基于GPRS的智能嬰兒服實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)溫系統(tǒng)

惠州學(xué)院 陳學(xué)軍 鐘少磊

本文由主控單元軟件硬件和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層設(shè)計(jì)部分構(gòu)成，概括地介紹了本智能嬰兒服的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以STM32F103系列芯片作為核心控制芯片，控制傳感器和GPRS通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程收發(fā)和監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層以微信小程序?yàn)橹鳎饕ㄟ^(guò)Websocket連接服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送。

引言：我們團(tuán)隊(duì)的研究目標(biāo)是制造出一款智能嬰兒服，實(shí)現(xiàn)可家用的穿戴醫(yī)療設(shè)備的設(shè)想，幫助家長(zhǎng)更便捷更準(zhǔn)確地了解孩子的情況。

針對(duì)現(xiàn)有嬰兒監(jiān)控設(shè)備無(wú)法隨身攜帶、獨(dú)立性差、準(zhǔn)確度較差、孩子遠(yuǎn)離無(wú)法提供定位報(bào)警信息的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套基于GPRS無(wú)線通信技術(shù)和STM32芯片的嬰兒服無(wú)線監(jiān)控調(diào)溫系統(tǒng)。這也是未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的應(yīng)用方向之一，具有良好的前景。

本文章以智能嬰兒服設(shè)計(jì)的核心，即主控單元兼移動(dòng)監(jiān)測(cè)調(diào)溫終端的設(shè)計(jì)作為主體，用戶操作小程序的設(shè)計(jì)為輔助來(lái)介紹本項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

2.系統(tǒng)總方案體設(shè)計(jì)

智能嬰兒服實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)溫系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：嬰兒狀況監(jiān)測(cè)、智能溫度控制、嬰兒定位。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)由STM32為主控制器，通過(guò)GPRS模塊，將現(xiàn)在傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集功能。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給GPRS模塊，打包為數(shù)據(jù)包并按照TCP/IP協(xié)議與Internet上的服務(wù)器建立連接，將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。

孩子身上的各傳感器數(shù)據(jù)被設(shè)計(jì)為每隔半個(gè)小時(shí)上傳一次到服務(wù)器，并在家長(zhǎng)的微信小程序端顯示穿戴智能嬰兒服時(shí)記錄到的數(shù)據(jù)，以圖表的方式統(tǒng)計(jì)嬰兒的身體狀況，家長(zhǎng)以此可掌握孩子的狀態(tài)；嬰兒服上放置一片發(fā)熱片，家長(zhǎng)可通過(guò)手機(jī)小程序端控制加熱的檔位；主控板裝有GPS定位裝置，同時(shí)輔助以基站定位，保證孩子在國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)的位置信息可以被探測(cè)到，并在手機(jī)小程序端顯示；手機(jī)端可以由家長(zhǎng)設(shè)置地理圍欄，使得當(dāng)穿著智能嬰兒服的孩子超過(guò)地理圍欄時(shí)，可以自動(dòng)向家長(zhǎng)手機(jī)報(bào)警。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分主要是由STM32F103RBT6低功耗芯片作為MCU核心控制器，以SIM808為GPRS通信模塊兼GPS定位模塊，傳感器應(yīng)用MLX90614溫度傳感器、Pulse Sensor脈搏傳感器、熱敏電阻、濕度傳感器和三軸加速度傳感器，另外再應(yīng)用發(fā)熱片，實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒體溫、心率、室溫、尿布狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和衣服溫度控制。

3.1 微處理器模塊

STM32F103RBT6是一款基于Cortex-M3內(nèi)核開(kāi)發(fā)的32位增強(qiáng)型微處理器，旨在為MCU用戶提供新的開(kāi)發(fā)自由度。CPU最高速度達(dá)72 MHz，32K字節(jié)Flash，采用64腳LQFP封裝。自帶IIC、SPI和多個(gè)串口，可以滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)豐富外設(shè)的需求；系統(tǒng)自帶RTC、看門(mén)狗等模塊，RTC可以為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)行提供時(shí)間標(biāo)記，看門(mén)狗可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。片上集成一個(gè)溫度傳感器。最多多達(dá)11個(gè)定時(shí)器：4個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)ICOCPWM或者脈沖計(jì)數(shù)器。2個(gè)16位的6通道高級(jí)控制定時(shí)器：最多6個(gè)通道可用于PWM輸出；多達(dá)13個(gè)通信接口：2個(gè)IIC接口（SMBusPMBus）；5個(gè)USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調(diào)試控制）；3個(gè)SPI接口（18 Mbits），兩個(gè)和IIS復(fù)用；CAN接口（2.0B）；USB 2.0全速接口；SDIO接口。STM32由于它豐富的庫(kù)函數(shù)，IO類型多，功能強(qiáng)大，完全可以實(shí)現(xiàn)我們團(tuán)隊(duì)的開(kāi)發(fā)需求。

