惠州學院 陳學軍 鐘少磊

本文由主控單元軟件硬件和物聯(lián)網(wǎng)應用層設計部分構成，概括地介紹了本智能嬰兒服的設計。系統(tǒng)以STM32F103系列芯片作為核心控制芯片，控制傳感器和GPRS通信模塊進行數(shù)據(jù)的遠程收發(fā)和監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)應用層以微信小程序為主，主要通過Websocket連接服務器端的數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送。

引言：我們團隊的研究目標是制造出一款智能嬰兒服，實現(xiàn)可家用的穿戴醫(yī)療設備的設想，幫助家長更便捷更準確地了解孩子的情況。

針對現(xiàn)有嬰兒監(jiān)控設備無法隨身攜帶、獨立性差、準確度較差、孩子遠離無法提供定位報警信息的問題，本文設計了一套基于GPRS無線通信技術和STM32芯片的嬰兒服無線監(jiān)控調(diào)溫系統(tǒng)。這也是未來萬物互聯(lián)的應用方向之一，具有良好的前景。

本文章以智能嬰兒服設計的核心，即主控單元兼移動監(jiān)測調(diào)溫終端的設計作為主體，用戶操作小程序的設計為輔助來介紹本項目設計。

2.系統(tǒng)總方案體設計

智能嬰兒服實時監(jiān)測調(diào)溫系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下三個功能：嬰兒狀況監(jiān)測、智能溫度控制、嬰兒定位。系統(tǒng)整體設計結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設計結構框圖

本設計由STM32為主控制器，通過GPRS模塊，將現(xiàn)在傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測和遠程數(shù)據(jù)采集功能。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過串口傳送給GPRS模塊，打包為數(shù)據(jù)包并按照TCP/IP協(xié)議與Internet上的服務器建立連接，將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器。

孩子身上的各傳感器數(shù)據(jù)被設計為每隔半個小時上傳一次到服務器，并在家長的微信小程序端顯示穿戴智能嬰兒服時記錄到的數(shù)據(jù)，以圖表的方式統(tǒng)計嬰兒的身體狀況，家長以此可掌握孩子的狀態(tài)；嬰兒服上放置一片發(fā)熱片，家長可通過手機小程序端控制加熱的檔位；主控板裝有GPS定位裝置，同時輔助以基站定位，保證孩子在國內(nèi)大部分地區(qū)的位置信息可以被探測到，并在手機小程序端顯示；手機端可以由家長設置地理圍欄，使得當穿著智能嬰兒服的孩子超過地理圍欄時，可以自動向家長手機報警。

3.系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件部分主要是由STM32F103RBT6低功耗芯片作為MCU核心控制器，以SIM808為GPRS通信模塊兼GPS定位模塊，傳感器應用MLX90614溫度傳感器、Pulse Sensor脈搏傳感器、熱敏電阻、濕度傳感器和三軸加速度傳感器，另外再應用發(fā)熱片，實現(xiàn)對嬰兒體溫、心率、室溫、尿布狀態(tài)監(jiān)測、運動狀態(tài)監(jiān)測和衣服溫度控制。

3.1 微處理器模塊

STM32F103RBT6是一款基于Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)的32位增強型微處理器，旨在為MCU用戶提供新的開發(fā)自由度。CPU最高速度達72 MHz，32K字節(jié)Flash，采用64腳LQFP封裝。自帶IIC、SPI和多個串口，可以滿足本系統(tǒng)設計豐富外設的需求；系統(tǒng)自帶RTC、看門狗等模塊，RTC可以為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運行提供時間標記，看門狗可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。片上集成一個溫度傳感器。最多多達11個定時器：4個16位定時器，每個定時器有4個ICOCPWM或者脈沖計數(shù)器。2個16位的6通道高級控制定時器：最多6個通道可用于PWM輸出；多達13個通信接口：2個IIC接口（SMBusPMBus）；5個USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調(diào)試控制）；3個SPI接口（18 Mbits），兩個和IIS復用；CAN接口（2.0B）；USB 2.0全速接口；SDIO接口。STM32由于它豐富的庫函數(shù)，IO類型多，功能強大，完全可以實現(xiàn)我們團隊的開發(fā)需求。

