基于RAM的育嬰睡眠監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)

魏元田

摘要：該文提出一種基于ARM平臺的育嬰，關(guān)于睡眠監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計，可實現(xiàn)監(jiān)控嬰兒的睡眠情況并提出預(yù)警。本產(chǎn)品具有溫濕度檢測、哭聲檢測和煙霧檢測等裝置，當溫或者濕度高于預(yù)先設(shè)定的閥值時，MCU會自動報警并啟動調(diào)節(jié)溫濕度功能，在嬰兒啼哭及出現(xiàn)煙霧過高時進行報警，從而可以更好的來保證嬰幼兒的睡眠質(zhì)量，以及方便監(jiān)護人育嬰。

Abstract： This paper presents an ARM platform based infant care system for sleep monitoring and early warning system design. This product has a temperature and humidity detection， crying and smoke detection device， when the temperature or humidity is higher than the pre-set threshold， MCU will automatically alarm function， and start to adjust temperature and humidity in the baby crying and excessive smoke alarm， which can be better to ensure that infants sleep quality， and convenient and guardian's nursery.

關(guān)鍵詞：ARM;溫濕監(jiān)測;啼哭聲監(jiān)測;氣體檢測;溫濕度調(diào)節(jié)

Key words： ARM;temperature and humidity monitoring;crying monitoring;gas detection;temperature and humidity adjustment

中圖分類號：TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）14-0237-03

0? 引言

父母對嬰兒的中事成度也越來越高。對于嬰幼兒來說，他們每天的大部分時間都在睡覺，父母在嬰兒睡覺時會選擇去做家務(wù)或工作的，并不能時時刻刻待在嬰兒身邊照看嬰兒，如果嬰兒出現(xiàn)啼哭、尿床和空氣質(zhì)量變差等情況，在沒有人看官的情況下就容易危害嬰兒的健康。生活節(jié)奏的不斷加快，用智能設(shè)備代替人力做事，可以大大節(jié)省時間成本，父母便可以利用這段時間去工作。通過對這個問題的研究分析，本文設(shè)計一款基于ARM的嬰兒睡眠監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，實時監(jiān)控嬰兒的睡眠環(huán)境并作出報警從而更好的保護嬰兒。

1? 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)組成框圖

嬰兒睡眠監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)由處理器模塊、紅外溫度傳感器、溫濕度傳感器、聲音采集傳感器、煙霧濃度傳感器和攝像頭。

1.2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)通過使用ARM處理各種傳感器的數(shù)據(jù)，如溫濕度傳感器（DHT11）、紅外體溫傳感器（MLX90615）、聲音傳感器（LM386）、攝像頭（OV7725）和煙霧檢測傳感器（MQ-135）等對嬰兒通過聲音的采集進行啼哭檢測、通過動作采集進行嬰兒的蹬被檢測、溫濕度檢測、煙霧檢測等，對出現(xiàn)不正常的情況通過WiFi模塊（ESP8266）傳輸進行報警，接收器收到報警后發(fā)出提示。

2? 硬件設(shè)計

2.1 中央處理器單元

該設(shè)計采用的MCU選擇的是目前常見、主流且功能強大的STM32F10VET6作為系統(tǒng)的核心處理器。本品采用ST超低功耗ARM CortexTM-M0微控器，同時也保留了傳統(tǒng)單片機的功能且它是個加強版的單片機。它擁有72M的主頻，這樣的配置保證了它可以高速運行，還擁有100個IO，以及各種多個豐富的接口，同時官方提供了各種開源的庫函數(shù)，這樣的設(shè)計使開發(fā)者更容易開發(fā)它，它能夠?qū)崿F(xiàn)先進且復雜的功能。

2.2 傳感器模塊

本系統(tǒng)的傳感器可分為溫濕度傳感器用于檢測環(huán)境中的溫度和濕度差異及時了解嬰兒的踢被降溫和尿床升濕，聲音傳感器可檢測嬰兒啼哭，煙霧濃度傳感器用于檢測嬰幼兒身邊是否煙霧濃度過高。

