基于RAM的育嬰睡眠監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)

魏元田

摘要：該文提出一種基于ARM平臺(tái)的育嬰，關(guān)于睡眠監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控嬰兒的睡眠情況并提出預(yù)警。本產(chǎn)品具有溫濕度檢測(cè)、哭聲檢測(cè)和煙霧檢測(cè)等裝置，當(dāng)溫或者濕度高于預(yù)先設(shè)定的閥值時(shí)，MCU會(huì)自動(dòng)報(bào)警并啟動(dòng)調(diào)節(jié)溫濕度功能，在嬰兒啼哭及出現(xiàn)煙霧過高時(shí)進(jìn)行報(bào)警，從而可以更好的來保證嬰幼兒的睡眠質(zhì)量，以及方便監(jiān)護(hù)人育嬰。

Abstract： This paper presents an ARM platform based infant care system for sleep monitoring and early warning system design. This product has a temperature and humidity detection， crying and smoke detection device， when the temperature or humidity is higher than the pre-set threshold， MCU will automatically alarm function， and start to adjust temperature and humidity in the baby crying and excessive smoke alarm， which can be better to ensure that infants sleep quality， and convenient and guardian's nursery.

關(guān)鍵詞：ARM;溫濕監(jiān)測(cè);啼哭聲監(jiān)測(cè);氣體檢測(cè);溫濕度調(diào)節(jié)

Key words： ARM;temperature and humidity monitoring;crying monitoring;gas detection;temperature and humidity adjustment

中圖分類號(hào)：TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）14-0237-03

0? 引言

父母對(duì)嬰兒的中事成度也越來越高。對(duì)于嬰幼兒來說，他們每天的大部分時(shí)間都在睡覺，父母在嬰兒睡覺時(shí)會(huì)選擇去做家務(wù)或工作的，并不能時(shí)時(shí)刻刻待在嬰兒身邊照看嬰兒，如果嬰兒出現(xiàn)啼哭、尿床和空氣質(zhì)量變差等情況，在沒有人看官的情況下就容易危害嬰兒的健康。生活節(jié)奏的不斷加快，用智能設(shè)備代替人力做事，可以大大節(jié)省時(shí)間成本，父母便可以利用這段時(shí)間去工作。通過對(duì)這個(gè)問題的研究分析，本文設(shè)計(jì)一款基于ARM的嬰兒睡眠監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控嬰兒的睡眠環(huán)境并作出報(bào)警從而更好的保護(hù)嬰兒。

1? 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)組成框圖

嬰兒睡眠監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)由處理器模塊、紅外溫度傳感器、溫濕度傳感器、聲音采集傳感器、煙霧濃度傳感器和攝像頭。

1.2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)通過使用ARM處理各種傳感器的數(shù)據(jù)，如溫濕度傳感器（DHT11）、紅外體溫傳感器（MLX90615）、聲音傳感器（LM386）、攝像頭（OV7725）和煙霧檢測(cè)傳感器（MQ-135）等對(duì)嬰兒通過聲音的采集進(jìn)行啼哭檢測(cè)、通過動(dòng)作采集進(jìn)行嬰兒的蹬被檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)等，對(duì)出現(xiàn)不正常的情況通過WiFi模塊（ESP8266）傳輸進(jìn)行報(bào)警，接收器收到報(bào)警后發(fā)出提示。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1 中央處理器單元

該設(shè)計(jì)采用的MCU選擇的是目前常見、主流且功能強(qiáng)大的STM32F10VET6作為系統(tǒng)的核心處理器。本品采用ST超低功耗ARM CortexTM-M0微控器，同時(shí)也保留了傳統(tǒng)單片機(jī)的功能且它是個(gè)加強(qiáng)版的單片機(jī)。它擁有72M的主頻，這樣的配置保證了它可以高速運(yùn)行，還擁有100個(gè)IO，以及各種多個(gè)豐富的接口，同時(shí)官方提供了各種開源的庫函數(shù)，這樣的設(shè)計(jì)使開發(fā)者更容易開發(fā)它，它能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)且復(fù)雜的功能。

2.2 傳感器模塊

本系統(tǒng)的傳感器可分為溫濕度傳感器用于檢測(cè)環(huán)境中的溫度和濕度差異及時(shí)了解嬰兒的踢被降溫和尿床升濕，聲音傳感器可檢測(cè)嬰兒啼哭，煙霧濃度傳感器用于檢測(cè)嬰幼兒身邊是否煙霧濃度過高。

