智能嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心 楊振雷

1.前言

快節(jié)奏的生活，較大壓力的工作環(huán)境，使得人們對時(shí)間的合理安排要求越來越苛刻，在休息期間有一個(gè)好的睡眠是能緩解壓力，恢復(fù)體力的最好方法，那么照顧孩子怎么辦，這個(gè)系統(tǒng)能夠很很好的緩解這些問題。

本文設(shè)計(jì)基于MC44BS373CW射頻視頻調(diào)試芯片進(jìn)行視頻的調(diào)制和發(fā)射，同時(shí)也可以傳遞語音。這樣監(jiān)護(hù)者可以清晰地觀測到嬰兒的動態(tài)，同時(shí)利用無線收發(fā)模塊可以控制嬰兒床的位置，是搖籃狀態(tài)還是睡眠狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)的濕度傳感器會檢測嬰兒是否尿床，溫度傳感器檢測嬰兒的溫度，嬰兒床靠近嬰兒頭部有一個(gè)小麥克檢測嬰兒是否哭啼。這個(gè)系統(tǒng)根據(jù)嬰兒的特點(diǎn)量身設(shè)計(jì)的，完全保證了嬰兒的環(huán)境適宜，這樣為監(jiān)護(hù)者提供了很好的幫助，也節(jié)省了監(jiān)護(hù)者的一部分時(shí)間。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由檢測電路：溫度檢測，檢測嬰兒當(dāng)前體溫；尿濕檢測，檢測嬰兒是否尿床；翻身檢測，檢測嬰兒睡姿是否正常；哭啼檢測，檢測嬰兒是否因饑餓等情況引起的身體不適而哭啼；光線檢測，檢測嬰兒的環(huán)境光線是否適宜；踢被檢測，檢測嬰兒是否踢被，避免嬰兒著涼。

主控電路：接收檢測信號，本地控制指令，遠(yuǎn)程控制指令，控制視頻監(jiān)控的開啟與關(guān)閉，控制搖籃方式的啟動與關(guān)閉，控制播放音樂系統(tǒng)等功能。

視頻監(jiān)控：把攝像頭攝錄的圖像經(jīng)過無線的方式傳輸出去，把嬰兒最準(zhǔn)確的信息傳遞給監(jiān)護(hù)者。

圖1是系統(tǒng)組成框圖。

3.硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 檢測電路的分析

溫度檢測，采用18B20溫度傳感器檢測，在嬰兒床底部即嬰兒睡眠處安放3處溫度檢測，主要檢測嬰兒頭部溫度和背部溫度，確保檢測準(zhǔn)確。

尿濕檢測部分采用具有一定阻值的墊子檢測信號。嬰兒躺在這種墊子上，墊子通過引線連到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化出的電壓與阻值成比值關(guān)系，檢測電壓輸入單片機(jī)與設(shè)定值比較，因墊子自身有一定阻值R，所以會有初始電壓。通過對端口電壓值的A/D采樣處理，可以根據(jù)實(shí)際情況智能設(shè)計(jì)尿濕報(bào)警門限值，避免了普通開關(guān)式測量帶來的誤判。當(dāng)嬰兒發(fā)生尿床時(shí)，墊子電壓就會降低。當(dāng)經(jīng)單片機(jī)處理后的電壓值超過設(shè)定電壓的門限值下限時(shí)，系統(tǒng)就會提示報(bào)警，及時(shí)將報(bào)警信息告知父母。

表1 測試數(shù)據(jù)

翻身檢測利用紅外對管增大發(fā)射功率和發(fā)射角度，實(shí)際用了兩個(gè)紅外發(fā)射管并聯(lián)，同時(shí)發(fā)射。為避免環(huán)境中別的紅外信號的干擾，在程序中做了設(shè)置：在發(fā)射程序中讓紅外發(fā)射管發(fā)出一定的加密數(shù)據(jù)，在接收程序中檢測接收的數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測接收的數(shù)據(jù)正確時(shí)，證明嬰兒睡姿正常，當(dāng)嬰兒睡姿不正確時(shí)把紅外線擋住時(shí)，收不到發(fā)射信號則報(bào)警提示。

哭啼檢測是在嬰兒頭部附近放置一個(gè)話筒，拾取嬰兒的哭啼聲音。

光線檢測利用光敏電阻，檢測光線強(qiáng)弱，預(yù)設(shè)值可以調(diào)節(jié)。

踢被檢測利用熱釋電檢測人體，避免誤檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)檢測點(diǎn)，多點(diǎn)檢測，同時(shí)檢測到信號時(shí)提示嬰兒已踢被。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

