基于物聯(lián)網(wǎng)的兒童多功能智能化穿戴式系統(tǒng)研究

重慶工程學(xué)院 李成勇 鄒棟才

經(jīng)驗

基于物聯(lián)網(wǎng)的兒童多功能智能化穿戴式系統(tǒng)研究

重慶工程學(xué)院 李成勇 鄒棟才

21世紀(jì)的社會是智能化社會，智能生產(chǎn)、智能生活將是未來社會的必然趨勢，隨著智能硬件在諸多行業(yè)的普及，可穿戴技術(shù)成為當(dāng)下一個熱門話題?；趦和闹悄艽┐骷夹g(shù)備受人們關(guān)注，已經(jīng)成為市場熱點，有專家預(yù)測，兒童智能手表和手環(huán)將是繼兒童手機之后的下一批市場潛力無限的產(chǎn)品。本文中產(chǎn)品擬以MSP430作為主控芯片將智能穿戴技術(shù)、人體區(qū)域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、運動科學(xué)、電子電路和云平臺等集為一體，構(gòu)建一個具有定位和追蹤、體征感知、運動感知、門禁識別以及APP查詢功能的兒童智能穿戴系統(tǒng)，減輕家長的壓力。

一、引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對智能化生活的要求不斷提高，可穿戴設(shè)備作為炙手可熱的新生代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，倡導(dǎo)的是人性化的無縫連接，是以人為本的“小智能”。就目前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展形勢來看，智能穿戴設(shè)備越來越高科技，這將是未來的必然發(fā)展趨勢，也是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一大研究方向。兒童，作為備受全社會關(guān)注的焦點，對自身的身體狀況和安全狀況了解缺乏準(zhǔn)確認(rèn)知，我們正在設(shè)計一種能夠更好滿足這方面需求的產(chǎn)品。

二、系統(tǒng)的總體方案

本系統(tǒng)一方面把兒童體征情況及位置信息通過數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)送到云平臺，由控制中心根據(jù)其具體情況進(jìn)行處理或發(fā)布；另一方面，穿戴設(shè)備構(gòu)成門禁系統(tǒng)的RFID識別標(biāo)簽，進(jìn)行簽到拍攝照片或視頻上傳云平臺供家長查詢。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，本系統(tǒng)分為智能穿戴子系統(tǒng)、門禁管理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理云平臺三個部分。采取分散監(jiān)控、集中操作和分級管理的方法，硬件架構(gòu)主要包括： 體征信息采集模塊、處理模塊、通信模塊、射頻識別模塊、圖像采集模塊以及云平臺等幾個模塊。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

三、智能穿戴子系統(tǒng)的功能說明

智能穿戴子系統(tǒng)：能實現(xiàn)兒童位置檢測，體征數(shù)據(jù)檢測，基本通信功能等，子系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 智能穿戴子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能框圖

門禁管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)在兒童經(jīng)過門禁附近時自動簽到，自動識別兒童身上穿戴的電子標(biāo)簽，并觸發(fā)圖像頻視頻采集功能，實現(xiàn)兒童自行外出時的自動監(jiān)控。另一方面把兒童體征情況及位置信息通過數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)送到云平臺，由控制中心根據(jù)其具體情況進(jìn)行處理或發(fā)布，自動簽到并拍攝照片或視頻上傳云平臺供家長查詢。子系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 門禁管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)云平臺子系統(tǒng)，實現(xiàn)智能終端數(shù)據(jù)匯總分析，家長可以利用微信或者APP隨時獲取兒童信息，也可通過云平臺自行設(shè)定報警閾值。數(shù)據(jù)云平臺子系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)云平臺子系統(tǒng)

