基于物聯網的智能嬰兒床遠程監控系統

杜寶強，朱傳奇，武 濤

（1.中國電子技術標準化研究院，北京 100000；2.安徽理工大學，安徽 淮南 232001；3.中國聯合網絡通信有限公司安徽省分公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

嬰兒床是每一個生育家庭必備的產品，傳統的嬰兒床只是在普通床的基礎上進行縮小，加上床周圍的防護，某些嬰兒床還會添加音樂播放哄睡功能，但從根本上不能減輕嬰兒父母的看護強度。因此，開發一款“智慧”智能嬰兒床是非常有必要的[1]。國外的智能嬰兒床偏向于醫療健康方面，注重嬰兒生命體征的監測，比如血壓、體溫等[2]，國內對此方面的研究尚處于起步階段。本文就基于上述問題采用傳感器采集技術和CC2530主控芯片，利用ZigBee自組網功能接入云平臺對采集傳輸的終端實時數據進行存儲，并利用相應的Web頁面和手機消息通知實現對智能嬰兒床的實時有效監控。

1 智能嬰兒床遠程監控系統硬件設計

本系統研究的是智能嬰兒床遠程監控系統，主要研究內容為尿濕檢測、掉床檢測、啼哭檢測、空氣質量檢測，包括傳感器、協調器的有關設定、微處理器及其網絡傳輸部分。組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

主控芯片：主控芯片選用CC2530芯片，它主要將相關傳感器采集的數據打包上傳。

傳感器模塊：傳感器模塊主要負責采集嬰兒床的具體信息，本系統利用溫濕度傳感器檢測兒童是否尿床，使用聲音傳感器檢測兒童是否哭泣，利用壓力傳感器判斷兒童是否存在掉床的風險，同時使用空氣質量傳感器判斷兒童是否處于優質的環境中。

無線通信模塊：無線通信模塊將ZigBee模塊與WiFi模塊相結合，ZigBee模塊實現傳感器與主控芯片之間的通信，WiFi模塊實現主控芯片與云平臺之間的通信。

云平臺：云平臺主要用于存儲傳感器數據，可供家長實時查看孩子的睡眠質量。

電源模塊：電源模塊主要為其他各模塊供電。

報警模塊：系統檢測出異常狀態后，如尿濕、啼哭等，將發出報警信號，讓家長可以及時處理，以免孩子發生意外。

1.1 CC2530主控芯片

本設計選用由TI公司生產的第二代IEEE802.15.4、ZigBee應用系統芯片CC2530作為無線傳感網絡節點的核心。此款芯片可以以極低的功耗工作并傳輸信息[3]。

CC2530模塊原理如圖2所示。

圖2 CC2530電路原理

1.2 電源電路設計

電源模塊主要負責為主控芯片以及嬰兒床的傳感器供電，利用手機充電器的電源和數據線很容易滿足電源要求。（但要注意，現如今很多設備的USB輸出電壓并非都是5 V），再通過電壓轉換電路將5 V電壓轉成3.3 V提供給CC2530芯片供電[4]。USB電壓轉換供電電路如圖3所示。

圖3 USB電壓轉換供電電路

1.3 仿真器接口設計

仿真器接口即為CC2530芯片的程序下載接口，本設計選用SmartRF04EB仿真器，其電路如圖4所示。

圖4 程序下載接口電路

1.4 尿濕檢測

本系統選用溫濕度傳感器DHT11檢測兒童是否尿床，該傳感器包括一個測溫元件NTC，一個電阻式感濕元件和一個高性能的八位處理器。它的突出特點是響應速度快、抗干擾能力強、性價比極高[5]。它可以對采集的數據進行校準并輸出。DHT11的實物與接線圖如圖5所示。從圖中可以看出，DHT11有3個端口，其中VCC為電源端，GND為接地端，DATA為串行數據端，通過單總線的方式進行數據傳輸。