2.2.1 溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款單數(shù)據(jù)傳輸線，并自身具有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合型的傳感器。所以該傳感器擁有極高的品質(zhì)、超快的響應(yīng)速度、綜合性價比極高的優(yōu)點。

該傳感器通過數(shù)字線直接連接MCU，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。同時它的極低的功耗，單信號線的設(shè)計，使得有效信號不失真可傳輸20米以上，具有很強的抗干擾能力，使我們選擇這款溫濕度傳感器的重要原因。 （圖2）

2.2.2 聲音傳感器

聲音傳感器的結(jié)構(gòu)如同一個帶著麥克風的傳感器。它利用自帶的麥克風去接受周圍環(huán)境的聲波。該傳感器內(nèi)集成了一個敏感的電容式駐極體話筒，周圍的聲波產(chǎn)生時，聲波的震動使話筒內(nèi)的薄膜產(chǎn)生振動，薄膜的位置改變導致電容間隔產(chǎn)生變化，使得產(chǎn)生出相應(yīng)變化的微電壓，再通過它集成的芯片，最終輸出一個0-5的變換電壓，通過與MCU的連接，進過AD轉(zhuǎn)換，最后在液晶屏上顯示聲音的振動圖象。

2.2.3 煙霧傳感器

煙霧傳感器是通過監(jiān)測空氣中煙霧的濃度的一種傳感器，它可將空氣中煙霧的濃度轉(zhuǎn)換成電信號或者高低電平輸出。當用模擬引腳時，通過與MCU，進過AD轉(zhuǎn)換即可看到煙霧的變化曲線。當用數(shù)字輸出時，可調(diào)節(jié)集成的電位器來調(diào)節(jié)它觸發(fā)了靈敏度，通過MCU去檢測電平的跳變即可知道煙霧的濃度是否過高。MCU再做判讀進行控制和觸發(fā)報警系統(tǒng)。

2.3 攝像頭

該系統(tǒng)采用的攝像頭是OV7725攝像頭，該攝像頭的主體結(jié)構(gòu)與一般的攝像頭類似，主要由圖像傳感器、光學鏡頭、電路構(gòu)成。OV7725攝像頭最大可輸出30W像素的圖像，其分辨率為640×480。同時它支持VGA時序進行圖像數(shù)據(jù)的輸出，輸出的圖像格式有三種，分別為YUV（422/420）、YCbCr422和RGB565格式。OV7725攝像頭還具有對采集到的圖像數(shù)據(jù)自動進行補償，支持基本的伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等，以及6種拍攝環(huán)境模式的自由選擇。選擇它的還有一重要原因是它集成了一塊FIFO緩存，當采集到圖像時，它會先將數(shù)據(jù)存儲到FIFO緩存中，等待MCU的讀取，這樣的設(shè)計避免的MCU的內(nèi)存不足以及需要擴展外部儲存的困擾。同時，由于它的小體積和工作電壓低，最終選擇它。

2.4 顯示終端

TFT-LCD是一種由薄膜晶體管液晶顯示器。該設(shè)計采用的事一個分辨率為240×320的一個液晶顯示屏。通過編程調(diào)節(jié)RGB的參數(shù)即可精確的控制每個像素點的色彩。由于需要實時先顯示監(jiān)控畫面，屏幕的顯示色彩也很重要。該顯示屏是一個16位數(shù)據(jù)輸出/輸入的設(shè)計，對于采用32的MCU來說，完全可以完美控制。

2.5 WIFI模塊

該設(shè)計采用的WIFI模塊是ESP8266。它是目前主流的WIFI模塊之一，總體結(jié)構(gòu)小巧，功能強悍，性能可靠，并且方便開發(fā)，資料充足。內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，TR開關(guān)、balun、LNA、功率放大器和匹配網(wǎng)絡(luò);強大的它具有WIFI@2.4GHZ、支持WAP/WAP2安全模式;并可在2ms之內(nèi)將其喚醒，進行連接及輸數(shù)據(jù)包;該傳感器通過了FCC、CE、TELEC、WIFIAlliance以及SRRC認證。連接如圖4所示。