3.2 通信模塊

通信模塊采用SIM808這款由SIMCOM（芯訊通）公司開(kāi)發(fā)的GPRS通信模塊，其內(nèi)置藍(lán)牙、GPS芯片，工作頻率為GSM/GPRS：850/ 900/ 1800/ 1900MHz，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，全球可用，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)短信、打電話、GPRS傳輸數(shù)據(jù)、GPS定位等功能。

該模塊通過(guò)UART2串口與STM32連接，波特率為115200bit/s。使用時(shí)，首先將中國(guó)移動(dòng)SIM卡插入SIM卡槽，然后通過(guò)STM32向SIM808模塊發(fā)送AT指令，可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能調(diào)用，包括完成系統(tǒng)的啟動(dòng)，初始化串口，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、數(shù)據(jù)流控制、奇偶校驗(yàn)等；后使用AT指令注冊(cè)中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)，最后和遠(yuǎn)端的阿里云服務(wù)器建立TCP連接，隨后便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。這樣可以在全國(guó)范圍有移動(dòng)基站的地方自由行動(dòng)，方便隨時(shí)掌握使用者（孩童）的位置。

3.3 各傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器分別使用了不同的通訊協(xié)議和STM32主控芯片進(jìn)行通訊，如IIC、SPI和TTL等。

溫度傳感器使用的是MLX90614非接觸紅外溫度傳感器，這是一款性能和精度都較高的溫度測(cè)量產(chǎn)品，在醫(yī)療，工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用較多；有四個(gè)引腳，使用SMBus協(xié)議，通過(guò)控制SCL引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。這款溫度傳感器主要用于對(duì)嬰兒體溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)；另外使用了一個(gè)熱敏電阻，通過(guò)一定的算法轉(zhuǎn)換電壓的變化，可以測(cè)量出較準(zhǔn)確的溫度。這個(gè)設(shè)計(jì)主要用于室溫的監(jiān)測(cè)，為發(fā)熱片自動(dòng)調(diào)整發(fā)熱檔位提供環(huán)境參數(shù)。

心率監(jiān)測(cè)使用了Pulse Sensor脈搏傳感器，它是通過(guò)檢測(cè)光反射信號(hào)（PPG），利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來(lái)進(jìn)行脈搏測(cè)量。傳感器對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值。STM32通過(guò)將采集到的模擬信號(hào)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算就可以得到心率數(shù)值。

濕度傳感器使用了自己設(shè)計(jì)的方案，使用時(shí)，長(zhǎng)條狀的濕度傳感器的一頭接入主控器，另一頭置入尿布內(nèi)，這樣可以簡(jiǎn)單的通過(guò)測(cè)量因?yàn)闈穸纫鸬牟牧想娮枳兓袛嗄虿贾惺欠裼休^多尿液，從而判斷嬰兒是否需要更換尿布。這款濕度傳感器是被作為一次性用品來(lái)設(shè)計(jì)的，原因是考慮到實(shí)際使用過(guò)程中，濕度傳感器是需要直接置入嬰兒使用的尿布內(nèi)，直接感知尿液的存在，所以可以在使用完后應(yīng)當(dāng)隨著尿布一同丟棄，客戶也一般不會(huì)多次使用。

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知模塊使用了三軸加速度傳感器和聲音傳感器，兩者被設(shè)計(jì)為直接安裝在主控板上。嬰兒穿戴本智能服時(shí)，測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)STM32主控器一定的算法分析嬰兒此時(shí)是躺著還是站著、側(cè)睡還是臥睡、睡覺(jué)時(shí)是否安穩(wěn)、是否在劇烈運(yùn)動(dòng)等。該設(shè)計(jì)可以感知嬰兒是否起床、感知睡眠姿態(tài)、統(tǒng)計(jì)分析孩子睡眠質(zhì)量等，可以為孩子家長(zhǎng)提供預(yù)警或者相關(guān)的分析數(shù)據(jù)以及建議。各傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程圖如圖2。

圖2 傳感器設(shè)計(jì)流程圖

3.4 發(fā)熱片模塊

發(fā)熱片模塊使用了聚酰亞胺薄膜PI電熱膜，它是以聚酰亞胺薄膜為外絕緣體，以金屬箔、金屬絲為內(nèi)導(dǎo)電發(fā)熱體，經(jīng)高溫高壓熱合而成。聚酰亞胺電熱膜具有優(yōu)異的絕緣強(qiáng)度，優(yōu)異的抗電強(qiáng)度，優(yōu)異的熱傳導(dǎo)效率，優(yōu)異的電阻穩(wěn)定性，從而廣泛適用于電加熱領(lǐng)域。它的柔軟性能好，可彎曲，預(yù)熱速度快、使用壽命長(zhǎng)，厚度僅0.4mm。由于耗電量較大，發(fā)熱片電路設(shè)計(jì)為外接電源，經(jīng)過(guò)主控板穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換為7V的電壓后輸出至發(fā)熱片。經(jīng)過(guò)計(jì)算，這款發(fā)熱片在7V電壓下，置入衣服內(nèi)最高可感受溫度為40度，絕不會(huì)燙傷嬰兒的柔嫩肌膚。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分成中控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和小程序前端設(shè)計(jì)兩部分，而傳感器系統(tǒng)和GPS定位包含于中控系統(tǒng)之中。

