基于nRF51-DK的智能嬰兒助手設(shè)計(jì)

劉雯 薛斌喜 黃開(kāi)元 李兆恩 牟翰林

摘 要：文中研究了一款基于nRF51-DK開(kāi)發(fā)板的嬰兒助手，該嬰兒助手可以安裝在嬰兒車(chē)、嬰兒床等環(huán)境中，并可以利用開(kāi)發(fā)板自帶的低功耗藍(lán)牙模塊與監(jiān)護(hù)人手機(jī)通信。主要功能包括利用溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒所處環(huán)境以及檢測(cè)嬰兒是否尿濕;利用壓力傳感器在嬰兒頻繁亂動(dòng)時(shí)向監(jiān)護(hù)人手機(jī)發(fā)送警報(bào);利用麥克風(fēng)模塊檢測(cè)嬰兒是否啼哭，并向監(jiān)護(hù)人手機(jī)發(fā)送提示;同時(shí)可以通過(guò)手機(jī)控制小喇叭播放音樂(lè)緩解嬰兒啼哭。此系統(tǒng)具有成本低，適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。最后，在處理采集到的數(shù)據(jù)方面，提出了一種基于平均差的統(tǒng)計(jì)方法，可以快速反應(yīng)各個(gè)數(shù)據(jù)之間的差異程度，適用于單片機(jī)這種處理能力比較弱的系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該統(tǒng)計(jì)方法簡(jiǎn)單、快捷、高效。

關(guān)鍵詞：nRF51;嬰兒看護(hù);物聯(lián)網(wǎng);藍(lán)牙;單片機(jī);傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)二胎政策的放開(kāi)，新生兒的數(shù)量將迎來(lái)大規(guī)模增長(zhǎng)。嬰兒往往在家庭中處于重要地位[1]，但由于年輕家長(zhǎng)缺乏育兒經(jīng)驗(yàn)[2]，且工作繁忙，無(wú)法實(shí)時(shí)陪在嬰兒身邊給予嬰兒及時(shí)的照顧[3]。即使年輕父母選擇聘請(qǐng)保姆，或邀請(qǐng)自己的父母照顧嬰兒，但家長(zhǎng)仍有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒狀態(tài)的需求[4]。

傳統(tǒng)嬰兒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依賴(lài)于攝像頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控，此類(lèi)監(jiān)控設(shè)備鋪設(shè)成本高且存在視線盲區(qū)，傳輸數(shù)據(jù)量大，較大程度受制于家長(zhǎng)和嬰兒所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。此外，實(shí)時(shí)監(jiān)控占據(jù)了家長(zhǎng)大量時(shí)間，且即使出現(xiàn)問(wèn)題，家長(zhǎng)也無(wú)法及時(shí)采取措施，適用性不佳[5]。

本文所設(shè)計(jì)的智能嬰兒助手具有以下特點(diǎn)。

（1）適用性好：該系統(tǒng)成本低、體積小、布設(shè)方便，可以安放在嬰兒常處的任何環(huán)境中。

（2）功能實(shí)用：該系統(tǒng)可以涵蓋照顧嬰兒所需的絕大多數(shù)功能，為年輕父母提供幫助。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能嬰兒助手系統(tǒng)由兩部分組成，分別為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與傳輸模塊和手機(jī)客戶(hù)端模塊。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與傳輸模塊由nRF51-DK開(kāi)發(fā)板[6]、DHT22（AM2302）數(shù)字溫濕度傳感器、HX711重力傳感器、MAX9814麥克風(fēng)模塊和小喇叭組成。nRF51-DK開(kāi)發(fā)板負(fù)責(zé)處理與協(xié)調(diào)各傳感器采集的數(shù)據(jù)，將溫度、濕度、壓力等統(tǒng)計(jì)信息與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，判斷嬰兒是否尿濕、是否啼哭、是否亂動(dòng)，并將提示信息與實(shí)時(shí)溫度、濕度數(shù)據(jù)通過(guò)低功耗藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)端。

