基于物聯(lián)網(wǎng)的嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李國(guó)城,陳佳明,李偉林,莫偉健

(中山大學(xué) 新華學(xué)院 廣東 廣州510520)

基于物聯(lián)網(wǎng)的嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李國(guó)城,陳佳明,李偉林,莫偉健

(中山大學(xué) 新華學(xué)院 廣東 廣州510520)

為了避免在照顧嬰幼兒時(shí)產(chǎn)生不可預(yù)見的因素而影響著嬰幼兒的健康成長(zhǎng),設(shè)計(jì)了一種嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感技術(shù)與嵌入式技術(shù),以模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控功能,針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題,采用最新的socket程序庫(kù),防止數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤,保證整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的微控制器,采用W5500、nRF24L01、GSM、WiFi網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn),將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到上位機(jī)并對(duì)嬰兒異常進(jìn)行報(bào)警。經(jīng)過(guò)測(cè)試,該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

嵌入式；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線傳感器；實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

隨著社會(huì)的發(fā)展,父母越來(lái)越重視孩子在嬰幼兒時(shí)期的成長(zhǎng)發(fā)育,在照看嬰兒方面需要投入更多的時(shí)間和精力,在現(xiàn)代社會(huì)快節(jié)奏的生活工作壓力下往往會(huì)感到力不從心。而現(xiàn)實(shí)生活中存在著太多不可預(yù)見的因素影響著嬰幼兒的健康成長(zhǎng),孩子的體型在發(fā)育階段,70﹪的時(shí)間都是在床上度過(guò)［1］。為了減輕父母在育兒期間的負(fù)擔(dān),同時(shí)提高育兒質(zhì)量,針對(duì)普通嬰兒床存在的功能單一、性能簡(jiǎn)單、幾乎度不具備智能檢測(cè)以及控制等功能。因此,設(shè)計(jì)一種新型的可移動(dòng)?jì)雰捍?適應(yīng)室內(nèi)和外出游玩,具有實(shí)時(shí)智能監(jiān)控以及檢測(cè)危險(xiǎn)的系統(tǒng),可以能夠隨時(shí)給家長(zhǎng)提供嬰兒的生活環(huán)境和活動(dòng)狀況等信息。

1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)4種功能,分別為各種傳感器的數(shù)據(jù)采集分析與控制、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸、終端的接收與監(jiān)控、與防摔防碰撞,其中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。圖1為嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖,采用最新的socket程序庫(kù),提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分,在智能家居系統(tǒng)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)得到應(yīng)用和發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的基本體系結(jié)構(gòu)包括3方面:感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層［2］。采用硬件TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制器W5500、WiFi無(wú)線路由器和nRF24L01無(wú)線技術(shù)作為本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層的通訊,實(shí)現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的采集和收發(fā),具有穩(wěn)定性強(qiáng)、傳輸范圍廣、功耗低等優(yōu)點(diǎn)［3-4］。

2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 溫濕度采集電路

本電路的設(shè)計(jì)主要是由溫度傳感器和濕度傳感器負(fù)責(zé)嬰兒實(shí)時(shí)體溫的監(jiān)測(cè)和是否尿床的監(jiān)測(cè)。圖2所示為溫濕度采集電路。體溫的數(shù)據(jù)是采用一種常用于溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)或者熱感測(cè)系統(tǒng)數(shù)字方式傳輸?shù)母呔菵S18B20溫度傳感器［5］。DS18B20溫度傳感器內(nèi)部包含的高速暫存器RAM含有兩個(gè)字節(jié)的溫度寄存器,這兩個(gè)寄存器可以存儲(chǔ)輸出的數(shù)據(jù),在控制線連接一個(gè)弱上拉電阻,通過(guò)對(duì)寄存器TH和TL的編程,提高測(cè)量的精度和分辨率,能實(shí)現(xiàn)在93.75 ms和750 ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化輸出精度高達(dá)9～12位。

圖1 嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Infant overall structure of the real-time monitoring system

圖2 所示為溫濕度采集電路Fig.2 Shows the temperature and humidity acquisition circuit

通過(guò)HS1100濕度傳感器檢測(cè)嬰兒是否尿床。HS1100是一種電容傳感器,根據(jù)其高分子材料吸收水分之后的電常數(shù)發(fā)生變化而進(jìn)行濕度的測(cè)量［6］。通過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換,將電容值的輸出轉(zhuǎn)換為以之成反比的電壓信號(hào)數(shù)據(jù)被主控器接收。