2.2.1 溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款單數(shù)據(jù)傳輸線，并自身具有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合型的傳感器。所以該傳感器擁有極高的品質(zhì)、超快的響應(yīng)速度、綜合性價(jià)比極高的優(yōu)點(diǎn)。

該傳感器通過數(shù)字線直接連接MCU，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。同時(shí)它的極低的功耗，單信號(hào)線的設(shè)計(jì)，使得有效信號(hào)不失真可傳輸20米以上，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，使我們選擇這款溫濕度傳感器的重要原因。 （圖2）

2.2.2 聲音傳感器

聲音傳感器的結(jié)構(gòu)如同一個(gè)帶著麥克風(fēng)的傳感器。它利用自帶的麥克風(fēng)去接受周圍環(huán)境的聲波。該傳感器內(nèi)集成了一個(gè)敏感的電容式駐極體話筒，周圍的聲波產(chǎn)生時(shí)，聲波的震動(dòng)使話筒內(nèi)的薄膜產(chǎn)生振動(dòng)，薄膜的位置改變導(dǎo)致電容間隔產(chǎn)生變化，使得產(chǎn)生出相應(yīng)變化的微電壓，再通過它集成的芯片，最終輸出一個(gè)0-5的變換電壓，通過與MCU的連接，進(jìn)過AD轉(zhuǎn)換，最后在液晶屏上顯示聲音的振動(dòng)圖象。

2.2.3 煙霧傳感器

煙霧傳感器是通過監(jiān)測(cè)空氣中煙霧的濃度的一種傳感器，它可將空氣中煙霧的濃度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或者高低電平輸出。當(dāng)用模擬引腳時(shí)，通過與MCU，進(jìn)過AD轉(zhuǎn)換即可看到煙霧的變化曲線。當(dāng)用數(shù)字輸出時(shí)，可調(diào)節(jié)集成的電位器來調(diào)節(jié)它觸發(fā)了靈敏度，通過MCU去檢測(cè)電平的跳變即可知道煙霧的濃度是否過高。MCU再做判讀進(jìn)行控制和觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。

2.3 攝像頭

該系統(tǒng)采用的攝像頭是OV7725攝像頭，該攝像頭的主體結(jié)構(gòu)與一般的攝像頭類似，主要由圖像傳感器、光學(xué)鏡頭、電路構(gòu)成。OV7725攝像頭最大可輸出30W像素的圖像，其分辨率為640×480。同時(shí)它支持VGA時(shí)序進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的輸出，輸出的圖像格式有三種，分別為YUV（422/420）、YCbCr422和RGB565格式。OV7725攝像頭還具有對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，支持基本的伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等，以及6種拍攝環(huán)境模式的自由選擇。選擇它的還有一重要原因是它集成了一塊FIFO緩存，當(dāng)采集到圖像時(shí)，它會(huì)先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FIFO緩存中，等待MCU的讀取，這樣的設(shè)計(jì)避免的MCU的內(nèi)存不足以及需要擴(kuò)展外部?jī)?chǔ)存的困擾。同時(shí)，由于它的小體積和工作電壓低，最終選擇它。

2.4 顯示終端

TFT-LCD是一種由薄膜晶體管液晶顯示器。該設(shè)計(jì)采用的事一個(gè)分辨率為240×320的一個(gè)液晶顯示屏。通過編程調(diào)節(jié)RGB的參數(shù)即可精確的控制每個(gè)像素點(diǎn)的色彩。由于需要實(shí)時(shí)先顯示監(jiān)控畫面，屏幕的顯示色彩也很重要。該顯示屏是一個(gè)16位數(shù)據(jù)輸出/輸入的設(shè)計(jì)，對(duì)于采用32的MCU來說，完全可以完美控制。

2.5 WIFI模塊

該設(shè)計(jì)采用的WIFI模塊是ESP8266。它是目前主流的WIFI模塊之一，總體結(jié)構(gòu)小巧，功能強(qiáng)悍，性能可靠，并且方便開發(fā)，資料充足。內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，TR開關(guān)、balun、LNA、功率放大器和匹配網(wǎng)絡(luò);強(qiáng)大的它具有WIFI@2.4GHZ、支持WAP/WAP2安全模式;并可在2ms之內(nèi)將其喚醒，進(jìn)行連接及輸數(shù)據(jù)包;該傳感器通過了FCC、CE、TELEC、WIFIAlliance以及SRRC認(rèn)證。連接如圖4所示。

