0 引 言

一直以來(lái)，嬰幼兒的日常監(jiān)護(hù)是每個(gè)家庭最為關(guān)注和頭疼的問(wèn)題之一。隨著二胎政策的全面實(shí)施，持續(xù)增長(zhǎng)的嬰幼兒數(shù)量必然會(huì)使得不少家庭開(kāi)始考慮其帶來(lái)的看護(hù)負(fù)擔(dān)。為人父母是一件很不容易的事情，既美妙也容易讓人筋疲力盡。新晉父母通常會(huì)因?yàn)閼?yīng)對(duì)嬰幼兒的各種突發(fā)狀況而手忙腳亂，失去了享受生活的樂(lè)趣。此外，由于每天嬰兒大部分時(shí)間都處在睡眠狀態(tài)中，如何對(duì)其進(jìn)行有效的睡眠監(jiān)護(hù)以及如何及時(shí)解決尿濕、踢被等一系列問(wèn)題一直困擾著大多數(shù)父母。因此，市場(chǎng)上對(duì)于嬰兒各種產(chǎn)品的需求趨勢(shì)越來(lái)越大。嬰兒車作為一種傳統(tǒng)的嬰兒用品，在現(xiàn)代社會(huì)中有著廣泛的市場(chǎng)需求。雖然其種類繁多，但功能較為單一，無(wú)法滿足父母的多樣化需求。因 此，一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能嬰兒車保姆系統(tǒng)應(yīng)而生。該系統(tǒng)解決了父母面臨的眾多看護(hù)難題，緩解了父母的看護(hù)壓力，具有很廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用空間。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能嬰兒車保姆由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和 Android 應(yīng)用客戶端兩部分組成。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由 FPGA 與各功能模塊組成，協(xié)調(diào)工作，對(duì)嬰幼兒的各種生命體征信息以及是否有尿濕、踢被等異常行為進(jìn)行檢測(cè)和處理，并將處理結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)數(shù)據(jù)超出閾值范圍時(shí)，會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)的安全報(bào)警功能。同時(shí)，客戶端 APP 接收來(lái)自服務(wù)器的實(shí)時(shí)信息并顯示，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)異常時(shí)也會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在硬件上主要分為存儲(chǔ)模塊、主控與數(shù)據(jù)處理模塊、攝像頭模塊、WiFi 通信模塊（CC3200）以及各種檢測(cè)模塊。各模塊之間都不是獨(dú)立運(yùn)行的，而是相互交織、協(xié)同工作。

2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用容量為 2 kB 的 24C02 芯片，通過(guò) E2PROM來(lái)擴(kuò)展芯片內(nèi)存以滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求?？刹捎猛饨觾?nèi)存卡的形式擴(kuò)展內(nèi)存。SD 卡采用四位 SDIO 方式驅(qū)動(dòng)，最大速度可達(dá) 24 Mb/s，非常適合高速存儲(chǔ)情況。

2.2 體溫檢測(cè)

系統(tǒng)采用非接觸式紅外線溫度感應(yīng)芯片 MLX90614ESF檢測(cè)溫度。該模塊以 81101 熱電元件作為紅外感應(yīng)部分。輸出為被測(cè)物體溫度（To To T）與傳感器自身溫度（TTaa T）共同作用的結(jié)果，理想情況下熱電元件的輸出電壓為 ：

其中 ：溫度單位為 K，A為元件的靈敏度常數(shù)。目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度由 81101 內(nèi)置的熱電偶測(cè)量，從 81101中輸出的兩路溫度信號(hào)分別經(jīng)內(nèi)部 MLX90302 器件上高性能、低噪聲的斬波穩(wěn)態(tài)放大器放大，再經(jīng)過(guò)一個(gè) 17 bit 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理單元后輸出。由于嬰兒還處在生長(zhǎng)發(fā)育階段，無(wú)法對(duì)自身的生理現(xiàn)象進(jìn)行表達(dá)和自我照顧，若因受涼而發(fā)燒或發(fā)燒后長(zhǎng)時(shí)間未被家長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)，極可能對(duì)嬰兒造成嚴(yán)重的影響，而該嬰幼兒發(fā)燒檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并迅速通知家長(zhǎng)，有力避免危險(xiǎn)事件的發(fā)生 [1]。

2.3 踢被檢測(cè)

系統(tǒng)采用的紅外發(fā)射 - 接收模塊可分為紅外發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分為了增大 FPGA 的驅(qū)動(dòng)能力，用 FPGA I/O 口電平的變化來(lái)控制三極管的通斷，從而控制紅外發(fā)射管發(fā)射

此外，為增大發(fā)射角度和功率，在電路中采用兩個(gè)并聯(lián)的紅外發(fā)射管進(jìn)行同步發(fā)射。為避免環(huán)境中其他紅外信號(hào)的干擾，在程序中進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)置，使紅外發(fā)射管發(fā)出一定的加密數(shù)據(jù)，接收端在接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)正確時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示嬰兒踢被的報(bào)警信息

2.4 尿濕檢測(cè)

