嬰幼兒睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計*

郝紅冉 張殿偉 王宇 楊君豪 鞏秀鋼（通訊作者）

1.山東理工大學計算機科學與技術(shù)學院 山東 淄博 255030

2.日照職業(yè)技術(shù)學院電子信息工程系 山東 日照 276800

引言

在嬰幼兒期間，睡眠占據(jù)其日常的很大一部分時間，良好的睡眠質(zhì)量有助于其更好的生長發(fā)育。加之父母工作繁忙，照看嬰幼兒壓力大，設(shè)計了一套可以在嬰幼兒睡眠期間能夠?qū)崟r監(jiān)測其周圍環(huán)境和嬰幼兒睡眠狀態(tài)的設(shè)備。使用該系統(tǒng)能一定程度上減輕父母照看嬰幼兒的壓力，更好地為嬰幼兒打造良好、舒適的睡眠環(huán)境；同時該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測異常狀態(tài)并通過系統(tǒng)郵件提醒來告知用戶，提醒用戶下一步操作等。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)以樹莓派作為主控板，利用攝像頭采集圖像信息數(shù)據(jù)并通過機器學習算法進行分析處理，利用傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析并上傳至服務(wù)器端，用戶可通過訪問網(wǎng)頁端查看相關(guān)數(shù)據(jù)。同時該系統(tǒng)會對異常數(shù)據(jù)和圖像等進行郵件報警來提醒用戶。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)流程

本系統(tǒng)需要對嬰幼兒睡眠數(shù)據(jù)進行采集、分析、傳輸、保存以及處理和顯示；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括傳感器、攝像頭、樹莓派、網(wǎng)絡(luò)模塊、服務(wù)器等。樹莓派是該系統(tǒng)的核心控制單元，通過對攝像頭和傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理。服務(wù)器用于保存數(shù)據(jù)信息和搭建網(wǎng)頁等。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

1.3 系統(tǒng)功能概述

該系統(tǒng)包括嬰幼兒睡眠狀態(tài)采集子系統(tǒng)、嬰幼兒環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、嬰幼兒睡眠數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)、異常數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，嬰幼兒睡眠監(jiān)控子系統(tǒng)。主要實現(xiàn)嬰幼兒睡眠狀態(tài)、睡眠數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，并將采集的數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，若檢測到數(shù)據(jù)或畫面狀態(tài)異常，則會向用戶發(fā)送郵件提醒。

2 系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)

硬件子系統(tǒng)完成對嬰幼兒睡眠狀態(tài)的判斷，首先通過設(shè)備攝像頭采集圖片數(shù)據(jù)信息，然后對圖片數(shù)據(jù)集進行預處理操作，最后在搭建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中利用預處理模型對其訓練。在嬰幼兒睡眠過程中利用之前訓練好的模型監(jiān)測嬰幼兒睡眠狀態(tài)。在環(huán)境監(jiān)測模塊，由于直接選用數(shù)字輸出的傳感器可以去除模數(shù)轉(zhuǎn)換的復雜過程，故選用DHT11溫濕度傳感器[2]。利用其采集環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器，同時將此數(shù)據(jù)同以往數(shù)據(jù)進行對比分析，檢測其數(shù)據(jù)是否異常。

本系統(tǒng)對于開發(fā)板的選用為樹莓派，該開發(fā)板功能強大，對于圖像識別功能有著強大的支持，且接口豐富，支持接入攝像頭，且對于外部設(shè)備運行代碼簡潔方便。

在樹莓派GPIO7引腳處接DHT11溫濕度傳感器，通過Dout端口將傳感器監(jiān)測出的濕度和溫度通過I/O口傳輸給主控板。通過排線將攝像頭連接在樹莓派攝像頭接口處（CSI），利用python代碼驅(qū)動攝像頭工作。傳感器、攝像頭與樹莓派連線如圖3所示。

圖3 傳感器、攝像頭與樹莓派連線

3 系統(tǒng)軟件子系統(tǒng)

軟件子系統(tǒng)連接了底層硬件系統(tǒng)和用戶，是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的調(diào)度中心。

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.1.1 實體關(guān)系。本系統(tǒng)主要對象有用戶、所采集信息等。普通用戶實體屬性主要包括用戶名，密碼，郵箱，真實姓名，身份證號，地址，角色，頭像路徑。管理員用戶實體主要包括用戶名，密碼，郵箱，真實姓名，頭像路徑。所采集信息實體屬性主要包括用戶名，溫度，濕度，采集時間[3]。它們之間的聯(lián)系通過E-R圖表示如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)E-R圖

