基于物聯網的兒童多功能智能化穿戴式系統研究

重慶工程學院 李成勇 鄒棟才

經驗

基于物聯網的兒童多功能智能化穿戴式系統研究

重慶工程學院 李成勇 鄒棟才

21世紀的社會是智能化社會，智能生產、智能生活將是未來社會的必然趨勢，隨著智能硬件在諸多行業的普及，可穿戴技術成為當下一個熱門話題。基于兒童的智能穿戴技術備受人們關注，已經成為市場熱點，有專家預測，兒童智能手表和手環將是繼兒童手機之后的下一批市場潛力無限的產品。本文中產品擬以MSP430作為主控芯片將智能穿戴技術、人體區域網、物聯網技術、RFID技術、運動科學、電子電路和云平臺等集為一體，構建一個具有定位和追蹤、體征感知、運動感知、門禁識別以及APP查詢功能的兒童智能穿戴系統，減輕家長的壓力。

一、引言

隨著物聯網技術的迅猛發展，人們對智能化生活的要求不斷提高，可穿戴設備作為炙手可熱的新生代物聯網應用，倡導的是人性化的無縫連接，是以人為本的“小智能”。就目前物聯網的發展形勢來看，智能穿戴設備越來越高科技，這將是未來的必然發展趨勢，也是物聯網領域的一大研究方向。兒童，作為備受全社會關注的焦點，對自身的身體狀況和安全狀況了解缺乏準確認知，我們正在設計一種能夠更好滿足這方面需求的產品。

二、系統的總體方案

本系統一方面把兒童體征情況及位置信息通過數據業務送到云平臺，由控制中心根據其具體情況進行處理或發布；另一方面，穿戴設備構成門禁系統的RFID識別標簽，進行簽到拍攝照片或視頻上傳云平臺供家長查詢。系統功能框圖如圖1所示，本系統分為智能穿戴子系統、門禁管理子系統和數據處理云平臺三個部分。采取分散監控、集中操作和分級管理的方法，硬件架構主要包括： 體征信息采集模塊、處理模塊、通信模塊、射頻識別模塊、圖像采集模塊以及云平臺等幾個模塊。

圖1 系統功能框圖

三、智能穿戴子系統的功能說明

智能穿戴子系統：能實現兒童位置檢測，體征數據檢測，基本通信功能等，子系統框圖如圖2所示。

圖2 智能穿戴子系統的系統功能框圖

門禁管理子系統，實現在兒童經過門禁附近時自動簽到，自動識別兒童身上穿戴的電子標簽，并觸發圖像頻視頻采集功能，實現兒童自行外出時的自動監控。另一方面把兒童體征情況及位置信息通過數據業務發送到云平臺，由控制中心根據其具體情況進行處理或發布，自動簽到并拍攝照片或視頻上傳云平臺供家長查詢。子系統框圖如圖3所示。

圖3 門禁管理子系統

數據云平臺子系統，實現智能終端數據匯總分析，家長可以利用微信或者APP隨時獲取兒童信息，也可通過云平臺自行設定報警閾值。數據云平臺子系統如圖4所示。

圖4 數據云平臺子系統

四、可穿戴終端設計

本設計以MSP430可穿戴腕表終端節點為核心組成部分，其制作水平直接影響到最終效果，因此，對本腕表終端節點的研究就有著舉足輕重的作用。本腕表終端節點基于可穿戴微電子技術，多路傳感器集成技術，多數據融合技術和無線通信等技術而設計，主要由傳感器模塊、控制處理器、無線傳輸模塊、電源管理及充電電路五個部分組成，通過外接傳感器探頭獲得體溫信息經硬件濾波、去噪和放大處理后再通過 AD 采集即可獲得溫度數據，通過接收姿態傳感器組的三軸加速度數據、三軸陀螺儀數據和三軸磁力計數據，對其進行多路數據融合，并結合姿態識別算法，即可得到人體的姿態信息和人體跌倒信息，再將上述數據打包成固定格式給數據云平臺進行進一步處理。當云平臺協調控制節點檢測到數據異常或者跌倒險情發生時，即會通過 GSM 給指定用戶發送健康險情短信提醒。

圖5 為基于MSP430的可穿戴腕表終端節點的數據傳輸結構框圖。主要通過溫度、GPS和姿態三種類型的傳感器模塊分別采集數據，再通過MCU對多路傳感器數據進行采集，處理并進行多數據融合之后，將多路傳感器數據打包成為一個固定格式的串口數據包，再通過移動數據業務發送給云指定 IP 地址的服務器進行保存及后續云計算和管理。

圖5 可穿戴腕表終端節點硬件結構框圖

1.人體姿態檢測及跌倒預警電路接口設計

跌倒預警電路接口是基于MEMS的慣性傳感單元來對人體姿態及跌倒進行檢測，其內嵌跌倒預警算法，通過對三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計等多模態高精度傳感器以組合測量的方式來對人體姿態進行綜合檢測。

2.門禁管理系統設計

門禁管理系統的核心為讀寫器。讀寫器的核心部分是控制單元、高頻通訊模塊和天線，主要功能是實現對非接觸式IC卡的數據讀寫和存儲。讀寫器的控制單元不僅能實現對射頻卡的控制，還具有以下處理功能：認證、數據加解密、數據糾錯、出錯報警以及與計算機通信。

