基于傳感器和單片機的嬰兒活動遠程監測系統設計

摘要：為解決嬰兒監護成本高、耗時長的問題，設計了一個基于傳感器和單片機的嬰兒活動遠程監測系統。利用多種傳感模塊和單片機對嬰兒所處物理環境參數進行監測，同時計算其活動次數，利用藍牙將信號傳輸至上位機的監測界面進行遠程顯示。該系統能實時采集嬰兒所處環境的數據，并有效進行安撫提示，節省人工成本，為數智家居電子設備開發提供參考。

關鍵詞：單片機；嬰兒活動監測；數智家居

中圖分類號：TP274+.2；TP368.1 文獻標識碼：A

0 引言

隨著電子信息技術的發展，遠程人體運動監測設備對數字家居的智能化建設具有重要意義[1-2]。基于單片機的人體生理信號檢測裝置已應用于成人運動及健康監護，但面向嬰幼兒活動的監測系統仍較少[3-4]。為解決嬰幼兒監護成本高、耗時長的問題，本文設計了一個基于傳感器和單片機的嬰兒活動遠程監測系統，實時顯示嬰幼兒所處環境溫濕度、光照、聲音等參數，同時根據其活動次數進行安撫提示，對數智家居電子設備研制和開發具有重要價值。

1 嬰兒活動遠程監測系統設計方案

嬰兒活動遠程監測系統結構如圖1 所示，其由傳感單元、單片機Arduino Mega2560、電源模塊和上位機等組成。

傳感單元包括運動傳感模塊、聲音傳感模塊、光照傳感模塊和溫濕度傳感模塊，傳感模塊將環境及人體移動相關物理信號轉換為電信號傳輸至單片機。單片機由外接+5 V 移動電源進行供電，其接收傳感模塊傳輸的電信號，將各個傳感器數據打包，同時驅動藍牙模塊，將數據包通過藍牙通信方式無線傳輸至遠程上位機。在上位機，利用虛擬儀器設計軟件LabVIEW 搭建嬰兒活動監測界面，顯示嬰兒所處環境參數，根據嬰兒活動次數進行安撫提醒，同時界面配有保存數據按鈕，可實時存儲嬰兒所處環境信息及活動次數。

2 硬件設計結構

如圖2 所示，系統硬件包括電源模塊、單片機Arduino Mega2560、聲音傳感模塊、光照傳感模塊、溫濕度傳感模塊、運動傳感模塊和藍牙模塊A/B。

2.1 電源模塊

考慮嬰兒獨立休息，系統電源應保證穩定供電，同時具有體積較小、質量較輕的特點，因此選用容量為10 000 mA·h 的移動電源進行供電。

2.2 Arduino Mega2560 單片機

Arduino Mega2560 單片機為該系統的核心硬件，其負責接收各個傳感模塊的電信號，同時若運動傳感模塊輸入單片機信號為高電平，則將嬰兒活動次數變量值累加；若運動傳感模塊輸入單片機信號為低電平，則將嬰兒活動次數變量值清零。將各傳感器參數及活動次數的數據打包，數據包以a 開頭，以b 結尾，通過相應字母對數據進行標識。

2.3 傳感單元

傳感單元由聲音傳感模塊、光照傳感模塊、溫濕度傳感模塊和運動傳感模塊等組成。

聲音傳感模塊主要由駐極體和運算放大器芯片組成，當聲音信號通過駐極體麥克風時，駐極體內部薄膜振動，導致其內部的線圈產生感應電流，實現聲電信號轉換，電信號經由LM358 放大器放大后輸出，聲音強度越大，輸出電壓幅度越大。該模塊供電端P 連接至單片機+5 V 電源，接地端G 連接至單片機地線，信號端D 連接至單片機模擬輸入A0 接口。

光照傳感模塊核心硬件為5537 光敏探頭，其基于光電導效應，當環境光照強度增大時，電阻減小。光照傳感模塊輸出模擬電壓信號，光照強度越大，輸出模擬信號的電壓幅度越大。該模塊供電端P 連接至單片機+5 V 電源，接地端G 連接至單片機地線，信號端D 連接至單片機模擬輸入A1 接口。

溫濕度傳感模塊核心硬件為DHT11 溫濕度傳感器，其能夠將環境溫濕度轉換為串行的數字電信號。該模塊供電端P 連接至單片機+5 V 電源，接地端G 連接至單片機地線，信號端D 連接至單片機23 號數字輸入/ 輸出管腳。