3.2 通信模塊

通信模塊采用SIM808這款由SIMCOM（芯訊通）公司開發(fā)的GPRS通信模塊，其內(nèi)置藍牙、GPS芯片，工作頻率為GSM/GPRS：850/ 900/ 1800/ 1900MHz，支持標準的AT命令，全球可用，能夠實現(xiàn)發(fā)短信、打電話、GPRS傳輸數(shù)據(jù)、GPS定位等功能。

該模塊通過UART2串口與STM32連接，波特率為115200bit/s。使用時，首先將中國移動SIM卡插入SIM卡槽，然后通過STM32向SIM808模塊發(fā)送AT指令，可實現(xiàn)相應的功能調(diào)用，包括完成系統(tǒng)的啟動，初始化串口，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、數(shù)據(jù)流控制、奇偶校驗等；后使用AT指令注冊中國移動網(wǎng)絡實現(xiàn)上網(wǎng)，最后和遠端的阿里云服務器建立TCP連接，隨后便可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。這樣可以在全國范圍有移動基站的地方自由行動，方便隨時掌握使用者（孩童）的位置。

3.3 各傳感器節(jié)點

傳感器分別使用了不同的通訊協(xié)議和STM32主控芯片進行通訊，如IIC、SPI和TTL等。

溫度傳感器使用的是MLX90614非接觸紅外溫度傳感器，這是一款性能和精度都較高的溫度測量產(chǎn)品，在醫(yī)療，工業(yè)等領域應用較多；有四個引腳，使用SMBus協(xié)議，通過控制SCL引腳進行數(shù)據(jù)讀取。這款溫度傳感器主要用于對嬰兒體溫進行監(jiān)測；另外使用了一個熱敏電阻，通過一定的算法轉換電壓的變化，可以測量出較準確的溫度。這個設計主要用于室溫的監(jiān)測，為發(fā)熱片自動調(diào)整發(fā)熱檔位提供環(huán)境參數(shù)。

心率監(jiān)測使用了Pulse Sensor脈搏傳感器，它是通過檢測光反射信號（PPG），利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏測量。傳感器對光電信號進行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值。STM32通過將采集到的模擬信號值轉換為數(shù)字信號，再通過簡單計算就可以得到心率數(shù)值。

濕度傳感器使用了自己設計的方案，使用時，長條狀的濕度傳感器的一頭接入主控器，另一頭置入尿布內(nèi)，這樣可以簡單的通過測量因為濕度引起的材料電阻變化，判斷尿布中是否有較多尿液，從而判斷嬰兒是否需要更換尿布。這款濕度傳感器是被作為一次性用品來設計的，原因是考慮到實際使用過程中，濕度傳感器是需要直接置入嬰兒使用的尿布內(nèi)，直接感知尿液的存在，所以可以在使用完后應當隨著尿布一同丟棄，客戶也一般不會多次使用。

運動狀態(tài)感知模塊使用了三軸加速度傳感器和聲音傳感器，兩者被設計為直接安裝在主控板上。嬰兒穿戴本智能服時，測量的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32主控器一定的算法分析嬰兒此時是躺著還是站著、側睡還是臥睡、睡覺時是否安穩(wěn)、是否在劇烈運動等。該設計可以感知嬰兒是否起床、感知睡眠姿態(tài)、統(tǒng)計分析孩子睡眠質量等，可以為孩子家長提供預警或者相關的分析數(shù)據(jù)以及建議。各傳感器節(jié)點設計流程圖如圖2。

圖2 傳感器設計流程圖

3.4 發(fā)熱片模塊

發(fā)熱片模塊使用了聚酰亞胺薄膜PI電熱膜，它是以聚酰亞胺薄膜為外絕緣體，以金屬箔、金屬絲為內(nèi)導電發(fā)熱體，經(jīng)高溫高壓熱合而成。聚酰亞胺電熱膜具有優(yōu)異的絕緣強度，優(yōu)異的抗電強度，優(yōu)異的熱傳導效率，優(yōu)異的電阻穩(wěn)定性，從而廣泛適用于電加熱領域。它的柔軟性能好，可彎曲，預熱速度快、使用壽命長，厚度僅0.4mm。由于耗電量較大，發(fā)熱片電路設計為外接電源，經(jīng)過主控板穩(wěn)壓轉換為7V的電壓后輸出至發(fā)熱片。經(jīng)過計算，這款發(fā)熱片在7V電壓下，置入衣服內(nèi)最高可感受溫度為40度，絕不會燙傷嬰兒的柔嫩肌膚。

