多澤華 王明申 趙宇 田紅日

摘要：隨著科技革新和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能家居逐漸取代傳統(tǒng)家電，成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋貍淦?。為了更加有效地幫助父母護(hù)理新生兒，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于樹(shù)莓派的智能嬰兒看護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒所處的環(huán)境溫濕度，還可以監(jiān)測(cè)嬰兒的體溫、尿床信息，并且能對(duì)嬰兒所處環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：樹(shù)莓派;智能;傳感器

中圖法分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design and implementation of intelligent monitoring system forcribs based on Raspberry Pi

DUO Zehua， WANG Mingshen， ZHAO Yu ， TIAN Hongri

（lnner Mongolia University of Technology， Hohhot 010000. China）

Abstract： With the innovation of science and technology and the development of Internet of things，the intelligent home begins to replace the traditional household appliances and become the necessarygoods in people's daily life. In order to help parents care for newborns more effectively， an intelligentbaby care system based on Raspberry Pi is designed and implemented. The system can not onlymonitor the baby's temperature and humidity in real time， but also monitor the baby's bodytemperature， bedwetting information and adjust the current babv's environment.

Key words： Raspberry pi， intelligence， sensor

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，智能技術(shù)逐漸應(yīng)用于母嬰用品領(lǐng)域。嬰幼兒是自我保護(hù)意識(shí)最弱、自我保護(hù)能力最差的群體之一，嬰幼兒的生活處處離不開(kāi)嬰童用品，嬰兒床更是在嬰幼兒成長(zhǎng)過(guò)程中必不可少的母嬰用品。但是，常見(jiàn)的嬰兒床的功能較為單一，若父母要了解嬰兒的狀態(tài)只能時(shí)時(shí)刻刻待在嬰兒床附近。智能嬰兒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則是智能化時(shí)代以及未來(lái)不可缺少的一部分，國(guó)內(nèi)外都對(duì)此展開(kāi)了積極地研究與開(kāi)發(fā)。

智能嬰兒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以嬰兒床為基礎(chǔ)，設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、便利的平臺(tái)。該系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)智能化的管理與控制，實(shí)現(xiàn)父母實(shí)時(shí)監(jiān)控、檢測(cè)嬰兒狀態(tài)并且調(diào)節(jié)環(huán)境的智能體驗(yàn)。

在國(guó)內(nèi)外的嬰兒床市場(chǎng)上，出現(xiàn)了智能化的裝置及系統(tǒng)，但只是簡(jiǎn)單的攝像監(jiān)測(cè)，沒(méi)有完整的、全方位的嬰兒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，智能嬰兒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)即使父母不在嬰兒身邊也能即時(shí)了解嬰兒的狀態(tài)和信息。在嬰兒床內(nèi)有對(duì)當(dāng)前環(huán)境下溫濕度、嬰兒體表溫度、尿床信息等進(jìn)行檢測(cè)功能，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在網(wǎng)頁(yè)上，將嬰兒狀態(tài)以及提示更換尿布信息等反饋給父母。父母在遠(yuǎn)程就可以及時(shí)了解嬰兒周圍的環(huán)境溫度，通過(guò)精確的溫度數(shù)據(jù)以便對(duì)嬰兒的衣物進(jìn)行適當(dāng)增減。除此之外，當(dāng)車內(nèi)溫度較高時(shí)，智能嬰兒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇，將溫度調(diào)整到讓嬰兒感覺(jué)較為舒適的區(qū)間。這打破了傳統(tǒng)嬰兒床非智能化的窘境.能及時(shí)對(duì)嬰兒的信息進(jìn)行監(jiān)控與反饋，給父母及監(jiān)護(hù)人帶來(lái)極大的便利[1-4]。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用基于ARM的微型電腦主板樹(shù)莓派4B控制溫濕度傳感器、紅外溫度傳感器、雨滴傳感器進(jìn)行嬰兒體溫、尿床信息檢測(cè)[5]，將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)采集模塊，便于父母查看嬰兒信息，再經(jīng)控制模塊將數(shù)據(jù)上傳至MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)并顯示在網(wǎng)頁(yè)上，也可以在終端查詢數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史信息，對(duì)嬰兒的狀態(tài)進(jìn)行檢查。終端功能的整體結(jié)構(gòu)和工作流程如圖1所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 溫濕度傳感器

本系統(tǒng)選用DHT22作為溫濕度傳感器（如圖2所示），其測(cè)量范圍為-40 - +80℃，精度為±0.5℃，分辨率為0.1℃，精度和分辨率與DHT11相比有較大提升。該傳感器使用單總線通信協(xié)議，即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制都由數(shù)據(jù)線完成。在實(shí)際測(cè)試中，DHT22不到5ms時(shí)間就能完成采樣，響應(yīng)速度快，能及時(shí)向父母反映嬰兒周圍的環(huán)境溫濕度。

3.1.2 紅外溫度傳感器

本系統(tǒng)采用MLX90614紅外溫度傳感器（如圖3所示）測(cè)量嬰兒的體表溫度，其是一組通用的紅外測(cè)溫模塊。紅外測(cè)溫是根據(jù)被測(cè)物體的紅外輻射能量來(lái)確定物體的溫度，可不與被測(cè)物體接觸，具有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍廣、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。MLX90614紅外溫度傳感器的通信方式是“類IIC”通信，只有兩根信號(hào)線，即雙向數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘信號(hào)線，允許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信、交換信息，可以顯著提高傳輸速度。

