小型智能無(wú)線(xiàn)嬰兒監(jiān)護(hù)器的設(shè)計(jì)

楊志彬+馬惜平+閆冰

摘 要：現(xiàn)實(shí)生活中存在著太多不可預(yù)見(jiàn)的因素影響著嬰幼兒的健康成長(zhǎng)，所以要為嬰幼兒創(chuàng)造一個(gè)良好的環(huán)境，用微信開(kāi)發(fā)版智能硬件、溫度、適度、心率等控制模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型智能的嬰兒監(jiān)護(hù)器。通過(guò)傳感器收集到的各種數(shù)據(jù)檢測(cè)嬰兒的狀態(tài)，通過(guò)聲光和手機(jī)的微信端報(bào)警，這樣家長(zhǎng)可以及時(shí)到達(dá)嬰兒床處，處理所發(fā)生的情況，讓嬰兒得到最舒適的照顧。

關(guān)鍵詞：嬰兒監(jiān)護(hù) 無(wú)線(xiàn)智能 微信報(bào)警

中圖分類(lèi)號(hào)：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（b）-0017-02

隨著時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，越來(lái)越多的家庭都認(rèn)識(shí)到對(duì)嬰幼兒早期看護(hù)的重要性。為嬰幼兒創(chuàng)造一個(gè)良好的環(huán)境，也是社會(huì)和家庭應(yīng)盡的義務(wù)和責(zé)任。但大人卻不能無(wú)時(shí)不刻地守護(hù)在嬰兒身邊，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)境狀況變化、體溫的變化以及尿床等智能嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)至關(guān)重要。該系統(tǒng)可清洗，能夠隨時(shí)給家長(zhǎng)提供嬰兒的生活環(huán)境和活動(dòng)狀況信息，并給家長(zhǎng)提供科學(xué)的看護(hù)建議，讓嬰兒能夠健康成長(zhǎng)。

1 設(shè)計(jì)方案

在國(guó)內(nèi)，人們使用微信越來(lái)越普遍，但是使用監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的比較少。該系統(tǒng)采用微信開(kāi)發(fā)板智能硬件作為核心處理器，包含尿濕檢測(cè)、心率檢測(cè)、溫度檢測(cè)、聲音檢測(cè)等部分。各種傳感器之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與微信開(kāi)發(fā)板之間進(jìn)行通信，將采集的信號(hào)發(fā)送到微信端。若傳感器收集到的各種圖數(shù)據(jù)不符合嬰兒的正常狀態(tài)，通過(guò)聲光或手機(jī)微信端報(bào)警，這樣家長(zhǎng)可以及時(shí)到達(dá)嬰兒床處，處理所發(fā)生的情況，讓嬰兒得到最舒適的照顧。

1.1 看護(hù)器

溫濕度傳感器，心率傳感器和聲音傳感器體積較小，主體上覆蓋硅膠材質(zhì)，確保不刺激嬰兒嬌嫩的皮膚。檢測(cè)體溫、心率傳感器是長(zhǎng)度可調(diào)的手環(huán)形狀，濕度傳感器采用感應(yīng)墊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒的各種體態(tài)數(shù)據(jù)。在嬰兒需要換洗衣服的時(shí)候，隨時(shí)取下傳感器模塊。傳感器、微信開(kāi)發(fā)板及報(bào)警裝置之間在空間上獨(dú)立，采用無(wú)線(xiàn)連接方式，方便嬰兒更換衣服。

1.2 信號(hào)傳輸

將采集的心率，溫濕度和聲音信號(hào)通過(guò)WIFI傳遞給微信開(kāi)發(fā)板。微信開(kāi)發(fā)板上具有WiFi無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。通過(guò)WIFI無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)發(fā)送，最后微信終端接收數(shù)據(jù)。采用ESP8266串口WIFI模塊，該模塊集成了穿透功能，支持串口AT指令集，服務(wù)器AT指令集，用戶(hù)通過(guò)串口即可使用網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)的功能。且支持SMARTCONFIG配置功能，支持14 MA低功耗數(shù)據(jù)傳輸，支持AirKiss協(xié)議。

1.3 監(jiān)護(hù)器

監(jiān)護(hù)器是整個(gè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的核心，就是手機(jī)終端上的微信平臺(tái)。它主要是完成對(duì)采集信息的接收，顯示，處理以及警報(bào)功能。傳感器通過(guò)WiFi將信息傳輸?shù)轿⑿砰_(kāi)發(fā)板，微信開(kāi)發(fā)板將傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，最后通過(guò)4G或者WiFi在微信客戶(hù)端上顯示處理過(guò)后的數(shù)據(jù)。手機(jī)攜帶方便，便于觀測(cè)采集的數(shù)據(jù)。

2 軟件方案

系統(tǒng)的軟件部分主要包括主程序、心率測(cè)量子程序、溫度測(cè)量子程序、濕度測(cè)量子程序、以及報(bào)警程序以及模式設(shè)置子程序。主程序的流程設(shè)計(jì)首先對(duì)系統(tǒng)和外界芯片進(jìn)行初始化，然后體溫測(cè)量、心率測(cè)量、濕度測(cè)量、聲音測(cè)量。再通過(guò)主程序控制，若哪項(xiàng)測(cè)量的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)參數(shù)不符，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)做出判斷。再通過(guò)所采用的室內(nèi)及室外模式，選擇相應(yīng)的聲光方式在手機(jī)端進(jìn)行報(bào)警。