4.系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計可以分成中控系統(tǒng)軟件設計和小程序前端設計兩部分，而傳感器系統(tǒng)和GPS定位包含于中控系統(tǒng)之中。

4.1 中控系統(tǒng)

中控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示，中控系統(tǒng)上電后，先初始化各個模塊、開啟定時器中斷方式，然后開始通過串口和各引腳軟件模擬時序收集各傳感器的信息并判斷數(shù)據(jù)是否正確且有效，若無效則返回中斷入口程序；STM32芯片通過串口輸出AT指令到GPRS模塊進行注冊上網(wǎng)并連接到我們的阿里云服務器，若連接不成功或者斷線則自動重新連接；連接成功后，程序開始主循環(huán)，中控系統(tǒng)開始處理傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)包并發(fā)送給服務器端。

圖3 中控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖

傳感器的數(shù)據(jù)處理流程主要是先采集室溫傳感器的數(shù)據(jù)，數(shù)字化處理后得到的溫度數(shù)據(jù)一旦低于家長預設的溫度，則開啟發(fā)熱片；隨后通過IIC、SPI等方式采集體溫傳感器、心率傳感器和三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)，若使用了濕度傳感器，則同時采集濕度傳感器的數(shù)據(jù)。

4.2 小程序前端設計

小程序的系統(tǒng)界面設計如圖4。在本設計的小程序主頁可以直接查看孩子的心率、體溫、室溫、GPS定位地址、是否尿濕和報警狀況，可以查看主控器的剩余電量并且可以控制加熱檔位或者開啟自動調(diào)溫模式。另外在健康日志可以看到本系統(tǒng)對傳感器數(shù)據(jù)進行分析后得到的對孩子智能建議和指導。

圖4 小程序系統(tǒng)界面設計

當家長點擊加熱檔位時，就可以遠程地直接對嬰兒服的發(fā)熱片輸出功率進行控制；當點擊小孩位置時，可以進入地圖界面，然后設置地理圍欄，即對孩子可以行動的地方進行范圍的劃定，一旦超出范圍則會立刻向家長報警，如圖5所示。

在小程序系統(tǒng)設計中，我們團隊考慮增加與兒童醫(yī)院的合作，建立醫(yī)生問診的系統(tǒng)界面，當孩子身體不舒服，可以把收集到的數(shù)據(jù)由家長一鍵發(fā)送給相關的醫(yī)生，大致的判斷孩子的身體狀況，以便家長做出進一步的處理。

圖5 小程序地理圍欄設置

5.結論

在日益增長的嬰兒出生率和快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術的時代背景下，智能服裝的流行并不是偽命題，它已經(jīng)是一個全世界服飾類企業(yè)競相追逐的真理，巨頭們都在布局智能服裝。本次設計便很好的適應了這一需要，從孩子的角度提供了一個較為新穎的智能嬰兒服設計。

為實現(xiàn)現(xiàn)代嬰兒無線體征監(jiān)控與防丟的應用需要，我們設計了基于GPRS的智能嬰兒服實時監(jiān)測調(diào)溫系統(tǒng)。系統(tǒng)以GPRS網(wǎng)絡作為無線傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的載體，實現(xiàn)了通過微信小程序進行遠程監(jiān)測嬰兒心率、體溫、環(huán)境室溫、運動狀態(tài)和尿布狀態(tài)，并可遠程地對嬰兒服進行加熱控制；通過微信小程序記錄嬰兒數(shù)據(jù)并輸出圖表，統(tǒng)計孩子的身體狀況，分析孩子的情緒，給家長行動建議，另外可以通過小程序直接聯(lián)系兒童醫(yī)院，將數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)生，在線診斷孩子的病情，提供建議。系統(tǒng)測試結果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程監(jiān)測的需要，功能在實踐中不斷完善、定位精確可靠，可滿足家長對孩子遠程看護的需要。

參考：張萬良，基于Web和GPRS的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)：自動化與儀器儀表，2016；姚程，黃帥，馬娜，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防系統(tǒng)設計與實現(xiàn)：電子科技，2017；李濤，馬殷元，楊東，基于STM32的GPRS遠程監(jiān)測終端設計：電子世界，2012；王亞飛，沈根浩，馮朝霞，史智興，室內(nèi)安全實時監(jiān)測及遠程聯(lián)動報警系統(tǒng)：電子世界，2017。