基于LabVIEW的智能嬰兒監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

黎會鵬，黃 璞，熊 杰

(黃岡師范學(xué)院 物理與電信學(xué)院，湖北 黃岡 438000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及國家生育政策的放開，對于缺乏照護(hù)嬰幼兒經(jīng)驗的年輕父母，除了日常工作，照顧孩子的疲勞感使得他們無暇集中足夠的注意力。剛出生的嬰兒還不具備自我行動能力，身體非常脆弱且無法正確的表達(dá)自己的需求，有時候可能會由于看護(hù)者的疏忽而造成嬰兒的意外事故。鑒于看護(hù)人通常無法做到對孩子無時無刻的照顧，看護(hù)者需要采取更加有效的措施來對嬰兒進(jìn)行護(hù)理，嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以對嬰兒進(jìn)行實時監(jiān)控，幫助年輕的父母做更多的工作[1]。

目前大部分醫(yī)院和護(hù)理中心，在嬰兒的治療和護(hù)理管理工作中，大多采用的依靠定時檢測，通過人工測量的方式，對嬰幼兒的各項生理指標(biāo)進(jìn)行檢測和記錄。對于這些日常對嬰幼兒的護(hù)理不僅耗費巨大的人力，并且容易造成誤差及數(shù)據(jù)記錄錯誤，也增加了疾病交叉感染的機率。同時，針對人工測量均為紙質(zhì)記錄，不能對一段時間的測量結(jié)果進(jìn)行查詢、匯總、分析.除些之外，對于嬰幼兒的監(jiān)護(hù)人多數(shù)情況下都是由護(hù)理人員告知嬰兒的生理特征，缺少主動對自己孩子情況掌握的一種裝置或者設(shè)備[2]。加上嬰幼兒不確定的睡眠時間以及無法有效自理等特點，當(dāng)出現(xiàn)一些生理特征異常情況時，不能及時準(zhǔn)確的向看護(hù)人員反饋，勢必影響對嬰兒的健康安全造成影響[3-4]。

隨著短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得信息交互的傳輸方式更加靈活高效。本設(shè)計采用ZigBee無線通信技術(shù)[5]，實現(xiàn)了一種準(zhǔn)確度高、功耗低的嬰兒生理特征監(jiān)控和報警系統(tǒng)，能夠?qū)崟r給監(jiān)護(hù)人員提供嬰兒的狀態(tài)信息。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

該系統(tǒng)方案采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6微控制器作為裝置的主控芯片，硬件電路由無線通信模塊、濕度傳感器、脈搏傳感器、姿態(tài)傳感器、數(shù)字溫度傳感器、LCD液晶顯示模塊、防盜報警模塊等模塊組成。主要完成對嬰幼兒體溫、尿布的濕度、嬰兒脈搏等進(jìn)行測量、同時該裝備具有數(shù)據(jù)顯示和報警功能。

該系統(tǒng)可通過矩陣鍵盤對嬰兒體溫范圍、濕度范圍、脈搏范圍進(jìn)行設(shè)置，若采集數(shù)據(jù)超過其設(shè)定范圍，則可通過微控制器控制報警電路進(jìn)行報警，提示嬰兒監(jiān)護(hù)人注意。系統(tǒng)具有嬰兒防盜和防跌落功能，若嬰兒脫離嬰兒床而未按下“解除報警”按鈕，則報警電路會發(fā)出高頻率高分貝報警聲。

系統(tǒng)通過微控制器把體溫、是否尿床、脈搏等信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC機，并通過LabVIEW軟件編寫顯示界面，其結(jié)構(gòu)與原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

2 硬件設(shè)計

考慮到系統(tǒng)運行速度、可靠性以及接口電路功能，本裝置所設(shè)計的硬件電路主要包括STM32單片機接口電路、溫度測量電路、濕度檢測電路、脈搏測量電路、運動姿態(tài)傳感電路、矩陣鍵盤電路、LCD顯示電路和ZigBee無線通信模塊。STM32單片機采集各類傳感器數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)功能程序處理相關(guān)數(shù)據(jù)，顯示報警和無線數(shù)據(jù)上傳。無線模塊完成通信鏈路的建立，將收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給平臺中心PC機上，便于監(jiān)護(hù)人員實時了解嬰兒的狀況，提高護(hù)理工作效率。

