淺析嬰兒睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，嬰幼兒總數(shù)也位居前列。嬰兒監(jiān)護(hù)一直是家庭關(guān)心的重要問題。目前大多數(shù)家庭還是主要依靠家人時(shí)時(shí)刻刻看守著孩子，這就造成了父母正常工作、休息等的不便。

同時(shí)，因?yàn)閶雰簺]有行為能力，若嬰兒在尿濕、踢被、翻身和睡醒等狀態(tài)時(shí)能夠及時(shí)地被發(fā)覺，父母就可以及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施。為此本文以微處理器為核心，結(jié)合外圍電路檢測(cè)嬰兒實(shí)時(shí)狀態(tài)，并且引用遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)原理，融合視頻監(jiān)護(hù)的技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能的嬰兒睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能及原理

本系統(tǒng)采用ATMEL公司生產(chǎn)的高性能ATmega64單片機(jī)作為微處理器，包含尿濕檢測(cè)、翻身檢測(cè)、踢被檢測(cè)、感光檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)、體溫檢測(cè)、語音提示、振動(dòng)提示和彩燈撫慰等部分。其中采用尿濕感應(yīng)墊檢測(cè)嬰兒是否尿床;利用紅外發(fā)射接收技術(shù)檢測(cè)嬰兒是否踢被。當(dāng)檢測(cè)的信息超出正常范圍時(shí)，單片機(jī)將控制語音芯片，實(shí)時(shí)播放報(bào)警信息。此外系統(tǒng)采用溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度和濕度、采用非接觸式紅外傳感器檢測(cè)嬰兒體溫的功能。在報(bào)警提醒方面，在實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警的同時(shí)，考慮到在環(huán)境嘈雜情況下語音信息不能清晰地傳遞，系統(tǒng)添加了振動(dòng)提示;根據(jù)環(huán)境的不同可以設(shè)定不同的報(bào)警方式。

微處理器一方面利用上述外圍電路采集嬰兒實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，另一方面通過無線傳輸?shù)姆绞脚c上位機(jī)(Web服務(wù)器)進(jìn)行串口通信，上位機(jī)將嬰兒實(shí)時(shí)狀態(tài)及嬰兒視頻信息通過IIS服務(wù)對(duì)外發(fā)布，實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能單元設(shè)計(jì)

2.1 尿濕檢測(cè)單元

尿濕檢測(cè)部分采用有一定阻值的特制墊子檢測(cè)信號(hào)。嬰兒躺在這種墊子上，墊子通過引線連到單片機(jī)帶A/D轉(zhuǎn)換的I/O端口上(EMI1是信號(hào)輸出腳)。因自身有一定阻值，所以會(huì)有初始電壓。通過對(duì)端口電壓值的A/D采樣處理，可以根據(jù)實(shí)際情況智能設(shè)計(jì)尿濕報(bào)警門限值，避免了普通開關(guān)式測(cè)量帶來的誤判。當(dāng)嬰兒發(fā)生尿床時(shí)，墊子電壓就會(huì)升高。當(dāng)經(jīng)單片機(jī)處理后的電壓值超過設(shè)定電壓的門限值上限時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)提示報(bào)警，及時(shí)將報(bào)警信息告知父母[1-2]，電路圖如圖2所示。

2.2 踢被檢測(cè)單元

踢被檢測(cè)采用紅外線發(fā)射-接收技術(shù)。踢被檢測(cè)分為紅外發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分采用AVR系列單片機(jī)ATmega8作為中央處理器，為增大驅(qū)動(dòng)能力，在紅外發(fā)射管前面連接三極管QN1和QN2，用單片機(jī)I/O口TXD和OC1A電平的變化來控制三極管的通斷，進(jìn)而控制紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線;紅外發(fā)射和接收部分電路如圖3、圖4所示

另外為增大發(fā)射功率和發(fā)射角度，在電路中采用了兩個(gè)紅外發(fā)射管并聯(lián)，同時(shí)發(fā)射。為避免環(huán)境中別的紅外信號(hào)的干擾，在程序中做了設(shè)置：在發(fā)射程序中讓紅外發(fā)射管發(fā)出一定的加密數(shù)據(jù)，在接收程序中檢測(cè)接收的數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)接收的數(shù)據(jù)正確時(shí)，系統(tǒng)則自動(dòng)提示嬰兒踢被報(bào)警信息。

2.3 溫濕度傳感器測(cè)溫濕單元

系統(tǒng)采用SHT10系列傳感器對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行測(cè)量。它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接[3]。該產(chǎn)品具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試電路圖如圖5所示。

2.4 體溫檢測(cè)功能

系統(tǒng)采用非接觸式紅外體溫傳感器MLX90614對(duì)嬰兒體溫進(jìn)行測(cè)量。MLX90614模塊外圍電路如圖6所示。它由紅外溫度傳感器、低噪聲放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP 單元、脈寬調(diào)制電路及邏輯控制電路構(gòu)成。熱電耦輸出的溫度信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部高性能、低噪聲的運(yùn)算放大器放大后送給模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，ADC輸出的17位數(shù)字量經(jīng)過可編程FIR和IIR低通濾波器處理后輸出，該輸出作為測(cè)量結(jié)果保存在MLX90614內(nèi)部RAM存儲(chǔ)單元中，可以通過SMBus協(xié)議讀取。其中模塊引腳MCU_SCL(SMBus串行時(shí)鐘輸入)連到單片機(jī)的時(shí)鐘腳上;MCU_SDA(數(shù)字輸出)連到單片機(jī)的I/O口上;VDD是模塊的供電引腳;VSS接地，為增強(qiáng)模塊的測(cè)量精確性，在VDD和VSS間串接了一個(gè)電容來提高濾波效果。

