多功能嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)設計

武漢職業(yè)技術學院機電工程學院 袁 勇

1.前言

隨著人們生活水平的提高和生活壓力的加大，很多父母白天很少有時間照看自己的寶寶，但又想隨時隨地的了解寶寶的情況，因此嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)營運而生。目前國內外在嬰兒監(jiān)護方面的設備、系統(tǒng)很多，但參差不齊。很多產品的結構大同小異，分為兩個部分：看護器和監(jiān)控中心。一般看護器都放在嬰兒房間或其他嬰兒經常出現的場所，通過無線信號把嬰兒活動情況實時傳送到監(jiān)控器或者父母手機上。嬰兒監(jiān)護器都裝有紅外感應裝置，具備夜視功能。

由于國外的小孩獨立性很強，因此監(jiān)護系統(tǒng)在國外使用很普遍。在國內，由于大部分家庭居住面積不大以及傳統(tǒng)習慣問題，使用監(jiān)護系統(tǒng)的比較少。近來，隨著大家生活水平的提高和安全意識的加強，很多家庭、幼兒園都安裝了相關的監(jiān)護系統(tǒng)。因此，嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)在國內的發(fā)展前景是非常好的。

2.設計方案

嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)要求幫忙父母實時監(jiān)測嬰兒的活動情況，不管父母是在家還是公司上班，都能通過網絡或者手機查看嬰兒的當前狀態(tài)，并且要圖像清晰流暢。如果嬰兒有快速移動等危險動作具備自動報警功能。

(1)看護器

根據嬰兒活動范圍的大小來決定安裝攝像頭的數量，但至少要兩個方位的攝像頭來實現全方位的監(jiān)控。可以根據需要安裝可以遠程控制的攝像頭，不僅可以調整視頻角度，還可以調焦近距離觀察嬰兒的細微動作及表情。每個攝像頭的視頻采集配一個視頻編碼器，視頻編碼器把攝像頭采集到的視頻信號進行壓縮，然后通過無線網絡進行傳輸。

(2)信號傳輸

通過攝像頭采集到的視頻信號經過視頻編碼器壓縮成數字信號進行傳。因為只有數字信號傳輸，才有可能具有較強的保密性和抗干擾能力。在這里采用2.4GHz頻率的調頻技術和MPEGA4視頻解碼處理。由于嬰兒監(jiān)護器無線信號的傳輸距離不確定，并且要求對視頻圖像進行處理，視頻監(jiān)控信號必須連續(xù)、清晰，這樣導致圖像信號的數據量非常大，因此傳輸介質要有足夠的帶寬。

(3)監(jiān)控器

監(jiān)控器是整個監(jiān)護系統(tǒng)的核心，主要由視頻編碼解碼器，監(jiān)控服務器，人機交互等組成，它主要完成視頻圖像的接受、解碼、顯示、處理等功能。視頻編碼解碼器把從無線網絡傳輸過來的視頻信號進行處理，然后傳送到顯示終端，同時通過3G網絡把圖像傳送到網上，父母在任何一臺聯網的電腦或者手機上都能實時查看嬰兒的情況。監(jiān)控中心采用高性能的DSP芯片來處理視頻圖像。

3.軟件設計

嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)軟件設計框圖如圖1所示，SOS將由外部管理系統(tǒng)訪問服務器。SOS的音頻/視頻和VCA的內容是由客戶端軟件訪問。系統(tǒng)配置或者設置，也可以訪問管理系統(tǒng)。

SOS系統(tǒng)主要六個部分組成：a.系統(tǒng)配置，主要是配置系統(tǒng)所需的基本配置組件；b.音頻，主要實現“聽、說”兩個功能；c.記錄，通過光學傳感器得到的相關信息被SOS系統(tǒng)進行匿名記錄；d.VCA，VCA根據傳入的圖像數據進行分析，然后產生報警；e.光，攝像頭的方向和夜視燈可以通過遠程控制來調節(jié)；f.遠程接口，通過HTTP協議，遠程接口允許訪問SOS警報和相關傳感器的圖像信息。

圖1 軟件結構設計框圖

3.1 ARM處理方面

當事件發(fā)生時，需要記錄一段視頻，并且要提前多錄幾秒，這個一方面涉及到文件系統(tǒng)及其管理查詢，另一方面還有壓縮錄制的問題，同時涉及到對mp4文件的遠程存取問題。

文件系統(tǒng)：視頻文件都是mp4格式的，為了存儲額外的事件類型和時間信息，文件的名字都是”<時間>_<事件ID>.mp4”的形式。<時間>例如201302232200(表明是2013年2月23日22點0秒)。

視頻壓縮：涉及到H264的壓縮和mp4的構成兩部分。為了實現提前記錄(即事件發(fā)生時記錄的視頻包含比如比事件發(fā)生時早比如10秒鐘的視頻內容)的功能，每一幀視頻數據進來之后都會被壓縮成H264的包，記錄視頻時則直接基于相關的包生成。壓縮成H264包時因此應該可以指定每一壓縮視頻段的長度(H264的包包括I，P，B三種類型，I是關鍵幀，它不依賴于任何其它幀，P是預測幀，它基于在它之前的視頻幀，B是中間幀，它基于在它之前和之后的視頻幀。為了實現我們的提前錄取目的，我們壓縮H264時需要指定我們不需要B幀，這樣的話每一個I幀及其之后所有的P幀則形成一個壓縮視頻段)。