3.1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用Navicat連接遠程服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，建立respi數(shù)據(jù)庫，新建user_info、manager_info、data_info表，用來存儲用戶信息、管理員信息和利用硬件設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)信息。

（1）用戶信息表(user_info)

用戶信息表用來存儲普通用戶的基本信息。表結(jié)構(gòu)如表1所示：

表1 用戶信息表

（2） 管理員信息表（manager_info）

管理員信息表用來存儲管理員用戶的基本信息。其表結(jié)構(gòu)和表1的前六個字段相同，這里不再贅述。

（3）所采集信息表（data_info）

所采集信息表用來存儲采集的環(huán)境信息。表結(jié)構(gòu)如表2所示：

表2 所采集信息表

3.2 網(wǎng)頁設(shè)計

3.2.1 網(wǎng)頁總體架構(gòu)。網(wǎng)頁采用Flask框架編寫，以同步方式為主。擁有管理員和普通用戶兩套框架系統(tǒng)，在登陸時根據(jù)賬號不同角色跳轉(zhuǎn)不同框架。普通用戶登錄網(wǎng)頁后可查看采集到的歷史數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)以Echarts圖表的方式存在，可供用戶更好的觀察其變化趨勢。同時用戶也可修改個人基本信息等。管理員用戶登錄網(wǎng)頁后可查看所有用戶的信息，同時可以對其進行增刪改查的基本操作。類似于普通用戶，管理員也可自行修改個人基本信息。

3.2.2 網(wǎng)頁基本技術(shù)。為了應(yīng)對用戶基數(shù)大，不易管理的情況采用RBAC授權(quán)機制，使用角色、層次和約束組織用戶訪問等級，使信息安全管理變得簡單[3]。本系統(tǒng)在搭建網(wǎng)頁時選擇Nginx服務(wù)器，其是一款輕量級Web服務(wù)器，具有高性能的HTTP和反向代理，Nginx服務(wù)器具有占用內(nèi)存少，并發(fā)能力強等突出特點；在利用郵件發(fā)送提醒信息時，選用QQ郵箱的SMTP服務(wù)器。因SMTP是一種提供可靠且有效的電子郵件傳輸?shù)膮f(xié)議，其郵件的發(fā)送高度模仿了正常用戶發(fā)送郵件的方式[4]。

4 異常判斷

4.1 環(huán)境數(shù)據(jù)異常判斷

基于環(huán)境溫度不會變化很快的基礎(chǔ)上，將負責判斷數(shù)據(jù)離散程度的算法簡化為如下：系統(tǒng)每分鐘檢測一次環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)（a1,b1），但不存入數(shù)據(jù)庫并將其與最近一次數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)（a2,b2）進行對比。若出現(xiàn)（|a1-a2|＞1 or |b1-b2|＞2）的情況則立刻將該數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫并向用戶發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)異常警告。如數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，則繼續(xù)監(jiān)測；若檢測時間與上次記錄數(shù)據(jù)的時間間隔一小時則再次記錄。最后根據(jù)每小時所采集的數(shù)據(jù)，生成Echarts圖表。

4.2 睡眠狀態(tài)異常判斷

睡眠狀態(tài)的異常檢測采用YOLOv4目標檢測算法，系統(tǒng)中利用該算法的準確率在93%以上，為更簡易的實現(xiàn)目標，其中異常報警機制的算法簡化如下：系統(tǒng)實時監(jiān)測嬰幼兒睡眠狀態(tài)（st），若st為cover則記錄其識別率為c1并將其與上一次的識別率c2做比對。若出現(xiàn)(c2-c1＞0.05 or st == uncover)則向用戶發(fā)送睡眠狀態(tài)異常警告。如數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)或者st為cover，則繼續(xù)監(jiān)測。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用樹莓派攝像頭采集嬰幼兒睡眠狀態(tài)信息并利用YOLOv4目標檢測算法進行目標狀態(tài)檢測；利用傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息并上傳至服務(wù)器端保存。若睡眠狀態(tài)或環(huán)境數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，本系統(tǒng)通過郵件提醒來告知用戶出現(xiàn)異常狀態(tài)，以供用戶知曉并提醒用戶下一步操作等。故該系統(tǒng)能夠初步解決父母工作繁忙，照看嬰幼兒精力少、壓力大等問題。