2.5 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)模塊

本系統(tǒng)通過嬰兒信息采集器的RS232接口與系統(tǒng)上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。上位計(jì)算機(jī)同時(shí)作為Web服務(wù)器，通過局域網(wǎng)連接到Internet，以提供遠(yuǎn)程監(jiān)視和智能控制功能[4-5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

無線通信主要完成服務(wù)器與信息采集器之間的串口通信，讀寫嬰兒房間及嬰兒狀態(tài)各種參數(shù)，同時(shí)將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端，以備客戶端通過網(wǎng)絡(luò)訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

該模塊主要應(yīng)用MSComm控件和Modbus協(xié)議，實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器與帶RS-232輸出接口的智能嬰兒信息采集器的串口通信功能。采用MSComm 控件接收數(shù)據(jù)，按照接收方式分兩種方式：事件驅(qū)動(dòng)方式及定時(shí)查詢方式。在這里為了獲得嬰兒狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用定時(shí)驅(qū)動(dòng)方式。若定時(shí)器計(jì)時(shí)到，通過串行通信口向指定地址信息采集器發(fā)出讀寫等操作命令，等待時(shí)間到則檢查InBufferCount屬性值，判斷輸入緩沖區(qū)中是否接收到了相應(yīng)數(shù)目的字符，從而進(jìn)行讀取、判斷數(shù)據(jù)合法性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理等操作，其基本屬性如表1所示[6]。程序流程圖如圖8所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)本文提出的思路和方法，設(shè)計(jì)并制作出了多功能嬰兒睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能均滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定。系統(tǒng)在傳感器檢測(cè)靈敏度方面還存在不足，程序不夠優(yōu)化，外觀不夠優(yōu)美等，這些不足有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

3.1 測(cè)試溫濕度部分誤差分析

在使用SHT10傳感器測(cè)試溫度濕度時(shí)存在一部分誤差，分析原因主要有：(1)測(cè)試溫濕度的這款傳感器是數(shù)字輸出傳感器，它所要求的測(cè)試條件為25℃，而在現(xiàn)實(shí)使用中隨著環(huán)境溫度的變化，其測(cè)試條件也在逐漸的改變，從而影響了其精度;(2)測(cè)試溫濕度程序的優(yōu)化程度有待提高，雖然程序中已加入溫度補(bǔ)償，但受補(bǔ)償溫度范圍的限制，檢測(cè)結(jié)果依舊存在一定的誤差。

3.2 紅外測(cè)溫部分誤差分析

當(dāng)使用MLX90614傳感器非接觸測(cè)試體溫時(shí)，在滿足系統(tǒng)要求精度的同時(shí)，經(jīng)測(cè)試結(jié)果(見表2)分析發(fā)現(xiàn)存在部分誤差，原因主要有：

(1)MLX90614傳感器的醫(yī)療精確度版本MLX90614DAA，是在環(huán)境溫度10℃~40℃和被測(cè)物體溫度32℃~42℃范圍內(nèi)且假設(shè)紅外感應(yīng)器處在均衡的溫度環(huán)境中(所謂均衡的溫度環(huán)境是指在感應(yīng)器封裝表面不存在溫度梯度差)。感應(yīng)器的精確度會(huì)受這種溫度差影響，造成這種溫度差的原因有：發(fā)熱電子器件處在感應(yīng)器背部，加熱器或者散熱器距離感應(yīng)器太近等。此類感應(yīng)器本身采用了熱梯度差補(bǔ)償原理，從而使得由熱梯度造成的誤差大大減小。但是，并不意味著這種誤差可以完全消除。所以，感應(yīng)器的排放位置或者環(huán)境都會(huì)對(duì)感應(yīng)器的測(cè)量帶來誤差。

(2)測(cè)試體溫的程序優(yōu)化程度有待提高，雖然程序中已加入溫度補(bǔ)償，但受補(bǔ)償溫度范圍的限制，檢測(cè)結(jié)果仍然存在一部分誤差。

基于紅外廣角發(fā)射、紅外測(cè)溫原理和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的嬰兒睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有功能強(qiáng)、智能化、性能可靠、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本系統(tǒng)方案不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與無線控制，而且也可以實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，并且在發(fā)生異常狀況時(shí)能及時(shí)地在手持設(shè)備上顯示報(bào)警信息及報(bào)警提示等。但系統(tǒng)在踢被檢測(cè)、系統(tǒng)供電等方面有待改進(jìn)。同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間延遲是基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的問題之一，它是客觀存在的，不能消除的，而且它直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制品質(zhì)。相信經(jīng)過今后的不斷修正，系統(tǒng)能夠更加完善，也希望這款嬰兒睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠早日進(jìn)入每一個(gè)家庭。

參考文獻(xiàn)

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