3? 設(shè)備聯(lián)調(diào)

通過各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)和開發(fā)，最后將所有模塊進(jìn)行合一和設(shè)備聯(lián)調(diào)，最終組成了一個(gè)擁有：對(duì)嬰兒周圍環(huán)境溫度檢測(cè)和濕度檢測(cè)、對(duì)嬰兒周圍環(huán)境的空氣質(zhì)量檢測(cè)、可實(shí)時(shí)對(duì)嬰兒睡眠畫面監(jiān)控。并當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒用戶的一個(gè)多功能的嬰兒睡眠監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了智能育嬰，直接的實(shí)現(xiàn)了在嬰兒監(jiān)護(hù)人不在嬰兒身邊，自動(dòng)的對(duì)嬰兒實(shí)時(shí)的進(jìn)行各種檢測(cè)，有效的檢測(cè)嬰兒的生理狀況和防止安全問題的發(fā)生;當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，系統(tǒng)能夠在第一時(shí)間，快速做出反應(yīng)及告知看護(hù)人，從而能夠方便看護(hù)人在看護(hù)嬰兒的時(shí)候也能夠做其他的事情，大大提高嬰兒看護(hù)人的自由活動(dòng)度，更加高效、充分的利用時(shí)間，為嬰兒的看護(hù)人提供了很大的便利。

4? 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于STM32，采用按鍵作為用戶的輸入接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒體周圍的溫濕度、氣體、畫面、啼哭的檢測(cè)，并使之在顯示屏上顯示。此外，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒用戶。該設(shè)計(jì)硬件包括：溫濕度檢測(cè)模塊、監(jiān)控模塊、啼哭檢測(cè)模塊、煙霧濃度檢測(cè)模塊、WiFi傳輸模塊、液晶顯示模塊和自動(dòng)報(bào)警模塊。軟件部分包括：溫度傳感器程序、濕度傳感器程序、聲音傳感器程序、煙霧傳感器、顯示屏顯示程序、攝像頭監(jiān)控程序、蜂鳴器警報(bào)程序和無線傳輸模塊程序。

本系統(tǒng)的直接目的就是在嬰兒監(jiān)護(hù)人不在嬰兒身邊時(shí)，對(duì)嬰兒進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效地監(jiān)測(cè)嬰兒生理狀況和防止安全問題的發(fā)生;如果發(fā)生緊急情況，可以在檢測(cè)出現(xiàn)異常的第一刻告知看護(hù)人，從而能夠方便看護(hù)人在看護(hù)嬰兒的時(shí)候也能進(jìn)行其他的事情，大大提高嬰兒看護(hù)人的自由活動(dòng)度，為嬰兒的看護(hù)人提供了很大的便利。該嬰兒睡眠測(cè)試預(yù)警系統(tǒng)除了可在家里對(duì)嬰兒的狀況進(jìn)行監(jiān)控以外，還可以用在其他場(chǎng)合，比如醫(yī)院中對(duì)于嬰兒的監(jiān)護(hù);此外，監(jiān)護(hù)對(duì)象還可以是老人。因此，這款嬰兒睡眠測(cè)試預(yù)警系統(tǒng)擁有一定的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)空間。

該領(lǐng)域在當(dāng)前智能化的大時(shí)代背景下，各種東西趨向于智能化，育兒也不例外，隨著人們知識(shí)水平的不斷提高，人們對(duì)育嬰幼兒這方面的重視程度也越來越高，嬰幼兒能否健康成長(zhǎng)也就直接關(guān)系著一個(gè)家庭的幸福。另外，“時(shí)間成本”這個(gè)概念越來越被人們所熟知，人們做事更趨向于高效，嬰兒監(jiān)護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的市場(chǎng)需求也是相當(dāng)大的，我相信未來在這一領(lǐng)域會(huì)有越來越大的突破，使嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)更加系統(tǒng)化，對(duì)嬰兒健康不會(huì)造成太大影響。同時(shí)在當(dāng)今中國圖像識(shí)別領(lǐng)域發(fā)展突飛猛進(jìn)的大背景下，對(duì)嬰兒圖像采集識(shí)別會(huì)有更加高端的研究與發(fā)展，使嬰兒睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加發(fā)達(dá)。

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