作者：李國城，陳佳明，李偉林，莫偉健 來源：電子設計工程
摘要：根據當前的普通嬰兒床不具備智能檢測以及控制等功能而展開嬰兒實時監控系統的設計，利用被廣泛應用在各領域的新型物聯網技術與無線網絡通信技術對嬰兒床增加對嬰兒的實時監控功能並增加安全與控制系統，引用最新的socket程序庫對系統中的無線網絡進行優化，大大提高了數據的安全性和實效性。
隨著社會的發展，父母越來越重視孩子在嬰幼兒時期的成長發育，在照看嬰兒方面需要投入更多的時間和精力，在現代社會快節奏的生活工作壓力下往往會感到力不從心。而現實生活中存在著太多不可預見的因素影響著嬰幼兒的健康成長，孩子的體型在發育階段，70%的時間都是在床上度過。為了減輕父母在育儿期間的負擔，同時提高育兒質量，針對普通嬰兒床存在的功能單一、性能簡單、幾乎度不具備智能檢測以及控制等功能。因此，設計一種新型的可移動嬰兒床，適應室內和外出遊玩，具有實時智能監控以及檢測危險的系統，可以能夠隨時給家長提供嬰兒的生活環境和活動狀況等信息。
1 系統功能架構
嬰兒實時監控系統主要實現4種功能，分別為各種傳感器的數據採集分析與控制、無線網絡的傳輸、終端的接收與監控、與防摔防碰撞，其中無線網絡傳輸的實現是本系統的關鍵。圖1為嬰兒實時監控系統總體結構圖，採用最新的socket程序庫，提高系統數據在網絡傳輸的穩定性和可靠性。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，在智能家居系統、工業、農業等行業得到應用和發展。物聯網的基本體系結構包括3方面：感知層、網絡層、應用層。採用硬件TCPIP協議的網絡控制器W5500、WiFi無線路由器和nRF24L01無線技術作為本系統的網絡層的通訊，實現各傳感器數據的採集和收發，具有穩定性強、傳輸範圍廣、功耗低等優點。
2 系统模块化设计
2.1 数据采集模块
2.1.1 温湿度采集电路
本电路的设计主要是由温度传感器和湿度传感器负责婴儿实时体温的监测和是否尿床的监测。图2所示为温湿度采集电路。体温的数据是采用一种常用于温度控制、工业系统或者热感测系统数字方式传输的高精度DS18B20温度传感器。DS18B20温度传感器内部包含的高速暂存器RAM含有两个字节的温度寄存器，这两个寄存器可以存储输出的数据，在控制线连接一个弱上拉电阻，通过对寄存器TH和TL的编程，提高测量的精度和分辨率，能实现在93.75 ms和750 ms内将温度值转化输出精度高达9～12位。
通过HS1100湿度传感器检测婴儿是否尿床。HS1100是一种电容传感器，根据其高分子材料吸收水分之后的电常数发生变化而进行湿度的测量。通过A/D模数转换，将电容值的输出转换为以之成反比的电压信号数据被主控器接收。
2.1.2 哭声识别电路
哭声识别电路采用LN567通用锁相环电路音调译码器，本电路设计如图3所示，使用MIC采集婴儿哭声音频信号，通过两级集成运放电路，将MIC采集到的较弱模拟信号放大为强信号。婴儿在不同情况下的哭声频率也是有所不同的，哭声频率在15 kHz左右表明婴儿是饿了，频率在6 kHz左右时是婴儿想睡觉了。采用电容滤波电路进行声音的滤波处理，降低环境噪音的干扰。将滤波处理后的声音信号通过二极管进行整形从而得到低频信号，最后通过比较器将模拟信号转化为声音持续时间的数字信号，从LN567芯片的OUTPUT端口输出脉冲信号到主控器芯片。
2.2 無線網絡模塊
2.2.1 WiFi傳輸模塊
無線網絡模塊設計的是本系統的主要核心部分，通過無線網絡進行傳感器之間的數據傳輸，使得處在無線網絡中的各傳感器通信佈線少，提高通信的效率和協調化。系統中WiFi無線網絡主要是實現對視頻圖像的傳輸和對嬰兒床電機的驅動。通過向WiFi控制板刷入基於嵌入式Linux系統的具有高度模塊化、高度自動化的OpenWRT系統。攝像頭通過USB接到WiFi控制板，將拾取的視頻圖像經過調製轉換通過無線傳輸到上位機，實現對嬰兒的實時監控。 WiFi控制板與主控器以串日接口通訊方式，通過上位機發送指令實現對搖床電機、玩具電機、行駛電機的驅動。
