多功能嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計

武漢職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院 袁 勇

1.前言

隨著人們生活水平的提高和生活壓力的加大，很多父母白天很少有時間照看自己的寶寶，但又想隨時隨地的了解寶寶的情況，因此嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)營運而生。目前國內(nèi)外在嬰兒監(jiān)護方面的設(shè)備、系統(tǒng)很多，但參差不齊。很多產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)大同小異，分為兩個部分：看護器和監(jiān)控中心。一般看護器都放在嬰兒房間或其他嬰兒經(jīng)常出現(xiàn)的場所，通過無線信號把嬰兒活動情況實時傳送到監(jiān)控器或者父母手機上。嬰兒監(jiān)護器都裝有紅外感應裝置，具備夜視功能。

由于國外的小孩獨立性很強，因此監(jiān)護系統(tǒng)在國外使用很普遍。在國內(nèi)，由于大部分家庭居住面積不大以及傳統(tǒng)習慣問題，使用監(jiān)護系統(tǒng)的比較少。近來，隨著大家生活水平的提高和安全意識的加強，很多家庭、幼兒園都安裝了相關(guān)的監(jiān)護系統(tǒng)。因此，嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展前景是非常好的。

2.設(shè)計方案

嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)要求幫忙父母實時監(jiān)測嬰兒的活動情況，不管父母是在家還是公司上班，都能通過網(wǎng)絡或者手機查看嬰兒的當前狀態(tài)，并且要圖像清晰流暢。如果嬰兒有快速移動等危險動作具備自動報警功能。

(1)看護器

根據(jù)嬰兒活動范圍的大小來決定安裝攝像頭的數(shù)量，但至少要兩個方位的攝像頭來實現(xiàn)全方位的監(jiān)控。可以根據(jù)需要安裝可以遠程控制的攝像頭，不僅可以調(diào)整視頻角度，還可以調(diào)焦近距離觀察嬰兒的細微動作及表情。每個攝像頭的視頻采集配一個視頻編碼器，視頻編碼器把攝像頭采集到的視頻信號進行壓縮，然后通過無線網(wǎng)絡進行傳輸。

(2)信號傳輸

通過攝像頭采集到的視頻信號經(jīng)過視頻編碼器壓縮成數(shù)字信號進行傳。因為只有數(shù)字信號傳輸，才有可能具有較強的保密性和抗干擾能力。在這里采用2.4GHz頻率的調(diào)頻技術(shù)和MPEGA4視頻解碼處理。由于嬰兒監(jiān)護器無線信號的傳輸距離不確定，并且要求對視頻圖像進行處理，視頻監(jiān)控信號必須連續(xù)、清晰，這樣導致圖像信號的數(shù)據(jù)量非常大，因此傳輸介質(zhì)要有足夠的帶寬。

(3)監(jiān)控器

監(jiān)控器是整個監(jiān)護系統(tǒng)的核心，主要由視頻編碼解碼器，監(jiān)控服務器，人機交互等組成，它主要完成視頻圖像的接受、解碼、顯示、處理等功能。視頻編碼解碼器把從無線網(wǎng)絡傳輸過來的視頻信號進行處理，然后傳送到顯示終端，同時通過3G網(wǎng)絡把圖像傳送到網(wǎng)上，父母在任何一臺聯(lián)網(wǎng)的電腦或者手機上都能實時查看嬰兒的情況。監(jiān)控中心采用高性能的DSP芯片來處理視頻圖像。

3.軟件設(shè)計

嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖如圖1所示，SOS將由外部管理系統(tǒng)訪問服務器。SOS的音頻/視頻和VCA的內(nèi)容是由客戶端軟件訪問。系統(tǒng)配置或者設(shè)置，也可以訪問管理系統(tǒng)。

SOS系統(tǒng)主要六個部分組成：a.系統(tǒng)配置，主要是配置系統(tǒng)所需的基本配置組件；b.音頻，主要實現(xiàn)“聽、說”兩個功能；c.記錄，通過光學傳感器得到的相關(guān)信息被SOS系統(tǒng)進行匿名記錄；d.VCA，VCA根據(jù)傳入的圖像數(shù)據(jù)進行分析，然后產(chǎn)生報警；e.光，攝像頭的方向和夜視燈可以通過遠程控制來調(diào)節(jié)；f.遠程接口，通過HTTP協(xié)議，遠程接口允許訪問SOS警報和相關(guān)傳感器的圖像信息。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

3.1 ARM處理方面

當事件發(fā)生時，需要記錄一段視頻，并且要提前多錄幾秒，這個一方面涉及到文件系統(tǒng)及其管理查詢，另一方面還有壓縮錄制的問題，同時涉及到對mp4文件的遠程存取問題。

文件系統(tǒng)：視頻文件都是mp4格式的，為了存儲額外的事件類型和時間信息，文件的名字都是”<時間>_<事件ID>.mp4”的形式。<時間>例如201302232200(表明是2013年2月23日22點0秒)。

視頻壓縮：涉及到H264的壓縮和mp4的構(gòu)成兩部分。為了實現(xiàn)提前記錄(即事件發(fā)生時記錄的視頻包含比如比事件發(fā)生時早比如10秒鐘的視頻內(nèi)容)的功能，每一幀視頻數(shù)據(jù)進來之后都會被壓縮成H264的包，記錄視頻時則直接基于相關(guān)的包生成。壓縮成H264包時因此應該可以指定每一壓縮視頻段的長度(H264的包包括I，P，B三種類型，I是關(guān)鍵幀，它不依賴于任何其它幀，P是預測幀，它基于在它之前的視頻幀，B是中間幀，它基于在它之前和之后的視頻幀。為了實現(xiàn)我們的提前錄取目的，我們壓縮H264時需要指定我們不需要B幀，這樣的話每一個I幀及其之后所有的P幀則形成一個壓縮視頻段)。

