基于樹莓派的嬰兒監(jiān)護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅婷婷，張利強(qiáng)，周 誼，陳 林

(內(nèi)江師范學(xué)院人工智能學(xué)院，四川 內(nèi)江641199)

0 引言

每年都有許多孩童因?yàn)榧议L(zhǎng)監(jiān)護(hù)不到位而受傷甚至失去生命。隨著科技的進(jìn)步，這些慘痛的教訓(xùn)已經(jīng)逐漸可以通過(guò)現(xiàn)代化手段干預(yù)來(lái)降低發(fā)生的概率，如可以考慮用傳統(tǒng)攝像頭來(lái)輔助看娃。但傳統(tǒng)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)仍面臨著不少缺點(diǎn):如無(wú)法進(jìn)行報(bào)警、功能不智能、操控方式復(fù)雜、具有一定的安全隱患等。

日常生活中哪些風(fēng)險(xiǎn)需要及時(shí)預(yù)警？

讓寶寶遠(yuǎn)離繩、線一類物品。這類物品稍有不慎就會(huì)纏繞在寶寶的身上，輕則勒壞局部組織，重則可以要人命，而生活中很多物品都有類似的特質(zhì)，比如縫衣線、皮筋兒、假發(fā)、各類流蘇裝飾等等，所以在嬰幼兒夠得到的地方，務(wù)必不要出現(xiàn)這類物品。

醫(yī)護(hù)及家長(zhǎng)的大意失職，沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)寶寶被卡住或者憋住，發(fā)生悲劇。比如寶寶小時(shí)候睡覺(jué)不安穩(wěn)，經(jīng)常翻身，假如監(jiān)護(hù)人沒(méi)留意，很可能寶寶翻到一個(gè)危險(xiǎn)角落里把脖子卡住，或者因?yàn)榕克療o(wú)法翻身，而導(dǎo)致窒息身亡。

針對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)，本文提出一種基于樹莓派的嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)設(shè)備更智能，更省心。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由四部分組成：

1) 數(shù)據(jù)采集終端：包括體溫感應(yīng)器,用于檢測(cè)新生兒體溫?cái)?shù)值;麥克風(fēng),用于檢測(cè)新生兒啼哭數(shù);溫度傳感器,用于檢測(cè)環(huán)境氣候;濕度感應(yīng)器,用于檢測(cè)環(huán)境濕度;音響，用于遠(yuǎn)程語(yǔ)音；攝像頭，用于視覺(jué)信號(hào)檢測(cè)；心率傳感器，用于檢測(cè)嬰兒心率數(shù)據(jù)；

2) 樹莓派：搜集終端數(shù)據(jù)并處理，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器，亦可接收云端服務(wù)器指令進(jìn)行終端操作。

3) 云端服務(wù)器：匯總由樹莓派處理后的數(shù)據(jù)并入庫(kù)，方便智能手機(jī)終端查詢，也用于轉(zhuǎn)發(fā)智能手機(jī)終端命令下發(fā)給樹莓派平臺(tái)。

4) 智能手機(jī)終端：家長(zhǎng)用戶使用的終端，可以查閱監(jiān)視自己的監(jiān)護(hù)產(chǎn)品，也可以對(duì)監(jiān)護(hù)產(chǎn)品下發(fā)遠(yuǎn)程命令。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 室溫檢測(cè)設(shè)計(jì)

溫度傳感器是檢測(cè)溫度并將其轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的組件。按照材質(zhì)和元件的特性,溫度傳感器又能夠分為等溫電阻和熱電偶二類,而熱敏電阻只是前者的一部分,它由零點(diǎn)五導(dǎo)體收音機(jī)材料所構(gòu)成。大多數(shù)熱敏電阻都是負(fù)溫度系數(shù)(NTC),其電流隨周圍環(huán)境工作溫度升高而減少,因?yàn)樗碾娏麟S環(huán)境溫度變化而劇烈改變,所以熱敏電阻也是最靈敏的溫度傳感器[1]。

模擬溫度傳感器模塊使用NTC熱敏電阻，因此可以對(duì)溫度進(jìn)行敏感測(cè)量。它還擁有一個(gè)內(nèi)置比較器LM393,它能夠在模塊內(nèi)同步地輸出數(shù)字和模擬信號(hào)。該模塊還可以用來(lái)進(jìn)行高溫報(bào)警和溫度檢測(cè)。

