基于物聯(lián)網(wǎng)的嬰兒實(shí)時(shí)監控系統的設計

隨著(zhù)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(cháng)發(fā)育，在照看嬰兒方面需要投入更多的時(shí)間和精力，在現代社會(huì )快節奏的生活工作壓力下往往會(huì )感到力不從心。而現實(shí)生活中存在著(zhù)太多不可預見(jiàn)的因素影響著(zhù)嬰幼兒的健康成長(cháng)，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擔，同時(shí)提高育兒質(zhì)量，針對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以及控制等功能。因此，設計一種新型的可移動(dòng)嬰兒床，適應室內和外出游玩，具有實(shí)時(shí)智能監控以及檢測危險的系統，可以能夠隨時(shí)給家長(cháng)提供嬰兒的生活環(huán)境和活動(dòng)狀況等信息。

1 系統功能架構

嬰兒實(shí)時(shí)監控系統主要實(shí)現4種功能，分別為各種傳感器的數據采集分析與控制、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的傳輸、終端的接收與監控、與防摔防碰撞，其中無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸的實(shí)現是本系統的關(guān)鍵。圖1為嬰兒實(shí)時(shí)監控系統總體結構圖，采用最新的socket程序庫，提高系統數據在網(wǎng)絡(luò )傳輸的穩定性和可靠性。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、工業(yè)、農業(yè)等行業(yè)得到應用和發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的基本體系結構包括3方面：感知層、網(wǎng)絡(luò )層、應用層。采用硬件TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )控制器W5500、WiFi無(wú)線(xiàn)路由器和nRF24L01無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為本系統的網(wǎng)絡(luò )層的通訊，實(shí)現各傳感器數據的采集和收發(fā)，具有穩定性強、傳輸范圍廣、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統模塊化設計

2.1 數據采集模塊

2.1.1 溫濕度采集電路

本電路的設計主要是由溫度傳感器和濕度傳感器負責嬰兒實(shí)時(shí)體溫的監測和是否尿床的監測。圖2所示為溫濕度采集電路。體溫的數據是采用一種常用于溫度控制、工業(yè)系統或者熱感測系統數字方式傳輸的高精度DS18B20溫度傳感器。DS18B20溫度傳感器內部包含的高速暫存器RAM含有兩個(gè)字節的溫度寄存器，這兩個(gè)寄存器可以存儲輸出的數據，在控制線(xiàn)連接一個(gè)弱上拉電阻，通過(guò)對寄存器TH和TL的編程，提高測量的精度和分辨率，能實(shí)現在93.75 ms和750 ms內將溫度值轉化輸出精度高達9～12位。

通過(guò)HS1100濕度傳感器檢測嬰兒是否尿床。HS1100是一種電容傳感器，根據其高分子材料吸收水分之后的電常數發(fā)生變化而進(jìn)行濕度的測量。通過(guò)A/D模數轉換，將電容值的輸出轉換為以之成反比的電壓信號數據被主控器接收。

2.1.2 哭聲識別電路

哭聲識別電路采用LN567通用鎖相環(huán)電路音調譯碼器，本電路設計如圖3所示，使用MIC采集嬰兒哭聲音頻信號，通過(guò)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(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通過(guò)二極管進(jìn)行整形從而得到低頻信號，最后通過(guò)比較器將模擬信號轉化為聲音持續時(shí)間的數字信號，從LN567芯片的OUTPUT端口輸出脈沖信號到主控器芯片。

2.2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊

2.2.1 WiFi傳輸模塊

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊設計的是本系統的主要核心部分，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳感器之間的數據傳輸，使得處在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的各傳感器通信布線(xiàn)少，提高通信的效率和協(xié)調化。系統中WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主要是實(shí)現對視頻圖像的傳輸和對嬰兒床電機的驅動(dòng)。通過(guò)向WiFi控制板刷入基于嵌入式Linux系統的具有高度模塊化、高度自動(dòng)化的OpenWRT系統。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)調制轉換通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸到上位機，實(shí)現對嬰兒的實(shí)時(shí)監控。WiFi控制板與主控器以串日接口通訊方式，通過(guò)上位機發(fā)送指令實(shí)現對搖床電機、玩具電機、行駛電機的驅動(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Internet網(wǎng)絡(luò )連接，支持TCP/IP協(xié)議處理，體系結構分為10/100M以太網(wǎng)數據鏈路層(MAC)、網(wǎng)絡(luò )層

(NWK)、應用層(APL)，數據鏈路層和物理層符合IEE 802.3標準定義的全部規范。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(xiàn)接與上位機實(shí)現通信，將nRF24L01從溫度傳感器接收到的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到W5500，在通過(guò)以太網(wǎng)將數據發(fā)送到上位機的machtalk服務(wù)器中實(shí)時(shí)顯示并記錄。

2. 2.3 nRF24L01無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

系統以基于NORDIC公司生產(chǎn)的以8051為內核基礎的增強型2.4 GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF24L01實(shí)現近距離無(wú)線(xiàn)通信，能夠實(shí)時(shí)感知和采集傳感器的信號，以無(wú)線(xiàn)電波作為載體實(shí)現

對傳感器之間的數據通信。各傳感器經(jīng)過(guò)內部A/D轉換后以數字信號通過(guò)I/O口引腳和nRF24L01實(shí)現通訊，nRF24L01將采集到的數據打包并發(fā)送到接收端。無(wú)線(xiàn)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)軟件編程設置其工作方式(接收、空閑、關(guān)機)，通過(guò)SPI接口連接到主控器芯片進(jìn)行數據通信，設置地址碼實(shí)現多從機對主機的數據通信。

2.3 系統主控制器模塊

嵌入式ARM內核的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)監控系統主控制模塊采用意法半導體公司推出的32為基于Cortex—M3內核的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(xiàn)，5個(gè)USART串口通信接口，3個(gè)SPI總線(xiàn)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，功能強大，外部接口豐富，內部數據存儲空間容量大，可以很好的實(shí)現本系統的各功能設計要求，本系統的總體設計結構框架如圖6所示。

3 系統軟件設計

3.1 W5500網(wǎng)絡(luò )初始化

由于訪(fǎng)問(wèn)machtalk是通過(guò)域名訪(fǎng)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)調用域名解析相關(guān)函數，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)現主從機的對數據的收發(fā)。若從機從傳感器接收到數據，則啟動(dòng)發(fā)送數據，主機開(kāi)啟接收模式。

4 系統測試和數據分析

系統測試以溫度采集為例進(jìn)行多次的實(shí)時(shí)采集測試。數據測試如圖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)器存儲并顯示。從系統測試的數據分析得出：本嬰兒實(shí)時(shí)監控系統實(shí)時(shí)性好，穩定性高，達到預期的設計目標。

5 結束語(yǔ)

根據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(kāi)嬰兒實(shí)時(shí)監控系統的設計，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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)對嬰兒床增加對嬰兒的實(shí)時(shí)監控功能并增加安全與控制系統，引用最新的socket程序庫對系統中的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行優(yōu)化，大大提高了數據的安全性和實(shí)效性。設計本系統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)監控，有效地監測和防止嬰兒身體出現狀況或者安全問(wèn)題的發(fā)生，能及時(shí)告知父母，從而能方便父母在看護孩子的情況下也能工作。此外，本嬰兒實(shí)時(shí)監控系統的移植性高，可以應用在其它的領(lǐng)域，如醫院對嬰兒的治療和監護管理中心，養老院對老人的監護管理。因而本系統的研發(fā)就有較高的實(shí)際意義和拓展性。