一種基于智能手機的新型嬰兒睡眠監護系統設計

劉永凱，孫珅，張斌，史文飛，吳水才

北京工業大學 生命科學與生物工程學院，北京 100124

引言

嬰兒的健康成長對一個家庭的重要性不言而喻，對嬰兒進行必要的監護能夠促進嬰兒健康成長。嬰兒猝死綜合癥（Sudden Infant Death Syndrome，SIDS）是一種常見的新生嬰兒病癥[1]。有統計表明，SIDS是造成2周到1歲之間嬰兒死亡的主要原因[2]。研究表明，嬰兒在睡眠過程中，采用仰臥睡姿能夠有效減少SIDS的發生率[3]。因此，如果在嬰兒的睡眠過程中，能夠實時監測嬰兒的體位、翻身以及環境條件，并在異常發生時自動報警，從而提高安全性。

目前，國內外對嬰兒監護的研究主要分為以下3個方面：① 基于傳感器生理參數采集的嬰兒監護，其主要方式是利用傳感器對嬰兒的一些生理參數進行檢測，實現對嬰兒的監護[4-7]；② 基于射頻識別技術的嬰兒定位防盜系統，通過射頻標簽以及無線網絡通信，實時的獲取嬰兒位置，發現異常自動報警[8-10]；③ 基于圖像處理的嬰兒監護系統，利用攝像或錄像設備采集嬰兒視頻數據，使用圖像處理方法實時監護嬰兒動態，發生異常自動發出警報[11-13]。

隨著智能手機的普及，本研究設計并實現了一種基于智能手機的嬰兒睡眠監護系統。該系統具有監測嬰兒的睡眠姿態、翻身次數和環境溫濕度等功能，進而能夠有效的起到對SIDS進行預防的作用。

1 系統的設計

1.1 系統結構的整體設計

新型嬰兒睡眠監護系統由穿戴式設備和智能手機兩個部分組成，系統結構，見圖1。

圖1 嬰兒監護系統結構圖

穿戴式設備集成處理器和傳感器模塊，能夠實時獲取傳感器參數進行處理分析，并能通過低功耗藍牙與智能手機建立雙向通訊；智能手機既能夠實時接收穿戴式設備傳來的數據，又能夠對穿戴式設備發送指令，控制穿戴式設備工作。此外，智能手機APP還具備數據存儲、用戶注冊，嬰兒課堂等功能。

1.2 穿戴式設備設計

穿戴式設備的結構，見圖2，采用具有低功耗藍牙功能的nRF52832芯片作為主控芯片，并集成MPU6050加速度、DHT11溫濕度、電源等模塊。

圖2 穿戴式設備結構圖

穿戴式設備工作時，主控芯片控制傳感器模塊采集加速度和溫濕度數據，并對數據進行分析處理，通過低功耗藍牙發送到智能手機。設備的軟件工作流程，見圖3。

圖3 穿戴式設備軟件功能流程圖

1.2.1 穿戴式設備的器件選擇及設計

（1）nrf52832處理器芯片。nrf52832芯片是Nordic公司推出的一款低功耗藍牙芯片。它采用Cortex-M4F內核，運行頻率64 MHz，擁有512 KB的Flash和64 KB的RAM。具有處理速度快，能耗低等優點。該芯片價格適合，具有很高的性價比。

（2）MPU6050加速度傳感器。MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性6軸運動處理組件。它能以數字形式輸出6軸的旋轉矩陣、四元數、歐拉角格式的融合演算數據，自帶數字運動處理引擎減少負荷，自帶1024字節的FIFO，高達400 kHz的IIC通信，有助于降低功耗。

（3）DHT11溫濕度傳感器。DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。該傳感器具有品質高、響應快、抗干擾能力強、性價比高等優點。

（4） 穿戴式設備電路設計。設備各模塊器件選型確定后， 本研究設計了穿戴式設備的PCB電路， 設計采用2層板，主要基于下面的布局和布線規則[14]：布局在本研究中主要按照信號的流向來確定器件的放置位置，同一功能的電路結構，盡量放置在一起。濾波電容和晶振靠近IC放置，同時，晶振的外殼需要接地；布線在本研究中主要按照下面的規則進行設計：① 布線應當避免銳角和直角的出現，以減少信號對外的輻射和耦合；② 3W規則，即走線的間隔距離大于或等于單一走線線寬的三倍；③ 相鄰層布線應該要相互垂直，防止產生寄生耦合；④ 信號線不能形成環路。

本研究按照“電源線—信號線—地線”的順序進行布線，線寬設置為7 mil。地線采用底層的大面積普通設計，同時，對PCB的頂層也進行鋪銅的操作，完成后的PCB，見圖4。