本單元采用熱敏電阻的設(shè)計(jì),其電阻隨環(huán)境溫度變化,在環(huán)境溫度上升時(shí)熱敏電阻的電阻變小,在環(huán)境溫度下降時(shí)它的電阻加大。它可以實(shí)時(shí)檢測(cè)周圍的溫度變化。

由于傳感器發(fā)出的是數(shù)字信號(hào)所以我們必須通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCF8591把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。但是在編程中，我們要通過(guò)數(shù)字信號(hào)值計(jì)算出熱敏電阻的實(shí)時(shí)阻值，再來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的溫度值。

計(jì)算熱敏電阻實(shí)時(shí)阻值：

1) 通過(guò)函數(shù)ADC.read(0)取得傳感器模擬輸出A/D轉(zhuǎn)化后的數(shù)字值：

analogVal=ADC.read(0)

2) 利用上面的值計(jì)算熱敏電阻的原始模擬電壓值Vr：

Vr=5*float(analogVal)/255

3) 串聯(lián)電路電流值相同，所以電流值相等：

熱敏電阻電壓/熱敏電阻值=(5 V-熱敏電阻電壓)/另外一個(gè)分壓電阻值。

另外一個(gè)分壓電阻阻值為10 k，即10000，所以熱敏電阻值:

Rt=10000*Vr/(5-Vr)

熱敏電阻公式：

NTC熱敏電阻的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)算方法,溫度-阻值的公式,即Steinhart-Hart關(guān)系等式,這是一種經(jīng)驗(yàn)公式,可以用來(lái)說(shuō)明在NTC熱敏電阻的阻值和實(shí)際工作溫度之間的最好的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

Rt=R*EXP(B*(1/T1-1/T2))

其中，T1和T2指的是K度，即開爾文溫度；Rt是指熱敏電阻阻值在T1溫度下的阻值；R為熱敏電阻在T2常溫下時(shí)的標(biāo)稱阻值，10 k的熱敏電阻在25 ℃的值是10 k(即R=10000)，T2=(273.15+25)；EXP是e的n次方；B值也是熱敏電阻的重要參數(shù)，這里的B=3950。

通過(guò)轉(zhuǎn)換可以得到溫度T1與電阻Rt的關(guān)系T1=1/(ln(Rt/R)/B+1/T2)，相應(yīng)的攝氏溫度t=T1-273.15，同時(shí)+0.5的誤差矯正。

圖2 室溫傳感器焊接圖

3 體溫&濕度檢測(cè)設(shè)計(jì)

DHT11數(shù)字溫度傳感器是一款具備已校準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)的溫濕度綜合感應(yīng)器品牌,其應(yīng)用了專有的數(shù)據(jù)模塊收集工藝技術(shù)和溫濕度感知工藝技術(shù),使得該產(chǎn)品具備了高度的安全性和優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。其濕度測(cè)量范圍在20%～90%RH間，誤差±5%RH，溫度測(cè)量范圍在0～50 ℃間，誤差±2 ℃[2]。

DHT11通信采用單總線數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)部分包括小數(shù)和整數(shù)部分，通信時(shí)間大約為4 ms。DHT11完整的數(shù)據(jù)共40 bit，以高位先出形式。其數(shù)據(jù)格式為8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗(yàn)和。校驗(yàn)和等于前4項(xiàng)8位數(shù)據(jù)之和。

總線空閑狀態(tài)均為高電平，總線輸出低電平大于18 ms，以保證DHT11成功檢測(cè)到起始信號(hào)，拉高并延時(shí)等待。等待主機(jī)發(fā)送信號(hào)結(jié)束(拉高)并轉(zhuǎn)換到輸入模式，DHT11發(fā)送80 μs低電平為響應(yīng)信號(hào)。發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后再拉高80 μs，開始發(fā)送數(shù)據(jù)。之后每一bit數(shù)據(jù)均以50 μs的低電平時(shí)隙開始，高電平持續(xù)26 μs-28 μs表示數(shù)據(jù)0，高電平持續(xù)70 μs表示數(shù)據(jù)1，編程時(shí)通過(guò)選取數(shù)據(jù)0和1時(shí)隙中間值，可以判斷數(shù)據(jù)為0或1。

