基于物聯(lián)網(wǎng)的嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展，父母越來(lái)越重視孩子在嬰幼兒時(shí)期的成長(zhǎng)發(fā)育，在照看嬰兒方面需要投入更多的時(shí)間和精力，在現(xiàn)代社會(huì)快節(jié)奏的生活工作壓力下往往會(huì)感到力不從心。而現(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)，孩子的體型在發(fā)育階段，70%的時(shí)間都是在床上度過(guò)。為了減輕父母在育兒期間的負(fù)擔(dān)，同時(shí)提高育兒質(zhì)量，針對(duì)普通嬰兒床存在的功能單一、性能簡(jiǎn)單、幾乎度不具備智能檢測(cè)以及控制等功能。因此，設(shè)計(jì)一種新型的可移動(dòng)?jì)雰捍?，適應(yīng)室內(nèi)和外出游玩，具有實(shí)時(shí)智能監(jiān)控以及檢測(cè)危險(xiǎn)的系統(tǒng)，可以能夠隨時(shí)給家長(zhǎng)提供嬰兒的生活環(huán)境和活動(dòng)狀況等信息。

1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸、終端的接收與監(jiān)控、與防摔防碰撞，其中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。圖1為嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，采用最新的socket程序庫(kù)，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(luò)層、應(yīng)用層。采用硬件TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制器W5500、WiFi無(wú)線路由器和nRF24L01無(wú)線技術(shù)作為本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層的通訊，實(shí)現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的采集和收發(fā)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、傳輸范圍廣、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

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(jì)主要是由溫度傳感器和濕度傳感器負(fù)責(zé)嬰兒實(shí)時(shí)體溫的監(jiān)測(cè)和是否尿床的監(jiān)測(cè)。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(cè)系統(tǒng)數(shù)字方式傳輸?shù)母呔菵S18B20溫度傳感器。DS18B20溫度傳感器內(nèi)部包含的高速暫存器RAM含有兩個(gè)字節(jié)的溫度寄存器，這兩個(gè)寄存器可以存儲(chǔ)輸出的數(shù)據(jù)，在控制線連接一個(gè)弱上拉電阻，通過(guò)對(duì)寄存器TH和TL的編程，提高測(cè)量的精度和分辨率，能實(shí)現(xiàn)在93.75 ms和750 ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化輸出精度高達(dá)9～12位。

通過(guò)HS1100濕度傳感器檢測(cè)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(jìn)行濕度的測(cè)量。通過(guò)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(hào)數(shù)據(jù)被主控器接收。

2.1.2 哭聲識(shí)別電路

哭聲識(shí)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(jì)如圖3所示，使用MIC采集嬰兒哭聲音頻信號(hào)，通過(guò)兩級(jí)集成運(yùn)放電路，將MIC采集到的較弱模擬信號(hào)放大為強(qiáng)信號(hào)。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(shí)是嬰兒想睡覺(jué)了。采用電容濾波電路進(jìn)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(hào)通過(guò)二極管進(jìn)行整形從而得到低頻信號(hào)，最后通過(guò)比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音持續(xù)時(shí)間的數(shù)字信號(hào)，從LN567芯片的OUTPUT端口輸出脈沖信號(hào)到主控器芯片。

2.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊

2.2.1 WiFi傳輸模塊

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)的是本系統(tǒng)的主要核心部分，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸，使得處在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像的傳輸和對(duì)嬰兒床電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。通過(guò)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(dòng)化的OpenWRT系統(tǒng)。攝像頭通過(guò)USB接到WiFi控制板，將拾取的視頻圖像經(jīng)過(guò)調(diào)制轉(zhuǎn)換通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒的實(shí)時(shí)監(jiān)控。WiFi控制板與主控器以串日接口通訊方式，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)對(duì)搖床電機(jī)、玩具電機(jī)、行駛電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

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(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)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(luò)層