圖4 PCB設計原理圖

1.3 BLE通訊設計

低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，BLE）與普通藍牙相比，具有低成本，低功耗，啟動快速以及安全性高等優點[15]。

1.3.1 BLE的體系結構

BLE體系結構主要包括三個部分，主機、控制器和應用程序，其結構，見圖5[16]。應用程序使用軟件棧等方式，進而使控制器來實現用戶所需的功能。

圖5 BLE的體系結構圖

1.3.2 BLE通訊建立

通訊的建立是通過應用程序來進行控制，本系統控制程序的編寫采用的是Keil公司推出的Keil μVision 5軟件開發系統。

1.3.2.1 系統初始化設置

（1）軟件定時器初始化。定時器用來控制加速度和溫濕度傳感器的數據采集頻率。采用app_timer_create函數創建加速度和溫濕度采集定時器，規定定時器的采樣頻率。在本系統中，加速度定時器采樣率為每秒10次，溫濕度定時器采樣率為5秒1次。

（2） BLE初始化。該初始化包含廣播、連接參數、GAP層、服務等初始化配置，其中，最主要的是廣播和GAP層的初始化。廣播初始化中我們通過advertising_init函數來設置設備名稱，服務的UUID以及廣播間隔等參數。GAP定義了設備如何彼此發現、建立連接以及如何實現綁定，我們通過設置gap_params_init函數來完成GAP層初始化。

1.3.2.2 BLE通訊的建立與傳輸

硬件設備上電后，軟件調用定時器啟動函數app_timer_start和 ble_advertising_start函數，app_timer_start函數使得定時器開始工作，傳感器在定時器的作用下采集相應參數，ble_advertising_start函數會讓藍牙開始向外廣播，等待設備連接。

智能手機打開藍牙進行搜索，對搜索到的廣播進行配對，如果設備名稱和通用唯一識別碼（Universally Unique Identifier，UUID）均匹配，就建立連接，從而實現硬件設備和智能手機之間的通訊，通訊建立的流程圖，見圖6。

圖6 通訊建立流程圖

1.4 手機監護軟件設計

手機監護軟件基于Android平臺開發，集成開發環境為Android Studio。軟件主要有注冊登錄，睡眠監測，溫濕度監測，歷史記錄，嬰兒課堂等功能。

1.4.1 睡眠監護

該功能用來監測嬰兒在睡眠過程中的睡眠狀況，包括嬰兒的翻身，以及睡姿等。

1.4.1.1 翻身檢測算法

MPU6050傳感器采集到的加速度數據為三軸加速度數據，其靈敏度和旋轉極性的方向示意圖，見圖7。在本系統中，X軸與人體的冠狀軸平行，Y軸與人體的垂直軸平行，Z軸與人體的矢狀軸平行[17]。根據Miwa提出的翻身檢測模型，可計算翻身情況[18]。

圖7 加速度模塊靈敏度和旋轉極性的方向示意圖

算法的具體描述如下：

（1）以1 min為標準時段，求取該時段的特征值Pt、MXt和MYt。Pt的求解見公式(1)，其中AXt、AXt-1分別為X軸該時段均值和前一時段的均值。MXt為X軸平均絕對差。MYt為Y軸的平均絕對差。

（2）當公式(2)所示的條件滿足時，就認為該時段有翻身的情況發生。

1.4.1.2 睡姿檢測算法

由上節知三軸加速度計方向與人體之間的關系，我們可以根據加速度方向，判斷嬰兒睡姿，加速度方向與嬰兒睡姿關系，見圖8。

圖8 加速度計與睡姿關系示意圖

根據加速度數據，計算其X、Y、Z軸的方向，進而判斷睡姿。

其中，g是重力加速度數值；h為垂直方向傾角余弦值；v為水平方向余弦值（本文中，g取2048，h和v的值取0.9）。1.4.2 溫濕度監測

該功能用于實時監測嬰兒所處環境的溫濕度狀況，DHT11傳感器能夠實時獲取溫濕度數據，并通過BLE的方式發送到智能手機。父母可以根據實際情況，設置溫濕度閾值，系統一旦發現溫濕度數值異常，就會自動報警。

1.4.3 其他功能實現

軟件首界面是注冊登錄界面，在這里用戶需要用賬號登錄手機APP或者注冊賬號，同時完善個人信息。歷史記錄可以存儲嬰兒監護過程中的數據和信息，方便嬰兒父母查看，數據的記錄也便于長期的分析嬰兒的睡眠情況。嬰兒課堂能夠推送一些有關照顧嬰兒方面的知識經驗等。

