一种基于智能手机的新型婴儿睡眠监护系统设计

刘永凯，孙珅，张斌，史文飞，吴水才

北京工业大学 生命科学与生物工程学院，北京 100124

引言

婴儿的健康成长对一个家庭的重要性不言而喻，对婴儿进行必要的监护能够促进婴儿健康成长。婴儿猝死综合症（Sudden Infant Death Syndrome，SIDS）是一种常见的新生婴儿病症[1]。有统计表明，SIDS是造成2周到1岁之间婴儿死亡的主要原因[2]。研究表明，婴儿在睡眠过程中，采用仰卧睡姿能够有效减少SIDS的发生率[3]。因此，如果在婴儿的睡眠过程中，能够实时监测婴儿的体位、翻身以及环境条件，并在异常发生时自动报警，从而提高安全性。

目前，国内外对婴儿监护的研究主要分为以下3个方面：① 基于传感器生理参数采集的婴儿监护，其主要方式是利用传感器对婴儿的一些生理参数进行检测，实现对婴儿的监护[4-7]；② 基于射频识别技术的婴儿定位防盗系统，通过射频标签以及无线网络通信，实时的获取婴儿位置，发现异常自动报警[8-10]；③ 基于图像处理的婴儿监护系统，利用摄像或录像设备采集婴儿视频数据，使用图像处理方法实时监护婴儿动态，发生异常自动发出警报[11-13]。

随着智能手机的普及，本研究设计并实现了一种基于智能手机的婴儿睡眠监护系统。该系统具有监测婴儿的睡眠姿态、翻身次数和环境温湿度等功能，进而能够有效的起到对SIDS进行预防的作用。

1 系统的设计

1.1 系统结构的整体设计

新型婴儿睡眠监护系统由穿戴式设备和智能手机两个部分组成，系统结构，见图1。

图1 婴儿监护系统结构图

穿戴式设备集成处理器和传感器模块，能够实时获取传感器参数进行处理分析，并能通过低功耗蓝牙与智能手机建立双向通讯；智能手机既能够实时接收穿戴式设备传来的数据，又能够对穿戴式设备发送指令，控制穿戴式设备工作。此外，智能手机APP还具备数据存储、用户注册，婴儿课堂等功能。

1.2 穿戴式设备设计

穿戴式设备的结构，见图2，采用具有低功耗蓝牙功能的nRF52832芯片作为主控芯片，并集成MPU6050加速度、DHT11温湿度、电源等模块。

图2 穿戴式设备结构图

穿戴式设备工作时，主控芯片控制传感器模块采集加速度和温湿度数据，并对数据进行分析处理，通过低功耗蓝牙发送到智能手机。设备的软件工作流程，见图3。

图3 穿戴式设备软件功能流程图

1.2.1 穿戴式设备的器件选择及设计

（1）nrf52832处理器芯片。nrf52832芯片是Nordic公司推出的一款低功耗蓝牙芯片。它采用Cortex-M4F内核，运行频率64 MHz，拥有512 KB的Flash和64 KB的RAM。具有处理速度快，能耗低等优点。该芯片价格适合，具有很高的性价比。

（2）MPU6050加速度传感器。MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件。它能以数字形式输出6轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据，自带数字运动处理引擎减少负荷，自带1024字节的FIFO，高达400 kHz的IIC通信，有助于降低功耗。

（3）DHT11温湿度传感器。DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。该传感器具有品质高、响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。

（4） 穿戴式设备电路设计。设备各模块器件选型确定后， 本研究设计了穿戴式设备的PCB电路， 设计采用2层板，主要基于下面的布局和布线规则[14]：布局在本研究中主要按照信号的流向来确定器件的放置位置，同一功能的电路结构，尽量放置在一起。滤波电容和晶振靠近IC放置，同时，晶振的外壳需要接地；布线在本研究中主要按照下面的规则进行设计：① 布线应当避免锐角和直角的出现，以减少信号对外的辐射和耦合；② 3W规则，即走线的间隔距离大于或等于单一走线线宽的三倍；③ 相邻层布线应该要相互垂直，防止产生寄生耦合；④ 信号线不能形成环路。

本研究按照“电源线—信号线—地线”的顺序进行布线，线宽设置为7 mil。地线采用底层的大面积普通设计，同时，对PCB的顶层也进行铺铜的操作，完成后的PCB，见图4。

图4 PCB设计原理图

1.3 BLE通讯设计

低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）与普通蓝牙相比，具有低成本，低功耗，启动快速以及安全性高等优点[15]。

1.3.1 BLE的体系结构

BLE体系结构主要包括三个部分，主机、控制器和应用程序，其结构，见图5[16]。应用程序使用软件栈等方式，进而使控制器来实现用户所需的功能。

图5 BLE的体系结构图

1.3.2 BLE通讯建立

通讯的建立是通过应用程序来进行控制，本系统控制程序的编写采用的是Keil公司推出的Keil μVision 5软件开发系统。

1.3.2.1 系统初始化设置

（1）软件定时器初始化。定时器用来控制加速度和温湿度传感器的数据采集频率。采用app_timer_create函数创建加速度和温湿度采集定时器，规定定时器的采样频率。在本系统中，加速度定时器采样率为每秒10次，温湿度定时器采样率为5秒1次。