采用溫濕度一體化的傳感元件來(lái)設(shè)計(jì)尿濕檢測(cè)電路，從而最大限度地簡(jiǎn)化應(yīng)用電路。HTU21D溫濕度傳感器具有體積小、功耗低等特點(diǎn)，專用于設(shè)備空間狹小和成品敏感的產(chǎn)品因此，應(yīng)用該傳感器不僅提高了系統(tǒng)可靠性，還降低了成本HTU21D溫濕度傳感器為 OEM應(yīng)用提供了準(zhǔn)確可靠的溫濕度測(cè)量數(shù)據(jù)，可通過(guò)一個(gè)微控制器接口和模塊連接達(dá)到溫度和濕度數(shù)字輸出。STU21D原理如圖 2所示

圖中的 C 為電源退耦電容 RR2 為總線的上拉電阻該模塊的串行數(shù)據(jù)引腳和串行時(shí)鐘引腳分別與處理器的串行數(shù)據(jù)引腳及串行時(shí)鐘引腳相接，即為嬰兒尿濕檢測(cè)部分的設(shè)計(jì)

2.5 呼吸頻率檢測(cè)

文中采用微波傳感器模塊，利用多普勒雷達(dá)原理設(shè)計(jì)的微波移動(dòng)物體探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)非接觸式生命體征測(cè)量。微波雷達(dá)在對(duì)運(yùn)動(dòng)物體發(fā)射微波信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，可以檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體返回的回波信號(hào)，并利用一定的數(shù)據(jù)處理技術(shù)例如短時(shí)傅里葉變換技術(shù)，從中提取出被測(cè)對(duì)象的呼吸頻率由于嬰幼兒很多比較隱性的疾病都與呼吸頻率相關(guān)，因此呼吸頻率檢測(cè)系統(tǒng)可以有效、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)嬰兒的異常情況并立即告知嬰兒父母，以避免危險(xiǎn)事件發(fā)生

2.6 攝像頭模塊

本系統(tǒng)使用了一款 200W像素的高清攝像頭模塊—— OV2640。該模塊具有高靈敏度、低電壓等特點(diǎn)，適合于各種嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景，支持RawRGB，RGB，RGB422，YUV等多種輸出格式。該模塊具有如下主要作用

(1) 視頻監(jiān)控 ：FPGA將攝像頭采集到的視頻信息通過(guò)CC3200傳輸?shù)椒?wù)器端，父母再利用APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻傳輸近距離觀察自己的孩子

(2) 圖像識(shí)別 ：通過(guò)攝像頭獲取圖像信息，并運(yùn)用一定的圖像識(shí)別算法識(shí)別出嬰幼兒的眼睛和嘴巴的狀態(tài)以及肢體是否產(chǎn)生動(dòng)作，并記錄其在睡眠期間的肢體動(dòng)作頻率，從而判別其睡眠質(zhì)量的好壞，客戶端 APP則就其問(wèn)題給出一定的建議，幫助父母培養(yǎng)孩子良好的睡眠習(xí)慣

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖 3所示為呼吸頻率提取算法流程圖。通過(guò)雷達(dá)前端接收回波信號(hào)，經(jīng) AD轉(zhuǎn)換后得到原始信號(hào)序列。經(jīng)過(guò)解調(diào)預(yù)處理后，可得到有效的呼吸信號(hào)。再經(jīng)過(guò)小波濾波去除噪聲，并恢復(fù)呼吸波形。由于此時(shí)分離的呼吸信號(hào)成分幅度較大可直接在時(shí)域上分析呼吸運(yùn)動(dòng)模式，而對(duì)其時(shí)域波形則進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)，估計(jì)出呼吸頻率

圖 4所示為系統(tǒng)的整體軟件架構(gòu)圖。系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)初始化后，各模塊開(kāi)始采集數(shù)據(jù)信息，并將信息交由 FPGA進(jìn)行分析和處理，處理之后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸送到 CC3200中，并由CC3200將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至阿里云服務(wù)器，最后客戶端 APP 向服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)信息并與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)會(huì)立刻啟動(dòng)安全報(bào)警功能。由 APP主界面顯示監(jiān)測(cè)到的各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

圖3 呼吸頻率提取算法流程圖圖4 系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)

4 結(jié) 語(yǔ)

智能嬰兒車保姆系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)涉及眾多學(xué)科，如自動(dòng)控制嵌入式、圖像處理、信號(hào)處理、通信等，是一個(gè)多重性的實(shí)踐研究課題。本文在綜合分析市場(chǎng)上大多數(shù)嬰幼兒監(jiān)護(hù)產(chǎn)品的情況下，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種更加貼合實(shí)際情況的多功能保姆系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)嬰兒的各項(xiàng)指標(biāo)，還能就異常指標(biāo)發(fā)出報(bào)警，根據(jù)嬰兒最近的睡眠情況給出一定的建議，幫助父母培養(yǎng)孩子良好的睡眠習(xí)慣，緩解父母的看護(hù)壓力，并在最終測(cè)試中證明該系統(tǒng)可靠性高，可擴(kuò)展性和可維護(hù)性強(qiáng)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用空間。