2.1 微控制器電路

設(shè)計中所使用的微控制器為ST公司生產(chǎn)的32位內(nèi)核微處理器，型號為STM32F103C8T6，該處理器使用ARM Cortex-M3內(nèi)核[6]，片內(nèi)集成USART、CAN、SPI和I2C等多種通用總線驅(qū)動外設(shè)接口，系統(tǒng)工作頻率最高為72 MHz，存儲空間包括20KB的內(nèi)部SRAM和64KB的片內(nèi)FLASH，運行速度快，封裝尺寸小，芯片性價比較高，能很好的滿足本設(shè)計功能任務(wù)的要求。根據(jù)設(shè)計需要，控制器外圍電路和接口如圖2所示。

圖2 微控制器接口電路

2.2 姿態(tài)傳感電路

嬰幼兒監(jiān)控裝備采用InvenSense公司的九軸姿態(tài)傳感芯片MPU9250[7-8]進(jìn)行側(cè)翻和運動檢測，MPU9250傳感器內(nèi)部集成有獨立的三自由度陀螺儀、加速度計和高靈度霍爾型磁力計，運動姿態(tài)由內(nèi)部對應(yīng)的ADC通道轉(zhuǎn)換成16位的數(shù)字量，然后通過IIC總線與STM32微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。姿態(tài)傳感器與微控制器IIC總線通信速率設(shè)置為400 kHz/s，檢測所用的3軸陀螺儀的角速度測量靈敏度設(shè)置為±500(°/s)。設(shè)置3軸加速度計的測量靈敏度范圍為±4 g(g為重力加速度)，3軸高靈度霍爾型磁力計測量范圍為±4 800 μT，主要用于對傾斜和偏轉(zhuǎn)的輔助測量，MPU9250芯片的外圍接口電路如圖3所示。

圖3 姿態(tài)傳感器外圍接口電路

2.3 溫度傳感器

該裝置的嬰幼兒體溫檢測采用數(shù)字溫度傳感器，其型號為DS18B20，該傳感采集的溫度范圍為-55～+125 ℃,其溫度的檢測分辨率為0.062 5 ℃。采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20優(yōu)點是該傳感器工作在“一線總線”的數(shù)字傳輸方式，能通過一根數(shù)據(jù)線與微控制器直接通信。與熱敏電阻和模擬溫度傳感器等傳統(tǒng)測溫方式相比，該數(shù)字傳感器的優(yōu)勢是能夠直接通過各種常用的微處理器串行讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際精度要求，通過設(shè)定的總線協(xié)議指令進(jìn)行數(shù)據(jù)方式的配置，能夠?qū)崿F(xiàn)9～12位的數(shù)字溫度讀取。

2.4 濕度傳感器

該裝置使用濕度傳感器主要用于檢測嬰兒是否尿床，該裝置采用濕度傳感器其型號為HS1101，該傳感器工作時等效的一個電容器件，該電容值隨著測量環(huán)境的濕度的增大而隨之增大。但微控制器很難直接對電容值變化進(jìn)行測量，需要先將電容的變化量轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒖刂破饕子谔幚淼男盘?。利用NE555芯片的工作特性，將該傳感器置與TS555振蕩組成檢測電路，當(dāng)?shù)刃щ娙莅l(fā)生變化時，TS555芯片輸出頻率會發(fā)生相應(yīng)變化，信號轉(zhuǎn)換硬件電路如圖4所示。根據(jù)這一特點，可將濕度傳感器電容值調(diào)整輸出為電壓恒定為3.3 V的頻率信號，由STM32微處理器通過內(nèi)部定時器的輸入捕捉功能進(jìn)行頻率測量，轉(zhuǎn)換后得到傳感器所測量的濕度值。

圖4 濕度傳感器外圍轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過參數(shù)計算，濕度值與振蕩頻率的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。濕度值與頻率對應(yīng)為線性關(guān)系，區(qū)間內(nèi)的濕度值可通過一次函數(shù)擬合得到。

表1 測量濕度于輸出頻率對應(yīng)關(guān)系

2.5 脈搏傳感器

脈搏傳感器主要用于嬰幼兒脈搏的監(jiān)測，脈搏信號的準(zhǔn)確提取是為嬰幼兒生理病理診斷提供最為直觀的依據(jù)，其采集精度又影響脈搏信號處理和結(jié)果的分析。裝置采用的脈搏傳感器型號為HK-2000系列的生物脈搏傳感器[9]，該傳感器主要特點是將力敏元件、感濕元件、修正靈敏度的溫度補償元件和輸出信號調(diào)理電路高度集成并封裝，因此該傳感器具有抗干擾性能力強、靈敏度高、過載能力強等特點。由于脈搏傳感器輸出的原始信號為模擬電壓信號，不便于直接計算頻率，需要經(jīng)過一級電壓比較電路后轉(zhuǎn)換為方波脈沖，轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。轉(zhuǎn)換后的信號傳輸至STM32控制器端口進(jìn)行頻率采樣。

