智能嬰兒車保姆

0 引 言

一直以來，嬰幼兒的日常監(jiān)護是每個家庭最為關(guān)注和頭疼的問題之一。隨著二胎政策的全面實施，持續(xù)增長的嬰幼兒數(shù)量必然會使得不少家庭開始考慮其帶來的看護負擔(dān)。為人父母是一件很不容易的事情，既美妙也容易讓人筋疲力盡。新晉父母通常會因為應(yīng)對嬰幼兒的各種突發(fā)狀況而手忙腳亂，失去了享受生活的樂趣。此外，由于每天嬰兒大部分時間都處在睡眠狀態(tài)中，如何對其進行有效的睡眠監(jiān)護以及如何及時解決尿濕、踢被等一系列問題一直困擾著大多數(shù)父母。因此，市場上對于嬰兒各種產(chǎn)品的需求趨勢越來越大。嬰兒車作為一種傳統(tǒng)的嬰兒用品，在現(xiàn)代社會中有著廣泛的市場需求。雖然其種類繁多，但功能較為單一，無法滿足父母的多樣化需求。因 此，一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能嬰兒車保姆系統(tǒng)應(yīng)而生。該系統(tǒng)解決了父母面臨的眾多看護難題，緩解了父母的看護壓力，具有很廣闊的市場應(yīng)用空間。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能嬰兒車保姆由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和 Android 應(yīng)用客戶端兩部分組成。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由 FPGA 與各功能模塊組成，協(xié)調(diào)工作，對嬰幼兒的各種生命體征信息以及是否有尿濕、踢被等異常行為進行檢測和處理，并將處理結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的閾值進行比較，當(dāng)數(shù)據(jù)超出閾值范圍時，會觸發(fā)系統(tǒng)的安全報警功能。同時，客戶端 APP 接收來自服務(wù)器的實時信息并顯示，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)異常時也會觸發(fā)相應(yīng)的報警功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)在硬件上主要分為存儲模塊、主控與數(shù)據(jù)處理模塊、攝像頭模塊、WiFi 通信模塊（CC3200）以及各種檢測模塊。各模塊之間都不是獨立運行的，而是相互交織、協(xié)同工作。

2.1 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲采用容量為 2 kB 的 24C02 芯片，通過 E2PROM來擴展芯片內(nèi)存以滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的需求?？刹捎猛饨觾?nèi)存卡的形式擴展內(nèi)存。SD 卡采用四位 SDIO 方式驅(qū)動，最大速度可達 24 Mb/s，非常適合高速存儲情況。

2.2 體溫檢測

系統(tǒng)采用非接觸式紅外線溫度感應(yīng)芯片 MLX90614ESF檢測溫度。該模塊以 81101 熱電元件作為紅外感應(yīng)部分。輸出為被測物體溫度（To To T）與傳感器自身溫度（TTaa T）共同作用的結(jié)果，理想情況下熱電元件的輸出電壓為 ：

其中 ：溫度單位為 K，A為元件的靈敏度常數(shù)。目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度由 81101 內(nèi)置的熱電偶測量，從 81101中輸出的兩路溫度信號分別經(jīng)內(nèi)部 MLX90302 器件上高性能、低噪聲的斬波穩(wěn)態(tài)放大器放大，再經(jīng)過一個 17 bit 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和強大的數(shù)字信號處理單元后輸出。由于嬰兒還處在生長發(fā)育階段，無法對自身的生理現(xiàn)象進行表達和自我照顧，若因受涼而發(fā)燒或發(fā)燒后長時間未被家長發(fā)現(xiàn)，極可能對嬰兒造成嚴重的影響，而該嬰幼兒發(fā)燒檢測監(jiān)控系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)并迅速通知家長，有力避免危險事件的發(fā)生 [1]。

2.3 踢被檢測

系統(tǒng)采用的紅外發(fā)射 - 接收模塊可分為紅外發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分為了增大 FPGA 的驅(qū)動能力，用 FPGA I/O 口電平的變化來控制三極管的通斷，從而控制紅外發(fā)射管發(fā)射

此外，為增大發(fā)射角度和功率，在電路中采用兩個并聯(lián)的紅外發(fā)射管進行同步發(fā)射。為避免環(huán)境中其他紅外信號的干擾，在程序中進行了相應(yīng)的設(shè)置，使紅外發(fā)射管發(fā)出一定的加密數(shù)據(jù)，接收端在接收數(shù)據(jù)后進行自動檢測。當(dāng)檢測數(shù)據(jù)正確時，系統(tǒng)會自動提示嬰兒踢被的報警信息

