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基于物聯(lián)網(wǎng)的兒童多功能智能化穿戴式系統(tǒng)研究

2017-09-30 00:53重慶工程學(xué)院李成勇鄒棟才
智能制造 2017年6期
關(guān)鍵詞:子系統(tǒng)客戶端智能

重慶工程學(xué)院 李成勇 鄒棟才

經(jīng)驗(yàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的兒童多功能智能化穿戴式系統(tǒng)研究

重慶工程學(xué)院 李成勇 鄒棟才

21世紀(jì)的社會(huì)是智能化社會(huì),智能生產(chǎn)、智能生活將是未來(lái)社會(huì)的必然趨勢(shì),隨著智能硬件在諸多行業(yè)的普及,可穿戴技術(shù)成為當(dāng)下一個(gè)熱門話題?;趦和闹悄艽┐骷夹g(shù)備受人們關(guān)注,已經(jīng)成為市場(chǎng)熱點(diǎn),有專家預(yù)測(cè),兒童智能手表和手環(huán)將是繼兒童手機(jī)之后的下一批市場(chǎng)潛力無(wú)限的產(chǎn)品。本文中產(chǎn)品擬以MSP430作為主控芯片將智能穿戴技術(shù)、人體區(qū)域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、運(yùn)動(dòng)科學(xué)、電子電路和云平臺(tái)等集為一體,構(gòu)建一個(gè)具有定位和追蹤、體征感知、運(yùn)動(dòng)感知、門禁識(shí)別以及APP查詢功能的兒童智能穿戴系統(tǒng),減輕家長(zhǎng)的壓力。

一、引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展,人們對(duì)智能化生活的要求不斷提高,可穿戴設(shè)備作為炙手可熱的新生代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,倡導(dǎo)的是人性化的無(wú)縫連接,是以人為本的“小智能”。就目前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展形勢(shì)來(lái)看,智能穿戴設(shè)備越來(lái)越高科技,這將是未來(lái)的必然發(fā)展趨勢(shì),也是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一大研究方向。兒童,作為備受全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn),對(duì)自身的身體狀況和安全狀況了解缺乏準(zhǔn)確認(rèn)知,我們正在設(shè)計(jì)一種能夠更好滿足這方面需求的產(chǎn)品。

二、系統(tǒng)的總體方案

本系統(tǒng)一方面把兒童體征情況及位置信息通過(guò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)送到云平臺(tái),由控制中心根據(jù)其具體情況進(jìn)行處理或發(fā)布;另一方面,穿戴設(shè)備構(gòu)成門禁系統(tǒng)的RFID識(shí)別標(biāo)簽,進(jìn)行簽到拍攝照片或視頻上傳云平臺(tái)供家長(zhǎng)查詢。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示,本系統(tǒng)分為智能穿戴子系統(tǒng)、門禁管理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理云平臺(tái)三個(gè)部分。采取分散監(jiān)控、集中操作和分級(jí)管理的方法,硬件架構(gòu)主要包括: 體征信息采集模塊、處理模塊、通信模塊、射頻識(shí)別模塊、圖像采集模塊以及云平臺(tái)等幾個(gè)模塊。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

三、智能穿戴子系統(tǒng)的功能說(shuō)明

智能穿戴子系統(tǒng):能實(shí)現(xiàn)兒童位置檢測(cè),體征數(shù)據(jù)檢測(cè),基本通信功能等,子系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 智能穿戴子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能框圖

門禁管理子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在兒童經(jīng)過(guò)門禁附近時(shí)自動(dòng)簽到,自動(dòng)識(shí)別兒童身上穿戴的電子標(biāo)簽,并觸發(fā)圖像頻視頻采集功能,實(shí)現(xiàn)兒童自行外出時(shí)的自動(dòng)監(jiān)控。另一方面把兒童體征情況及位置信息通過(guò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)送到云平臺(tái),由控制中心根據(jù)其具體情況進(jìn)行處理或發(fā)布,自動(dòng)簽到并拍攝照片或視頻上傳云平臺(tái)供家長(zhǎng)查詢。子系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 門禁管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)云平臺(tái)子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)智能終端數(shù)據(jù)匯總分析,家長(zhǎng)可以利用微信或者APP隨時(shí)獲取兒童信息,也可通過(guò)云平臺(tái)自行設(shè)定報(bào)警閾值。數(shù)據(jù)云平臺(tái)子系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)云平臺(tái)子系統(tǒng)