2 系統測試

系統運行后，智能手機能夠實時接收到可穿戴式設備傳來的數據，并能對這些數據進行分析和存儲。如果有異常發生，則發出警報，提醒嬰兒父母注意。本系統使用Android 6.0版本的智能手機進行測試。系統測試結果展示，見圖9。

圖9 系統測試結果展示圖

3 討論與總結

可穿戴式設備以其具有的便攜、低功耗和體積小等優勢，正在蓬勃發展，種類繁多，按照佩戴位置進行分類，可分為頭盔、眼鏡、掛件、臂環、手環、戒指、服飾、鞋子等[19]。Ferreira等[20]設計了一款用于監測SIDS的綜合系統，它采用胸帶的方式采集嬰兒的各種參數進行監護。本研究采用掛件的方式，固定在嬰兒穿著的衣服表面，進而采集相關參數進行判斷。與Ferreira等[20]的研究成果相比，本研究具有更加便捷、安全、功耗低等優點。

本研究設計的一種基于智能手機的新型嬰兒睡眠監護系統。該系統能夠實時獲得嬰兒睡眠過程中的加速度和溫濕度數據，并將數據發送到智能手機APP進行分析處理，如發現異常情況，能夠及時報警。實驗結果表明，該系統運行穩定，能夠達到實時監測嬰兒睡眠狀況的目的。

[參考文獻]

[1] Willinger M,James LS,Catz C.Defining the sudden infant death syndrome (SIDS): deliberations of an expert panel convened by the National Institute of Child Health and Human Development[J].Pediatr Pathol,1991,11(5):677-684.

[2] Munkel Ramírez L,Durón González R,Bola?os Morera P.Sudden infant death syndrome (SIDS)[J].Med Leg Cos Ric,2018,35(1):65-74.

[3] Moon RY.SIDS and other sleep-related infant deaths: expansion of recommendations for a safe infant sleeping environment[J].Pediatrics,2011,128(5):e1341-e1367.

[4] Hsu CH.A newly developed infant remote monitoring system[J].J Med Dev,2008,2(4):041004.

[5] Sonmez AE,Nalcaci MT,Pazarbasi MA,et al.Design and implementation of a Bluetooth-based infant monitoring/saver (BIMS) system[A].Health Monitoring of Structural and Biological Systems 2007.International Society for Optics and Photonics[C].2007.

[6] Farooq M,Chandlerlaney PC,Hernandezreif M,et al.Monitoring of infant feeding behavior using a jaw motion sensor[J].J Heal Engin,2015,6(1):23-40.

[7] Linti C,Horter H,Osterreicher P,et al.Sensory baby vest for the monitoring of infants[A].International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks[C].New York:IEEE Computer Society,2006:135-137.

[8] Lin L,Yu N,Wang T,et al.Active RFID based infant security system[M].Berlin:Springer,2011:203-209.

[9] Cheng SH.An intelligently remote infant monitoring system based on RFID[A].Asian Conference on Intelligent Information and Database Systems[C].Berlin:Springer,2012:246-254.

[10] 田鵬輝,隋立春.RFID醫院嬰兒智能防盜系統設計[J].現代電子技術,2011,34(12):93-95.

[11] Cattani L,Alinovi D,Ferrari G,et al.Monitoring infants by automatic video processing: A unified approach to motion analysis[J].Comput Biol Med,2017,80:158-165.

[12] Fang CY,Lo CS,Ho SH,et al.A vision-based infant monitoring system using PT IP camera[A].International Symposium on Computer, Consumer and Control[C].New York:IEEE,2016:279-282.

[13] Cenci A,Liciotti D,Frontoni E,et al.Non-contact monitoring of preterm infants using rgb-d camera[A].ASME,2015 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference[C].Washington:American Society of Mechanical Engineers,2015.

[14] 齊志強.高速PCB設計經驗與體會[J].電子設計工程,2011,(16):141-143.

[15] 熊界,周曉青,劉志朋,等.基于低功耗藍牙的跌倒檢測系統的設計[J].中國醫療設備,2016,(12):23-25.

[16] Heydon R.低功耗藍牙開發權威指南[M].北京:機械工業出版社,2014.

[17] 徐玉東.人體解剖生理學[M].北京:人民衛生出版社,2007.

[18] Miwa H,Sasahara S,Matsui T.Roll-over detection and sleep quality measurement using a wearable sensor[A].International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society[C].2007:1507.

[19] 蔣小梅,張俊然,趙斌,等.可穿戴式設備分類及其相關技術進展[J].生物醫學工程學雜志,2016,33(1):42-48.

[20] Ferreira AG,Fernandes D,Branco S,et al.A smart wearable system for sudden infant death syndrome monitoring[A].IEEE International Conference on Industrial Technology[C].New York:IEEE,2016:1920-1925.