2.2.2 W5500以太網模塊
W5500是一款wiznet公司推出的嵌入式以太網控制器，通過SPI接口實現Internet網絡連接，支持TCP/IP協議處理，體系結構分為10/100M以太網數據鏈路層(MAC)、網絡層
(NWK)、應用層(APL)，數據鏈路層和物理層符合IEE 802.3標准定義的全部規範。層與層之間完成特定的功能與相關服務並通過接口實現網絡連接。如圖4所示，W5500通過SPI串行外部接口與主控器芯片相連進行通訊，同時通過網線接與上位機實現通信，將nRF24L01從溫度傳感器接收到的數據通過無線網絡發送到W5500，在通過以太網將數據發送到上位機的machtalk服務器中實時顯示並記錄。
2. 2.3 nRF24L01無線收發模塊
系統以基於NORDIC公司生產的以8051為內核基礎的增強型2.4 GHz無線收發器nRF24L01實現近距離無線通信，能夠實時感知和採集傳感器的信號，以無線電波作為載體實現
對傳感器之間的數據通信。各傳感器經過內部A/D轉換後以數字信號通過I/O口引腳和nRF24L01實現通訊，nRF24L01將採集到的數據打包並發送到接收端。無線收發電路如圖5所示，電路的前端是射頻接收模塊，可以通過軟件編程設置其工作方式(接收、空閒、關機)，通過SPI接口連接到主控器芯片進行數據通信，設置地址碼實現多從機對主機的數據通信。
2.3 系統主控制器模塊
嵌入式ARM內核的STM32系列微控制器具有高性能和資源、指令豐富等優點，嬰兒實時監控系統主控制模塊採用意法半導體公司推出的32為基於Cortex—M3內核的STM32F103 ZET6處理芯片，片上集成了64 KB的SRAM和512KB的FLASH，具有CAN與USB總線，5個USART串口通信接口，3個SPI總線接口等電路接口，滿足多種並同時通訊的功能，處理速度快，功能強大，外部接口豐富，內部數據存儲空間容量大，可以很好的實現本系統的各功能設計要求，本系統的總體設計結構框架如圖6所示。
3 系統軟件設計
3.1 W5500網絡初始化
由於訪問machtalk是通過域名訪問的，所以需要在程序裡麵包含DNS服務的程序，DNS解析需要一個定時器來定時調用域名解析相關函數，還需要配置網絡的IP地址，MAC地址，網關，DNS服務器等。
3.2 nRF24L01的初始化
把nRF24L01配置成PTX工作模式，實現主從機的對數據的收發。若從機從傳感器接收到數據，則啟動發送數據，主機開啟接收模式。
4 系统测试和数据分析
系统测试以温度采集为例进行多次的实时采集测试。数据测试如图7所示。将采集到的温度通过nRF24L01发送到主控芯片并由W5500通过以太网通信发送到PC端的服务器存储并显示。从系统测试的数据分析得出：本婴儿实时监控系统实时性好，稳定性高，达到预期的设计目标。
5 結束語
根據當前的普通嬰兒床不具備智能檢測以及控制等功能而展開嬰兒實時監控系統的設計，利用被廣泛應用在各領域的新型物聯網技術與無線網絡通信技術對嬰兒床增加對嬰兒的實時監控功能並增加安全與控制系統，引用最新的socket程序庫對系統中的無線網絡進行優化，大大提高了數據的安全性和實效性。設計本系統的直接目的是保證嬰兒在嬰兒床上時能及時地進行實時監控，有效地監測和防止嬰兒身體出現狀況或者安全問題的發生，能及時告知父母，從而能方便父母在看護孩子的情況下也能工作。此外，本嬰兒實時監控系統的移植性高，可以應用在其它的領域，如醫院對嬰兒的治療和監護管理中心，養老院對老人的監護管理。因而本系統的研發就有較高的實際意義和拓展性。