基于GPRS的智能嬰兒服實時監測調溫系統

惠州學院 陳學軍 鐘少磊

本文由主控單元軟件硬件和物聯網應用層設計部分構成，概括地介紹了本智能嬰兒服的設計。系統以STM32F103系列芯片作為核心控制芯片，控制傳感器和GPRS通信模塊進行數據的遠程收發和監控。物聯網應用層以微信小程序為主，主要通過Websocket連接服務器端的數據庫進行數據的接受與發送。

引言：我們團隊的研究目標是制造出一款智能嬰兒服，實現可家用的穿戴醫療設備的設想，幫助家長更便捷更準確地了解孩子的情況。

針對現有嬰兒監控設備無法隨身攜帶、獨立性差、準確度較差、孩子遠離無法提供定位報警信息的問題，本文設計了一套基于GPRS無線通信技術和STM32芯片的嬰兒服無線監控調溫系統。這也是未來萬物互聯的應用方向之一，具有良好的前景。

本文章以智能嬰兒服設計的核心，即主控單元兼移動監測調溫終端的設計作為主體，用戶操作小程序的設計為輔助來介紹本項目設計。

2.系統總方案體設計

智能嬰兒服實時監測調溫系統主要實現以下三個功能：嬰兒狀況監測、智能溫度控制、嬰兒定位。系統整體設計結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體設計結構框圖

本設計由STM32為主控制器，通過GPRS模塊，將現在傳感器節點數據上傳，實現現場數據檢測和遠程數據采集功能。傳感器采集的數據通過串口傳送給GPRS模塊，打包為數據包并按照TCP/IP協議與Internet上的服務器建立連接，將收集的數據發送給服務器。

孩子身上的各傳感器數據被設計為每隔半個小時上傳一次到服務器，并在家長的微信小程序端顯示穿戴智能嬰兒服時記錄到的數據，以圖表的方式統計嬰兒的身體狀況，家長以此可掌握孩子的狀態；嬰兒服上放置一片發熱片，家長可通過手機小程序端控制加熱的檔位；主控板裝有GPS定位裝置，同時輔助以基站定位，保證孩子在國內大部分地區的位置信息可以被探測到，并在手機小程序端顯示；手機端可以由家長設置地理圍欄，使得當穿著智能嬰兒服的孩子超過地理圍欄時，可以自動向家長手機報警。

3.系統硬件設計

本系統硬件部分主要是由STM32F103RBT6低功耗芯片作為MCU核心控制器，以SIM808為GPRS通信模塊兼GPS定位模塊，傳感器應用MLX90614溫度傳感器、Pulse Sensor脈搏傳感器、熱敏電阻、濕度傳感器和三軸加速度傳感器，另外再應用發熱片，實現對嬰兒體溫、心率、室溫、尿布狀態監測、運動狀態監測和衣服溫度控制。

3.1 微處理器模塊

STM32F103RBT6是一款基于Cortex-M3內核開發的32位增強型微處理器，旨在為MCU用戶提供新的開發自由度。CPU最高速度達72 MHz，32K字節Flash，采用64腳LQFP封裝。自帶IIC、SPI和多個串口，可以滿足本系統設計豐富外設的需求；系統自帶RTC、看門狗等模塊，RTC可以為系統的數據運行提供時間標記，看門狗可以保證系統穩定運行。片上集成一個溫度傳感器。最多多達11個定時器：4個16位定時器，每個定時器有4個ICOCPWM或者脈沖計數器。2個16位的6通道高級控制定時器：最多6個通道可用于PWM輸出；多達13個通信接口：2個IIC接口（SMBusPMBus）；5個USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調試控制）；3個SPI接口（18 Mbits），兩個和IIS復用；CAN接口（2.0B）；USB 2.0全速接口；SDIO接口。STM32由于它豐富的庫函數，IO類型多，功能強大，完全可以實現我們團隊的開發需求。

