育嬰監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

黃惠玲

摘? ?要：電子技術是中職電子信息技術專業(yè)的基礎學科，是物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡安防等專業(yè)的硬件電路支持，通過育嬰監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，采用NI MyDAQ采集卡讀取傳感器信號，采用NI LabVIEW軟件進行可視化界面的設計及程序框圖編寫實現(xiàn)計算機與電子電路通訊，在計算機界面實現(xiàn)電路信號的讀取及硬件電路的寫入，實現(xiàn)電子控制;在教學上，在改變傳統(tǒng)電子技術教學模式、教學內容以及一體化實訓教學方面提供了不同的方向，對中職電子技術實現(xiàn)信息化教學手段具有重要的指導意義。

關鍵詞：育嬰監(jiān)控系統(tǒng)? 采集卡? 可視化界面? 電路控制

現(xiàn)代家庭中，一部分父母提倡西方的母嬰分床睡的育嬰方式，一方面保證了母親有足夠的睡眠時間，有利于產(chǎn)后恢復;另一方面，養(yǎng)成嬰幼兒獨立的習慣。但母嬰分床睡的育嬰方式也存在讓新手爸爸媽媽無法安枕無憂的安全隱患，比如嬰幼兒掉下床沒有及時發(fā)現(xiàn)，被子捂過頭造成嬰幼兒窒息沒有及時發(fā)現(xiàn)和施救等，據(jù)不完全統(tǒng)計，嬰幼兒因被子捂過頭造成窒息而亡是造成嬰兒死亡的重要原因之一。

育嬰監(jiān)控系統(tǒng)用于實時監(jiān)控嬰幼兒睡眠的環(huán)境狀態(tài)，它設計了以下幾部分功能：

（1）檢測嬰幼兒尿床或者尿不濕溢出，提醒爸爸媽媽及時更換;

（2）檢測嬰幼兒哭鬧，提醒爸爸媽媽前來查看原因;

（3）檢測嬰幼兒掉床下，提醒爸爸媽媽及時過來處理;

（4）檢測嬰幼兒蹬開了被子，提醒爸爸媽媽前來蓋好被子;

（5）檢測嬰幼兒即將有捂被子的風險，提醒父母即刻前往處理;

（6）房間溫度是否適當。

1? 育嬰監(jiān)控系統(tǒng)的設計

育嬰監(jiān)控系統(tǒng)由檢測電路、信號采集和可視化控制界面三大模塊組成，如圖1所示。

檢測電路由不同類型的傳感電路組成，分別檢測不同狀態(tài)的電信號。本系統(tǒng)設置了4種傳感器，分別是潮濕傳感器、聲音傳感器、震動傳感器及利用電機正轉和反轉模擬嬰幼兒踢被子或者捂被子的傳感器電路。其中，潮濕傳感器檢測嬰兒床潮濕情況，判斷是否有尿液溢出;聲音傳感器通過檢測聲音信號，判斷嬰幼兒是否已經(jīng)醒來并正在哭鬧;震動傳感器檢測嬰幼兒是否跌下床;用電機的正轉模擬被子往嬰幼兒頭的方向移動，設置電機正轉達到一定圈數(shù)則判斷嬰幼兒即將有捂被子的風險，提醒家長前往處理;用電機的反轉模擬被子往嬰幼兒腳的方向移動，設置電機反轉達到一定圈數(shù)則判斷被子已經(jīng)被嬰幼兒蹬開，提醒家長前往處理;即時顯示當前房間溫度。

本系統(tǒng)的信號采集由NI MyDAQ采集卡完成。傳感器檢測到的信號根據(jù)信號類型的不同，接入NI MyDAQ采集卡對應的采集端口，NI MyDAQ采集卡采集到信號后通過USB數(shù)據(jù)線傳送到計算機，完成本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集功能。

