淺析嬰兒睡眠監護系統設計方案

我國是世界上人口最多的國家，嬰幼兒總數也位居前列。嬰兒監護一直是家庭關(guān)心的重要問(wèn)題。目前大多數家庭還是主要依靠家人時(shí)時(shí)刻刻看守著(zhù)孩子，這就造成了父母正常工作、休息等的不便。

同時(shí)，因為嬰兒沒(méi)有行為能力，若嬰兒在尿濕、踢被、翻身和睡醒等狀態(tài)時(shí)能夠及時(shí)地被發(fā)覺(jué)，父母就可以及時(shí)采取相應的處理措施。為此本文以微處理器為核心，結合外圍電路檢測嬰兒實(shí)時(shí)狀態(tài)，并且引用遠程監護原理，融合視頻監護的技術(shù)，設計了一個(gè)多功能的嬰兒睡眠監護系統。

1 系統功能及原理

本系統采用ATMEL公司生產(chǎn)的高性能ATmega64單片機作為微處理器，包含尿濕檢測、翻身檢測、踢被檢測、感光檢測、溫濕度檢測、體溫檢測、語(yǔ)音提示、振動(dòng)提示和彩燈撫慰等部分。其中采用尿濕感應墊檢測嬰兒是否尿床;利用紅外發(fā)射接收技術(shù)檢測嬰兒是否踢被。當檢測的信息超出正常范圍時(shí)，單片機將控制語(yǔ)音芯片，實(shí)時(shí)播放報警信息。此外系統采用溫濕度傳感器檢測環(huán)境溫度和濕度、采用非接觸式紅外傳感器檢測嬰兒體溫的功能。在報警提醒方面，在實(shí)現語(yǔ)音報警的同時(shí)，考慮到在環(huán)境嘈雜情況下語(yǔ)音信息不能清晰地傳遞，系統添加了振動(dòng)提示;根據環(huán)境的不同可以設定不同的報警方式。

微處理器一方面利用上述外圍電路采集嬰兒實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，另一方面通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸的方式與上位機(Web服務(wù)器)進(jìn)行串口通信，上位機將嬰兒實(shí)時(shí)狀態(tài)及嬰兒視頻信息通過(guò)IIS服務(wù)對外發(fā)布，實(shí)現基于網(wǎng)絡(luò )的遠程監護。系統原理框圖如圖1所示。

2 系統功能單元設計

2.1 尿濕檢測單元

尿濕檢測部分采用有一定阻值的特制墊子檢測信號。嬰兒躺在這種墊子上，墊子通過(guò)引線(xiàn)連到單片機帶A/D轉換的I/O端口上(EMI1是信號輸出腳)。因自身有一定阻值，所以會(huì )有初始電壓。通過(guò)對端口電壓值的A/D采樣處理，可以根據實(shí)際情況智能設計尿濕報警門(mén)限值，避免了普通開(kāi)關(guān)式測量帶來(lái)的誤判。當嬰兒發(fā)生尿床時(shí)，墊子電壓就會(huì )升高。當經(jīng)單片機處理后的電壓值超過(guò)設定電壓的門(mén)限值上限時(shí)，系統就會(huì )自動(dòng)提示報警，及時(shí)將報警信息告知父母[1-2]，電路圖如圖2所示。

2.2 踢被檢測單元

踢被檢測采用紅外線(xiàn)發(fā)射-接收技術(shù)。踢被檢測分為紅外發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分采用AVR系列單片機ATmega8作為中央處理器，為增大驅動(dòng)能力，在紅外發(fā)射管前面連接三極管QN1和QN2，用單片機I/O口TXD和OC1A電平的變化來(lái)控制三極管的通斷，進(jìn)而控制紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線(xiàn);紅外發(fā)射和接收部分電路如圖3、圖4所示

另外為增大發(fā)射功率和發(fā)射角度，在電路中采用了兩個(gè)紅外發(fā)射管并聯(lián)，同時(shí)發(fā)射。為避免環(huán)境中別的紅外信號的干擾，在程序中做了設置：在發(fā)射程序中讓紅外發(fā)射管發(fā)出一定的加密數據，在接收程序中檢測接收的數據。當檢測接收的數據正確時(shí)，系統則自動(dòng)提示嬰兒踢被報警信息。

2.3 溫濕度傳感器測溫濕單元

系統采用SHT10系列傳感器對環(huán)境溫濕度進(jìn)行測量。它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)能隙式測溫元件，并與一個(gè)14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現無(wú)縫連接[3]。該產(chǎn)品具有響應速度快、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，測試電路圖如圖5所示。

2.4 體溫檢測功能

系統采用非接觸式紅外體溫傳感器MLX90614對嬰兒體溫進(jìn)行測量。MLX90614模塊外圍電路如圖6所示。它由紅外溫度傳感器、低噪聲放大器、A/D轉換器、DSP 單元、脈寬調制電路及邏輯控制電路構成。熱電耦輸出的溫度信號經(jīng)過(guò)內部高性能、低噪聲的運算放大器放大后送給模/數轉換器(ADC)，ADC輸出的17位數字量經(jīng)過(guò)可編程FIR和IIR低通濾波器處理后輸出，該輸出作為測量結果保存在MLX90614內部RAM存儲單元中，可以通過(guò)SMBus協(xié)議讀取。其中模塊引腳MCU_SCL(SMBus串行時(shí)鐘輸入)連到單片機的時(shí)鐘腳上;MCU_SDA(數字輸出)連到單片機的I/O口上;VDD是模塊的供電引腳;VSS接地，為增強模塊的測量精確性，在VDD和VSS間串接了一個(gè)電容來(lái)提高濾波效果。