四、可穿戴終端設(shè)計

本設(shè)計以MSP430可穿戴腕表終端節(jié)點為核心組成部分，其制作水平直接影響到最終效果，因此，對本腕表終端節(jié)點的研究就有著舉足輕重的作用。本腕表終端節(jié)點基于可穿戴微電子技術(shù)，多路傳感器集成技術(shù)，多數(shù)據(jù)融合技術(shù)和無線通信等技術(shù)而設(shè)計，主要由傳感器模塊、控制處理器、無線傳輸模塊、電源管理及充電電路五個部分組成，通過外接傳感器探頭獲得體溫信息經(jīng)硬件濾波、去噪和放大處理后再通過 AD 采集即可獲得溫度數(shù)據(jù)，通過接收姿態(tài)傳感器組的三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸陀螺儀數(shù)據(jù)和三軸磁力計數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行多路數(shù)據(jù)融合，并結(jié)合姿態(tài)識別算法，即可得到人體的姿態(tài)信息和人體跌倒信息，再將上述數(shù)據(jù)打包成固定格式給數(shù)據(jù)云平臺進(jìn)行進(jìn)一步處理。當(dāng)云平臺協(xié)調(diào)控制節(jié)點檢測到數(shù)據(jù)異?；蛘叩闺U情發(fā)生時，即會通過 GSM 給指定用戶發(fā)送健康險情短信提醒。

圖5 為基于MSP430的可穿戴腕表終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)框圖。主要通過溫度、GPS和姿態(tài)三種類型的傳感器模塊分別采集數(shù)據(jù)，再通過MCU對多路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，處理并進(jìn)行多數(shù)據(jù)融合之后，將多路傳感器數(shù)據(jù)打包成為一個固定格式的串口數(shù)據(jù)包，再通過移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)送給云指定 IP 地址的服務(wù)器進(jìn)行保存及后續(xù)云計算和管理。

圖5 可穿戴腕表終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.人體姿態(tài)檢測及跌倒預(yù)警電路接口設(shè)計

跌倒預(yù)警電路接口是基于MEMS的慣性傳感單元來對人體姿態(tài)及跌倒進(jìn)行檢測，其內(nèi)嵌跌倒預(yù)警算法，通過對三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計等多模態(tài)高精度傳感器以組合測量的方式來對人體姿態(tài)進(jìn)行綜合檢測。

2.門禁管理系統(tǒng)設(shè)計

門禁管理系統(tǒng)的核心為讀寫器。讀寫器的核心部分是控制單元、高頻通訊模塊和天線，主要功能是實現(xiàn)對非接觸式IC卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲。讀寫器的控制單元不僅能實現(xiàn)對射頻卡的控制，還具有以下處理功能：認(rèn)證、數(shù)據(jù)加解密、數(shù)據(jù)糾錯、出錯報警以及與計算機通信。

3.數(shù)據(jù)云平臺

系統(tǒng)軟件分為上位機軟件、匯聚節(jié)點軟件和體溫采集節(jié)點軟件。上位機軟件根據(jù)需要靈活設(shè)計。如果原有網(wǎng)絡(luò)留有開放的數(shù)據(jù)接口，可以將數(shù)據(jù)直接輸入原軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理。也可以單獨設(shè)計針對體溫監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的上位機軟件，完成數(shù)據(jù)存儲、顯示、聲光報警、歷史數(shù)據(jù)查詢及打印報表等功能，并可以根據(jù)設(shè)定的閾值主動向家長發(fā)送短信系統(tǒng)。

五、軟件架構(gòu)和開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)的軟件設(shè)計以可靠性、安全性為基本原則，以模塊化、可擴展升級為指導(dǎo)來進(jìn)行設(shè)計。軟件設(shè)計主要包含終端傳感的軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)云平臺系統(tǒng)的軟件設(shè)計以及終端客戶的軟件設(shè)計等。

本設(shè)計主要實現(xiàn)的是基于兒童智能穿戴式集安全檢測、身體狀況監(jiān)測和智能化幼兒園兒童門禁系統(tǒng)為一體，本產(chǎn)品可分為智能穿戴單元、遠(yuǎn)程管理單元和門禁管理單元三部分。

（1）智能穿戴單元，智能穿戴單元，位于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的下層，主要實現(xiàn)對兒童的生理情況以及人身安全進(jìn)行實時監(jiān)測與控制的功能，并通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳至云平臺，以供家長隨時監(jiān)測位置狀態(tài)及身體狀態(tài)等。人身管理單元需要硬件與軟件配合，以便實現(xiàn)其功能。

（2）門禁管理單元，主要在幼兒園實現(xiàn)兒童入園檢測，小區(qū)入口檢測等功能，通過RFID技術(shù)識別兒童的智能穿戴設(shè)備的標(biāo)簽，進(jìn)行簽到同時觸發(fā)拍照事件并且上傳照片或視頻至云平臺供家長查詢。