4.1 中控系統(tǒng)

中控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示，中控系統(tǒng)上電后，先初始化各個(gè)模塊、開(kāi)啟定時(shí)器中斷方式，然后開(kāi)始通過(guò)串口和各引腳軟件模擬時(shí)序收集各傳感器的信息并判斷數(shù)據(jù)是否正確且有效，若無(wú)效則返回中斷入口程序；STM32芯片通過(guò)串口輸出AT指令到GPRS模塊進(jìn)行注冊(cè)上網(wǎng)并連接到我們的阿里云服務(wù)器，若連接不成功或者斷線則自動(dòng)重新連接；連接成功后，程序開(kāi)始主循環(huán)，中控系統(tǒng)開(kāi)始處理傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)包并發(fā)送給服務(wù)器端。

圖3 中控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖

傳感器的數(shù)據(jù)處理流程主要是先采集室溫傳感器的數(shù)據(jù)，數(shù)字化處理后得到的溫度數(shù)據(jù)一旦低于家長(zhǎng)預(yù)設(shè)的溫度，則開(kāi)啟發(fā)熱片；隨后通過(guò)IIC、SPI等方式采集體溫傳感器、心率傳感器和三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)，若使用了濕度傳感器，則同時(shí)采集濕度傳感器的數(shù)據(jù)。

4.2 小程序前端設(shè)計(jì)

小程序的系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)如圖4。在本設(shè)計(jì)的小程序主頁(yè)可以直接查看孩子的心率、體溫、室溫、GPS定位地址、是否尿濕和報(bào)警狀況，可以查看主控器的剩余電量并且可以控制加熱檔位或者開(kāi)啟自動(dòng)調(diào)溫模式。另外在健康日志可以看到本系統(tǒng)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得到的對(duì)孩子智能建議和指導(dǎo)。

圖4 小程序系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

當(dāng)家長(zhǎng)點(diǎn)擊加熱檔位時(shí)，就可以遠(yuǎn)程地直接對(duì)嬰兒服的發(fā)熱片輸出功率進(jìn)行控制；當(dāng)點(diǎn)擊小孩位置時(shí)，可以進(jìn)入地圖界面，然后設(shè)置地理圍欄，即對(duì)孩子可以行動(dòng)的地方進(jìn)行范圍的劃定，一旦超出范圍則會(huì)立刻向家長(zhǎng)報(bào)警，如圖5所示。

在小程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們團(tuán)隊(duì)考慮增加與兒童醫(yī)院的合作，建立醫(yī)生問(wèn)診的系統(tǒng)界面，當(dāng)孩子身體不舒服，可以把收集到的數(shù)據(jù)由家長(zhǎng)一鍵發(fā)送給相關(guān)的醫(yī)生，大致的判斷孩子的身體狀況，以便家長(zhǎng)做出進(jìn)一步的處理。

圖5 小程序地理圍欄設(shè)置

5.結(jié)論

在日益增長(zhǎng)的嬰兒出生率和快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的時(shí)代背景下，智能服裝的流行并不是偽命題，它已經(jīng)是一個(gè)全世界服飾類企業(yè)競(jìng)相追逐的真理，巨頭們都在布局智能服裝。本次設(shè)計(jì)便很好的適應(yīng)了這一需要，從孩子的角度提供了一個(gè)較為新穎的智能嬰兒服設(shè)計(jì)。

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代嬰兒無(wú)線體征監(jiān)控與防丟的應(yīng)用需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于GPRS的智能嬰兒服實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)溫系統(tǒng)。系統(tǒng)以GPRS網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的載體，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)微信小程序進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)嬰兒心率、體溫、環(huán)境室溫、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和尿布狀態(tài)，并可遠(yuǎn)程地對(duì)嬰兒服進(jìn)行加熱控制；通過(guò)微信小程序記錄嬰兒數(shù)據(jù)并輸出圖表，統(tǒng)計(jì)孩子的身體狀況，分析孩子的情緒，給家長(zhǎng)行動(dòng)建議，另外可以通過(guò)小程序直接聯(lián)系兒童醫(yī)院，將數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)生，在線診斷孩子的病情，提供建議。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的需要，功能在實(shí)踐中不斷完善、定位精確可靠，可滿足家長(zhǎng)對(duì)孩子遠(yuǎn)程看護(hù)的需要。

參考：張萬(wàn)良，基于Web和GPRS的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)：自動(dòng)化與儀器儀表，2016；姚程，黃帥，馬娜，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：電子科技，2017；李濤，馬殷元，楊東，基于STM32的GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)：電子世界，2012；王亞飛，沈根浩，馮朝霞，史智興，室內(nèi)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)：電子世界，2017。