3.2 參數(shù)配置

a.參數(shù)配置都通過web頁面來實現(xiàn)，為了避免不必要的重啟，應該把參數(shù)分成系統(tǒng)參數(shù)和程序參數(shù)兩部分。

b.這個里面最麻煩的是通過頁面在視頻頁面中設(shè)定幾個監(jiān)控區(qū)域(這里的設(shè)定就是用筆刷在圖片中畫，這里要畫5個區(qū)域)。因此需要提供這種畫的功能和實現(xiàn)對相應板子上參數(shù)的更新。

3.3 網(wǎng)絡通訊

我們需要兩種支持，一是基于http的通訊，二是基于tcp的通訊。

a.為了實現(xiàn)基于http的通訊，不僅主板本身是一個http服務器，并且它可以和外界以http的方式通訊，為了這個目的，SG本身使用libCurl。

b.用戶可以指定事件以tcp的方式接收。在這種方式下，遠程客戶端直接監(jiān)聽比如tcp端口555以接收事件。因此主板應該提供tcp服務器的能力，并且有可能支持多個客戶端的監(jiān)聽。

4.硬件設(shè)計

4.1 功能說明

a.音頻輸入/輸出：嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)配有麥克風和揚聲器，允許遠程音頻通信。音頻通信開機協(xié)議(SIP)設(shè)定音頻連接，SIP使用單獨的配置通道連接，實際數(shù)據(jù)傳輸通過URL和SIP設(shè)置實現(xiàn)的。點對點的音頻傳輸使用的是RTSP協(xié)議。

b.視頻輸入：通過攝像頭上傳感器收集的圖像信息為模擬信號，此模擬信號經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字視頻流，然后經(jīng)由管理系統(tǒng)處理，在傳導用戶終端。

c.夜視/方向燈：嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)配有紅外(IR)LED夜視燈。在夜間，定向LED燈作為定點光源使用。IR和LED燈的定位功能由終端軟件，以方便使用者實時查看房間的各個角落的情況。此外，IR和LED具有調(diào)光功能，監(jiān)護系統(tǒng)通過PWM端口控制定位光的亮度，可以從0%到100%。

d.VCA：視頻內(nèi)容分析(VCA)模塊專門負責分析圖像傳感器傳送的圖像等相關(guān)信息，VCA可以查看本地事件記錄的圖片和視頻。如果用戶覺得系統(tǒng)容量不夠，系統(tǒng)配備有SD卡內(nèi)存插槽，它同樣可以用于存儲記錄。

e.報警處理：報警處理是用來管理報警事件和相關(guān)記錄的，它可以刪除已處理過的報警事件。

4.2 硬件說明

本系統(tǒng)主要硬件包括以下部分：電源(最大12.5W)；模擬攝像頭接口；集成了DSP芯片的音頻輸入/輸出；RGB LED開關(guān)(PWM控制)；紅外開關(guān)LED；12V和5V電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器；SD卡插槽和接口；JTAG+RS232 PCB；主機USB接口；RJ45以太網(wǎng)連接；擴展連接器。

1)存儲器

存儲器RAM和閃存(Flash)必須位于主板上，SD卡槽則在用戶板上。主板上有足夠的RAM和Flash以支持音頻解碼軟件和其他所有的應用軟件所需的內(nèi)存。閃存還用于存儲用戶電路的特定信息。

2)設(shè)置配置

設(shè)備的配置設(shè)置存儲于系統(tǒng)，這些設(shè)置不會因為軟件更新而改變。基本設(shè)置項有專門的表格以供用戶查詢。

3)電源

主板、用戶板和所有連接設(shè)備供電的電源都有一個電源轉(zhuǎn)換器提供。用戶板有一個RJ45連接器連接用戶板到PoE網(wǎng)絡交換機或者路由器。電源轉(zhuǎn)換器必須符合IEEE 802.3af標準(最大12.5W)。

4)視頻

與相機相接的是一個模擬攝像頭模塊CVBS，此時的視頻圖像為模擬信號，通過視頻數(shù)字化儀把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)流。同時用戶板上有一個芯片轉(zhuǎn)換成BT.601/BT.656數(shù)字兼容的YCbCr 4:2:2數(shù)字視頻流。

5)音頻

低功耗音頻編解碼器包括音頻處理和單聲道D類放大器，TLV320AIC3100是用于主板音頻解碼和揚聲器驅(qū)動接口。I2S總線用于與主板音頻通信。I2S總線配置在音頻芯片內(nèi)，沒有專門的a-Law/u-Law編解碼器，因為這些不支持ALSA。

D類音頻放大器里面的編解碼器，能夠提供至少2.5瓦的音頻功率連接4歐姆揚聲器，揚聲器放大器的電源電壓5V最大輸出功率。

模擬設(shè)備ADAU 1701 DSP將用于在音頻路徑提供信號處理包括均衡，交叉，低音增強，多頻段動態(tài)處理，延遲補償，揚聲器補償。作為一個附加功能(可選)基本半雙工選項(回聲消除)將可用。將全回聲消除(如果需要的話)執(zhí)行的主處理器(例如PJSIP功能)DSP引導和控制是通過I2C接口從內(nèi)核板。

5.結(jié)束語

一款合適的嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)能幫助父母實時的監(jiān)測嬰兒的活動情況，對有可能產(chǎn)生的危險能在第一時間傳送給父母，以便父母及時應對。因此，開發(fā)一種功能全面，安全可靠地嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)很有必要。

[1]任學雯.新生兒智能監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技視界,2012,28.

[2]馮冬青,張瑜.嬰兒保溫箱智能監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計[J].鄭州大學學報,2009,12(22).