（2） BLE初始化。该初始化包含广播、连接参数、GAP层、服务等初始化配置，其中，最主要的是广播和GAP层的初始化。广播初始化中我们通过advertising_init函数来设置设备名称，服务的UUID以及广播间隔等参数。GAP定义了设备如何彼此发现、建立连接以及如何实现绑定，我们通过设置gap_params_init函数来完成GAP层初始化。

1.3.2.2 BLE通讯的建立与传输

硬件设备上电后，软件调用定时器启动函数app_timer_start和 ble_advertising_start函数，app_timer_start函数使得定时器开始工作，传感器在定时器的作用下采集相应参数，ble_advertising_start函数会让蓝牙开始向外广播，等待设备连接。

智能手机打开蓝牙进行搜索，对搜索到的广播进行配对，如果设备名称和通用唯一识别码（Universally Unique Identifier，UUID）均匹配，就建立连接，从而实现硬件设备和智能手机之间的通讯，通讯建立的流程图，见图6。

图6 通讯建立流程图

1.4 手机监护软件设计

手机监护软件基于Android平台开发，集成开发环境为Android Studio。软件主要有注册登录，睡眠监测，温湿度监测，历史记录，婴儿课堂等功能。

1.4.1 睡眠监护

该功能用来监测婴儿在睡眠过程中的睡眠状况，包括婴儿的翻身，以及睡姿等。

1.4.1.1 翻身检测算法

MPU6050传感器采集到的加速度数据为三轴加速度数据，其灵敏度和旋转极性的方向示意图，见图7。在本系统中，X轴与人体的冠状轴平行，Y轴与人体的垂直轴平行，Z轴与人体的矢状轴平行[17]。根据Miwa提出的翻身检测模型，可计算翻身情况[18]。

图7 加速度模块灵敏度和旋转极性的方向示意图

算法的具体描述如下：

（1）以1 min为标准时段，求取该时段的特征值Pt、MXt和MYt。Pt的求解见公式(1)，其中AXt、AXt-1分别为X轴该时段均值和前一时段的均值。MXt为X轴平均绝对差。MYt为Y轴的平均绝对差。

（2）当公式(2)所示的条件满足时，就认为该时段有翻身的情况发生。

1.4.1.2 睡姿检测算法

由上节知三轴加速度计方向与人体之间的关系，我们可以根据加速度方向，判断婴儿睡姿，加速度方向与婴儿睡姿关系，见图8。

图8 加速度计与睡姿关系示意图

根据加速度数据，计算其X、Y、Z轴的方向，进而判断睡姿。

其中，g是重力加速度数值；h为垂直方向倾角余弦值；v为水平方向余弦值（本文中，g取2048，h和v的值取0.9）。1.4.2 温湿度监测

该功能用于实时监测婴儿所处环境的温湿度状况，DHT11传感器能够实时获取温湿度数据，并通过BLE的方式发送到智能手机。父母可以根据实际情况，设置温湿度阈值，系统一旦发现温湿度数值异常，就会自动报警。

1.4.3 其他功能实现

软件首界面是注册登录界面，在这里用户需要用账号登录手机APP或者注册账号，同时完善个人信息。历史记录可以存储婴儿监护过程中的数据和信息，方便婴儿父母查看，数据的记录也便于长期的分析婴儿的睡眠情况。婴儿课堂能够推送一些有关照顾婴儿方面的知识经验等。

2 系统测试

系统运行后，智能手机能够实时接收到可穿戴式设备传来的数据，并能对这些数据进行分析和存储。如果有异常发生，则发出警报，提醒婴儿父母注意。本系统使用Android 6.0版本的智能手机进行测试。系统测试结果展示，见图9。

图9 系统测试结果展示图

3 讨论与总结

可穿戴式设备以其具有的便携、低功耗和体积小等优势，正在蓬勃发展，种类繁多，按照佩戴位置进行分类，可分为头盔、眼镜、挂件、臂环、手环、戒指、服饰、鞋子等[19]。Ferreira等[20]设计了一款用于监测SIDS的综合系统，它采用胸带的方式采集婴儿的各种参数进行监护。本研究采用挂件的方式，固定在婴儿穿着的衣服表面，进而采集相关参数进行判断。与Ferreira等[20]的研究成果相比，本研究具有更加便捷、安全、功耗低等优点。

本研究设计的一种基于智能手机的新型婴儿睡眠监护系统。该系统能够实时获得婴儿睡眠过程中的加速度和温湿度数据，并将数据发送到智能手机APP进行分析处理，如发现异常情况，能够及时报警。实验结果表明，该系统运行稳定，能够达到实时监测婴儿睡眠状况的目的。

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