多功能婴儿监护系统设计

武汉职业技术学院机电工程学院 袁 勇

1.前言

随着人们生活水平的提高和生活压力的加大，很多父母白天很少有时间照看自己的宝宝，但又想随时随地的了解宝宝的情况，因此婴儿监护系统营运而生。目前国内外在婴儿监护方面的设备、系统很多，但参差不齐。很多产品的结构大同小异，分为两个部分：看护器和监控中心。一般看护器都放在婴儿房间或其他婴儿经常出现的场所，通过无线信号把婴儿活动情况实时传送到监控器或者父母手机上。婴儿监护器都装有红外感应装置，具备夜视功能。

由于国外的小孩独立性很强，因此监护系统在国外使用很普遍。在国内，由于大部分家庭居住面积不大以及传统习惯问题，使用监护系统的比较少。近来，随着大家生活水平的提高和安全意识的加强，很多家庭、幼儿园都安装了相关的监护系统。因此，婴儿监护系统在国内的发展前景是非常好的。

2.设计方案

婴儿监护系统要求帮忙父母实时监测婴儿的活动情况，不管父母是在家还是公司上班，都能通过网络或者手机查看婴儿的当前状态，并且要图像清晰流畅。如果婴儿有快速移动等危险动作具备自动报警功能。

(1)看护器

根据婴儿活动范围的大小来决定安装摄像头的数量，但至少要两个方位的摄像头来实现全方位的监控。可以根据需要安装可以远程控制的摄像头，不仅可以调整视频角度，还可以调焦近距离观察婴儿的细微动作及表情。每个摄像头的视频采集配一个视频编码器，视频编码器把摄像头采集到的视频信号进行压缩，然后通过无线网络进行传输。

(2)信号传输

通过摄像头采集到的视频信号经过视频编码器压缩成数字信号进行传。因为只有数字信号传输，才有可能具有较强的保密性和抗干扰能力。在这里采用2.4GHz频率的调频技术和MPEGA4视频解码处理。由于婴儿监护器无线信号的传输距离不确定，并且要求对视频图像进行处理，视频监控信号必须连续、清晰，这样导致图像信号的数据量非常大，因此传输介质要有足够的带宽。

(3)监控器

监控器是整个监护系统的核心，主要由视频编码解码器，监控服务器，人机交互等组成，它主要完成视频图像的接受、解码、显示、处理等功能。视频编码解码器把从无线网络传输过来的视频信号进行处理，然后传送到显示终端，同时通过3G网络把图像传送到网上，父母在任何一台联网的电脑或者手机上都能实时查看婴儿的情况。监控中心采用高性能的DSP芯片来处理视频图像。

3.软件设计

婴儿监护系统软件设计框图如图1所示，SOS将由外部管理系统访问服务器。SOS的音频/视频和VCA的内容是由客户端软件访问。系统配置或者设置，也可以访问管理系统。

SOS系统主要六个部分组成：a.系统配置，主要是配置系统所需的基本配置组件；b.音频，主要实现“听、说”两个功能；c.记录，通过光学传感器得到的相关信息被SOS系统进行匿名记录；d.VCA，VCA根据传入的图像数据进行分析，然后产生报警；e.光，摄像头的方向和夜视灯可以通过远程控制来调节；f.远程接口，通过HTTP协议，远程接口允许访问SOS警报和相关传感器的图像信息。

图1 软件结构设计框图

3.1 ARM处理方面

当事件发生时，需要记录一段视频，并且要提前多录几秒，这个一方面涉及到文件系统及其管理查询，另一方面还有压缩录制的问题，同时涉及到对mp4文件的远程存取问题。

文件系统：视频文件都是mp4格式的，为了存储额外的事件类型和时间信息，文件的名字都是”<时间>_<事件ID>.mp4”的形式。<时间>例如201302232200(表明是2013年2月23日22点0秒)。

视频压缩：涉及到H264的压缩和mp4的构成两部分。为了实现提前记录(即事件发生时记录的视频包含比如比事件发生时早比如10秒钟的视频内容)的功能，每一帧视频数据进来之后都会被压缩成H264的包，记录视频时则直接基于相关的包生成。压缩成H264包时因此应该可以指定每一压缩视频段的长度(H264的包包括I，P，B三种类型，I是关键帧，它不依赖于任何其它帧，P是预测帧，它基于在它之前的视频帧，B是中间帧，它基于在它之前和之后的视频帧。为了实现我们的提前录取目的，我们压缩H264时需要指定我们不需要B帧，这样的话每一个I帧及其之后所有的P帧则形成一个压缩视频段)。

