子在嬰幼兒時期的成長發(fā)育,在照看嬰兒方面需要投入更多的時間和精力,在現(xiàn)代社會快節(jié)奏的生活工作壓力下往往會感到力不從心。而現(xiàn)實生活中存在著太多不可預見的因素影響著嬰幼兒的健康成長,孩子的體型在發(fā)育階段,70﹪的時間都是在床上度過［1］。為了減輕父母在育兒期間的負擔,同時提高育兒質(zhì)量,針對普通嬰兒床存在的功能單一、性能簡單、幾乎度不具備智能檢測以及控制等功能。因此,設(shè)計一種新型的可移動嬰兒床,適應室內(nèi)和外出游玩,具有實時智能監(jiān)控以及檢測危險的系統(tǒng),可以能夠隨時給家長提供嬰兒的生活環(huán)境和活動狀況等信息。

1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

嬰兒實時監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)4種功能,分別為各種傳感器的數(shù)據(jù)采集分析與控制、無線網(wǎng)絡的傳輸、終端的接收與監(jiān)控、與防摔防碰撞,其中無線網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崿F(xiàn)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。圖1為嬰兒實時監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖,采用最新的socket程序庫,提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分,在智能家居系統(tǒng)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)得到應用和發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的基本體系結(jié)構(gòu)包括3方面:感知層、網(wǎng)絡層、應用層［2］。采用硬件TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡控制器W5500、WiFi無線路由器和nRF24L01無線技術(shù)作為本系統(tǒng)的網(wǎng)絡層的通訊,實現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的采集和收發(fā),具有穩(wěn)定性強、傳輸范圍廣、功耗低等優(yōu)點［3-4］。

2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 溫濕度采集電路

本電路的設(shè)計主要是由溫度傳感器和濕度傳感器負責嬰兒實時體溫的監(jiān)測和是否尿床的監(jiān)測。圖2所示為溫濕度采集電路。體溫的數(shù)據(jù)是采用一種常用于溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)或者熱感測系統(tǒng)數(shù)字方式傳輸?shù)母呔菵S18B20溫度傳感器［5］。DS18B20溫度傳感器內(nèi)部包含的高速暫存器RAM含有兩個字節(jié)的溫度寄存器,這兩個寄存器可以存儲輸出的數(shù)據(jù),在控制線連接一個弱上拉電阻,通過對寄存器TH和TL的編程,提高測量的精度和分辨率,能實現(xiàn)在93.75 ms和750 ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化輸出精度高達9～12位。

圖1 嬰兒實時監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Infant overall structure of the real-time monitoring system

圖2 所示為溫濕度采集電路Fig.2 Shows the temperature and humidity acquisition circuit

通過HS1100濕度傳感器檢測嬰兒是否尿床。HS1100是一種電容傳感器,根據(jù)其高分子材料吸收水分之后的電常數(shù)發(fā)生變化而進行濕度的測量［6］。通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換,將電容值的輸出轉(zhuǎn)換為以之成反比的電壓信號數(shù)據(jù)被主控器接收。

2.1.2 哭聲識別電路

哭聲識別電路采用LN567通用鎖相環(huán)電路音調(diào)譯碼器,本電路設(shè)計如圖3所示,使用MIC采集嬰兒哭聲音頻信號,通過兩級集成運放電路,將MIC采集到的較弱模擬信號放大為強信號。嬰兒在不同情況下的哭聲頻率也是有所不同的,哭聲頻率在15 kHz左右表明嬰兒是餓了,頻率在6 kHz左右時是嬰兒想睡覺了［7］。采用電容濾波電路進行聲音的濾波處理,降低環(huán)境噪音的干擾。將濾波處理后的聲音信號通過二極管進行整形從而得到低頻信號,最后通過比較器將模擬信號轉(zhuǎn)化為聲音持續(xù)時間的數(shù)字信號,從LN567芯片的OUTPUT端口輸出脈沖信號到主控器芯片。

圖3 哭聲識別電路Fig.3 Crying recognition circuit

2.2 無線網(wǎng)絡模塊

2.2.1 WiFi傳輸模塊

無線網(wǎng)絡模塊設(shè)計的是本系統(tǒng)的主要核心部分,通過無線網(wǎng)絡進行傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸,使得處在無線網(wǎng)絡中的各傳感器通信布線少,提高通信的效率和協(xié)調(diào)化。系統(tǒng)中WiFi無線網(wǎng)絡主要是實現(xiàn)對視頻圖像的傳輸和對嬰兒床電機的驅(qū)動。通過向WiFi控制板刷入基于嵌入式Linux系統(tǒng)的具有高度模塊化、高度自動化的OpenWRT系統(tǒng)［8］。攝像頭通過USB接到WiFi控制板,將拾取的視頻圖像經(jīng)過調(diào)制轉(zhuǎn)換通過無線傳輸?shù)缴衔粰C,實現(xiàn)對嬰兒的實時監(jiān)控。WiFi控制板與主控器以串口接口通訊方式,通過上位機發(fā)送指令實現(xiàn)對搖床電機、玩具電機、行駛電機的驅(qū)動。

2.2.2 W5500以太網(wǎng)模塊

W5500是一款wiznet公司推出的嵌入式以太網(wǎng)控制器,通過SPI接口實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡連接,支持TCP/IP協(xié)議處理,體系結(jié)構(gòu)分為10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層 （MAC）、網(wǎng)絡 層（NWK）、應用層（APL）［9］,數(shù)據(jù)鏈路層和物理層符合IEE 802.3標準定義的全部規(guī)范。層與層之間完成特定的功能與相關(guān)服務并通過接口實現(xiàn)網(wǎng)絡連接［10］。如圖4所示,W5500通過SPI串行外部接口與主控器芯片相連進行通訊,同時通過網(wǎng)線接與上位機實現(xiàn)通信,將nRF240L1從溫度傳感器接收到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到W5500，在通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機的machtalk服務器中實時顯示并記錄。