四、可穿戴終端設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以MSP430可穿戴腕表終端節(jié)點(diǎn)為核心組成部分,其制作水平直接影響到最終效果,因此,對(duì)本腕表終端節(jié)點(diǎn)的研究就有著舉足輕重的作用。本腕表終端節(jié)點(diǎn)基于可穿戴微電子技術(shù),多路傳感器集成技術(shù),多數(shù)據(jù)融合技術(shù)和無(wú)線通信等技術(shù)而設(shè)計(jì),主要由傳感器模塊、控制處理器、無(wú)線傳輸模塊、電源管理及充電電路五個(gè)部分組成,通過(guò)外接傳感器探頭獲得體溫信息經(jīng)硬件濾波、去噪和放大處理后再通過(guò) AD 采集即可獲得溫度數(shù)據(jù),通過(guò)接收姿態(tài)傳感器組的三軸加速度數(shù)據(jù)、三軸陀螺儀數(shù)據(jù)和三軸磁力計(jì)數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行多路數(shù)據(jù)融合,并結(jié)合姿態(tài)識(shí)別算法,即可得到人體的姿態(tài)信息和人體跌倒信息,再將上述數(shù)據(jù)打包成固定格式給數(shù)據(jù)云平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步處理。當(dāng)云平臺(tái)協(xié)調(diào)控制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到數(shù)據(jù)異?;蛘叩闺U(xiǎn)情發(fā)生時(shí),即會(huì)通過(guò) GSM 給指定用戶發(fā)送健康險(xiǎn)情短信提醒。

圖5 為基于MSP430的可穿戴腕表終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)框圖。主要通過(guò)溫度、GPS和姿態(tài)三種類型的傳感器模塊分別采集數(shù)據(jù),再通過(guò)MCU對(duì)多路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,處理并進(jìn)行多數(shù)據(jù)融合之后,將多路傳感器數(shù)據(jù)打包成為一個(gè)固定格式的串口數(shù)據(jù)包,再通過(guò)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)送給云指定 IP 地址的服務(wù)器進(jìn)行保存及后續(xù)云計(jì)算和管理。

圖5 可穿戴腕表終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.人體姿態(tài)檢測(cè)及跌倒預(yù)警電路接口設(shè)計(jì)

跌倒預(yù)警電路接口是基于MEMS的慣性傳感單元來(lái)對(duì)人體姿態(tài)及跌倒進(jìn)行檢測(cè),其內(nèi)嵌跌倒預(yù)警算法,通過(guò)對(duì)三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)等多模態(tài)高精度傳感器以組合測(cè)量的方式來(lái)對(duì)人體姿態(tài)進(jìn)行綜合檢測(cè)。

2.門禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門禁管理系統(tǒng)的核心為讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器的核心部分是控制單元、高頻通訊模塊和天線,主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)非接觸式IC卡的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和存儲(chǔ)。讀寫(xiě)器的控制單元不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻卡的控制,還具有以下處理功能:認(rèn)證、數(shù)據(jù)加解密、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、出錯(cuò)報(bào)警以及與計(jì)算機(jī)通信。

3.數(shù)據(jù)云平臺(tái)

系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)軟件、匯聚節(jié)點(diǎn)軟件和體溫采集節(jié)點(diǎn)軟件。上位機(jī)軟件根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)。如果原有網(wǎng)絡(luò)留有開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口,可以將數(shù)據(jù)直接輸入原軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理。也可以單獨(dú)設(shè)計(jì)針對(duì)體溫監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的上位機(jī)軟件,完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、聲光報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢及打印報(bào)表等功能,并可以根據(jù)設(shè)定的閾值主動(dòng)向家長(zhǎng)發(fā)送短信系統(tǒng)。

五、軟件架構(gòu)和開(kāi)發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以可靠性、安全性為基本原則,以模塊化、可擴(kuò)展升級(jí)為指導(dǎo)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要包含終端傳感的軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)云平臺(tái)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及終端客戶的軟件設(shè)計(jì)等。

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的是基于兒童智能穿戴式集安全檢測(cè)、身體狀況監(jiān)測(cè)和智能化幼兒園兒童門禁系統(tǒng)為一體,本產(chǎn)品可分為智能穿戴單元、遠(yuǎn)程管理單元和門禁管理單元三部分。

(1)智能穿戴單元,智能穿戴單元,位于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的下層,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)兒童的生理情況以及人身安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制的功能,并通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳至云平臺(tái),以供家長(zhǎng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)位置狀態(tài)及身體狀態(tài)等。人身管理單元需要硬件與軟件配合,以便實(shí)現(xiàn)其功能。

(2)門禁管理單元,主要在幼兒園實(shí)現(xiàn)兒童入園檢測(cè),小區(qū)入口檢測(cè)等功能,通過(guò)RFID技術(shù)識(shí)別兒童的智能穿戴設(shè)備的標(biāo)簽,進(jìn)行簽到同時(shí)觸發(fā)拍照事件并且上傳照片或視頻至云平臺(tái)供家長(zhǎng)查詢。