3? 設(shè)備聯(lián)調(diào)

通過各個功能模塊的設(shè)計和開發(fā)，最后將所有模塊進行合一和設(shè)備聯(lián)調(diào)，最終組成了一個擁有：對嬰兒周圍環(huán)境溫度檢測和濕度檢測、對嬰兒周圍環(huán)境的空氣質(zhì)量檢測、可實時對嬰兒睡眠畫面監(jiān)控。并當出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)會自動報警提醒用戶的一個多功能的嬰兒睡眠監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。實現(xiàn)了智能育嬰，直接的實現(xiàn)了在嬰兒監(jiān)護人不在嬰兒身邊，自動的對嬰兒實時的進行各種檢測，有效的檢測嬰兒的生理狀況和防止安全問題的發(fā)生;當發(fā)生緊急情況時，系統(tǒng)能夠在第一時間，快速做出反應(yīng)及告知看護人，從而能夠方便看護人在看護嬰兒的時候也能夠做其他的事情，大大提高嬰兒看護人的自由活動度，更加高效、充分的利用時間，為嬰兒的看護人提供了很大的便利。

4? 結(jié)論

本設(shè)計基于STM32，采用按鍵作為用戶的輸入接口，實現(xiàn)對嬰兒體周圍的溫濕度、氣體、畫面、啼哭的檢測，并使之在顯示屏上顯示。此外，當出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)會自動報警提醒用戶。該設(shè)計硬件包括：溫濕度檢測模塊、監(jiān)控模塊、啼哭檢測模塊、煙霧濃度檢測模塊、WiFi傳輸模塊、液晶顯示模塊和自動報警模塊。軟件部分包括：溫度傳感器程序、濕度傳感器程序、聲音傳感器程序、煙霧傳感器、顯示屏顯示程序、攝像頭監(jiān)控程序、蜂鳴器警報程序和無線傳輸模塊程序。

本系統(tǒng)的直接目的就是在嬰兒監(jiān)護人不在嬰兒身邊時，對嬰兒進行實時監(jiān)測，有效地監(jiān)測嬰兒生理狀況和防止安全問題的發(fā)生;如果發(fā)生緊急情況，可以在檢測出現(xiàn)異常的第一刻告知看護人，從而能夠方便看護人在看護嬰兒的時候也能進行其他的事情，大大提高嬰兒看護人的自由活動度，為嬰兒的看護人提供了很大的便利。該嬰兒睡眠測試預(yù)警系統(tǒng)除了可在家里對嬰兒的狀況進行監(jiān)控以外，還可以用在其他場合，比如醫(yī)院中對于嬰兒的監(jiān)護;此外，監(jiān)護對象還可以是老人。因此，這款嬰兒睡眠測試預(yù)警系統(tǒng)擁有一定的應(yīng)用價值和廣闊的市場空間。

該領(lǐng)域在當前智能化的大時代背景下，各種東西趨向于智能化，育兒也不例外，隨著人們知識水平的不斷提高，人們對育嬰幼兒這方面的重視程度也越來越高，嬰幼兒能否健康成長也就直接關(guān)系著一個家庭的幸福。另外，“時間成本”這個概念越來越被人們所熟知，人們做事更趨向于高效，嬰兒監(jiān)護費時費力，嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)的市場需求也是相當大的，我相信未來在這一領(lǐng)域會有越來越大的突破，使嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)更加系統(tǒng)化，對嬰兒健康不會造成太大影響。同時在當今中國圖像識別領(lǐng)域發(fā)展突飛猛進的大背景下，對嬰兒圖像采集識別會有更加高端的研究與發(fā)展，使嬰兒睡眠監(jiān)測系統(tǒng)更加發(fā)達。

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