本系統(tǒng)的可視化控制界面是指利用NI LabVIEW軟件設計一個控制界面，通過編寫程序把NI MyDAQ采集的數(shù)據(jù)進行處理，并在控制界面上顯示，實現(xiàn)了代表不同環(huán)境狀態(tài)的傳感器信號的讀取、處理和控制。

2? 育嬰監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 硬件電路的實現(xiàn)

育嬰監(jiān)控系統(tǒng)由檢測電路、信號采集和可視化控制界面三大模塊組成，電路原理框圖如圖2所示：

傳感檢測電路信號不需要經(jīng)過中央處理器（一般采用單片機系統(tǒng)對傳感信號進行處理）進行數(shù)據(jù)處理，在本系統(tǒng)中，傳感信號被信號采集卡NI MyDAQ采集并輸入計算機，利用NI LabVIEW軟件后臺程序編寫，對傳感信號進行處理，根據(jù)系統(tǒng)要求繪制可視化界面，結合程序實現(xiàn)系統(tǒng)功能。硬件電路設計如圖3所示。

潮濕傳感電路：當嬰幼兒尿床，尿液會造成“回型”銅模短路，由IC5D及周圍元器件產(chǎn)生的諧振信號進入IC5A、IC5B組成的斯密特整形電路及IC5C組成的遲滯電路，并在IC5C第10腳輸出一個高電平，令三極管Q4導通，指示燈LED4亮，VOUT4輸出一個低電平信號，表示潮濕傳感電路檢測到有尿濕現(xiàn)象。

聲音感應電路：當嬰幼兒哭鬧時，聲音信號進入麥克風MK1轉換成電信號，經(jīng)過VT3放大輸出，令VT1導通，NE555芯片第2腳電壓從接近電源電壓下降到小于1/3電源電壓，觸發(fā)NE555芯片第3腳輸出高電平，聲音信號指示燈LED2亮，VT2導通，并輸出一個低電平信號，代表有嬰幼兒在哭鬧。

震動感應電路：當震動傳感器檢測到震動信號時，VOUT4輸出一個跟震動信號成正比的模擬信號。

溫度傳感電路：溫度傳感器PT100把環(huán)境溫度轉換成與之成正比的電信號，經(jīng)過由IC1A及周圍元器件組成的運算放大電路放大輸出，輸出的信號是一個模擬量。

直流電機控制電路：用直流電機的正轉模擬嬰幼兒捂被子的行為，直流電機反轉模擬嬰幼兒蹬被子的行為;通過檢測電機正反轉判斷被子移動方向，電機上安裝霍爾傳感器，計算電機轉動的次數(shù)，當次數(shù)達到設定值，代表被子已經(jīng)滑落，或者被子有捂住嬰幼兒臉的風險。

NI MyDAQ數(shù)據(jù)采集端口：根據(jù)傳感信號的類型不同，接入不同的采集端口，信號主要區(qū)分數(shù)字信號、模擬信號、差分信號。

2.2 可視化界面的設計及程序框圖編寫

本系統(tǒng)采用NI LabVIEW軟件進行可視化界面的設計及程序框圖編寫實現(xiàn)系統(tǒng)功能。NI LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的一種圖形化的編程語言，分為前面板窗口及程序框圖窗口，其中前面板窗口是圖形用戶界面，相當于實際儀器的控制面板，它將用戶和程序聯(lián)系起來，是程序運行時顯示和輸入的交互窗口。

2.2.1 可視化界面的設計

在前面板進行用戶界面的設計，如圖4所示。

4個布爾指示燈分別指示尿床、滾下床、蹬被子、哭鬧4種情況，喇叭形狀的指示燈是捂被子的信號燈，采用不同的布爾模式意在強調該情況比較危險和緊急，溫度計實時顯示嬰幼兒房間的溫度。6種情況在設定合理的范圍內，當前狀態(tài)顯示：正常，同時布爾燈不亮，處于棕色狀態(tài)（顏色可以在界面設計時修改）;當任意一種情況發(fā)生異常，對應的布爾燈亮紅燈，同時當前狀態(tài)項顯示：警告（當前狀態(tài)顯示字體可通過程序編寫）;當溫度超出設定的最高溫度27°C時，當前狀態(tài)將顯示：房間溫度過高。