(NWK)、應(yīng)用層(APL)，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層符合IEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)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(wù)并通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。如圖4所示，W5500通過(guò)SPI串行外部接口與主控器芯片相連進(jìn)行通訊，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)線接與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，將nRF24L01從溫度傳感器接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到W5500，在通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)的machtalk服務(wù)器中實(shí)時(shí)顯示并記錄。

2. 2.3 nRF24L01無(wú)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(qiáng)型2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器nRF24L01實(shí)現(xiàn)近距離無(wú)線通信，能夠?qū)崟r(shí)感知和采集傳感器的信號(hào)，以無(wú)線電波作為載體實(shí)現(xiàn)

對(duì)傳感器之間的數(shù)據(jù)通信。各傳感器經(jīng)過(guò)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后以數(shù)字信號(hào)通過(guò)I/O口引腳和nRF24L01實(shí)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(wú)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(guò)軟件編程設(shè)置其工作方式(接收、空閑、關(guān)機(jī))，通過(guò)SPI接口連接到主控器芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，設(shè)置地址碼實(shí)現(xiàn)多從機(jī)對(duì)主機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

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(diǎn)，嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主控制模塊采用意法半導(dǎo)體公司推出的32為基于Cortex—M3內(nèi)核的STM32F103 ZET6處理芯片，片上集成了64 KB的SRAM和512KB的FLASH，具有CAN與USB總線，5個(gè)USART串口通信接口，3個(gè)SPI總線接口等電路接口，滿(mǎn)足多種并同時(shí)通訊的功能，處理速度快，功能強(qiáng)大，外部接口豐富，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間容量大，可以很好的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的各功能設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 W5500網(wǎng)絡(luò)初始化

由于訪問(wèn)machtalk是通過(guò)域名訪問(wèn)的，所以需要在程序里面包含DNS服務(wù)的程序，DNS解析需要一個(gè)定時(shí)器來(lái)定時(shí)調(diào)用域名解析相關(guān)函數(shù)，還需要配置網(wǎng)絡(luò)的IP地址，MAC地址，網(wǎng)關(guān)，DNS服務(wù)器等。

3.2 nRF24L01的初始化

把nRF24L01配置成PTX工作模式，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)的對(duì)數(shù)據(jù)的收發(fā)。若從機(jī)從傳感器接收到數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)開(kāi)啟接收模式。

4 系統(tǒng)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)測(cè)試以溫度采集為例進(jìn)行多次的實(shí)時(shí)采集測(cè)試。數(shù)據(jù)測(cè)試如圖7所示。將采集到的溫度通過(guò)nRF24L01發(fā)送到主控芯片并由W5500通過(guò)以太網(wǎng)通信發(fā)送到PC端的服務(wù)器存儲(chǔ)并顯示。從系統(tǒng)測(cè)試的數(shù)據(jù)分析得出：本嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，穩(wěn)定性高，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)當(dāng)前的普通嬰兒床不具備智能檢測(cè)以及控制等功能而展開(kāi)嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用被廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域的新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對(duì)嬰兒床增加對(duì)嬰兒的實(shí)時(shí)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(kù)對(duì)系統(tǒng)中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，大大提高了數(shù)據(jù)的安全性和實(shí)效性。設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的直接目的是保證嬰兒在嬰兒床上時(shí)能及時(shí)地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效地監(jiān)測(cè)和防止嬰兒身體出現(xiàn)狀況或者安全問(wèn)題的發(fā)生，能及時(shí)告知父母，從而能方便父母在看護(hù)孩子的情況下也能工作。此外，本嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的移植性高，可以應(yīng)用在其它的領(lǐng)域，如醫(yī)院對(duì)嬰兒的治療和監(jiān)護(hù)管理中心，養(yǎng)老院對(duì)老人的監(jiān)護(hù)管理。因而本系統(tǒng)的研發(fā)就有較高的實(shí)際意義和拓展性。