圖5 DHT11的實物與接線圖

1.5 掉床檢測

智能嬰兒床的掉床檢測選擇YL-A1壓力傳感器。當檢測到壓力傳感器數值發生大幅變化時，就意味著兒童睡覺時身體有大幅運動，存在掉床的風險，系統發出報警信號。在感知到外界壓力變化時，傳感器的電阻值也會隨之發生變化，這樣我們就可以根據檢測到的電信號變化情況得到壓力變化情況。YL-A1傳感器模塊利用1個傳感器元件串聯1個510 kΩ電阻，其工作電壓為3.3～5 V，控制信號為模擬信號。

1.6 啼哭檢測

本系統選用SY-01聲音傳感器來檢測兒童是否存在啼哭行為，同時還可以檢測周圍環境的聲音強度，為兒童提供一個相對安靜的睡眠場所。SY-01聲音傳感器工作過程可概括為：模塊在相對安靜的正常環境背景音情況下輸出高電平，當環境噪音超過設定值時輸出低電平[6]。電路原理如圖6所示。

圖6 SY-01傳感器原理

1.7 空氣質量檢測

本系統選用MQ-2傳感器檢測孩子睡覺時周圍的環境情況。氣體傳感器（MQ-2）具有諸多優點，突出表現在其具有極低的延遲響應、強抗干擾能力[7]。在使用MQ-2傳感器時需注意其輸出的是模擬量，并非數字量，因此需要額外一個數模轉換芯片將其轉換成數字量[8]。MQ-2傳感器使用廣泛，成本極低，可檢測多種煙霧氣體，是產品大規模推廣的必備之選。MQ-2氣體傳感器原理電路如圖7所示。

圖7 MQ-2氣體傳感器原理

1.8 網絡模塊

WiFi模塊選用ESP8266模塊，ESP8266 WiFi可工作在AP、Station與AP+Station三種模式下，并且可以通過軟件實現模式切換，通常使用AT指令進行控制。模塊的協調器上安裝有LED指示燈，當ZigBee協調器節點上有數據接收時，相應的LED燈開始閃爍[9]。

1.9 報警電路設計

當系統檢測出有毒氣體以及兒童出現尿濕、啼哭、掉床風險時，系統會發出報警信號，迅速通知家長，讓家長及時處理異常情況，以免兒童的睡眠質量受到影響。

本系統選用蜂鳴器作為報警信號，按照驅動方式的原理可分為兩種。一種是無源蜂鳴器，另一種是有源蜂鳴器，有源蜂鳴器使用方便，無源蜂鳴器成本低且使用靈活[10]。本次報警信號選用FM01有源蜂鳴器，其具有高可靠性、聲音清脆等特點。該蜂鳴器采用S8550三極管驅動，電壓工作范圍為3.3～5 V。當I/O口輸入低電平時，蜂鳴器動作發出聲音。

2 系統軟件設計

終端節點的數據采集部分主要包括采集溫濕度、壓力、空氣質量、聲音等數據，每部分的工作流程類似，本文詳細介紹了溫濕度傳感器DHT11的工作流程與程序，其他部分不再贅述。

在本實驗中，溫濕度檢測是由串口以及P0_7來配置完成，其主程序為：

3 云平臺設計

云平臺的搭建可以利用中國移動物聯網開放平臺OneNET。在OneNET云平臺上首先完成賬號注冊，之后登錄賬號，在產品服務中找到多協議接入，添加所需的設備傳感器。產品注冊完成后界面如圖8所示。

圖8 設備查詢界面

利用OneNET接入設備后，用戶即可對所添加的設備進行遠程實時監控和查詢。查詢結果如圖9～圖12所示。

圖9 溫度數據

圖10 濕度數據

圖11 壓力傳感器數據

圖12 空氣質量傳感器數據

當有觸發條件時，系統會通過郵件發送至客戶端，圖13為濕度、壓力數據超出設定值時的觸發情況。

圖13 警報發送情況

4 結 語

本文設計搭建了基于物聯網遠程監控功能的智能嬰兒床監控系統，利用傳感器采集技術來構建智能嬰兒床的終端信息采集模塊，從整體上看，監控系統能在一定程度上減輕家長的負擔。該系統具有布線簡單等優點，能夠實時監測孩子睡覺時的狀況，性能穩定，性價比較高。但由于作者水平有限，系統還存在諸多問題需要完善，也必將不斷吸收采納最新的技術手段，爭取創造更大的社會價值。