杜寶強，朱傳奇，武 濤

（1.中國電子技術(shù)標準化研究院，北京 100000；2.安徽理工大學，安徽 淮南 232001；3.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司安徽省分公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

嬰兒床是每一個生育家庭必備的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的嬰兒床只是在普通床的基礎(chǔ)上進行縮小，加上床周圍的防護，某些嬰兒床還會添加音樂播放哄睡功能，但從根本上不能減輕嬰兒父母的看護強度。因此，開發(fā)一款“智慧”智能嬰兒床是非常有必要的[1]。國外的智能嬰兒床偏向于醫(yī)療健康方面，注重嬰兒生命體征的監(jiān)測，比如血壓、體溫等[2]，國內(nèi)對此方面的研究尚處于起步階段。本文就基于上述問題采用傳感器采集技術(shù)和CC2530主控芯片，利用ZigBee自組網(wǎng)功能接入云平臺對采集傳輸?shù)慕K端實時數(shù)據(jù)進行存儲，并利用相應(yīng)的Web頁面和手機消息通知實現(xiàn)對智能嬰兒床的實時有效監(jiān)控。

1 智能嬰兒床遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)研究的是智能嬰兒床遠程監(jiān)控系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容為尿濕檢測、掉床檢測、啼哭檢測、空氣質(zhì)量檢測，包括傳感器、協(xié)調(diào)器的有關(guān)設(shè)定、微處理器及其網(wǎng)絡(luò)傳輸部分。組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

主控芯片：主控芯片選用CC2530芯片，它主要將相關(guān)傳感器采集的數(shù)據(jù)打包上傳。

傳感器模塊：傳感器模塊主要負責采集嬰兒床的具體信息，本系統(tǒng)利用溫濕度傳感器檢測兒童是否尿床，使用聲音傳感器檢測兒童是否哭泣，利用壓力傳感器判斷兒童是否存在掉床的風險，同時使用空氣質(zhì)量傳感器判斷兒童是否處于優(yōu)質(zhì)的環(huán)境中。

無線通信模塊：無線通信模塊將ZigBee模塊與WiFi模塊相結(jié)合，ZigBee模塊實現(xiàn)傳感器與主控芯片之間的通信，WiFi模塊實現(xiàn)主控芯片與云平臺之間的通信。

云平臺：云平臺主要用于存儲傳感器數(shù)據(jù)，可供家長實時查看孩子的睡眠質(zhì)量。

電源模塊：電源模塊主要為其他各模塊供電。

報警模塊：系統(tǒng)檢測出異常狀態(tài)后，如尿濕、啼哭等，將發(fā)出報警信號，讓家長可以及時處理，以免孩子發(fā)生意外。

1.1 CC2530主控芯片

本設(shè)計選用由TI公司生產(chǎn)的第二代IEEE802.15.4、ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)芯片CC2530作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心。此款芯片可以以極低的功耗工作并傳輸信息[3]。

CC2530模塊原理如圖2所示。

圖2 CC2530電路原理

1.2 電源電路設(shè)計

電源模塊主要負責為主控芯片以及嬰兒床的傳感器供電，利用手機充電器的電源和數(shù)據(jù)線很容易滿足電源要求。（但要注意，現(xiàn)如今很多設(shè)備的USB輸出電壓并非都是5 V），再通過電壓轉(zhuǎn)換電路將5 V電壓轉(zhuǎn)成3.3 V提供給CC2530芯片供電[4]。USB電壓轉(zhuǎn)換供電電路如圖3所示。

圖3 USB電壓轉(zhuǎn)換供電電路

1.3 仿真器接口設(shè)計

仿真器接口即為CC2530芯片的程序下載接口，本設(shè)計選用SmartRF04EB仿真器，其電路如圖4所示。

圖4 程序下載接口電路

1.4 尿濕檢測

本系統(tǒng)選用溫濕度傳感器DHT11檢測兒童是否尿床，該傳感器包括一個測溫元件NTC，一個電阻式感濕元件和一個高性能的八位處理器。它的突出特點是響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、性價比極高[5]。它可以對采集的數(shù)據(jù)進行校準并輸出。DHT11的實物與接線圖如圖5所示。從圖中可以看出，DHT11有3個端口，其中VCC為電源端，GND為接地端，DATA為串行數(shù)據(jù)端，通過單總線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 DHT11的實物與接線圖

1.5 掉床檢測

智能嬰兒床的掉床檢測選擇YL-A1壓力傳感器。當檢測到壓力傳感器數(shù)值發(fā)生大幅變化時，就意味著兒童睡覺時身體有大幅運動，存在掉床的風險，系統(tǒng)發(fā)出報警信號。在感知到外界壓力變化時，傳感器的電阻值也會隨之發(fā)生變化，這樣我們就可以根據(jù)檢測到的電信號變化情況得到壓力變化情況。YL-A1傳感器模塊利用1個傳感器元件串聯(lián)1個510 kΩ電阻，其工作電壓為3.3～5 V，控制信號為模擬信號。

