智能嬰兒車保姆

沈王姚 徐建 蘇和平 劉可凡 黃漢卿

摘 要：照顧嬰幼兒是大多數父母頭疼的問題，為了提高孩子的睡眠質量以及幫助父母為孩子營造良好的成長環境，緩解父母的看護壓力，文中設計了一款基于物聯網的智能嬰兒車保姆系統。本系統采用FPGA作為主控制系統與其他各模塊協同工作，并結合物聯網技術實現對嬰幼兒各種信息的實時動態監控，包括嬰幼兒各項生命體征信息，啼哭，尿濕等，并通過WiFi網絡發送到父母手機上。同時系統還具有睡眠質量評估與建議、自動安全報警、無線視頻監護等功能。該系統安裝方便，操作簡單，可靠性高，可擴展性及維護性強，是一款實用性很強的產品。

關鍵詞：實時動態監測；FPGA；WiFi；物聯網

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）08-00-02

0 引 言

一直以來，嬰幼兒的日常監護是每個家庭最為關注和頭疼的問題之一。隨著二胎政策的全面實施，持續增長的嬰幼兒數量必然會使得不少家庭開始考慮其帶來的看護負擔。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對嬰幼兒的各種突發狀況而手忙腳亂，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中，如何對其進行有效的睡眠監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父母。因此，市場上對于嬰兒各種產品的需求趨勢越來越大。嬰兒車作為一種傳統的嬰兒用品，在現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，一種基于物聯網技術的智能嬰兒車保姆系統應運而生。該系統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用空間。

1 系統總體設計

智能嬰兒車保姆由數據采集處理系統和Android應用客戶端兩部分組成。數據采集處理系統由FPGA與各功能模塊組成，協調工作，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，并將處理結果與預先設定的閾值進行比較，當數據超出閾值范圍時，會觸發系統的安全報警功能。同時，客戶端APP接收來自服務器的實時信息并顯示，當顯示數據異常時也會觸發相應的報警功能。系統結構如圖1所示。

2 系統的硬件設計

本系統在硬件上主要分為存儲模塊、主控與數據處理模塊、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、協同工作。

2.1 數據存儲

數據存儲采用容量為2 kB的24C02芯片，通過E2PROM來擴展芯片內存以滿足本系統數據存儲的需求。可采用外接內存卡的形式擴展內存。SD卡采用四位SDIO方式驅動，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

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

Vir=A（To4-Ta4）

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

2.3 踢被檢測

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

此外，為增大發射角度和功率，在電路中采用兩個并聯的紅外發射管進行同步發射。為避免環境中其他紅外信號的干擾，在程序中進行了相應的設置，使紅外發射管發出一定的加密數據，接收端在接收數據后進行自動檢測。當檢測數據正確時，系統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計尿濕檢測電路，從而最大限度地簡化應用電路。HTU21D溫濕度傳感器具有體積小、功耗低等特點，專用于設備空間狹小和成品敏感的產品。因此，應用該傳感器不僅提高了系統可靠性，還降低了成本。HTU21D溫濕度傳感器為OEM應用提供了準確可靠的溫濕度測量數據，可通過一個微控制器接口和模塊連接達到溫度和濕度數字輸出。STU21D原理如圖2所示。

圖中的C1為電源退耦電容，R1，R2為總線的上拉電阻。該模塊的串行數據引腳和串行時鐘引腳分別與處理器的串行數據引腳及串行時鐘引腳相接，即為嬰兒尿濕檢測部分的設計。

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計的微波移動物體探測器可實現非接觸式生命體征測量。微波雷達在對運動物體發射微波信號時，會產生多普勒效應，可以檢測到運動物體返回的回波信號，并利用一定的數據處理技術，例如短時傅里葉變換技術，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，因此，呼吸頻率檢測系統可以有效、及時地發現嬰兒的異常情況，并立即告知嬰兒父母，以避免危險事件發生。

2.6 攝像頭模塊

本系統使用了一款200 W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）視頻監控：FPGA將攝像頭采集到的視頻信息通過CC3200傳輸到服務器端，父母再利用APP實現遠程視頻傳輸，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以及肢體是否產生動作，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，幫助父母培養孩子良好的睡眠習慣。

3 系統的軟件設計

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AD轉換后得到原始信號序列。經過解調、預處理后，可得到有效的呼吸信號。再經過小波濾波去除噪聲，并恢復呼吸波形。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所示為系統的整體軟件架構圖。系統在經過初始化后，各模塊開始采集數據信息，并將信息交由FPGA進行分析和處理，處理之后的數據通過串口輸送到CC3200中，并由CC3200將數據打包發送至阿里云服務器，最后客戶端APP向服務器請求數據信息并與預先設定的閾值進行比較，如果發現數據異常，系統會立刻啟動安全報警功能。由APP主界面顯示監測到的各項實時數據。

4 結 語

智能嬰兒車保姆系統的開發涉及眾多學科，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嬰幼兒監護產品的情況下，結合物聯網技術實現了一種更加貼合實際情況的多功能保姆系統。該系統不僅可以實時動態地監測嬰兒的各項指標，還能就異常指標發出報警，根據嬰兒最近的睡眠情況給出一定的建議，幫助父母培養孩子良好的睡眠習慣，緩解父母的看護壓力，并在最終測試中證明該系統可靠性高，可擴展性和可維護性強，具有廣闊的市場應用空間。

參考文獻

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