基于物联网的婴儿实时监控系统的设计

李国城,陈佳明,李伟林,莫伟健

(中山大学 新华学院 广东 广州510520)

基于物联网的婴儿实时监控系统的设计

李国城,陈佳明,李伟林,莫伟健

(中山大学 新华学院 广东 广州510520)

为了避免在照顾婴幼儿时产生不可预见的因素而影响着婴幼儿的健康成长,设计了一种婴儿实时监控系统。该系统结合了无线网络、无线传感技术与嵌入式技术,以模块化设计实现监测和监控功能,针对无线网络传输数据丢失问题,采用最新的socket程序库,防止数据接收和发送时产生错误,保证整个系统数据的准确性。该系统以ARM Cortex-M3为内核的STM32F103ZET6作为系统的微控制器,采用W5500、nRF24L01、GSM、WiFi网络负责无线网络通信的实现,将检测到的数据实时传到上位机并对婴儿异常进行报警。经过测试,该系统实时性好、稳定性高、安全性高等优点。

嵌入式；无线网络；无线传感器；实时监控系统

随着社会的发展,父母越来越重视孩子在婴幼儿时期的成长发育,在照看婴儿方面需要投入更多的时间和精力,在现代社会快节奏的生活工作压力下往往会感到力不从心。而现实生活中存在着太多不可预见的因素影响着婴幼儿的健康成长,孩子的体型在发育阶段,70﹪的时间都是在床上度过［1］。为了减轻父母在育儿期间的负担,同时提高育儿质量,针对普通婴儿床存在的功能单一、性能简单、几乎度不具备智能检测以及控制等功能。因此,设计一种新型的可移动婴儿床,适应室内和外出游玩,具有实时智能监控以及检测危险的系统,可以能够随时给家长提供婴儿的生活环境和活动状况等信息。

1 系统功能架构

婴儿实时监控系统主要实现4种功能,分别为各种传感器的数据采集分析与控制、无线网络的传输、终端的接收与监控、与防摔防碰撞,其中无线网络传输的实现是本系统的关键。图1为婴儿实时监控系统总体结构图,采用最新的socket程序库,提高系统数据在网络传输的稳定性和可靠性。物联网是新一代信息技术的重要组成部分,在智能家居系统、工业、农业等行业得到应用和发展。物联网的基本体系结构包括3方面:感知层、网络层、应用层［2］。采用硬件TCPIP协议的网络控制器W5500、WiFi无线路由器和nRF24L01无线技术作为本系统的网络层的通讯,实现各传感器数据的采集和收发,具有稳定性强、传输范围广、功耗低等优点［3-4］。

2 系统模块化设计

2.1 数据采集模块

2.1.1 温湿度采集电路

本电路的设计主要是由温度传感器和湿度传感器负责婴儿实时体温的监测和是否尿床的监测。图2所示为温湿度采集电路。体温的数据是采用一种常用于温度控制、工业系统或者热感测系统数字方式传输的高精度DS18B20温度传感器［5］。DS18B20温度传感器内部包含的高速暂存器RAM含有两个字节的温度寄存器,这两个寄存器可以存储输出的数据,在控制线连接一个弱上拉电阻,通过对寄存器TH和TL的编程,提高测量的精度和分辨率,能实现在93.75 ms和750 ms内将温度值转化输出精度高达9～12位。

图1 婴儿实时监控系统总体结构图Fig.1 Infant overall structure of the real-time monitoring system

图2 所示为温湿度采集电路Fig.2 Shows the temperature and humidity acquisition circuit

通过HS1100湿度传感器检测婴儿是否尿床。HS1100是一种电容传感器,根据其高分子材料吸收水分之后的电常数发生变化而进行湿度的测量［6］。通过A/D模数转换,将电容值的输出转换为以之成反比的电压信号数据被主控器接收。

2.1.2 哭声识别电路

哭声识别电路采用LN567通用锁相环电路音调译码器,本电路设计如图3所示,使用MIC采集婴儿哭声音频信号,通过两级集成运放电路,将MIC采集到的较弱模拟信号放大为强信号。婴儿在不同情况下的哭声频率也是有所不同的,哭声频率在15 kHz左右表明婴儿是饿了,频率在6 kHz左右时是婴儿想睡觉了［7］。采用电容滤波电路进行声音的滤波处理,降低环境噪音的干扰。将滤波处理后的声音信号通过二极管进行整形从而得到低频信号,最后通过比较器将模拟信号转化为声音持续时间的数字信号,从LN567芯片的OUTPUT端口输出脉冲信号到主控器芯片。

图3 哭声识别电路Fig.3 Crying recognition circuit

2.2 无线网络模块

2.2.1 WiFi传输模块

无线网络模块设计的是本系统的主要核心部分,通过无线网络进行传感器之间的数据传输,使得处在无线网络中的各传感器通信布线少,提高通信的效率和协调化。系统中WiFi无线网络主要是实现对视频图像的传输和对婴儿床电机的驱动。通过向WiFi控制板刷入基于嵌入式Linux系统的具有高度模块化、高度自动化的OpenWRT系统［8］。摄像头通过USB接到WiFi控制板,将拾取的视频图像经过调制转换通过无线传输到上位机,实现对婴儿的实时监控。WiFi控制板与主控器以串口接口通讯方式,通过上位机发送指令实现对摇床电机、玩具电机、行驶电机的驱动。