3.2 通信模塊

通信模塊采用SIM808這款由SIMCOM（芯訊通）公司開發的GPRS通信模塊，其內置藍牙、GPS芯片，工作頻率為GSM/GPRS：850/ 900/ 1800/ 1900MHz，支持標準的AT命令，全球可用，能夠實現發短信、打電話、GPRS傳輸數據、GPS定位等功能。

該模塊通過UART2串口與STM32連接，波特率為115200bit/s。使用時，首先將中國移動SIM卡插入SIM卡槽，然后通過STM32向SIM808模塊發送AT指令，可實現相應的功能調用，包括完成系統的啟動，初始化串口，包括波特率、數據位、停止位、數據流控制、奇偶校驗等；后使用AT指令注冊中國移動網絡實現上網，最后和遠端的阿里云服務器建立TCP連接，隨后便可以實現數據的透明傳輸。這樣可以在全國范圍有移動基站的地方自由行動，方便隨時掌握使用者（孩童）的位置。

3.3 各傳感器節點

傳感器分別使用了不同的通訊協議和STM32主控芯片進行通訊，如IIC、SPI和TTL等。

溫度傳感器使用的是MLX90614非接觸紅外溫度傳感器，這是一款性能和精度都較高的溫度測量產品，在醫療，工業等領域應用較多；有四個引腳，使用SMBus協議，通過控制SCL引腳進行數據讀取。這款溫度傳感器主要用于對嬰兒體溫進行監測；另外使用了一個熱敏電阻，通過一定的算法轉換電壓的變化，可以測量出較準確的溫度。這個設計主要用于室溫的監測，為發熱片自動調整發熱檔位提供環境參數。

心率監測使用了Pulse Sensor脈搏傳感器，它是通過檢測光反射信號（PPG），利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏測量。傳感器對光電信號進行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值。STM32通過將采集到的模擬信號值轉換為數字信號，再通過簡單計算就可以得到心率數值。

濕度傳感器使用了自己設計的方案，使用時，長條狀的濕度傳感器的一頭接入主控器，另一頭置入尿布內，這樣可以簡單的通過測量因為濕度引起的材料電阻變化，判斷尿布中是否有較多尿液，從而判斷嬰兒是否需要更換尿布。這款濕度傳感器是被作為一次性用品來設計的，原因是考慮到實際使用過程中，濕度傳感器是需要直接置入嬰兒使用的尿布內，直接感知尿液的存在，所以可以在使用完后應當隨著尿布一同丟棄，客戶也一般不會多次使用。

運動狀態感知模塊使用了三軸加速度傳感器和聲音傳感器，兩者被設計為直接安裝在主控板上。嬰兒穿戴本智能服時，測量的傳感器數據經過STM32主控器一定的算法分析嬰兒此時是躺著還是站著、側睡還是臥睡、睡覺時是否安穩、是否在劇烈運動等。該設計可以感知嬰兒是否起床、感知睡眠姿態、統計分析孩子睡眠質量等，可以為孩子家長提供預警或者相關的分析數據以及建議。各傳感器節點設計流程圖如圖2。

圖2 傳感器設計流程圖

3.4 發熱片模塊

發熱片模塊使用了聚酰亞胺薄膜PI電熱膜，它是以聚酰亞胺薄膜為外絕緣體，以金屬箔、金屬絲為內導電發熱體，經高溫高壓熱合而成。聚酰亞胺電熱膜具有優異的絕緣強度，優異的抗電強度，優異的熱傳導效率，優異的電阻穩定性，從而廣泛適用于電加熱領域。它的柔軟性能好，可彎曲，預熱速度快、使用壽命長，厚度僅0.4mm。由于耗電量較大，發熱片電路設計為外接電源，經過主控板穩壓轉換為7V的電壓后輸出至發熱片。經過計算，這款發熱片在7V電壓下，置入衣服內最高可感受溫度為40度，絕不會燙傷嬰兒的柔嫩肌膚。

