杜寶強(qiáng)，朱傳奇，武 濤

（1.中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100000；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；3.中國(guó)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(gè)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(jìn)行縮小，加上床周?chē)姆雷o(hù)，某些嬰兒床還會(huì)添加音樂(lè)播放哄睡功能，但從根本上不能減輕嬰兒父母的看護(hù)強(qiáng)度。因此，開(kāi)發(fā)一款“智慧”智能嬰兒床是非常有必要的[1]。國(guó)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(cè)，比如血壓、體溫等[2]，國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究尚處于起步階段。本文就基于上述問(wèn)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(tái)對(duì)采集傳輸?shù)慕K端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并利用相應(yīng)的Web頁(yè)面和手機(jī)消息通知實(shí)現(xiàn)對(duì)智能嬰兒床的實(shí)時(shí)有效監(jiān)控。

1 智能嬰兒床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)研究的是智能嬰兒床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，主要研究?jī)?nèi)容為尿濕檢測(cè)、掉床檢測(cè)、啼哭檢測(cè)、空氣質(zhì)量檢測(cè)，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(fù)責(zé)采集嬰兒床的具體信息，本系統(tǒng)利用溫濕度傳感器檢測(cè)兒童是否尿床，使用聲音傳感器檢測(cè)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(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)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(wú)線通信模塊：無(wú)線通信模塊將ZigBee模塊與WiFi模塊相結(jié)合，ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)傳感器與主控芯片之間的通信，WiFi模塊實(shí)現(xiàn)主控芯片與云平臺(tái)之間的通信。

云平臺(tái)：云平臺(tái)主要用于存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)，可供家長(zhǎng)實(shí)時(shí)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(bào)警模塊：系統(tǒng)檢測(cè)出異常狀態(tài)后，如尿濕、啼哭等，將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，讓家長(zhǎng)可以及時(shí)處理，以免孩子發(fā)生意外。

1.1 CC2530主控芯片

本設(shè)計(jì)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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jì)

電源模塊主要負(fù)責(zé)為主控芯片以及嬰兒床的傳感器供電，利用手機(jī)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(guò)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(jì)

仿真器接口即為CC2530芯片的程序下載接口，本設(shè)計(jì)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(cè)

本系統(tǒng)選用溫濕度傳感器DHT11檢測(cè)兒童是否尿床，該傳感器包括一個(gè)測(cè)溫元件NTC，一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)高性能的八位處理器。它的突出特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高[5]。它可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)并輸出。DHT11的實(shí)物與接線圖如圖5所示。從圖中可以看出，DHT11有3個(gè)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(guò)單總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 DHT11的實(shí)物與接線圖

1.5 掉床檢測(cè)

智能嬰兒床的掉床檢測(cè)選擇YL-A1壓力傳感器。當(dāng)檢測(cè)到壓力傳感器數(shù)值發(fā)生大幅變化時(shí)，就意味著兒童睡覺(jué)時(shí)身體有大幅運(yùn)動(dòng)，存在掉床的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在感知到外界壓力變化時(shí)，傳感器的電阻值也會(huì)隨之發(fā)生變化，這樣我們就可以根據(jù)檢測(cè)到的電信號(hào)變化情況得到壓力變化情況。YL-A1傳感器模塊利用1個(gè)傳感器元件串聯(lián)1個(gè)510 kΩ電阻，其工作電壓為3.3～5 V，控制信號(hào)為模擬信號(hào)。

1.6 啼哭檢測(cè)

本系統(tǒng)選用SY-01聲音傳感器來(lái)檢測(cè)兒童是否存在啼哭行為，同時(shí)還可以檢測(cè)周?chē)h(huán)境的聲音強(qiáng)度，為兒童提供一個(gè)相對(duì)安靜的睡眠場(chǎng)所。SY-01聲音傳感器工作過(guò)程可概括為：模塊在相對(duì)安靜的正常環(huán)境背景音情況下輸出高電平，當(dāng)環(huán)境噪音超過(guò)設(shè)定值時(shí)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(cè)

本系統(tǒng)選用MQ-2傳感器檢測(cè)孩子睡覺(jué)時(shí)周?chē)沫h(huán)境情況。氣體傳感器（MQ-2）具有諸多優(yōu)點(diǎn)，突出表現(xiàn)在其具有極低的延遲響應(yīng)、強(qiáng)抗干擾能力[7]。在使用MQ-2傳感器時(shí)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(gè)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(cè)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(guò)軟件實(shí)現(xiàn)模式切換，通常使用AT指令進(jìn)行控制。模塊的協(xié)調(diào)器上安裝有LED指示燈，當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上有數(shù)據(jù)接收時(shí)，相應(yīng)的LED燈開(kāi)始閃爍[9]。

1.9 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出有毒氣體以及兒童出現(xiàn)尿濕、啼哭、掉床風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，迅速通知家長(zhǎng)，讓家長(zhǎng)及時(shí)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(bào)警信號(hào)，按照驅(qū)動(dòng)方式的原理可分為兩種。一種是無(wú)源蜂鳴器，另一種是有源蜂鳴器，有源蜂鳴器使用方便，無(wú)源蜂鳴器成本低且使用靈活[10]。本次報(bào)警信號(hào)選用FM01有源蜂鳴器，其具有高可靠性、聲音清脆等特點(diǎn)。該蜂鳴器采用S8550三極管驅(qū)動(dòng)，電壓工作范圍為3.3～5 V。當(dāng)I/O口輸入低電平時(shí)，蜂鳴器動(dòng)作發(fā)出聲音。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)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(lèi)似，本文詳細(xì)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(shí)驗(yàn)中，溫濕度檢測(cè)是由串口以及P0_7來(lái)配置完成，其主程序?yàn)椋?/p>

3 云平臺(tái)設(shè)計(jì)

云平臺(tái)的搭建可以利用中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)OneNET。在OneNET云平臺(tái)上首先完成賬號(hào)注冊(cè)，之后登錄賬號(hào)，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(cè)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(duì)所添加的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(dāng)有觸發(fā)條件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)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(shí)的觸發(fā)情況。

圖13 警報(bào)發(fā)送情況

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)搭建了基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)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(lái)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(zhǎng)的負(fù)擔(dān)。該系統(tǒng)具有布線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)孩子睡覺(jué)時(shí)的狀況，性能穩(wěn)定，性價(jià)比較高。但由于作者水平有限，系統(tǒng)還存在諸多問(wèn)題需要完善，也必將不斷吸收采納最新的技術(shù)手段，爭(zhēng)取創(chuàng)造更大的社會(huì)價(jià)值。