手機(jī)客戶(hù)端主要負(fù)責(zé)顯示嬰兒所處環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及報(bào)警。此外，當(dāng)檢測(cè)到嬰兒啼哭時(shí)，手機(jī)端還可以控制小喇叭播放音樂(lè)安撫嬰兒。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與傳輸模塊如圖1所示，手機(jī)客戶(hù)端模塊如圖2所示。

2 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件包括溫濕度檢測(cè)模塊、麥克風(fēng)模塊、壓力檢測(cè)模塊、主控模塊與低功耗藍(lán)牙模塊，各模塊之間相互協(xié)調(diào)完成工作[7]。

2.1 溫濕度采集

溫濕度采集所選的溫濕度傳感器型號(hào)為AM2302（DHT22），此傳感器應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，可以同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度，并將已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出[8]。將此傳感器置于嬰兒身體下方，用于檢測(cè)嬰兒所處環(huán)境的溫度與濕度，并將數(shù)據(jù)通過(guò)普通I/O與單片機(jī)連接，實(shí)時(shí)傳輸給nRF51-DK開(kāi)發(fā)板。當(dāng)單片機(jī)收到溫度與濕度的信息后，通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)，并在手機(jī)客戶(hù)端顯示。

2.2 尿濕檢測(cè)

尿濕檢測(cè)同樣通過(guò)AM2302（DHT22）溫濕度傳感器進(jìn)行。在單片機(jī)中設(shè)置標(biāo)志變量humidity_flag，當(dāng)濕度的統(tǒng)計(jì)信息高于一定閾值時(shí)，此標(biāo)志位被設(shè)置為1，此時(shí)認(rèn)定嬰兒尿濕，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙模塊向手機(jī)端發(fā)送尿濕警報(bào)，提示家長(zhǎng)及時(shí)照顧嬰兒;當(dāng)濕度的統(tǒng)計(jì)信息低于閾值時(shí)，此標(biāo)志位清零。

2.3 啼哭檢測(cè)

啼哭檢測(cè)所選擇的傳感器為MAX9814麥克風(fēng)模塊，在單片機(jī)中設(shè)置標(biāo)志變量nosie_flag，當(dāng)麥克風(fēng)模塊采集到的統(tǒng)計(jì)信息高于一定閾值時(shí)，此標(biāo)志位被設(shè)置為1，此時(shí)認(rèn)定嬰兒啼哭，單片機(jī)可以通過(guò)控制小喇叭播放音樂(lè)來(lái)舒緩嬰兒情緒，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙模塊向家長(zhǎng)手機(jī)發(fā)送啼哭警報(bào)提示家長(zhǎng);當(dāng)噪聲統(tǒng)計(jì)信息低于一定閾值時(shí)，此標(biāo)志位清零。

2.4 亂動(dòng)檢測(cè)

亂動(dòng)檢測(cè)所選擇的傳感器為HX711電子秤專(zhuān)用模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器芯片[9]。在單片機(jī)中設(shè)置標(biāo)志變量action_flag，當(dāng)壓力的統(tǒng)計(jì)信息高于一定閾值時(shí)，會(huì)認(rèn)定為嬰兒由于某些原因亂動(dòng)，然后立即通過(guò)藍(lán)牙模塊向手機(jī)端發(fā)送警報(bào)信息提醒家長(zhǎng);當(dāng)壓力統(tǒng)計(jì)信息低于一定閾值時(shí)，此標(biāo)志位清零。

2.5 數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)通信所選擇的是開(kāi)發(fā)套件上自帶的低功耗藍(lán)牙功能。為實(shí)現(xiàn)此功能，需要在板卡上下載S110 SoftDevice。SoftDevice是用于藍(lán)牙射頻部分的預(yù)編譯API，被放在設(shè)備存儲(chǔ)器的最底端?？梢愿鶕?jù)藍(lán)牙功能將51單片機(jī)設(shè)置成BLE beacon。當(dāng)手機(jī)端檢測(cè)到藍(lán)牙，并與藍(lán)牙建立連接后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)幀格式見(jiàn)表1所列。