2.4 尿濕檢測

采用溫濕度一體化的傳感元件來設(shè)計尿濕檢測電路，從而最大限度地簡化應(yīng)用電路。HTU21D溫濕度傳感器具有體積小、功耗低等特點，專用于設(shè)備空間狹小和成品敏感的產(chǎn)品因此，應(yīng)用該傳感器不僅提高了系統(tǒng)可靠性，還降低了成本HTU21D溫濕度傳感器為 OEM應(yīng)用提供了準(zhǔn)確可靠的溫濕度測量數(shù)據(jù)，可通過一個微控制器接口和模塊連接達到溫度和濕度數(shù)字輸出。STU21D原理如圖 2所示

圖中的 C 為電源退耦電容 RR2 為總線的上拉電阻該模塊的串行數(shù)據(jù)引腳和串行時鐘引腳分別與處理器的串行數(shù)據(jù)引腳及串行時鐘引腳相接，即為嬰兒尿濕檢測部分的設(shè)計

2.5 呼吸頻率檢測

文中采用微波傳感器模塊，利用多普勒雷達原理設(shè)計的微波移動物體探測器可實現(xiàn)非接觸式生命體征測量。微波雷達在對運動物體發(fā)射微波信號時，會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，可以檢測到運動物體返回的回波信號，并利用一定的數(shù)據(jù)處理技術(shù)例如短時傅里葉變換技術(shù)，從中提取出被測對象的呼吸頻率由于嬰幼兒很多比較隱性的疾病都與呼吸頻率相關(guān)，因此呼吸頻率檢測系統(tǒng)可以有效、及時地發(fā)現(xiàn)嬰兒的異常情況并立即告知嬰兒父母，以避免危險事件發(fā)生

2.6 攝像頭模塊

本系統(tǒng)使用了一款 200W像素的高清攝像頭模塊—— OV2640。該模塊具有高靈敏度、低電壓等特點，適合于各種嵌入式應(yīng)用場景，支持RawRGB，RGB，RGB422，YUV等多種輸出格式。該模塊具有如下主要作用

(1) 視頻監(jiān)控 ：FPGA將攝像頭采集到的視頻信息通過CC3200傳輸?shù)椒?wù)器端，父母再利用APP實現(xiàn)遠程視頻傳輸近距離觀察自己的孩子

(2) 圖像識別 ：通過攝像頭獲取圖像信息，并運用一定的圖像識別算法識別出嬰幼兒的眼睛和嘴巴的狀態(tài)以及肢體是否產(chǎn)生動作，并記錄其在睡眠期間的肢體動作頻率，從而判別其睡眠質(zhì)量的好壞，客戶端 APP則就其問題給出一定的建議，幫助父母培養(yǎng)孩子良好的睡眠習(xí)慣

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

圖 3所示為呼吸頻率提取算法流程圖。通過雷達前端接收回波信號，經(jīng) AD轉(zhuǎn)換后得到原始信號序列。經(jīng)過解調(diào)預(yù)處理后，可得到有效的呼吸信號。再經(jīng)過小波濾波去除噪聲，并恢復(fù)呼吸波形。由于此時分離的呼吸信號成分幅度較大可直接在時域上分析呼吸運動模式，而對其時域波形則進行過零點檢測，估計出呼吸頻率

圖 4所示為系統(tǒng)的整體軟件架構(gòu)圖。系統(tǒng)在經(jīng)過初始化后，各模塊開始采集數(shù)據(jù)信息，并將信息交由 FPGA進行分析和處理，處理之后的數(shù)據(jù)通過串口輸送到 CC3200中，并由CC3200將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至阿里云服務(wù)器，最后客戶端 APP 向服務(wù)器請求數(shù)據(jù)信息并與預(yù)先設(shè)定的閾值進行比較，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)會立刻啟動安全報警功能。由 APP主界面顯示監(jiān)測到的各項實時數(shù)據(jù)

圖3 呼吸頻率提取算法流程圖圖4 系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)

4 結(jié) 語

智能嬰兒車保姆系統(tǒng)的開發(fā)涉及眾多學(xué)科，如自動控制嵌入式、圖像處理、信號處理、通信等，是一個多重性的實踐研究課題。本文在綜合分析市場上大多數(shù)嬰幼兒監(jiān)護產(chǎn)品的情況下，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了一種更加貼合實際情況的多功能保姆系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以實時動態(tài)地監(jiān)測嬰兒的各項指標(biāo)，還能就異常指標(biāo)發(fā)出報警，根據(jù)嬰兒最近的睡眠情況給出一定的建議，幫助父母培養(yǎng)孩子良好的睡眠習(xí)慣，緩解父母的看護壓力，并在最終測試中證明該系統(tǒng)可靠性高，可擴展性和可維護性強，具有廣闊的市場應(yīng)用空間。