4.系統軟件設計

本系統的軟件設計可以分成中控系統軟件設計和小程序前端設計兩部分，而傳感器系統和GPS定位包含于中控系統之中。

4.1 中控系統

中控系統數據采集流程圖如圖3所示，中控系統上電后，先初始化各個模塊、開啟定時器中斷方式，然后開始通過串口和各引腳軟件模擬時序收集各傳感器的信息并判斷數據是否正確且有效，若無效則返回中斷入口程序；STM32芯片通過串口輸出AT指令到GPRS模塊進行注冊上網并連接到我們的阿里云服務器，若連接不成功或者斷線則自動重新連接；連接成功后，程序開始主循環，中控系統開始處理傳感器監測數據為數據包并發送給服務器端。

圖3 中控系統數據采集流程圖

傳感器的數據處理流程主要是先采集室溫傳感器的數據，數字化處理后得到的溫度數據一旦低于家長預設的溫度，則開啟發熱片；隨后通過IIC、SPI等方式采集體溫傳感器、心率傳感器和三軸加速度傳感器的數據，若使用了濕度傳感器，則同時采集濕度傳感器的數據。

4.2 小程序前端設計

小程序的系統界面設計如圖4。在本設計的小程序主頁可以直接查看孩子的心率、體溫、室溫、GPS定位地址、是否尿濕和報警狀況，可以查看主控器的剩余電量并且可以控制加熱檔位或者開啟自動調溫模式。另外在健康日志可以看到本系統對傳感器數據進行分析后得到的對孩子智能建議和指導。

圖4 小程序系統界面設計

當家長點擊加熱檔位時，就可以遠程地直接對嬰兒服的發熱片輸出功率進行控制；當點擊小孩位置時，可以進入地圖界面，然后設置地理圍欄，即對孩子可以行動的地方進行范圍的劃定，一旦超出范圍則會立刻向家長報警，如圖5所示。

在小程序系統設計中，我們團隊考慮增加與兒童醫院的合作，建立醫生問診的系統界面，當孩子身體不舒服，可以把收集到的數據由家長一鍵發送給相關的醫生，大致的判斷孩子的身體狀況，以便家長做出進一步的處理。

圖5 小程序地理圍欄設置

5.結論

在日益增長的嬰兒出生率和快速發展的物聯網技術的時代背景下，智能服裝的流行并不是偽命題，它已經是一個全世界服飾類企業競相追逐的真理，巨頭們都在布局智能服裝。本次設計便很好的適應了這一需要，從孩子的角度提供了一個較為新穎的智能嬰兒服設計。

為實現現代嬰兒無線體征監控與防丟的應用需要，我們設計了基于GPRS的智能嬰兒服實時監測調溫系統。系統以GPRS網絡作為無線傳輸監測數據的載體，實現了通過微信小程序進行遠程監測嬰兒心率、體溫、環境室溫、運動狀態和尿布狀態，并可遠程地對嬰兒服進行加熱控制；通過微信小程序記錄嬰兒數據并輸出圖表，統計孩子的身體狀況，分析孩子的情緒，給家長行動建議，另外可以通過小程序直接聯系兒童醫院，將數據發送給醫生，在線診斷孩子的病情，提供建議。系統測試結果表明，該監控系統實現了遠程監測的需要，功能在實踐中不斷完善、定位精確可靠，可滿足家長對孩子遠程看護的需要。

參考：張萬良，基于Web和GPRS的智能家居遠程監控系統：自動化與儀器儀表，2016；姚程，黃帥，馬娜，基于物聯網的智能家居安防系統設計與實現：電子科技，2017；李濤，馬殷元，楊東，基于STM32的GPRS遠程監測終端設計：電子世界，2012；王亞飛，沈根浩，馮朝霞，史智興，室內安全實時監測及遠程聯動報警系統：電子世界，2017。