（3）遠(yuǎn)程管理單元，位于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的上層，主要實現(xiàn)人身管理單元上傳數(shù)據(jù)的綜合分析與處理和家長支持系統(tǒng)兩種功能。通過將所有數(shù)據(jù)上傳到中央計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析（云計算），從而實現(xiàn)對兒童身體健康的監(jiān)測，對兒童人身安全的判斷。遠(yuǎn)程管理單元主要依靠軟件系統(tǒng)實現(xiàn)其功能。

1.終端傳感模塊子系統(tǒng)流程圖

此部分軟件實現(xiàn)了傳感器的采集與數(shù)據(jù)傳輸工作，終端傳感模塊的功能設(shè)計數(shù)據(jù)流和傳感器節(jié)點采集功能如圖6和圖7所示。

2.客戶端

圖6 功能模塊子系統(tǒng)流程圖

圖7 傳感器采集功能流程圖

客戶端選用基Android平臺開發(fā)的手機app，Android對于系統(tǒng)的要求并不苛刻，絕大部分手機可以運用。這就可以實現(xiàn)客戶端的普遍應(yīng)用性。手機客戶端分為兩個等級，分別是家長客戶端和兒童客戶端。家長客戶端功能可以實現(xiàn)實時查詢產(chǎn)品反饋的數(shù)據(jù)，并且可以自動連接互聯(lián)網(wǎng)查詢相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。兒童客戶端主要實現(xiàn)產(chǎn)品采集信號的統(tǒng)一記錄、匯總和向云端發(fā)送數(shù)據(jù)?？蛻舳肆鞒虉D如圖8所示。

圖8 客戶端流程圖

3.云平臺

手機端收到藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，自動通過移動互聯(lián)網(wǎng)上傳到云平臺，由云平臺提供包括體溫、心脈及位置等數(shù)據(jù)的計算，再自動將異常數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)發(fā)送到其他手機客戶端，并保存當(dāng)前數(shù)據(jù)，以供客戶端隨時查詢。云端系統(tǒng)流程圖如圖9所示。

圖9 云端系統(tǒng)流程圖

六、結(jié)語

隨著用戶群的擴大，智能穿戴設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入飛速發(fā)展的階段，基于兒童的智能穿戴設(shè)備也備受人們關(guān)注，很多技術(shù)障礙被突破，通過對兒童智能穿戴設(shè)備使用者及其家長的使用習(xí)慣調(diào)研，筆者認(rèn)為基于兒童的智能穿戴系統(tǒng)的功能有以下幾點需要更加完善。

（1）完備的傳感系統(tǒng)，本設(shè)計考慮很多兒童不會描述自己身體狀況，如發(fā)燒不會告訴家長或老師，摔跤后也不會報告老師或家長進(jìn)行傷口處理，因而系統(tǒng)采用了體表溫度檢測，跌倒檢測等傳感器，幫助家長了解兒童身體狀態(tài)，避免錯失治療的最好時機。

（2）系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)可以長時間穩(wěn)定工作，考慮到小朋友活潑的特性，防震、防水也是必要的，不會因為外部的干擾導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，采集的數(shù)據(jù)會最大程度反映穿戴者的身體信息。

（3）配合RFID門禁識別系統(tǒng)簽到，兒童的外出安全問題是社會問題，本設(shè)計結(jié)合RFID射頻識別技術(shù)，在兒童經(jīng)過門禁附近時，進(jìn)行簽到。自動識別兒童身上穿戴的電子標(biāo)簽，并觸發(fā)圖像采集功能，或者視頻采集，對兒童自行上學(xué)放學(xué)，回家離家事件進(jìn)行監(jiān)控。

（4）便捷的信息訪問云平臺，家長可以利用微信或者APP隨時獲取兒童信息，也可通過云平臺自行設(shè)定報警閾值，通過有效途徑通知家長。

本系統(tǒng)可以讓家長第一時間了解到孩子的身體狀態(tài)，且系統(tǒng)可以長時間穩(wěn)定工作，不會因為外部的干擾導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，采集的數(shù)據(jù)會最大程度反映穿戴者的身體信息。通過RFID射頻識別技術(shù)對兒童自行上學(xué)、放學(xué)、回家以及離家事件進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)一步提升了兒童的外出安全性，家長還可以通過云平臺、微信或者APP隨時獲取兒童信息。