運動傳感模塊核心硬件為AM412 熱釋電紅外傳感器，當人體活動時，傳感器周圍溫度發生變化，其表面電荷也隨之變化，電荷移動使敏感材料兩端出現電壓、電流，從而將溫度變化信號轉化為電信號。當人體移動時，運動傳感模塊輸出高電平；人體靜止時，則輸出低電平。該模塊供電端P 連接至單片機+5 V 電源，接地端G 連接至單片機地線，信號端D 連接至單片機22 號數字輸入/ 輸出管腳。

2.4 藍牙模塊

系統采用兩個已配對完成的HC-05 藍牙模塊，藍牙模塊A 用于信息發送，接收端連接至單片機串口3 的發送端（管腳14），發送端連接至單片機串口3 的接收端（管腳15），電源連接至單片機+5 V 端，地線與單片機地線連接。藍牙模塊B 與上位機連接，用于接收信息，實現無線通信。

3 基于LabVIEW的嬰兒活動監測界面設計

利用上位機對嬰兒活動監測界面進行設計，采用虛擬儀器設計軟件LabVIEW 進行開發。LabVIEW 為圖形化編程軟件，效率高且功能完備。

圖3 為嬰兒活動監測系統界面程序設計流程，開始運行后，利用LabVIEW 中的順序結構使程序順次執行，給各個顯示控件賦初值，均為0，完成參量初始化。利用VISA 配置串口函數設置串口名稱，利用獲取日期時間函數得到測試時的日期和具體時刻。利用VISA 讀取函數從串口讀取數據，字節設置為40。串口讀取到的數據格式為字符串格式，通過匹配模式函數搜索各個傳感器對應的字母標識，將數據包拆包。拆分后的數據通過分數/ 指數字符串—數字轉換函數將字符串轉換為十進制數值。利用儀表、波形圖表等控件進行數據顯示。

該界面設置有嬰兒活動提醒、嬰兒安撫提醒及存儲信息功能。當嬰兒活動時，運動傳感器輸出高電平，串口采集到該傳感模塊對應的輸出值為“1”，將運動傳感模塊輸出的數據與“1”進行比較，若運動傳感器輸出為“1”，則表明嬰兒正在活動，此時嬰兒活動提醒燈點亮。將嬰兒活動次數與30 進行比較，若嬰兒持續活動超過30 次，表明此時嬰兒可能已經由睡眠狀態轉為持續活動，需要家長及時照顧，此時安撫提醒燈亮。界面設置有保存數據按鈕，該按鈕輸入值為“真”時，即用戶在界面按下該按鈕時，嬰兒活動的次數、環境溫濕度、光照強度、聲音強度及時間信息可存儲于文檔文件，為了解嬰兒習慣及規范嬰兒睡眠活動提供參考。當系統停止按鈕輸入為假，即用戶在界面按下停止按鈕，遠程監控界面停止運行；當未按下該按鈕時，循環執行數據拆包、顯示、判斷等過程，實現環境及活動遠程監測提醒。

4 系統測試結果

如圖4 所示，嬰兒活動監測系統界面分為溫濕度監控、聲光監控、安撫提示和運行存儲板塊。溫度和濕度信息顯示在對應量表控件中，同時使用波形圖表記錄顯示溫濕度變化過程；光照強度及聲音強度則顯示在對應儀表控件。界面右側為嬰兒活動次數及安撫提示板塊，嬰兒連續活動超過30 次，安撫提醒燈和嬰兒活動提醒燈同時點亮，提示用戶需要及時照顧安撫嬰兒。

5 結語

本文設計了一個基于傳感器和單片機的嬰兒活動遠程監測系統，其結合多種傳感模塊和藍牙模塊將溫濕度、光照強度、聲音強度及嬰兒活動次數等參數無線傳輸至遠程上位機，同時利用LabVIEW設計了監測界面及燈光報警提示，為嬰幼兒遠程監護提供了可靠的解決方案，促進了數智家居電子設備研制與物聯網技術發展。

參考文獻

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[2] 王勇，周瑩，張會麗. 基于單片機的寵物醫院溫濕度監測系統設計[J]. 儀表技術，2024（5）：38-42.

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