3.數據云平臺

系統軟件分為上位機軟件、匯聚節點軟件和體溫采集節點軟件。上位機軟件根據需要靈活設計。如果原有網絡留有開放的數據接口，可以將數據直接輸入原軟件系統進行處理。也可以單獨設計針對體溫監測網絡的上位機軟件，完成數據存儲、顯示、聲光報警、歷史數據查詢及打印報表等功能，并可以根據設定的閾值主動向家長發送短信系統。

五、軟件架構和開發環境

系統的軟件設計以可靠性、安全性為基本原則，以模塊化、可擴展升級為指導來進行設計。軟件設計主要包含終端傳感的軟件設計、數據云平臺系統的軟件設計以及終端客戶的軟件設計等。

本設計主要實現的是基于兒童智能穿戴式集安全檢測、身體狀況監測和智能化幼兒園兒童門禁系統為一體，本產品可分為智能穿戴單元、遠程管理單元和門禁管理單元三部分。

（1）智能穿戴單元，智能穿戴單元，位于系統結構的下層，主要實現對兒童的生理情況以及人身安全進行實時監測與控制的功能，并通過數據網絡傳至云平臺，以供家長隨時監測位置狀態及身體狀態等。人身管理單元需要硬件與軟件配合，以便實現其功能。

（2）門禁管理單元，主要在幼兒園實現兒童入園檢測，小區入口檢測等功能，通過RFID技術識別兒童的智能穿戴設備的標簽，進行簽到同時觸發拍照事件并且上傳照片或視頻至云平臺供家長查詢。

（3）遠程管理單元，位于系統結構的上層，主要實現人身管理單元上傳數據的綜合分析與處理和家長支持系統兩種功能。通過將所有數據上傳到中央計算機進行數據處理分析（云計算），從而實現對兒童身體健康的監測，對兒童人身安全的判斷。遠程管理單元主要依靠軟件系統實現其功能。

1.終端傳感模塊子系統流程圖

此部分軟件實現了傳感器的采集與數據傳輸工作，終端傳感模塊的功能設計數據流和傳感器節點采集功能如圖6和圖7所示。

2.客戶端

圖6 功能模塊子系統流程圖

圖7 傳感器采集功能流程圖

客戶端選用基Android平臺開發的手機app，Android對于系統的要求并不苛刻，絕大部分手機可以運用。這就可以實現客戶端的普遍應用性。手機客戶端分為兩個等級，分別是家長客戶端和兒童客戶端。家長客戶端功能可以實現實時查詢產品反饋的數據，并且可以自動連接互聯網查詢相關數據進行對比。兒童客戶端主要實現產品采集信號的統一記錄、匯總和向云端發送數據。客戶端流程圖如圖8所示。

圖8 客戶端流程圖

3.云平臺

手機端收到藍牙傳輸的數據信息，自動通過移動互聯網上傳到云平臺，由云平臺提供包括體溫、心脈及位置等數據的計算，再自動將異常數據和正常數據發送到其他手機客戶端，并保存當前數據，以供客戶端隨時查詢。云端系統流程圖如圖9所示。

圖9 云端系統流程圖

六、結語

隨著用戶群的擴大，智能穿戴設備的發展已經進入飛速發展的階段，基于兒童的智能穿戴設備也備受人們關注，很多技術障礙被突破，通過對兒童智能穿戴設備使用者及其家長的使用習慣調研，筆者認為基于兒童的智能穿戴系統的功能有以下幾點需要更加完善。

（1）完備的傳感系統，本設計考慮很多兒童不會描述自己身體狀況，如發燒不會告訴家長或老師，摔跤后也不會報告老師或家長進行傷口處理，因而系統采用了體表溫度檢測，跌倒檢測等傳感器，幫助家長了解兒童身體狀態，避免錯失治療的最好時機。

（2）系統的穩定性和準確性，系統可以長時間穩定工作，考慮到小朋友活潑的特性，防震、防水也是必要的，不會因為外部的干擾導致設備出現不穩定的情況，采集的數據會最大程度反映穿戴者的身體信息。

（3）配合RFID門禁識別系統簽到，兒童的外出安全問題是社會問題，本設計結合RFID射頻識別技術，在兒童經過門禁附近時，進行簽到。自動識別兒童身上穿戴的電子標簽，并觸發圖像采集功能，或者視頻采集，對兒童自行上學放學，回家離家事件進行監控。

（4）便捷的信息訪問云平臺，家長可以利用微信或者APP隨時獲取兒童信息，也可通過云平臺自行設定報警閾值，通過有效途徑通知家長。

本系統可以讓家長第一時間了解到孩子的身體狀態，且系統可以長時間穩定工作，不會因為外部的干擾導致設備出現不穩定的情況，采集的數據會最大程度反映穿戴者的身體信息。通過RFID射頻識別技術對兒童自行上學、放學、回家以及離家事件進行監控，進一步提升了兒童的外出安全性，家長還可以通過云平臺、微信或者APP隨時獲取兒童信息。