3.2 參數配置

a.參數配置都通過web頁面來實現，為了避免不必要的重啟，應該把參數分成系統(tǒng)參數和程序參數兩部分。

b.這個里面最麻煩的是通過頁面在視頻頁面中設定幾個監(jiān)控區(qū)域(這里的設定就是用筆刷在圖片中畫，這里要畫5個區(qū)域)。因此需要提供這種畫的功能和實現對相應板子上參數的更新。

3.3 網絡通訊

我們需要兩種支持，一是基于http的通訊，二是基于tcp的通訊。

a.為了實現基于http的通訊，不僅主板本身是一個http服務器，并且它可以和外界以http的方式通訊，為了這個目的，SG本身使用libCurl。

b.用戶可以指定事件以tcp的方式接收。在這種方式下，遠程客戶端直接監(jiān)聽比如tcp端口555以接收事件。因此主板應該提供tcp服務器的能力，并且有可能支持多個客戶端的監(jiān)聽。

4.硬件設計

4.1 功能說明

a.音頻輸入/輸出：嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)配有麥克風和揚聲器，允許遠程音頻通信。音頻通信開機協議(SIP)設定音頻連接，SIP使用單獨的配置通道連接，實際數據傳輸通過URL和SIP設置實現的。點對點的音頻傳輸使用的是RTSP協議。

b.視頻輸入：通過攝像頭上傳感器收集的圖像信息為模擬信號，此模擬信號經過模擬/數字轉換器轉換成一個數字視頻流，然后經由管理系統(tǒng)處理，在傳導用戶終端。

c.夜視/方向燈：嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)配有紅外(IR)LED夜視燈。在夜間，定向LED燈作為定點光源使用。IR和LED燈的定位功能由終端軟件，以方便使用者實時查看房間的各個角落的情況。此外，IR和LED具有調光功能，監(jiān)護系統(tǒng)通過PWM端口控制定位光的亮度，可以從0%到100%。

d.VCA：視頻內容分析(VCA)模塊專門負責分析圖像傳感器傳送的圖像等相關信息，VCA可以查看本地事件記錄的圖片和視頻。如果用戶覺得系統(tǒng)容量不夠，系統(tǒng)配備有SD卡內存插槽，它同樣可以用于存儲記錄。

e.報警處理：報警處理是用來管理報警事件和相關記錄的，它可以刪除已處理過的報警事件。

4.2 硬件說明

本系統(tǒng)主要硬件包括以下部分：電源(最大12.5W)；模擬攝像頭接口；集成了DSP芯片的音頻輸入/輸出；RGB LED開關(PWM控制)；紅外開關LED；12V和5V電源的DC/DC轉換器；SD卡插槽和接口；JTAG+RS232 PCB；主機USB接口；RJ45以太網連接；擴展連接器。

1)存儲器

存儲器RAM和閃存(Flash)必須位于主板上，SD卡槽則在用戶板上。主板上有足夠的RAM和Flash以支持音頻解碼軟件和其他所有的應用軟件所需的內存。閃存還用于存儲用戶電路的特定信息。

2)設置配置

設備的配置設置存儲于系統(tǒng)，這些設置不會因為軟件更新而改變?；驹O置項有專門的表格以供用戶查詢。

3)電源

主板、用戶板和所有連接設備供電的電源都有一個電源轉換器提供。用戶板有一個RJ45連接器連接用戶板到PoE網絡交換機或者路由器。電源轉換器必須符合IEEE 802.3af標準(最大12.5W)。

4)視頻

與相機相接的是一個模擬攝像頭模塊CVBS，此時的視頻圖像為模擬信號，通過視頻數字化儀把模擬信號轉換成數字數據流。同時用戶板上有一個芯片轉換成BT.601/BT.656數字兼容的YCbCr 4:2:2數字視頻流。

5)音頻

低功耗音頻編解碼器包括音頻處理和單聲道D類放大器，TLV320AIC3100是用于主板音頻解碼和揚聲器驅動接口。I2S總線用于與主板音頻通信。I2S總線配置在音頻芯片內，沒有專門的a-Law/u-Law編解碼器，因為這些不支持ALSA。

D類音頻放大器里面的編解碼器，能夠提供至少2.5瓦的音頻功率連接4歐姆揚聲器，揚聲器放大器的電源電壓5V最大輸出功率。

模擬設備ADAU 1701 DSP將用于在音頻路徑提供信號處理包括均衡，交叉，低音增強，多頻段動態(tài)處理，延遲補償，揚聲器補償。作為一個附加功能(可選)基本半雙工選項(回聲消除)將可用。將全回聲消除(如果需要的話)執(zhí)行的主處理器(例如PJSIP功能)DSP引導和控制是通過I2C接口從內核板。

5.結束語

一款合適的嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)能幫助父母實時的監(jiān)測嬰兒的活動情況，對有可能產生的危險能在第一時間傳送給父母，以便父母及時應對。因此，開發(fā)一種功能全面，安全可靠地嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)很有必要。

[1]任學雯.新生兒智能監(jiān)護系統(tǒng)的設計[J].科技視界,2012,28.

[2]馮冬青,張瑜.嬰兒保溫箱智能監(jiān)護系統(tǒng)設計[J].鄭州大學學報,2009,12(22).