圖5 脈搏信號轉(zhuǎn)換電路

2.6 鍵盤顯示電路

鍵盤采用4X4矩陣鍵盤，包括：0～9數(shù)值，以及模式選擇、左、右、確定等4個按鍵。其中模式選擇主要包括：體溫、濕度和脈搏3種設(shè)置模式。設(shè)置過程如下：首先通過模式按鈕設(shè)置選擇模式，通過數(shù)字按鈕設(shè)置范圍。通過左、右按鈕選擇最小值和最大值。最終在顯示屏中的顯示效果如圖6所示。圖7為系統(tǒng)主頁面。

圖6 閾值設(shè)定 圖7 LCD顯示

2.7 報警電路

報警電路采用ISD1700語音芯片進(jìn)行設(shè)計，該芯片可以通過微控制器來控制其錄音，放音等功能。其電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。語音芯片通過SPI總線接口與微控制器相連，STM32F103通過SPI總線配置ISD1700內(nèi)部寄存器，控制語音模塊的音量、播報不同的語音。其內(nèi)部在8 KHz的采樣率下，可以錄取60 s的語音時間，本設(shè)計中，所錄制的報警音錄音地址是從芯片內(nèi)部地址0x0010開始。

圖8 報警電路外圍電路

2.8 無線通信電路

下位機端和服務(wù)端采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[10]，無線通信模塊選用DL-22模塊，該模塊主控芯片采用CC2530芯片，其有效工作頻帶為2.4 GHz，在空曠地帶理論通信距離為1 000 m。CC2530節(jié)點地址配置字為16位，理論上最多支持65 536個終端地址[11]，可允許分配的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。STM32微處理器和PC機端均采用串口模式與ZigBee模塊進(jìn)行無線透傳。其主要工作步驟是通過STM32單片機采集體溫傳感器、濕度傳感器、脈搏傳感器等數(shù)據(jù)，通過UART1將信號傳送給ZigBee模塊，經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸至PC端，數(shù)據(jù)在PC段進(jìn)行實時顯示，通信鏈路機構(gòu)如圖9所示。

圖9 ZigBee無線傳輸電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)下位機采用Keil 5 MDK編譯軟件作為STM32F103C8T6微處理器編譯平臺，本裝置軟件采用嵌入式C語言進(jìn)行編程開發(fā)。Keil MDK-ARM是英國ARM公司出品的支持ARM微控制器的一款I(lǐng)DE(集成開發(fā)環(huán)境)，使用ULINK2仿真器可非常方便的進(jìn)行程序的在線調(diào)試并完成程序的下載。上位機監(jiān)控采用NI公司的LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺，該軟件采用圖形化編程語言進(jìn)行編程。兩者間的數(shù)據(jù)傳輸采取ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)完成[12]。

3.1 下位機軟件流程圖

打開工作電源后，系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)入初始化流程，首先延時1 s，等待各硬件電路單元進(jìn)入正常工作狀態(tài)，以免各部件啟動不同步造成配置失敗。STM32單片機通過IIC驅(qū)動總線對MPU9250芯片進(jìn)行初始化，設(shè)置陀螺儀內(nèi)部寄存器FS_SEL=1，對應(yīng)于檢測范圍±500(°/s)，加速度計內(nèi)部寄存器AFS_SEL=1，設(shè)計的檢測范圍為±4 g，設(shè)置的磁力計量程范圍為±4 800 μT。測量中，將MPU9250檢測的加速度、陀螺儀和磁力計數(shù)據(jù)進(jìn)行四元數(shù)融合算法處理，計算出瞬間姿態(tài)變化值。同時，設(shè)置語音播放電路高響度音量等級為8級(最大音量)，低響度為4級。

濕度傳感器輸出的濕度值等效為一個容值可變的電容器件，經(jīng)外部電路轉(zhuǎn)化成頻率變化的方波信號，為了實現(xiàn)脈寬的測量，本設(shè)計使用控制器內(nèi)部TIM2定時器CC1通道進(jìn)行脈沖采集。將通道外設(shè)引腳設(shè)置為輸入，將IC1映射到TI1上，開啟捕獲中斷。開始測量時，將捕獲中斷配置成上升沿觸發(fā)，當(dāng)捕獲到信號上升沿后，將內(nèi)部計數(shù)器清零，設(shè)置測量標(biāo)志。當(dāng)再次上升沿觸發(fā)時，記錄當(dāng)前計數(shù)器現(xiàn)態(tài)值，結(jié)合定時器的工作頻率，即可計算出脈沖得頻率。為了減少干擾和提高計算精度，將連續(xù)測量得5次數(shù)據(jù)相加再取平均值，轉(zhuǎn)換后即可得到濕度值。