3.2 参数配置

a.参数配置都通过web页面来实现，为了避免不必要的重启，应该把参数分成系统参数和程序参数两部分。

b.这个里面最麻烦的是通过页面在视频页面中设定几个监控区域(这里的设定就是用笔刷在图片中画，这里要画5个区域)。因此需要提供这种画的功能和实现对相应板子上参数的更新。

3.3 网络通讯

我们需要两种支持，一是基于http的通讯，二是基于tcp的通讯。

a.为了实现基于http的通讯，不仅主板本身是一个http服务器，并且它可以和外界以http的方式通讯，为了这个目的，SG本身使用libCurl。

b.用户可以指定事件以tcp的方式接收。在这种方式下，远程客户端直接监听比如tcp端口555以接收事件。因此主板应该提供tcp服务器的能力，并且有可能支持多个客户端的监听。

4.硬件设计

4.1 功能说明

a.音频输入/输出：婴儿监护系统配有麦克风和扬声器，允许远程音频通信。音频通信开机协议(SIP)设定音频连接，SIP使用单独的配置通道连接，实际数据传输通过URL和SIP设置实现的。点对点的音频传输使用的是RTSP协议。

b.视频输入：通过摄像头上传感器收集的图像信息为模拟信号，此模拟信号经过模拟/数字转换器转换成一个数字视频流，然后经由管理系统处理，在传导用户终端。

c.夜视/方向灯：婴儿监护系统配有红外(IR)LED夜视灯。在夜间，定向LED灯作为定点光源使用。IR和LED灯的定位功能由终端软件，以方便使用者实时查看房间的各个角落的情况。此外，IR和LED具有调光功能，监护系统通过PWM端口控制定位光的亮度，可以从0%到100%。

d.VCA：视频内容分析(VCA)模块专门负责分析图像传感器传送的图像等相关信息，VCA可以查看本地事件记录的图片和视频。如果用户觉得系统容量不够，系统配备有SD卡内存插槽，它同样可以用于存储记录。

e.报警处理：报警处理是用来管理报警事件和相关记录的，它可以删除已处理过的报警事件。

4.2 硬件说明

本系统主要硬件包括以下部分：电源(最大12.5W)；模拟摄像头接口；集成了DSP芯片的音频输入/输出；RGB LED开关(PWM控制)；红外开关LED；12V和5V电源的DC/DC转换器；SD卡插槽和接口；JTAG+RS232 PCB；主机USB接口；RJ45以太网连接；扩展连接器。

1)存储器

存储器RAM和闪存(Flash)必须位于主板上，SD卡槽则在用户板上。主板上有足够的RAM和Flash以支持音频解码软件和其他所有的应用软件所需的内存。闪存还用于存储用户电路的特定信息。

2)设置配置

设备的配置设置存储于系统，这些设置不会因为软件更新而改变。基本设置项有专门的表格以供用户查询。

3)电源

主板、用户板和所有连接设备供电的电源都有一个电源转换器提供。用户板有一个RJ45连接器连接用户板到PoE网络交换机或者路由器。电源转换器必须符合IEEE 802.3af标准(最大12.5W)。

4)视频

与相机相接的是一个模拟摄像头模块CVBS，此时的视频图像为模拟信号，通过视频数字化仪把模拟信号转换成数字数据流。同时用户板上有一个芯片转换成BT.601/BT.656数字兼容的YCbCr 4:2:2数字视频流。

5)音频

低功耗音频编解码器包括音频处理和单声道D类放大器，TLV320AIC3100是用于主板音频解码和扬声器驱动接口。I2S总线用于与主板音频通信。I2S总线配置在音频芯片内，没有专门的a-Law/u-Law编解码器，因为这些不支持ALSA。

D类音频放大器里面的编解码器，能够提供至少2.5瓦的音频功率连接4欧姆扬声器，扬声器放大器的电源电压5V最大输出功率。

模拟设备ADAU 1701 DSP将用于在音频路径提供信号处理包括均衡，交叉，低音增强，多频段动态处理，延迟补偿，扬声器补偿。作为一个附加功能(可选)基本半双工选项(回声消除)将可用。将全回声消除(如果需要的话)执行的主处理器(例如PJSIP功能)DSP引导和控制是通过I2C接口从内核板。

5.结束语

一款合适的婴儿监护系统能帮助父母实时的监测婴儿的活动情况，对有可能产生的危险能在第一时间传送给父母，以便父母及时应对。因此，开发一种功能全面，安全可靠地婴儿监护系统很有必要。

[1]任学雯.新生儿智能监护系统的设计[J].科技视界,2012,28.

[2]冯冬青,张瑜.婴儿保温箱智能监护系统设计[J].郑州大学学报,2009,12(22).