2.2.2 W5500以太网模块

W5500是一款wiznet公司推出的嵌入式以太网控制器,通过SPI接口实现Internet网络连接,支持TCP/IP协议处理,体系结构分为10/100M以太网数据链路层 （MAC）、网络 层（NWK）、应用层（APL）［9］,数据链路层和物理层符合IEE 802.3标准定义的全部规范。层与层之间完成特定的功能与相关服务并通过接口实现网络连接［10］。如图4所示,W5500通过SPI串行外部接口与主控器芯片相连进行通讯,同时通过网线接与上位机实现通信,将nRF240L1从温度传感器接收到的数据通过无线网络发送到W5500，在通过以太网将数据发送到上位机的machtalk服务器中实时显示并记录。

图4 SPI接口与W5500通信方式Fig.4 SPI communication interface with the W5500

2.2.3 nRF24L01无线收发模块

系统以基于NORDIC公司生产的以8051为内核基础的增强型2.4 GHz无线收发器nRF24L01实现近距离无线通信,能够实时感知和采集传感器的信号,以无线电波作为载体实现对传感器之间的数据通信［11］。各传感器经过内部A/D转换后以数字信号通过I/O口引脚和nRF24L01实现通讯,nRF24L01将采集到的数据打包并发送到接收端。无线收发电路如图5所示,电路的前端是射频接收模块,可以通过软件编程设置其工作方式（接收、空闲、关机）,通过SPI接口连接到主控器芯片进行数据通信,设置地址码实现多从机对主机的数据通信。

图5 nRF24L01外围电路Fig.5 nRF24L01 peripheral circuits

2.3 系统主控制器模块

嵌入式ARM内核的STM32系列微控制器具有高性能和资源、指令丰富等优点,婴儿实时监控系统主控制模块采用意法半导体公司推出的 32为基于 Cortex-M3内核的STM32F103ZET6处理芯片［12］,片上集成了64 KB的SRAM和512KB的FLASH,具有CAN与USB总线,5个USART串口通信接口,3个SPI总线接口等电路接口,满足多种并同时通讯的功能,处理速度快,功能强大,外部接口丰富,内部数据存储空间容量大,可以很好的实现本系统的各功能设计要求,本系统的总体设计结构框架如图6所示。

图6 系统的总体设计结构框架Fig.6 The overall design of the system architecture framework

3 系统软件设计

3.1 W5500网络初始化

由于访问machtalk是通过域名访问的,所以需要在程序里面包含DNS服务的程序,DNS解析需要一个定时器来定时调用域名解析相关函数,还需要配置网络的IP地址,MAC地址,网关,DNS服务器等。

3.2 nRF24L01的初始化

把nRF24L01配置成PTX工作模式,实现主从机的对数据的收发。若从机从传感器接收到数据,则启动发送数据,主机开启接收模式。

4 系统测试和数据分析

系统测试以温度采集为例进行多次的实时采集测试。数据测试如图7所示。将采集到的温度通过nRF24L01发送到主控芯片并由W5500通过以太网通信发送到PC端的服务器存储并显示。从系统测试的数据分析得出:本婴儿实时监控系统实时性好,稳定性高,达到预期的设计目标。

图7 系统测试数据Fig.7 System test data

5 结束语

根据当前的普通婴儿床不具备智能检测以及控制等功能而展开婴儿实时监控系统的设计,利用被广泛应用在各领域的新型物联网技术与无线网络通信技术对婴儿床增加对婴儿的实时监控功能并增加安全与控制系统,引用最新的socket程序库对系统中的无线网络进行优化,大大提高了数据的安全性和实效性。设计本系统的直接目的是保证婴儿在婴儿床上时能及时地进行实时监控,有效地监测和防止婴儿身体出现状况或者安全问题的发生,能及时告知父母,从而能方便父母在看护孩子的情况下也能工作。此外,本婴儿实时监控系统的移植性高,可以应用在其它的领域,如医院对婴儿的治疗和监护管理中心,养老院对老人的监护管理。因而本系统的研发就有较高的实际意义和拓展性。

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The design of baby real-time monitoring system that based on the Internet of things

LI Guo-cheng,CHEN Jia-ming,LI Wei-lin,MO Wei-jian
（Xinhua College of Sun Yat-sen University,Guangzhou 510520，China）

In order to avoid the causing of the unforeseen factors that can affects the health of infants and children when we take care of them.Designed a real-time monitoring systems babies.The system combines the the wireless network，wireless sensor technology and the embedded technology.It realizes the function of monitoring and surveillance by means of the modular design.According to the problem of data loss by the transmission of the wireless network，the system using the latest socket library to prevent the error’s happen when the data is sending and receiving.So that to ensure the accuracy of the system’s data.The system uses ARM Cortex-M3 as the core of the STM32F103ZET6 as the micro controller of the system，and it will be realized by using W5500，Nrf24L01，GSM，WiFi network for wireless network’s communication.It will send the detected data to the upper computer and will give an alarm when the baby generates the abnormal phenomenon.After testing，the system has the advantages of good real-time performance，high stability and high security.

embedded；wireless network；wireless sensor；real time monitoring system

TN92

：A

：1674-6236（2015）18-0186-04

2014-12-17稿件编号：201412134

李国城（1993—）,男,广东梅州人。研究方向:嵌入式系统,工业控制。