2.1.2 哭聲識(shí)別電路

哭聲識(shí)別電路采用LN567通用鎖相環(huán)電路音調(diào)譯碼器,本電路設(shè)計(jì)如圖3所示,使用MIC采集嬰兒哭聲音頻信號(hào),通過(guò)兩級(jí)集成運(yùn)放電路,將MIC采集到的較弱模擬信號(hào)放大為強(qiáng)信號(hào)。嬰兒在不同情況下的哭聲頻率也是有所不同的,哭聲頻率在15 kHz左右表明嬰兒是餓了,頻率在6 kHz左右時(shí)是嬰兒想睡覺了［7］。采用電容濾波電路進(jìn)行聲音的濾波處理,降低環(huán)境噪音的干擾。將濾波處理后的聲音信號(hào)通過(guò)二極管進(jìn)行整形從而得到低頻信號(hào),最后通過(guò)比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音持續(xù)時(shí)間的數(shù)字信號(hào),從LN567芯片的OUTPUT端口輸出脈沖信號(hào)到主控器芯片。

圖3 哭聲識(shí)別電路Fig.3 Crying recognition circuit

2.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊

2.2.1 WiFi傳輸模塊

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)的是本系統(tǒng)的主要核心部分,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸,使得處在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的各傳感器通信布線少,提高通信的效率和協(xié)調(diào)化。系統(tǒng)中WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像的傳輸和對(duì)嬰兒床電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。通過(guò)向WiFi控制板刷入基于嵌入式Linux系統(tǒng)的具有高度模塊化、高度自動(dòng)化的OpenWRT系統(tǒng)［8］。攝像頭通過(guò)USB接到WiFi控制板,將拾取的視頻圖像經(jīng)過(guò)調(diào)制轉(zhuǎn)換通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒的實(shí)時(shí)監(jiān)控。WiFi控制板與主控器以串口接口通訊方式,通過(guò)上位機(jī)發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)對(duì)搖床電機(jī)、玩具電機(jī)、行駛電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

2.2.2 W5500以太網(wǎng)模塊

W5500是一款wiznet公司推出的嵌入式以太網(wǎng)控制器,通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)連接,支持TCP/IP協(xié)議處理,體系結(jié)構(gòu)分為10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層 （MAC）、網(wǎng)絡(luò) 層（NWK）、應(yīng)用層（APL）［9］,數(shù)據(jù)鏈路層和物理層符合IEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)定義的全部規(guī)范。層與層之間完成特定的功能與相關(guān)服務(wù)并通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接［10］。如圖4所示,W5500通過(guò)SPI串行外部接口與主控器芯片相連進(jìn)行通訊,同時(shí)通過(guò)網(wǎng)線接與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信,將nRF240L1從溫度傳感器接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到W5500，在通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)的machtalk服務(wù)器中實(shí)時(shí)顯示并記錄。

圖4 SPI接口與W5500通信方式Fig.4 SPI communication interface with the W5500

2.2.3 nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊

系統(tǒng)以基于NORDIC公司生產(chǎn)的以8051為內(nèi)核基礎(chǔ)的增強(qiáng)型2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器nRF24L01實(shí)現(xiàn)近距離無(wú)線通信,能夠?qū)崟r(shí)感知和采集傳感器的信號(hào),以無(wú)線電波作為載體實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器之間的數(shù)據(jù)通信［11］。各傳感器經(jīng)過(guò)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后以數(shù)字信號(hào)通過(guò)I/O口引腳和nRF24L01實(shí)現(xiàn)通訊,nRF24L01將采集到的數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到接收端。無(wú)線收發(fā)電路如圖5所示,電路的前端是射頻接收模塊,可以通過(guò)軟件編程設(shè)置其工作方式（接收、空閑、關(guān)機(jī)）,通過(guò)SPI接口連接到主控器芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,設(shè)置地址碼實(shí)現(xiàn)多從機(jī)對(duì)主機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

圖5 nRF24L01外圍電路Fig.5 nRF24L01 peripheral circuits

2.3 系統(tǒng)主控制器模塊

嵌入式ARM內(nèi)核的STM32系列微控制器具有高性能和資源、指令豐富等優(yōu)點(diǎn),嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主控制模塊采用意法半導(dǎo)體公司推出的 32為基于 Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6處理芯片［12］,片上集成了64 KB的SRAM和512KB的FLASH,具有CAN與USB總線,5個(gè)USART串口通信接口,3個(gè)SPI總線接口等電路接口,滿足多種并同時(shí)通訊的功能,處理速度快,功能強(qiáng)大,外部接口豐富,內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間容量大,可以很好的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的各功能設(shè)計(jì)要求,本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架Fig.6 The overall design of the system architecture framework