2.5 遠程監護模塊

本系統通過(guò)嬰兒信息采集器的RS232接口與系統上位計算機實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據傳輸。上位計算機同時(shí)作為Web服務(wù)器，通過(guò)局域網(wǎng)連接到Internet，以提供遠程監視和智能控制功能[4-5]。系統結構如圖7所示。

無(wú)線(xiàn)通信主要完成服務(wù)器與信息采集器之間的串口通信，讀寫(xiě)嬰兒房間及嬰兒狀態(tài)各種參數，同時(shí)將采集的實(shí)時(shí)數據上傳至服務(wù)器端，以備客戶(hù)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)實(shí)時(shí)數據。

該模塊主要應用MSComm控件和Modbus協(xié)議，實(shí)現Web服務(wù)器與帶RS-232輸出接口的智能嬰兒信息采集器的串口通信功能。采用MSComm 控件接收數據，按照接收方式分兩種方式：事件驅動(dòng)方式及定時(shí)查詢(xún)方式。在這里為了獲得嬰兒狀態(tài)的實(shí)時(shí)數據采用定時(shí)驅動(dòng)方式。若定時(shí)器計時(shí)到，通過(guò)串行通信口向指定地址信息采集器發(fā)出讀寫(xiě)等操作命令，等待時(shí)間到則檢查InBufferCount屬性值，判斷輸入緩沖區中是否接收到了相應數目的字符，從而進(jìn)行讀取、判斷數據合法性和數據存儲、處理等操作，其基本屬性如表1所示[6]。程序流程圖如圖8所示。

3 實(shí)驗結果及分析

根據本文提出的思路和方法，設計并制作出了多功能嬰兒睡眠監護系統。經(jīng)過(guò)大量試驗驗證，系統的各項功能均滿(mǎn)足設計要求，系統整體性能穩定。系統在傳感器檢測靈敏度方面還存在不足，程序不夠優(yōu)化，外觀(guān)不夠優(yōu)美等，這些不足有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

3.1 測試溫濕度部分誤差分析

在使用SHT10傳感器測試溫度濕度時(shí)存在一部分誤差，分析原因主要有：(1)測試溫濕度的這款傳感器是數字輸出傳感器，它所要求的測試條件為25℃，而在現實(shí)使用中隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化，其測試條件也在逐漸的改變，從而影響了其精度;(2)測試溫濕度程序的優(yōu)化程度有待提高，雖然程序中已加入溫度補償，但受補償溫度范圍的限制，檢測結果依舊存在一定的誤差。

3.2 紅外測溫部分誤差分析

當使用MLX90614傳感器非接觸測試體溫時(shí)，在滿(mǎn)足系統要求精度的同時(shí)，經(jīng)測試結果(見(jiàn)表2)分析發(fā)現存在部分誤差，原因主要有：

(1)MLX90614傳感器的醫療精確度版本MLX90614DAA，是在環(huán)境溫度10℃~40℃和被測物體溫度32℃~42℃范圍內且假設紅外感應器處在均衡的溫度環(huán)境中(所謂均衡的溫度環(huán)境是指在感應器封裝表面不存在溫度梯度差)。感應器的精確度會(huì )受這種溫度差影響，造成這種溫度差的原因有：發(fā)熱電子器件處在感應器背部，加熱器或者散熱器距離感應器太近等。此類(lèi)感應器本身采用了熱梯度差補償原理，從而使得由熱梯度造成的誤差大大減小。但是，并不意味著(zhù)這種誤差可以完全消除。所以，感應器的排放位置或者環(huán)境都會(huì )對感應器的測量帶來(lái)誤差。

(2)測試體溫的程序優(yōu)化程度有待提高，雖然程序中已加入溫度補償，但受補償溫度范圍的限制，檢測結果仍然存在一部分誤差。

基于紅外廣角發(fā)射、紅外測溫原理和網(wǎng)絡(luò )遠程監護的嬰兒睡眠監護系統具有功能強、智能化、性能可靠、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本系統方案不僅可以實(shí)現對嬰兒狀態(tài)數據的采集與無(wú)線(xiàn)控制，而且也可以實(shí)現基于網(wǎng)絡(luò )的遠程監護，并且在發(fā)生異常狀況時(shí)能及時(shí)地在手持設備上顯示報警信息及報警提示等。但系統在踢被檢測、系統供電等方面有待改進(jìn)。同時(shí)遠程監護中網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間延遲是基于Web的遠程監護系統中最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一，它是客觀(guān)存在的，不能消除的，而且它直接影響到系統的穩定性和控制品質(zhì)。相信經(jīng)過(guò)今后的不斷修正，系統能夠更加完善，也希望這款嬰兒睡眠監護系統能夠早日進(jìn)入每一個(gè)家庭。

參考文獻

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