圖3 DTH11電平

4 攝像頭視覺(jué)檢測(cè)設(shè)計(jì)

TensorFlow Lite是一組開發(fā)工具，可支持開發(fā)者在移動(dòng)設(shè)備、嵌入式設(shè)備以及l(fā)oT設(shè)備上運(yùn)行模型，從而進(jìn)行設(shè)備端機(jī)器學(xué)習(xí)[3]。

TensorFlow Lite模型以名為FlatBuffer的專用高效可移植格式(由“.tflite”文件擴(kuò)展名標(biāo)識(shí))表示。與TensorFlow的協(xié)議緩沖區(qū)模型格式相比，這種格式具有多種優(yōu)勢(shì)，例如可縮減大小(代碼占用的空間較小)以及提高推斷速度(可直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)，無(wú)需執(zhí)行額外的解析/解壓縮步驟)，這樣一來(lái)，TensorFlow Lite即可在計(jì)算和內(nèi)存資源有限的設(shè)備上高效地運(yùn)行。

運(yùn)用TensorFlow Lite Model Maker庫(kù)，能夠簡(jiǎn)化使用自定義數(shù)據(jù)集訓(xùn)練TensorFlow Lite模型的過(guò)程。該庫(kù)使用遷移學(xué)習(xí)來(lái)減少所需要的訓(xùn)練數(shù)據(jù)量和縮短訓(xùn)練時(shí)間。

在樹莓派上構(gòu)建TensorFlow環(huán)境，借助訓(xùn)練好的相關(guān)視覺(jué)模型即可完成視覺(jué)方面相關(guān)處理。

表1 視覺(jué)檢測(cè)方案

圖4 視覺(jué)處理

5 云端服務(wù)器設(shè)計(jì)

云端服務(wù)器主要用于數(shù)據(jù)的收集和下發(fā)，終端監(jiān)護(hù)設(shè)備通過(guò)Https協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通信，保證了傳輸數(shù)據(jù)的安全性，避免了中間人攻擊；同時(shí)所有數(shù)據(jù)在樹莓派上傳輸前均通過(guò)AES 128加密后傳輸，避免數(shù)據(jù)的竊取；Http Server獲取到上傳數(shù)據(jù)后將會(huì)及時(shí)入庫(kù)存儲(chǔ)，方便終端用戶查詢[4]。

圖5 云端服務(wù)器設(shè)計(jì)

6 終端服務(wù)器設(shè)計(jì)

終端App是為了方便用戶查閱的終端產(chǎn)品，使用了Web App技術(shù)構(gòu)建[5]，大大降低了構(gòu)建難度，也方便了開發(fā)與維護(hù)。整個(gè)App分為四大功能：

首頁(yè)：是整個(gè)App的主要內(nèi)容區(qū)域，用于整個(gè)系統(tǒng)的概覽和主要信息，方便用戶直觀了解嬰兒狀態(tài)。

數(shù)據(jù)監(jiān)控：是終端數(shù)據(jù)的展示區(qū)域，這里展示了所有系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，按時(shí)間段精細(xì)化地展示了所有采集的數(shù)據(jù)。

視頻監(jiān)控：這里是視覺(jué)檢測(cè)后展示的主要信息區(qū)域，展示了實(shí)時(shí)的嬰兒狀態(tài)和歷史的預(yù)警信息。

個(gè)人中心：這里可以方便地管理自己的終端設(shè)備信息，和自己的賬號(hào)信息。

圖6 用戶終端設(shè)計(jì)

7 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目基于了目前使用門檻和使用范圍都非常廣泛的樹莓派作為開發(fā)硬件基礎(chǔ)進(jìn)行探索，結(jié)合實(shí)際可行方案介紹了一種全方位的嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在二胎，三胎政策普及的當(dāng)下，具有十分可觀的探索前景；該系統(tǒng)不僅僅可以運(yùn)用在父母都需要工作的家庭中還可以運(yùn)用在月子中心，托管中心，月嫂托管等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，極大消除和避免常見(jiàn)嬰兒意外和風(fēng)險(xiǎn)。