圖10 下位機軟件流程圖

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位軟件采用LabVIEW軟件進(jìn)行編寫，LabVIEW提供了資源豐富的虛擬儀器的軟件構(gòu)VISA框架庫[13]，通過調(diào)用儀器I/O中的SERIAL模塊，可以快速的實現(xiàn)平臺與串口外設(shè)的數(shù)據(jù)收發(fā)功能。本設(shè)計中，VISA 配置串口接收超時門限為1 000 ms，數(shù)據(jù)收發(fā)波特率為115 200，數(shù)據(jù)位選擇8位，1位停止位，無奇偶校驗。配置參數(shù)要保證與下位測量端一致，這樣才能有效的接收上傳的數(shù)據(jù)。

LabVIEW平臺的數(shù)據(jù)接收首先設(shè)置VISA讀取函數(shù)的“讀取字節(jié)數(shù)”，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)最大字節(jié)長度設(shè)置為50。通過屬性節(jié)點讀取當(dāng)前串口緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)，然后將輸出連接到VISA讀取的 “讀取字節(jié)數(shù)” 這個輸入端上，對接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行長度判斷和CRC校驗，保證數(shù)據(jù)接收的有效性。因為VISA串口只支持基于ASCII碼的字符型數(shù)據(jù)收發(fā)，因此數(shù)據(jù)收發(fā)前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換[14-15]。

當(dāng)上位機ZigBee模塊接收到下位機發(fā)來的數(shù)據(jù)后，通過串口方式將數(shù)據(jù)無線傳送至LabVIEW平臺。平臺完成數(shù)據(jù)解析后，將實時數(shù)據(jù)在界面上進(jìn)行顯示。測量值的報警閾值可以按照要求進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)測量值超出設(shè)置閾值范圍，對應(yīng)的指示燈會變亮。在LabView Web服務(wù)器在對話框中啟用Web服務(wù)器，設(shè)置URL訪問鏈接地址，通過Web發(fā)布工具(Web Publishing Too1)發(fā)布設(shè)計的界面前臺，外部監(jiān)測界面訪問可通過地址路徑完成。

初值設(shè)定區(qū)域用于設(shè)置體溫，濕度，脈搏初值，在系統(tǒng)中加入了一般警報和偷盜警報，警報用于嬰兒發(fā)燒，尿床，脈搏異常以及運動異常等報警。LabVIEW實現(xiàn)的Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖11所示。

圖11 Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

3.3 通訊格式

為了規(guī)范通訊數(shù)據(jù)的格式、針對設(shè)計內(nèi)容制定了下位機和服務(wù)端的通訊協(xié)議。通訊所用的數(shù)據(jù)幀包括3個部分：幀頭、數(shù)據(jù)段和幀尾。其中，幀頭和幀尾長度分別為2字節(jié)，幀頭設(shè)置為0XAA，0XAA，幀尾固定為0X0D,0X0A，通訊所使用的數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。

表2 上傳數(shù)據(jù)幀格式說明

數(shù)據(jù)段包括數(shù)據(jù)長度、命令字、實時測量的溫度、濕度、脈搏、預(yù)留字節(jié)和校驗數(shù)據(jù)，為了便于后續(xù)功能擴展，預(yù)留了N字節(jié)的空白段，N的值為0～6之間。數(shù)據(jù)長度為數(shù)據(jù)段內(nèi)所有字節(jié)數(shù)的總和，根據(jù)數(shù)據(jù)段格式排列規(guī)律，其值為6+N。為了保證數(shù)據(jù)的正確發(fā)送接收，數(shù)據(jù)段采用CRC-8循環(huán)冗余校驗對發(fā)送內(nèi)容進(jìn)行校驗編碼，校驗范圍為數(shù)據(jù)段中除校驗字節(jié)外的所有數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段CRC-8算法的校驗程序如下：

Research on Education Talent Cultivation Model under the Background of Resource Integration in Higher Vocational Colleges______________________________HU Yuhang 67

unsigned char Calc_CRC8_Code(unsigned char *ucdataPtr, unsigned char ucdataLen)

