基于 nRF51-DK 的智能嬰兒助手設(shè)計

引 言

隨著國內(nèi)二胎政策的放開，新生兒的數(shù)量將迎來大規(guī)模增長。嬰兒往往在家庭中處于重要地位 [1]，但由于年輕家長缺乏育兒經(jīng)驗 [2]，且工作繁忙，無法實(shí)時陪在嬰兒身邊給予嬰兒及時的照顧 [3]。即使年輕父母選擇聘請保姆，或邀請自己的父母照顧嬰兒，但家長仍有實(shí)時監(jiān)測嬰兒狀態(tài)的需求 [4]。

傳統(tǒng)嬰兒監(jiān)測系統(tǒng)依賴于攝像頭的實(shí)時監(jiān)控，此類監(jiān)控設(shè)備鋪設(shè)成本高且存在視線盲區(qū)，傳輸數(shù)據(jù)量大，較大程度受制于家長和嬰兒所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。此外，實(shí)時監(jiān)控占據(jù)了家長大量時間，且即使出現(xiàn)問題，家長也無法及時采取措施， 適用性不佳 [5]。

本文所設(shè)計的智能嬰兒助手具有以下特點(diǎn)。

（1）適用性好 ：該系統(tǒng)成本低、體積小、布設(shè)方便，可以安放在嬰兒常處的任何環(huán)境中。

（2）功能實(shí)用 ：該系統(tǒng)可以涵蓋照顧嬰兒所需的絕大多數(shù)功能，為年輕父母提供幫助。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能嬰兒助手系統(tǒng)由兩部分組成，分別為數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸模塊和手機(jī)客戶端模塊。

數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸模塊由 nRF51-DK開發(fā)板 [6]、DHT22（AM2302）數(shù) 字 溫 濕 度 傳 感 器、HX711重 力 傳 感 器、MAX9814麥克風(fēng)模塊和小喇叭組成。nRF51-DK開發(fā)板負(fù)責(zé)處理與協(xié)調(diào)各傳感器采集的數(shù)據(jù)，將溫度、濕度、壓力等統(tǒng)計信息與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，判斷嬰兒是否尿濕、是否啼哭、是否亂動，并將提示信息與實(shí)時溫度、濕度數(shù)據(jù)通過低功耗藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)端。

手機(jī)客戶端主要負(fù)責(zé)顯示嬰兒所處環(huán)境的實(shí)時數(shù)據(jù)以及報警。此外，當(dāng)檢測到嬰兒啼哭時，手機(jī)端還可以控制小喇叭播放音樂安撫嬰兒。

數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸模塊如圖 1 所示，手機(jī)客戶端模塊如圖 2 所示。

2 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件包括溫濕度檢測模塊、麥克風(fēng)模塊、壓力檢測模塊、主控模塊與低功耗藍(lán)牙模塊，各模塊之間相互協(xié)調(diào)完成工作 [7]。

2.1 溫濕度采集

溫濕度采集所選的溫濕度傳感器型號為 AM2302（DHT22），此傳感器應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，可以同時檢測溫度和濕度，并將已校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出 [8]。將此傳感器置于嬰兒身體下方，用于檢測嬰兒所處環(huán)境的溫度與濕度，并將數(shù)據(jù)通過普通 I/O 與單片機(jī)連接， 實(shí)時傳輸給 nRF51-DK 開發(fā)板。當(dāng)單片機(jī)收到溫度與濕度的信息后，通過藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)，并在手機(jī)客戶端顯示。

2.2 尿濕檢測

尿濕檢測同樣通過AM2302（DHT22）溫濕度傳感器進(jìn)行。在單片機(jī)中設(shè)置標(biāo)志變量 humidity_flag，當(dāng)濕度的統(tǒng)計信息高于一定閾值時，此標(biāo)志位被設(shè)置為 1，此時認(rèn)定嬰兒尿濕， 同時通過藍(lán)牙模塊向手機(jī)端發(fā)送尿濕警報，提示家長及時照顧嬰兒 ；當(dāng)濕度的統(tǒng)計信息低于閾值時，此標(biāo)志位清零。

2.3 啼哭檢測

啼哭檢測所選擇的傳感器為 MAX9814 麥克風(fēng)模塊，在單片機(jī)中設(shè)置標(biāo)志變量 nosie_flag，當(dāng)麥克風(fēng)模塊采集到的統(tǒng)計信息高于一定閾值時，此標(biāo)志位被設(shè)置為 1，此時認(rèn)定嬰兒啼哭，單片機(jī)可以通過控制小喇叭播放音樂來舒緩嬰兒 情緒，同時通過藍(lán)牙模塊向家長手機(jī)發(fā)送啼哭警報提示家長 ； 當(dāng)噪聲統(tǒng)計信息低于一定閾值時，此標(biāo)志位清零。