(3)遠(yuǎn)程管理單元,位于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的上層,主要實(shí)現(xiàn)人身管理單元上傳數(shù)據(jù)的綜合分析與處理和家長(zhǎng)支持系統(tǒng)兩種功能。通過(guò)將所有數(shù)據(jù)上傳到中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析(云計(jì)算),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兒童身體健康的監(jiān)測(cè),對(duì)兒童人身安全的判斷。遠(yuǎn)程管理單元主要依靠軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能。

1.終端傳感模塊子系統(tǒng)流程圖

此部分軟件實(shí)現(xiàn)了傳感器的采集與數(shù)據(jù)傳輸工作,終端傳感模塊的功能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流和傳感器節(jié)點(diǎn)采集功能如圖6和圖7所示。

2.客戶端

圖6 功能模塊子系統(tǒng)流程圖

圖7 傳感器采集功能流程圖

客戶端選用基Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)的手機(jī)app,Android對(duì)于系統(tǒng)的要求并不苛刻,絕大部分手機(jī)可以運(yùn)用。這就可以實(shí)現(xiàn)客戶端的普遍應(yīng)用性。手機(jī)客戶端分為兩個(gè)等級(jí),分別是家長(zhǎng)客戶端和兒童客戶端。家長(zhǎng)客戶端功能可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢產(chǎn)品反饋的數(shù)據(jù),并且可以自動(dòng)連接互聯(lián)網(wǎng)查詢相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。兒童客戶端主要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品采集信號(hào)的統(tǒng)一記錄、匯總和向云端發(fā)送數(shù)據(jù)??蛻舳肆鞒虉D如圖8所示。

圖8 客戶端流程圖

3.云平臺(tái)

手機(jī)端收到藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息,自動(dòng)通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上傳到云平臺(tái),由云平臺(tái)提供包括體溫、心脈及位置等數(shù)據(jù)的計(jì)算,再自動(dòng)將異常數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)發(fā)送到其他手機(jī)客戶端,并保存當(dāng)前數(shù)據(jù),以供客戶端隨時(shí)查詢。云端系統(tǒng)流程圖如圖9所示。

圖9 云端系統(tǒng)流程圖

六、結(jié)語(yǔ)

隨著用戶群的擴(kuò)大,智能穿戴設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入飛速發(fā)展的階段,基于兒童的智能穿戴設(shè)備也備受人們關(guān)注,很多技術(shù)障礙被突破,通過(guò)對(duì)兒童智能穿戴設(shè)備使用者及其家長(zhǎng)的使用習(xí)慣調(diào)研,筆者認(rèn)為基于兒童的智能穿戴系統(tǒng)的功能有以下幾點(diǎn)需要更加完善。

(1)完備的傳感系統(tǒng),本設(shè)計(jì)考慮很多兒童不會(huì)描述自己身體狀況,如發(fā)燒不會(huì)告訴家長(zhǎng)或老師,摔跤后也不會(huì)報(bào)告老師或家長(zhǎng)進(jìn)行傷口處理,因而系統(tǒng)采用了體表溫度檢測(cè),跌倒檢測(cè)等傳感器,幫助家長(zhǎng)了解兒童身體狀態(tài),避免錯(cuò)失治療的最好時(shí)機(jī)。

(2)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,考慮到小朋友活潑的特性,防震、防水也是必要的,不會(huì)因?yàn)橥獠康母蓴_導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況,采集的數(shù)據(jù)會(huì)最大程度反映穿戴者的身體信息。

(3)配合RFID門禁識(shí)別系統(tǒng)簽到,兒童的外出安全問(wèn)題是社會(huì)問(wèn)題,本設(shè)計(jì)結(jié)合RFID射頻識(shí)別技術(shù),在兒童經(jīng)過(guò)門禁附近時(shí),進(jìn)行簽到。自動(dòng)識(shí)別兒童身上穿戴的電子標(biāo)簽,并觸發(fā)圖像采集功能,或者視頻采集,對(duì)兒童自行上學(xué)放學(xué),回家離家事件進(jìn)行監(jiān)控。

(4)便捷的信息訪問(wèn)云平臺(tái),家長(zhǎng)可以利用微信或者APP隨時(shí)獲取兒童信息,也可通過(guò)云平臺(tái)自行設(shè)定報(bào)警閾值,通過(guò)有效途徑通知家長(zhǎng)。

本系統(tǒng)可以讓家長(zhǎng)第一時(shí)間了解到孩子的身體狀態(tài),且系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,不會(huì)因?yàn)橥獠康母蓴_導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況,采集的數(shù)據(jù)會(huì)最大程度反映穿戴者的身體信息。通過(guò)RFID射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)兒童自行上學(xué)、放學(xué)、回家以及離家事件進(jìn)行監(jiān)控,進(jìn)一步提升了兒童的外出安全性,家長(zhǎng)還可以通過(guò)云平臺(tái)、微信或者APP隨時(shí)獲取兒童信息。

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