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 W5500網(wǎng)絡(luò)初始化

由于訪問(wèn)machtalk是通過(guò)域名訪問(wèn)的,所以需要在程序里面包含DNS服務(wù)的程序,DNS解析需要一個(gè)定時(shí)器來(lái)定時(shí)調(diào)用域名解析相關(guān)函數(shù),還需要配置網(wǎng)絡(luò)的IP地址,MAC地址,網(wǎng)關(guān),DNS服務(wù)器等。

3.2 nRF24L01的初始化

把nRF24L01配置成PTX工作模式,實(shí)現(xiàn)主從機(jī)的對(duì)數(shù)據(jù)的收發(fā)。若從機(jī)從傳感器接收到數(shù)據(jù),則啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù),主機(jī)開啟接收模式。

4 系統(tǒng)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)測(cè)試以溫度采集為例進(jìn)行多次的實(shí)時(shí)采集測(cè)試。數(shù)據(jù)測(cè)試如圖7所示。將采集到的溫度通過(guò)nRF24L01發(fā)送到主控芯片并由W5500通過(guò)以太網(wǎng)通信發(fā)送到PC端的服務(wù)器存儲(chǔ)并顯示。從系統(tǒng)測(cè)試的數(shù)據(jù)分析得出:本嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好,穩(wěn)定性高,達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.7 System test data

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)當(dāng)前的普通嬰兒床不具備智能檢測(cè)以及控制等功能而展開嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),利用被廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域的新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對(duì)嬰兒床增加對(duì)嬰兒的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能并增加安全與控制系統(tǒng),引用最新的socket程序庫(kù)對(duì)系統(tǒng)中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,大大提高了數(shù)據(jù)的安全性和實(shí)效性。設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的直接目的是保證嬰兒在嬰兒床上時(shí)能及時(shí)地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,有效地監(jiān)測(cè)和防止嬰兒身體出現(xiàn)狀況或者安全問(wèn)題的發(fā)生,能及時(shí)告知父母,從而能方便父母在看護(hù)孩子的情況下也能工作。此外,本嬰兒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的移植性高,可以應(yīng)用在其它的領(lǐng)域,如醫(yī)院對(duì)嬰兒的治療和監(jiān)護(hù)管理中心,養(yǎng)老院對(duì)老人的監(jiān)護(hù)管理。因而本系統(tǒng)的研發(fā)就有較高的實(shí)際意義和拓展性。

［1］涂繼輝，程明輝，鄒學(xué)玉.基于ZigBee技術(shù)的嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2013，37（21）:71-72.TU Ji-hui，CHENG Ming-hui，ZOU Xue-yu.Design and implementation of the baby monitor system based on ZigBee Technology［J］.TV Technology，2013，37（21）:71-72.

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The design of baby real-time monitoring system that based on the Internet of things

LI Guo-cheng,CHEN Jia-ming,LI Wei-lin,MO Wei-jian
（Xinhua College of Sun Yat-sen University,Guangzhou 510520，China）

In order to avoid the causing of the unforeseen factors that can affects the health of infants and children when we take care of them.Designed a real-time monitoring systems babies.The system combines the the wireless network，wireless sensor technology and the embedded technology.It realizes the function of monitoring and surveillance by means of the modular design.According to the problem of data loss by the transmission of the wireless network，the system using the latest socket library to prevent the error’s happen when the data is sending and receiving.So that to ensure the accuracy of the system’s data.The system uses ARM Cortex-M3 as the core of the STM32F103ZET6 as the micro controller of the system，and it will be realized by using W5500，Nrf24L01，GSM，WiFi network for wireless network’s communication.It will send the detected data to the upper computer and will give an alarm when the baby generates the abnormal phenomenon.After testing，the system has the advantages of good real-time performance，high stability and high security.

embedded；wireless network；wireless sensor；real time monitoring system

TN92

：A

：1674-6236（2015）18-0186-04

2014-12-17稿件編號(hào)：201412134

李國(guó)城（1993—）,男,廣東梅州人。研究方向:嵌入式系統(tǒng),工業(yè)控制。