2.2.2 程序框圖編寫及實現(xiàn)

程序框圖的主要任務是對采集卡輸入的數(shù)據(jù)進行讀取、分離，再對分離后的數(shù)據(jù)進行處理，控制前面板界面的顯示。如圖5所示。

DAQ助手、DAQ助手3讀取端口數(shù)據(jù)，通過索引數(shù)組分離出不同端口的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，前面板控制界面的布爾燈亮滅、溫度計顯示及當前狀態(tài)文字顯示。其中，索引數(shù)組分離不同端口的信號，條件結構是用于對數(shù)據(jù)進行判斷，當滿足設定條件，則在“真”分支里輸出對應指示，當條件不滿足時，則在“假”分支里輸出相反的指示，與系統(tǒng)的設計意圖一致。

3? 育嬰監(jiān)控系統(tǒng)的測試

本系統(tǒng)的硬件電路采用亞龍公司生產(chǎn)的LY-292模塊電路搭建測試，如圖6所示。

尿床測試：把水滴在潮濕傳感器上，可視化界面的尿床指示燈亮，當前狀態(tài)顯示：報警。測試通過。

嬰幼兒哭鬧測試：對著聲音傳感器發(fā)出聲音時，可視化界面的哭鬧指示燈亮，當前狀態(tài)顯示：報警。測試通過。

滾下床測試：敲動震動傳感器，可視化界面的滾下床指示燈亮，當前狀態(tài)顯示：報警。測試通過。

捂被子及蹬被子測試：同時按下直流電機啟動及正轉控制按鈕，電機正向轉動一定時間后，捂被子指示燈亮，當前狀態(tài)顯示：報警;同時按下直流電機啟動及反轉控制按鈕，電機反向轉動一定時間后，蹬被子指示燈亮，當前狀態(tài)顯示：報警。測試通過。

溫度測試：測試環(huán)境溫度小于20℃，可視化界面的溫度計正確顯示當前環(huán)境溫度;用加熱后的電烙鐵靠近PT100測溫電阻，可視化界面的溫度計隨著時間上升，高于27℃后，當前狀態(tài)顯示：房間溫度過高。測試通過。

4? 育嬰監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)對中職電子信息技術專業(yè)教學的延伸意義

電子技術是中職電子信息技術專業(yè)的基礎學科，同時也是相關電類專業(yè)，如網(wǎng)絡安防、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等專業(yè)的硬件電路支撐學科，學好電子技術這門課，在專業(yè)方向選擇上可以向網(wǎng)絡安防、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等專業(yè)延伸，因此學好電子技術具有重要意義。

但目前電子技術課在中職教學中面臨瓶頸，主要原因有：（1）電子技術基礎知識抽象，學生學習起來比較困難，導致他們學習積極性不高，興趣不濃;（2）電子技術實訓內容及方式比較傳統(tǒng)，跟不上當前電子技術行業(yè)的飛速發(fā)展，導致學生對電子技術的認識具有局限性，學校對電子類學生的培養(yǎng)方向也具有局限性。

采用模塊化電路搭建設計電路系統(tǒng)任務，讓電子電路通過不同組合實現(xiàn)不同的功能，激發(fā)學生學習興趣，提高學生對電子技術的應用能力，有利于“任務驅動教學法”、“做中學教學法”、“以學生為中心教學法”、“反轉課堂教學法”等綜合應用在電子電路課堂教學，有利于信息化教學法在電子技術課堂上應用，從而豐富教學手段;采用NI LabVIEW軟件進行可視化界面的設計及程序框圖編寫，實現(xiàn)計算機與硬件電路的通訊，實現(xiàn)計算機讀取硬件電路信息及控制硬件電路工作，融入新的教學內容，豐富了電子技術的教學模式，讓傳統(tǒng)電子技術教學新穎起來。

參考文獻

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