圖2 MC44BS373CW的典型應(yīng)用

圖3 搖擺移動圖

圖4 程序流程圖

圖5 程序流程圖

3.2 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控通過攝像頭拾取視頻圖像，經(jīng)過視頻調(diào)制轉(zhuǎn)換可無線傳輸出去，設(shè)計(jì)采用一款高度集成芯片MC44BS373CW，它是摩托羅拉公司新出的一款射頻視頻調(diào)制芯片，它內(nèi)部集成了兩個(gè)PLL，一個(gè)是產(chǎn)生伴音的載波6.5MHZ，另一個(gè)是視頻的載波，芯片集成度很高，下面是該芯片的簡要說明。

MC44BS373CW有兩種封裝，一種是SO16NB封裝，還有一種是QFN20封裝的。設(shè)計(jì)是用的16腳封裝的。

此芯片是I2C的數(shù)據(jù)傳輸，既能節(jié)約單片機(jī)的I/O口的使用，而且傳輸速度也快，從數(shù)據(jù)手冊查詢時(shí)鐘為300n秒。

通過分析該芯片的數(shù)據(jù)手冊可得知輸出頻率的計(jì)算方法，伴音載頻可以直接設(shè)置成6.5MHZ，而射頻是通過PLL生成。芯片外部晶振產(chǎn)生4MHZ的信號，在芯片內(nèi)部進(jìn)行128分頻后得到31.25KHZ的基準(zhǔn)信號，再經(jīng)過倍頻可得到穩(wěn)定的射頻信號F，F(xiàn)先經(jīng)過8分頻后，再進(jìn)行N分頻得到基準(zhǔn)頻率，計(jì)算公式如下（F為MHZ）：

N不可以為零。

由于該芯片集成度很高，所以需要在外部連接的器件就很少，給調(diào)試帶來很大方便。圖2是它的實(shí)際應(yīng)用原理圖。

圖像接收設(shè)備，采用傳統(tǒng)的小電視機(jī)接收，省空間便于攜帶。發(fā)射接收頻率可預(yù)設(shè)，避免占用公共頻帶。

3.3 控制部分

控制系統(tǒng)采用MEGA16單片機(jī)，該單片機(jī)具有16K系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH、8路10位ADC、32個(gè)可編程的I/O口和四通道PWM。

該單片機(jī)工作穩(wěn)定，功耗低，I/O口多，還有8路10位ADC省去擴(kuò)展的麻煩，還有四通道PWM驅(qū)動電機(jī)正好。

3.4 搖籃部分

通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動搖動?jì)雰海M出人的晃動情景，安撫嬰兒入睡。

如圖3所示電機(jī)向左慢速轉(zhuǎn)動5秒后嬰兒睡眠的板向左偏上450移動15cm后停止，讓讓睡眠板自由回落，形成自由擺的狀態(tài)，每過30秒后電機(jī)提升一次睡眠板，讓自由擺持續(xù)擺動。

3.5 播放音樂部分

4.軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 主機(jī)控流程圖

主機(jī)控制程序流程圖如圖4所示。

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控流程圖

監(jiān)控程序可由監(jiān)護(hù)者手動啟動監(jiān)控，在檢測事故狀態(tài)自動啟動監(jiān)控，流程圖如圖5所示。

5.測試結(jié)果

5.1 測試設(shè)備

測試儀器：

直流穩(wěn)壓電源 型號WYK-303B

頻譜儀 型號 SSA3030

高頻信號發(fā)生器 型號 數(shù)字示波器SDS1202CNL

低頻阻抗分析儀 型號 Agilent 4192A

萬用表 型號 FLUKE17B

5.2 測試結(jié)果

通過抽樣檢測5個(gè)信號的頻率與預(yù)設(shè)頻率有微量誤差見表1所示，分析原因是鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率受溫度影響頻率浮動造成。

5.3 圖像結(jié)果

經(jīng)過測試接收范圍空曠地段可達(dá)28米圖像清楚，在室內(nèi)接收隔1堵墻距離5米內(nèi)圖像清楚，隔2堵墻圖像基本清楚測試距離6米，在目前普通家庭滿足要求。

6.總結(jié)

設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)期研究目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了智能控制，遠(yuǎn)程監(jiān)控，檢測靈敏；具有了一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步的改進(jìn)可投入市場，為社會服務(wù)。雖然都得到了實(shí)現(xiàn)，但我在實(shí)踐方面仍存在一定的不足，所以需要進(jìn)一步研究，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可考性，能到產(chǎn)品的性能。

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