1.6 啼哭檢測

本系統(tǒng)選用SY-01聲音傳感器來檢測兒童是否存在啼哭行為，同時還可以檢測周圍環(huán)境的聲音強度，為兒童提供一個相對安靜的睡眠場所。SY-01聲音傳感器工作過程可概括為：模塊在相對安靜的正常環(huán)境背景音情況下輸出高電平，當環(huán)境噪音超過設(shè)定值時輸出低電平[6]。電路原理如圖6所示。

圖6 SY-01傳感器原理

1.7 空氣質(zhì)量檢測

本系統(tǒng)選用MQ-2傳感器檢測孩子睡覺時周圍的環(huán)境情況。氣體傳感器（MQ-2）具有諸多優(yōu)點，突出表現(xiàn)在其具有極低的延遲響應(yīng)、強抗干擾能力[7]。在使用MQ-2傳感器時需注意其輸出的是模擬量，并非數(shù)字量，因此需要額外一個數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量[8]。MQ-2傳感器使用廣泛，成本極低，可檢測多種煙霧氣體，是產(chǎn)品大規(guī)模推廣的必備之選。MQ-2氣體傳感器原理電路如圖7所示。

圖7 MQ-2氣體傳感器原理

1.8 網(wǎng)絡(luò)模塊

WiFi模塊選用ESP8266模塊，ESP8266 WiFi可工作在AP、Station與AP+Station三種模式下，并且可以通過軟件實現(xiàn)模式切換，通常使用AT指令進行控制。模塊的協(xié)調(diào)器上安裝有LED指示燈，當ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點上有數(shù)據(jù)接收時，相應(yīng)的LED燈開始閃爍[9]。

1.9 報警電路設(shè)計

當系統(tǒng)檢測出有毒氣體以及兒童出現(xiàn)尿濕、啼哭、掉床風險時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，迅速通知家長，讓家長及時處理異常情況，以免兒童的睡眠質(zhì)量受到影響。

本系統(tǒng)選用蜂鳴器作為報警信號，按照驅(qū)動方式的原理可分為兩種。一種是無源蜂鳴器，另一種是有源蜂鳴器，有源蜂鳴器使用方便，無源蜂鳴器成本低且使用靈活[10]。本次報警信號選用FM01有源蜂鳴器，其具有高可靠性、聲音清脆等特點。該蜂鳴器采用S8550三極管驅(qū)動，電壓工作范圍為3.3～5 V。當I/O口輸入低電平時，蜂鳴器動作發(fā)出聲音。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

終端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集部分主要包括采集溫濕度、壓力、空氣質(zhì)量、聲音等數(shù)據(jù)，每部分的工作流程類似，本文詳細介紹了溫濕度傳感器DHT11的工作流程與程序，其他部分不再贅述。

在本實驗中，溫濕度檢測是由串口以及P0_7來配置完成，其主程序為：

3 云平臺設(shè)計

云平臺的搭建可以利用中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺OneNET。在OneNET云平臺上首先完成賬號注冊，之后登錄賬號，在產(chǎn)品服務(wù)中找到多協(xié)議接入，添加所需的設(shè)備傳感器。產(chǎn)品注冊完成后界面如圖8所示。

圖8 設(shè)備查詢界面

利用OneNET接入設(shè)備后，用戶即可對所添加的設(shè)備進行遠程實時監(jiān)控和查詢。查詢結(jié)果如圖9～圖12所示。

圖9 溫度數(shù)據(jù)

圖10 濕度數(shù)據(jù)

圖11 壓力傳感器數(shù)據(jù)

圖12 空氣質(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)

當有觸發(fā)條件時，系統(tǒng)會通過郵件發(fā)送至客戶端，圖13為濕度、壓力數(shù)據(jù)超出設(shè)定值時的觸發(fā)情況。

圖13 警報發(fā)送情況

4 結(jié) 語

本文設(shè)計搭建了基于物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控功能的智能嬰兒床監(jiān)控系統(tǒng)，利用傳感器采集技術(shù)來構(gòu)建智能嬰兒床的終端信息采集模塊，從整體上看，監(jiān)控系統(tǒng)能在一定程度上減輕家長的負擔。該系統(tǒng)具有布線簡單等優(yōu)點，能夠?qū)崟r監(jiān)測孩子睡覺時的狀況，性能穩(wěn)定，性價比較高。但由于作者水平有限，系統(tǒng)還存在諸多問題需要完善，也必將不斷吸收采納最新的技術(shù)手段，爭取創(chuàng)造更大的社會價值。