表1中，溫度、濕度為float型變量，最后的三個(gè)標(biāo)志位為bool型變量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，使用Keil Vision5軟件編譯。具體而言，使用mbed API編程，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊將采集到的嬰兒信息傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)將處理后的信息發(fā)送給手機(jī)客戶(hù)端，手機(jī)客戶(hù)端根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)位顯示嬰兒現(xiàn)有狀態(tài)，并及時(shí)報(bào)警。軟件流程如圖3所示。

3.2 手機(jī)客戶(hù)端

手機(jī)客戶(hù)端基于安卓平臺(tái)通過(guò)Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。通過(guò)藍(lán)牙接收傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫濕度、尿濕信息、啼哭信息、亂動(dòng)信息的檢測(cè)，并控制小喇叭播放音樂(lè)。客戶(hù)端界面簡(jiǎn)潔，易于操作，給用戶(hù)帶來(lái)良好的體驗(yàn)。進(jìn)入手機(jī)客戶(hù)端后點(diǎn)擊連接按鈕，可以發(fā)現(xiàn)可連接的藍(lán)牙設(shè)備，然后手機(jī)和藍(lán)牙建立連接。成功連接后，手機(jī)會(huì)顯示溫度、濕度等信息。手機(jī)客戶(hù)端界面如圖4所示。

通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn)，手機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示溫濕度，并對(duì)是否尿濕、是否亂動(dòng)、是否啼哭等信息進(jìn)行選擇性接收。另外，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警功能，并控制小喇叭播放音樂(lè)。

4 系統(tǒng)測(cè)試及閾值確定

根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)確定閾值的過(guò)程：使用求平均差的方法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要包括噪聲、濕度和壓力等數(shù)據(jù)。平均差定義見(jiàn)公式[10]：

式中：采樣頻率為f;每次處理的樣本個(gè)數(shù)為n;連續(xù)超過(guò)閾值的次數(shù)為m。系統(tǒng)的關(guān)鍵在于選擇合適的閾值。在檢測(cè)中，我們將m設(shè)置為1，為了消除極值的影響，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)分別去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后將統(tǒng)計(jì)結(jié)果通過(guò)串口輸出到串口工具。將串口采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以取得合適閾值，然后在單片機(jī)中設(shè)置相應(yīng)閾值位。在閾值確定時(shí)，可以通過(guò)設(shè)定m的取值來(lái)控制單片機(jī)報(bào)警的靈敏度。

4.1 噪聲采集結(jié)果

設(shè)置f=10 Hz，n=30，m=1，噪聲采集結(jié)果如圖5所示，其中：“○”為有噪聲時(shí)統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù);“×”為安靜環(huán)境下采集到的數(shù)據(jù)。

4.2 濕度采集結(jié)果

設(shè)置f=1 Hz，n=6，m=1，濕度采集結(jié)果如圖6所示。前半部分為正?？諝庵械臐穸冉y(tǒng)計(jì)結(jié)果，后半部分為濕毛巾靠近濕度傳感器時(shí)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

4.3 壓力采集結(jié)果

設(shè)置f=1 Hz，n=6，m=1，壓力采集結(jié)果如圖7所示，前半部分為壓力未變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，后半部分為壓力變化后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了一種基于nRF51單片機(jī)的智能嬰兒助手系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)與測(cè)試，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒所處環(huán)境的溫濕度、尿濕信息、啼哭信息和亂動(dòng)信息等。單片機(jī)具有數(shù)據(jù)采集、判決和數(shù)據(jù)傳輸功能，各功能運(yùn)轉(zhuǎn)正常，探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，可及時(shí)對(duì)嬰兒的異常狀態(tài)采取相應(yīng)措施，并向家長(zhǎng)的手機(jī)發(fā)送通知。該系統(tǒng)可以成為家長(zhǎng)育兒的得力助手，效果好且布設(shè)成本低，具有大規(guī)模推廣的潛質(zhì)。

參 考 文 獻(xiàn)

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