圖4 SPI接口與W5500通信方式Fig.4 SPI communication interface with the W5500

2.2.3 nRF24L01無線收發(fā)模塊

系統(tǒng)以基于NORDIC公司生產(chǎn)的以8051為內(nèi)核基礎(chǔ)的增強型2.4 GHz無線收發(fā)器nRF24L01實現(xiàn)近距離無線通信,能夠?qū)崟r感知和采集傳感器的信號,以無線電波作為載體實現(xiàn)對傳感器之間的數(shù)據(jù)通信［11］。各傳感器經(jīng)過內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后以數(shù)字信號通過I/O口引腳和nRF24L01實現(xiàn)通訊,nRF24L01將采集到的數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到接收端。無線收發(fā)電路如圖5所示,電路的前端是射頻接收模塊,可以通過軟件編程設(shè)置其工作方式（接收、空閑、關(guān)機）,通過SPI接口連接到主控器芯片進行數(shù)據(jù)通信,設(shè)置地址碼實現(xiàn)多從機對主機的數(shù)據(jù)通信。

圖5 nRF24L01外圍電路Fig.5 nRF24L01 peripheral circuits

2.3 系統(tǒng)主控制器模塊

嵌入式ARM內(nèi)核的STM32系列微控制器具有高性能和資源、指令豐富等優(yōu)點,嬰兒實時監(jiān)控系統(tǒng)主控制模塊采用意法半導體公司推出的 32為基于 Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6處理芯片［12］,片上集成了64 KB的SRAM和512KB的FLASH,具有CAN與USB總線,5個USART串口通信接口,3個SPI總線接口等電路接口,滿足多種并同時通訊的功能,處理速度快,功能強大,外部接口豐富,內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲空間容量大,可以很好的實現(xiàn)本系統(tǒng)的各功能設(shè)計要求,本系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框架Fig.6 The overall design of the system architecture framework

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 W5500網(wǎng)絡初始化

由于訪問machtalk是通過域名訪問的,所以需要在程序里面包含DNS服務的程序,DNS解析需要一個定時器來定時調(diào)用域名解析相關(guān)函數(shù),還需要配置網(wǎng)絡的IP地址,MAC地址,網(wǎng)關(guān),DNS服務器等。

3.2 nRF24L01的初始化

把nRF24L01配置成PTX工作模式,實現(xiàn)主從機的對數(shù)據(jù)的收發(fā)。若從機從傳感器接收到數(shù)據(jù),則啟動發(fā)送數(shù)據(jù),主機開啟接收模式。

4 系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)測試以溫度采集為例進行多次的實時采集測試。數(shù)據(jù)測試如圖7所示。將采集到的溫度通過nRF24L01發(fā)送到主控芯片并由W5500通過以太網(wǎng)通信發(fā)送到PC端的服務器存儲并顯示。從系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)分析得出:本嬰兒實時監(jiān)控系統(tǒng)實時性好,穩(wěn)定性高,達到預期的設(shè)計目標。

圖7 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)Fig.7 System test data

5 結(jié)束語

根據(jù)當前的普通嬰兒床不具備智能檢測以及控制等功能而展開嬰兒實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計,利用被廣泛應用在各領(lǐng)域的新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無線網(wǎng)絡通信技術(shù)對嬰兒床增加對嬰兒的實時監(jiān)控功能并增加安全與控制系統(tǒng),引用最新的socket程序庫對系統(tǒng)中的無線網(wǎng)絡進行優(yōu)化,大大提高了數(shù)據(jù)的安全性和實效性。設(shè)計本系統(tǒng)的直接目的是保證嬰兒在嬰兒床上時能及時地進行實時監(jiān)控,有效地監(jiān)測和防止嬰兒身體出現(xiàn)狀況或者安全問題的發(fā)生,能及時告知父母,從而能方便父母在看護孩子的情況下也能工作。此外,本嬰兒實時監(jiān)控系統(tǒng)的移植性高,可以應用在其它的領(lǐng)域,如醫(yī)院對嬰兒的治療和監(jiān)護管理中心,養(yǎng)老院對老人的監(jiān)護管理。因而本系統(tǒng)的研發(fā)就有較高的實際意義和拓展性。

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The design of baby real-time monitoring system that based on the Internet of things

LI Guo-cheng,CHEN Jia-ming,LI Wei-lin,MO Wei-jian
（Xinhua College of Sun Yat-sen University,Guangzhou 510520，China）

In order to avoid the causing of the unforeseen factors that can affects the health of infants and children when we take care of them.Designed a real-time monitoring systems babies.The system combines the the wireless network，wireless sensor technology and the embedded technology.It realizes the function of monitoring and surveillance by means of the modular design.According to the problem of data loss by the transmission of the wireless network，the system using the latest socket library to prevent the error’s happen when the data is sending and receiving.So that to ensure the accuracy of the system’s data.The system uses ARM Cortex-M3 as the core of the STM32F103ZET6 as the micro controller of the system，and it will be realized by using W5500，Nrf24L01，GSM，WiFi network for wireless network’s communication.It will send the detected data to the upper computer and will give an alarm when the baby generates the abnormal phenomenon.After testing，the system has the advantages of good real-time performance，high stability and high security.

embedded；wireless network；wireless sensor；real time monitoring system

TN92

：A

：1674-6236（2015）18-0186-04

2014-12-17稿件編號：201412134

李國城（1993—）,男,廣東梅州人。研究方向:嵌入式系統(tǒng),工業(yè)控制。