3.1.3 雨滴傳感器

本系統(tǒng)使用雨滴傳感器（如圖4所示）檢測(cè)嬰兒是否尿床，以線形形式涂覆鎳于雨滴傳感器，它基于抵抗原理。雨滴傳感器模塊允許通過(guò)模擬輸出引腳測(cè)量濕度，當(dāng)濕度超過(guò)閾值時(shí)，它可以提供數(shù)字輸出。傳感器是一個(gè)電阻偶極子，在潮濕時(shí)顯示較小的電阻，而在干燥時(shí)顯示較大的電阻。當(dāng)嬰兒未尿床時(shí)，它會(huì)增加電阻，因此根據(jù)V =IR獲得高電壓。當(dāng)嬰兒尿床時(shí)，電阻減少，因?yàn)樗请姷膶?dǎo)體，并且水的存在使鎳線并聯(lián)連接，因此降低了電阻并降低了其兩端的電壓[6]。

3.2軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

嬰兒床智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件部分，先執(zhí)行程序的初始化操作，然后獲取各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，達(dá)到每部分的閾值后執(zhí)行自動(dòng)控制的相關(guān)指令，同時(shí)可以接收界面或遠(yuǎn)程網(wǎng)頁(yè)端的指令控制，并執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，最后將所有傳感器的數(shù)據(jù)信息上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)端[7]。界面跳轉(zhuǎn)流程如圖5所示。

3.2.2 紅外測(cè)溫傳感器運(yùn)行流程

對(duì)嬰兒體表溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)的紅外測(cè)溫傳感器通過(guò)繼電器自動(dòng)控制風(fēng)扇和加熱片，保證嬰兒擁有最適宜的溫度環(huán)境。當(dāng)嬰兒的體表溫度高于37.5℃時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)扇，否則關(guān)閉風(fēng)扇：當(dāng)嬰兒的體表溫度低于35℃時(shí)，開(kāi)啟加熱片：當(dāng)嬰兒的體表溫度高于38℃時(shí)，關(guān)閉加熱片。溫控模塊執(zhí)行流程如圖6所示。

3.2.3 基于flask框架的網(wǎng)頁(yè)（含內(nèi)網(wǎng)穿透方式）

Flask框架是一個(gè)輕量級(jí)的、便捷的、Python所提供的Web框架，它比其他的服務(wù)器框架更加靈活、輕便、安全而且容易上手，是目前比較主流的服務(wù)器框架。Flask服務(wù)器上要顯示傳感器獲取的信息，輸入樹(shù)莓派的IP地址，顯示溫濕度傳感器、紅外溫度傳感器和雨滴傳感器的信息，網(wǎng)頁(yè)顯示結(jié)果如圖7所示。

樹(shù)莓派可以正常訪問(wèn)外網(wǎng)，而父母不能遠(yuǎn)程訪問(wèn)樹(shù)莓派，為解決此問(wèn)題，本系統(tǒng)采用花生殼實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透。內(nèi)網(wǎng)穿透通過(guò)開(kāi)放的第三方端口來(lái)實(shí)現(xiàn)，在花生殼端口映射內(nèi)網(wǎng)穿透軟件上添加映射，外網(wǎng)的地址是映射后訪問(wèn)的地址，在不同設(shè)備上用新網(wǎng)址打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程查看嬰兒床的信息[7]。

4 測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)由樹(shù)莓派4B進(jìn)行控制并處理來(lái)自傳感器檢測(cè)到的各種數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)，并將傳感器收集到的數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)頁(yè)上。以月齡為7個(gè)月的嬰兒為測(cè)試對(duì)象，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能。

（1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)：通過(guò)溫濕度傳感器對(duì)嬰兒所處環(huán)境進(jìn)行溫濕度檢測(cè)，同時(shí)紅外溫度傳感器和雨滴傳感器對(duì)嬰兒體表溫度和尿床信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）智能反饋：在傳感器獲得到數(shù)據(jù)后，配合繼電器對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)嬰兒體表溫度或環(huán)境溫度過(guò)高，通過(guò)繼電器控制風(fēng)扇和加濕器對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，使嬰兒所處環(huán)境達(dá)到比較適宜的日標(biāo)。當(dāng)嬰兒尿床后，提醒父母及時(shí)給嬰兒更換床墊及衣物[8]。

（3）網(wǎng)頁(yè)顯示：所有嬰兒信息均可在父母的手機(jī)上通過(guò)內(nèi)網(wǎng)穿透實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看，達(dá)到父母不必一直陪伴在嬰兒身邊的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

嬰兒床智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)嬰兒信息為研究日標(biāo)。本系統(tǒng)基于樹(shù)莓派，利用Flask實(shí)現(xiàn)了嬰兒信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)、管理以及查詢，極大程度上簡(jiǎn)化父母照顧嬰兒的過(guò)程，在保證嬰兒舒適成長(zhǎng)的同時(shí)減輕了父母的壓力，使父母可以隨時(shí)隨地了解嬰兒的信息。

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作者簡(jiǎn)介：

多澤華（2001-），本科，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。