2.4 亂動檢測

亂動檢測所選擇的傳感器為 HX711 電子秤專用模擬/ 數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器芯片 [9]。在單片機(jī)中設(shè)置標(biāo)志變量 action_ flag，當(dāng)壓力的統(tǒng)計信息高于一定閾值時，會認(rèn)定為嬰兒由于某些原因亂動，然后立即通過藍(lán)牙模塊向手機(jī)端發(fā)送警報信息提醒家長 ；當(dāng)壓力統(tǒng)計信息低于一定閾值時，此標(biāo)志位清零。

2.5 數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)通信所選擇的是開發(fā)套件上自帶的低功耗藍(lán)牙功能。為實(shí)現(xiàn)此功能， 需要在板卡上下載 S110 SoftDevice。SoftDevice 是用于藍(lán)牙射頻部分的預(yù)編譯 API， 被放在設(shè)備存儲器的最底端。可以根據(jù)藍(lán)牙功能將 51 單片機(jī)設(shè)置成BLE beacon。當(dāng)手機(jī)端檢測到藍(lán)牙，并與藍(lán)牙建立連接后， 即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)幀格式見表 1 所列。

表 1 中，溫度、濕度為 float 型變量，最后的三個標(biāo)志位為 bool 型變量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計通過 C 語言實(shí)現(xiàn)，使用 Keil Vision5 軟件編譯。具體而言，使用mbed API 編程，采用模塊化設(shè)計方法。數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊將采集到的嬰兒信息傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)將處理后的信息發(fā)送給手機(jī)客戶端，手機(jī)客戶端根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)位顯示嬰兒現(xiàn)有狀態(tài)，并及時報警。軟件流程如圖 3 所示。

3.2 手機(jī)客戶端

手機(jī)客戶端基于安卓平臺通過 Java 語言開發(fā)。通過藍(lán)牙接收傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫濕度、尿濕信息、啼哭信息、亂動信息的檢測，并控制小喇叭播放音樂?？蛻舳私缑婧啙崳?易于操作，給用戶帶來良好的體驗。進(jìn)入手機(jī)客戶端后點(diǎn)擊連接按鈕，可以發(fā)現(xiàn)可連接的藍(lán)牙設(shè)備，然后手機(jī)和藍(lán)牙建立連接。成功連接后，手機(jī)會顯示溫度、濕度等信息。手機(jī)客戶端界面如圖 4 所示。

圖 4 手機(jī)客戶端界面

通過圖 4 可以發(fā)現(xiàn)，手機(jī)可以實(shí)時顯示溫濕度，并對是否尿濕、是否亂動、是否啼哭等信息進(jìn)行選擇性接收。另外， 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時報警功能，并控制小喇叭播放音樂。

4 系統(tǒng)測試及閾值確定

根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)確定閾值的過程 ：使用求平均差的方法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要包括噪聲、濕度和壓力等數(shù)據(jù)。平均差定義見公式 [10]：

式中：采樣頻率為 f；每次處理的樣本個數(shù)為 n；連續(xù)超過閾值的次數(shù)為 m。系統(tǒng)的關(guān)鍵在于選擇合適的閾值。在檢測中， 我們將 m 設(shè)置為 1，為了消除極值的影響，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)分別去掉一個最大值和一個最小值，然后將統(tǒng)計結(jié)果通過串口輸出到串口工具。將串口采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以取得合適閾值，然后在單片機(jī)中設(shè)置相應(yīng)閾值位。在閾值確定時，可以通過設(shè)定 m 的取值來控制單片機(jī)報警的靈敏度。

4.1 噪聲采集結(jié)果

設(shè)置 f =10 Hz，n=30，m=1，噪聲采集結(jié)果如圖 5 所示，其中 ：“○”為有噪聲時統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù) ；“×”為安靜環(huán)境下采集到的數(shù)據(jù)。

4.2 濕度采集結(jié)果

設(shè)置 f =1 Hz，n=6，m=1， 濕度采集結(jié)果如圖 6 所示。前半部分為正?？諝庵械臐穸冉y(tǒng)計結(jié)果，后半部分為濕毛巾靠近濕度傳感器時的統(tǒng)計結(jié)果。

4.3 壓力采集結(jié)果

設(shè)置 f =1 Hz，n=6，m=1，壓力采集結(jié)果如圖 7 所示，前半部分為壓力未變化的統(tǒng)計結(jié)果，后半部分為壓力變化后的統(tǒng)計結(jié)果。

5 結(jié) 語

本文研究了一種基于 nRF51 單片機(jī)的智能嬰兒助手系統(tǒng)。經(jīng)過設(shè)計與測試，該系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測嬰兒所處環(huán)境的溫濕度、尿濕信息、啼哭信息和亂動信息等。單片機(jī)具有數(shù)據(jù)采集、判決和數(shù)據(jù)傳輸功能，各功能運(yùn)轉(zhuǎn)正常，探測結(jié)果準(zhǔn)確，可及時對嬰兒的異常狀態(tài)采取相應(yīng)措施，并向家長的手機(jī)發(fā)送通知。該系統(tǒng)可以成為家長育兒的得力助手，效果好且布設(shè)成本低，具有大規(guī)模推廣的潛質(zhì)。