基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能保姆系統(tǒng)研發(fā)與應用

史慶云　郭龍　張錢妹　梁飛

摘 要：照顧嬰幼兒是大多數(shù)父母頭疼的問題，為了提高孩子的睡眠質(zhì)量，緩解父母的負擔，文中設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能保姆系統(tǒng)。本系統(tǒng)運用STM32F103xx系列單片機作為主控制系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，語音檢測技術(shù)，傳感器技術(shù)，GPRS通信技術(shù)等實現(xiàn)對嬰幼兒的實時動態(tài)監(jiān)控及對嬰幼兒啼哭，尿布濕度進行檢測，并通過網(wǎng)絡發(fā)送到父母手機。同時系統(tǒng)還具有照顧嬰幼兒，自動報警，學前教育功能，該系統(tǒng)操作簡單，成本低，具有良好的實用價值。

關鍵詞：智能保姆；物聯(lián)網(wǎng)；單片機；實時檢測

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）04-00-02

0 引 言

嬰幼兒睡眠每天需14～15個小時，白天1～2次，保障孩子睡眠至關重要。本設計的創(chuàng)新點是模仿父母照顧嬰幼兒。當小孩醒來時，智能”保姆”會自動搖起來，同時有輕輕的催眠曲或搖籃曲或事先錄下的父母的關愛聲，還可以加入其它一些逗小朋友玩的設計。針對嬰幼兒的大小便，系統(tǒng)安裝有一個濕度感應器和溫度感應器，當檢測到小孩的被窩達到系統(tǒng)設定濕度時，可以智能換被子或向父母報警，當檢測到嬰兒被窩溫度過低時也會自動報警。對于嬰幼兒的學前教育，此保姆系統(tǒng)還具有語音播放功能，同時支持插入MP3、U盤等擴展設備。隨著父母雙方都工作的家庭的增多，照顧孩子成為一個重要問題。國內(nèi)雖對智能嬰兒床有研究，但未能獲得父母的青睞，究其原因是其功能單一，無法解決父母的燃眉之急，隨著我國二孩政策的施行，本系統(tǒng)的設計是非常必要的，其具有很大的發(fā)展?jié)摿皬V闊的市場前景。

1 系統(tǒng)組成

本智能保姆主要采用主從式設計，目的是使其更好的管理系統(tǒng)。主機STM32F103xx主要完成遠程視頻監(jiān)控、溫濕度檢測、自動播放音樂和報警功能。從機AT89C51單片機實現(xiàn)光照檢測、嬰兒哭聲檢測及自動控制系統(tǒng)功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設計

智能保姆在硬件上總體分為液晶顯示模塊、檢測模塊、通信模塊、電機驅(qū)動模塊、主控模塊。各模塊之間都不是獨立運行的，而是相互交織、輔助工作。其中，系統(tǒng)主機芯片采用STM32F103xx，從機采用AT89C51，溫濕度檢測通過SHT10實現(xiàn)，無線視頻傳輸采用VO76，語音識別采用LD3320芯片。

2.1 STM32F103xx芯片介紹

STM32F103xx增強型系列由意法半導體集團設計，應用高性能的ARMCortex-M3 32位RISC內(nèi)核，其工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達128 K字節(jié)的閃存和20 K字節(jié)的SRAM），豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設。該系列所有型號的芯片都包含了2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，其通信接口多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。故STM32F103xx在軟硬件開銷、性能、成本、速度、內(nèi)存等方面得到優(yōu)化，是一種性價比高的單片機。

2.2 檢測系統(tǒng)

本檢測系統(tǒng)包括溫濕度、光照、語音的檢測。溫濕度與光照的檢測分別使用SHT10和光照傳感器來獲取信號。

SHT10采用CMOS過程微加工專利技術(shù)，保正產(chǎn)品擁有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性，該傳感器擁有功耗低、反應能力快、抗干擾能力強等優(yōu)點。在本設計中，SHT10與STM32F103xx的連接圖如圖2所示。STM32獲取到由SHT10發(fā)出的溫濕度數(shù)據(jù)，使其在液晶顯示屏顯示，且自動報警系統(tǒng)同時通過SHT10數(shù)據(jù)改變來判斷。為了防止雷雨天氣的濕度比較高而產(chǎn)生誤判，本系統(tǒng)采用一種合理有效的方法，即每隔15 s采集一次，在與之前進行對比，如果濕度上升9個點，視為尿床，發(fā)動報警。

2.3 遠程視頻監(jiān)控

遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要采用WiFi無線網(wǎng)絡傳輸視頻，無線通信設備都采用高增益天線，無線網(wǎng)絡覆蓋半徑可達500～1 000米；系統(tǒng)抗干擾能力強，在錯綜復雜的無線網(wǎng)絡環(huán)境中，也有比較穩(wěn)定的信號傳送能力。具有良好的遠程實時動態(tài)監(jiān)控特點，用戶采用PC端軟件，可以通過互聯(lián)網(wǎng)實時觀看遠程的監(jiān)控視頻。本系統(tǒng)視頻監(jiān)控前端口的攝像機能夠接收100米范圍內(nèi)、多達80個以上無線報警探頭的報警觸發(fā)消息，還可以及時高效的把報警信息發(fā)送到用戶手機或PC端軟件上。

2.4 顯示模塊

本系統(tǒng)中的顯示模塊主要采用TFTLCD，該模塊可以顯示16位色的真彩圖片。本模塊我們采用16位的并方式與外部連接，而不采用8位的方式。因為彩屏的數(shù)據(jù)量比較大，尤其在圖片顯示時，8位數(shù)據(jù)線比16位方式慢一倍以上，只有系統(tǒng)的速度足夠快，才能滿足用戶需求，所以我們選擇16位的接口。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 流程圖設計

圖3所示為溫濕度檢測的流程圖，溫濕度傳感器采樣嬰幼兒溫濕度，通過溫濕度計算，當溫濕度超出本系統(tǒng)預設定的值時，使用報警器或通過短信將信息發(fā)送到父母手機上以告知父母。

圖4所示為語音檢測流程圖，語音識別芯片采樣嬰幼兒語音，設定參考語音，當嬰幼兒的啼哭聲與其同頻段，則電機驅(qū)動音樂播放。

4 結(jié) 語

智能保姆系統(tǒng)的開發(fā)涉及多個學科知識如嵌入式、自動控制、電子、通信、計算機等。它是一個多重性的實踐研究課題。本文主要以智能物聯(lián)網(wǎng)為前提，介紹智能保姆系統(tǒng)的組成、硬件結(jié)構(gòu)及軟件設計的方法。在測試中證明本系統(tǒng)是可靠性高，可擴展性及維護性強，實用性強的產(chǎn)品，具有廣闊的市場化、產(chǎn)品化前景。

參考文獻

[1] 陳致遠，朱葉承，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應用，2012，38（9）：138-140.

[2] 李文欣，陳國金，陳昌，等.嬰幼兒安全監(jiān)控保障系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應用，2015，41（7）：71-73，80.

[3] 陳守滿.基于LD3320語音遙控器的設計與實現(xiàn)[J].安康學院學報，2013，25（6）：1-3.

[4] 華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎（第4版）[M].北京：清華大學出版社，2006.

[5] 楊帆.傳感技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[6]康華光.電子技術(shù)基礎模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7] 智能化生活“觸手可及”[J].硅谷，2010（17）：47-48.

[8] 何朝.基于ZigBee技術(shù)的智能家居數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)[D].太原：太原理工大學，2011.

[9] 楊琛.智能家居物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端的研究與設計[D].太原：太原理工大學，2011.

[10]王迎旭.單片機原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.