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引 言
随着国内二胎政策的放开,新生儿的数量将迎来大规模增长。婴儿往往在家庭中处于重要地位 [1],但由于年轻家长缺乏育儿经验 [2],且工作繁忙,无法实时陪在婴儿身边给予婴儿及时的照顾 [3]。即使年轻父母选择聘请保姆,或邀请自己的父母照顾婴儿,但家长仍有实时监测婴儿状态的需求 [4]。
传统婴儿监测系统依赖于摄像头的实时监控,此类监控设备铺设成本高且存在视线盲区,传输数据量大,较大程度受制于家长和婴儿所处的网络环境。此外,实时监控占据了家长大量时间,且即使出现问题,家长也无法及时采取措施, 适用性不佳 [5]。
本文所设计的智能婴儿助手具有以下特点。
(1)适用性好 :该系统成本低、体积小、布设方便,可以安放在婴儿常处的任何环境中。
(2)功能实用 :该系统可以涵盖照顾婴儿所需的绝大多数功能,为年轻父母提供帮助。
1 系统总体结构
智能婴儿助手系统由两部分组成,分别为数据监测与传输模块和手机客户端模块。
数据监测与传输模块由 nRF51-DK开发板 [6]、DHT22(AM2302)数 字 温 湿 度 传 感 器、HX711重 力 传 感 器、MAX9814麦克风模块和小喇叭组成。nRF51-DK开发板负责处理与协调各传感器采集的数据,将温度、湿度、压力等统计信息与设置的阈值进行比较,判断婴儿是否尿湿、是否啼哭、是否乱动,并将提示信息与实时温度、湿度数据通过低功耗蓝牙发送到手机端。
手机客户端主要负责显示婴儿所处环境的实时数据以及报警。此外,当检测到婴儿啼哭时,手机端还可以控制小喇叭播放音乐安抚婴儿。
数据监测与传输模块如图 1 所示,手机客户端模块如图 2 所示。
2 系统的硬件实现
本系统的硬件包括温湿度检测模块、麦克风模块、压力检测模块、主控模块与低功耗蓝牙模块,各模块之间相互协调完成工作 [7]。
2.1 温湿度采集
温湿度采集所选的温湿度传感器型号为 AM2302(DHT22),此传感器应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,可以同时检测温度和湿度,并将已校准的数字信号输出 [8]。将此传感器置于婴儿身体下方,用于检测婴儿所处环境的温度与湿度,并将数据通过普通 I/O 与单片机连接, 实时传输给 nRF51-DK 开发板。当单片机收到温度与湿度的信息后,通过蓝牙模块将数据发送给手机,并在手机客户端显示。
2.2 尿湿检测
尿湿检测同样通过AM2302(DHT22)温湿度传感器进行。在单片机中设置标志变量 humidity_flag,当湿度的统计信息高于一定阈值时,此标志位被设置为 1,此时认定婴儿尿湿, 同时通过蓝牙模块向手机端发送尿湿警报,提示家长及时照顾婴儿 ;当湿度的统计信息低于阈值时,此标志位清零。
2.3 啼哭检测
啼哭检测所选择的传感器为 MAX9814 麦克风模块,在单片机中设置标志变量 nosie_flag,当麦克风模块采集到的统计信息高于一定阈值时,此标志位被设置为 1,此时认定婴儿啼哭,单片机可以通过控制小喇叭播放音乐来舒缓婴儿 情绪,同时通过蓝牙模块向家长手机发送啼哭警报提示家长 ; 当噪声统计信息低于一定阈值时,此标志位清零。
2.4 乱动检测
乱动检测所选择的传感器为 HX711 电子秤专用模拟/ 数字(A/D)转换器芯片 [9]。在单片机中设置标志变量 action_ flag,当压力的统计信息高于一定阈值时,会认定为婴儿由于某些原因乱动,然后立即通过蓝牙模块向手机端发送警报信息提醒家长 ;当压力统计信息低于一定阈值时,此标志位清零。
2.5 数据通信
数据通信所选择的是开发套件上自带的低功耗蓝牙功能。为实现此功能, 需要在板卡上下载 S110 SoftDevice。SoftDevice 是用于蓝牙射频部分的预编译 API, 被放在设备存储器的最底端。可以根据蓝牙功能将 51 单片机设置成BLE beacon。当手机端检测到蓝牙,并与蓝牙建立连接后, 即可进行数据传输。数据帧格式见表 1 所列。
表 1 中,温度、湿度为 float 型变量,最后的三个标志位为 bool 型变量。
3 系统软件设计
3.1 单片机软件设计
系统的软件设计通过 C 语言实现,使用 Keil Vision5 软件编译。具体而言,使用mbed API 编程,采用模块化设计方法。数据监测模块将采集到的婴儿信息传输至单片机,单片机将处理后的信息发送给手机客户端,手机客户端根据相应数据位显示婴儿现有状态,并及时报警。软件流程如图 3 所示。
3.2 手机客户端
手机客户端基于安卓平台通过 Java 语言开发。通过蓝牙接收传感器的数据,实现温湿度、尿湿信息、啼哭信息、乱动信息的检测,并控制小喇叭播放音乐。客户端界面简洁, 易于操作,给用户带来良好的体验。进入手机客户端后点击连接按钮,可以发现可连接的蓝牙设备,然后手机和蓝牙建立连接。成功连接后,手机会显示温度、湿度等信息。手机客户端界面如图 4 所示。
图 4 手机客户端界面
通过图 4 可以发现,手机可以实时显示温湿度,并对是否尿湿、是否乱动、是否啼哭等信息进行选择性接收。另外, 可以实现实时报警功能,并控制小喇叭播放音乐。
4 系统测试及阈值确定
根据传感器采集的数据确定阈值的过程 :使用求平均差的方法对采集到的数据进行分析,主要包括噪声、湿度和压力等数据。平均差定义见公式 [10]:
式中:采样频率为 f;每次处理的样本个数为 n;连续超过阈值的次数为 m。系统的关键在于选择合适的阈值。在检测中, 我们将 m 设置为 1,为了消除极值的影响,单片机将采集到的数据分别去掉一个最大值和一个最小值,然后将统计结果通过串口输出到串口工具。将串口采集到的数据进行分析以取得合适阈值,然后在单片机中设置相应阈值位。在阈值确定时,可以通过设定 m 的取值来控制单片机报警的灵敏度。
4.1 噪声采集结果
设置 f =10 Hz,n=30,m=1,噪声采集结果如图 5 所示,其中 :“○”为有噪声时统计得到的数据 ;“×”为安静环境下采集到的数据。
4.2 湿度采集结果
设置 f =1 Hz,n=6,m=1, 湿度采集结果如图 6 所示。前半部分为正常空气中的湿度统计结果,后半部分为湿毛巾靠近湿度传感器时的统计结果。
4.3 压力采集结果
设置 f =1 Hz,n=6,m=1,压力采集结果如图 7 所示,前半部分为压力未变化的统计结果,后半部分为压力变化后的统计结果。
5 结 语
本文研究了一种基于 nRF51 单片机的智能婴儿助手系统。经过设计与测试,该系统可以实时监测婴儿所处环境的温湿度、尿湿信息、啼哭信息和乱动信息等。单片机具有数据采集、判决和数据传输功能,各功能运转正常,探测结果准确,可及时对婴儿的异常状态采取相应措施,并向家长的手机发送通知。该系统可以成为家长育儿的得力助手,效果好且布设成本低,具有大规模推广的潜质。