{

unsigned char i;

unsigned char ucCrcData=0；

while(ucdataLen --)

{

ucCrcData ^=* ucdataPtr ++;

for (i=8; i>0; --i)

{

if (ucCrcData & 0x80)

ucCrcData = (ucCrcData << 1)^0x31;

else

ucCrcData = (ucCrcData << 1);

}

}

return (ucCrcData);

}

其中，命令字的取值為0～2，0表示正常數(shù)據(jù)發(fā)送，1表示防盜報警，2表示一般報警。下位機按照表1數(shù)據(jù)幀格式，以1秒心跳包時間間隔通過無線網(wǎng)絡(luò)向上位機平臺發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀交互采取重發(fā)機制，數(shù)據(jù)采集端在200 ms內(nèi)未接收到平臺的接收應(yīng)答信號，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)重發(fā)，最大重發(fā)次數(shù)為3次。

4 測試結(jié)果分析

本設(shè)計在一所婦幼保健醫(yī)院進(jìn)行實際場景下的測試，兒科區(qū)分布在3個樓層。在嬰幼兒不同的活動狀態(tài)下，每半分鐘記錄一次測量的數(shù)據(jù)，每次統(tǒng)計的數(shù)據(jù)為20組，最后保留計算的平均值，測試數(shù)據(jù)如表3所示。測量中，嬰幼兒體溫正常時候穩(wěn)定在37 ℃左右，脈搏范圍在110～127之間。當(dāng)發(fā)生尿床時，體溫略有升高，但是脈搏有較大的增幅，濕度值接近測量的上限。同時，使用醫(yī)院的心電監(jiān)護(hù)儀SPR9000A、YHW-2體溫計等儀器來進(jìn)行脈搏、體溫和濕度的測量，并進(jìn)行對比實驗。通過與儀器測量對比，本設(shè)計對各項參數(shù)的測量誤差在2.1%以內(nèi)，達(dá)到設(shè)計的要求。

表3 測試數(shù)據(jù)

考慮嬰兒護(hù)理場所大都在室內(nèi)，實際應(yīng)用的環(huán)境有各種因素變化，因此需要對無線信號的室內(nèi)傳輸效果進(jìn)行測試，驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｑb置測試了不同環(huán)境中測量的參數(shù)，數(shù)據(jù)發(fā)送端通過配置內(nèi)部定時器，以3秒的時間周期重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送測試，接收端統(tǒng)計有效數(shù)據(jù)的接收次數(shù)，每組測試重復(fù)2 000次。測試結(jié)果如表4所示。

表4 通信距離測試比較

由測試結(jié)果可以看出，當(dāng)障礙物為玻璃門和木門時，信號傳輸性能較好。金屬門對信號的衰減有很大影響，導(dǎo)致傳輸距離減少，數(shù)據(jù)丟失率較高。因為醫(yī)院和嬰兒護(hù)理場所多為木門和玻璃門結(jié)構(gòu)，從測試采集的數(shù)據(jù)分析，在一般的護(hù)理室內(nèi)場所，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效性傳輸能達(dá)到設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

監(jiān)測系統(tǒng)包括用戶端與監(jiān)測平臺兩部分，用戶端以STM32微處理器為控制核心，通過實時采集外圍傳感器數(shù)據(jù)，基于無線ZigBee技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了嬰兒終端裝置顯示顯示各生理狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與顯示，并能進(jìn)行防盜報警。在監(jiān)測端，通過LabVIEW設(shè)計的PC機的上位機平臺，讀取ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，在界面上顯示用戶生理狀態(tài)信息，發(fā)生異常時候及時提醒和報警。本設(shè)計對嬰兒安全監(jiān)測系統(tǒng)提供了一種可行性的方案。

LabVIEW圖形化平臺開發(fā)便捷，但是系統(tǒng)運行開銷較大，在嵌入式系統(tǒng)上的移植還有難度，后續(xù)可借助面向?qū)ο蟮腉UI平臺進(jìn)行開發(fā)。所設(shè)計的硬件系統(tǒng)還需要進(jìn)一步小型化和集成化，提高抗干擾能力。同時，實驗數(shù)據(jù)的精度雖然達(dá)到要求，但獲取的樣本數(shù)還不充分，需要進(jìn)一步擴大測試面，獲取更多的特征數(shù)據(jù)。該嬰兒監(jiān)測系統(tǒng)使用方便快捷，方案可擴展移植到其它需要監(jiān)護(hù)的領(lǐng)域，具有一定的實際應(yīng)用價值。