3 硬件方案

3.1 功能說(shuō)明

（1）音頻輸入/輸出。嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)配有麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器，允許遠(yuǎn)程音頻通信。音頻通信開(kāi)機(jī)協(xié)議（SIP）設(shè)定音頻連接，SIP使用單獨(dú)的配置通道連接，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)URL和SIP設(shè)置實(shí)現(xiàn)的。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的音頻傳輸使用的是RTSP協(xié)議。

（2）溫濕度輸入。多點(diǎn)溫度檢測(cè)模塊采用含已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。DHT11采用3.3～5.5 V直流供電，濕度測(cè)量范圍20～90%RH，濕度測(cè)量精度±5%RH，濕度分辨率1%RH，可完全互換，長(zhǎng)期穩(wěn)定性<±1%RH/年。單線(xiàn)制串行接口輸出數(shù)字信號(hào)，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其適用于多點(diǎn)尿濕檢測(cè)。相比其他同類(lèi)產(chǎn)品的單一傳感元件，多點(diǎn)測(cè)控更有效、更可靠。通過(guò)溫濕度傳感器收集的溫度和濕度為模擬信號(hào)，此模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字流，然后經(jīng)由管理系統(tǒng)處理，在傳導(dǎo)用戶(hù)終端。

（3）心率輸入。嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)配有心率采集的傳感器。 該設(shè)計(jì)的心率采集監(jiān)測(cè)模塊采用HK-2000B型脈搏傳感器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行拾取，其具有靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng) ，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。經(jīng)傳感器提取到的脈搏信號(hào)傳遞給微信開(kāi)發(fā)板。為了得到正確的脈搏頻率，可用設(shè)置中斷的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。

（4）報(bào)警處理。報(bào)警處理是用來(lái)管理報(bào)警事件和相關(guān)記錄的，它可以刪除已處理過(guò)的報(bào)警事件。

3.2 硬件說(shuō)明

該系統(tǒng)主要硬件包括以下部分：開(kāi)發(fā)板電源（電壓為3.3 V）、帶有微信客戶(hù)端的智能手機(jī)、RGB 開(kāi)關(guān)（PWM控制）、DHT11溫濕度傳感器、12 V和5 V電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器、HK-2000B型脈搏傳感器、開(kāi)發(fā)板USB接口、AD7794聲音采集傳感器、擴(kuò)展連接器。

（1）存儲(chǔ)器。

存儲(chǔ)器RAM和閃存（Flash）必須位于主板上，傳感器作為外設(shè)連接到主板。主板上有足夠的RAM和Flash以支持對(duì)傳感器信息的處理和WIFI模塊想微信客戶(hù)端傳遞數(shù)據(jù)所需的內(nèi)存。閃存還用于存儲(chǔ)用戶(hù)電路的特定信息。

（2）設(shè)置配置。

設(shè)備的配置設(shè)置存儲(chǔ)于系統(tǒng)，這些設(shè)置不會(huì)因?yàn)檐浖露淖?。基本設(shè)置項(xiàng)有專(zhuān)門(mén)的表格以供用戶(hù)查詢(xún)。

（3）電源。

主板、和所有連接設(shè)備供電的電源都有一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器提供。主板有一個(gè)USB接口來(lái)供電。電源轉(zhuǎn)換器必須符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)（最大3.3 V）。

（4）溫濕度傳感器。

溫度濕度檢測(cè)模塊采用含已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，DHT11采用3.3～5.5 V直流供電，濕度測(cè)量范圍20%～90%RH，濕度測(cè)量精度±5%RH，濕度分辨率1%RH，可完全互換，長(zhǎng)期穩(wěn)定性<±1%RH/年。單線(xiàn)制串行接口輸出數(shù)字信號(hào)，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其適用于多點(diǎn)尿濕檢測(cè)。

（5）心率傳感器。

心率采集監(jiān)測(cè)模塊采用HK-2000B型脈搏傳感器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行拾取，其具有靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng) ，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。經(jīng)傳感器提取到的脈搏信號(hào)傳遞給微信開(kāi)發(fā)板。其中采集節(jié)點(diǎn)利用電池供電，體積小而且耗能低。利用AD采樣，將采集的數(shù)據(jù)以數(shù)字的形式體現(xiàn)。

（6）聲音采集模塊。

聲音檢測(cè)報(bào)警只對(duì)1 500 Hz以上聲音進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)該頻段范圍內(nèi)的聲音幅度超過(guò)閾值時(shí)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送信號(hào)使接收終端聲光報(bào)警，聲音閾值根據(jù)實(shí)際環(huán)境由用戶(hù)調(diào)節(jié)。聲音檢測(cè)模塊電路由AD7794將話(huà)筒采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由開(kāi)發(fā)板濾波處理。處理結(jié)果判斷為嬰兒哭聲才觸發(fā)射頻芯片。AD7794芯片適合高精度測(cè)量應(yīng)用，并且具有低功耗、低噪聲、完整輸入終端等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

一款合適的嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能幫助父母實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)嬰兒的活動(dòng)情況，對(duì)有可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)能在第一時(shí)間傳送給父母，以便父母及時(shí)應(yīng)對(duì)。因此，開(kāi)發(fā)一種功能全面，安全可靠地嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)很有必要。

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