基于RAM的育婴睡眠监控及预警系统

魏元田

摘要：该文提出一种基于ARM平台的育婴，关于睡眠监控及预警系统设计，可实现监控婴儿的睡眠情况并提出预警。本产品具有温湿度检测、哭声检测和烟雾检测等装置，当温或者湿度高于预先设定的阀值时，MCU会自动报警并启动调节温湿度功能，在婴儿啼哭及出现烟雾过高时进行报警，从而可以更好的来保证婴幼儿的睡眠质量，以及方便监护人育婴。

Abstract： This paper presents an ARM platform based infant care system for sleep monitoring and early warning system design. This product has a temperature and humidity detection， crying and smoke detection device， when the temperature or humidity is higher than the pre-set threshold， MCU will automatically alarm function， and start to adjust temperature and humidity in the baby crying and excessive smoke alarm， which can be better to ensure that infants sleep quality， and convenient and guardian's nursery.

关键词：ARM;温湿监测;啼哭声监测;气体检测;温湿度调节

Key words： ARM;temperature and humidity monitoring;crying monitoring;gas detection;temperature and humidity adjustment

中图分类号：TP277                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）14-0237-03

0  引言

父母对婴儿的中事成度也越来越高。对于婴幼儿来说，他们每天的大部分时间都在睡觉，父母在婴儿睡觉时会选择去做家务或工作的，并不能时时刻刻待在婴儿身边照看婴儿，如果婴儿出现啼哭、尿床和空气质量变差等情况，在没有人看官的情况下就容易危害婴儿的健康。生活节奏的不断加快，用智能设备代替人力做事，可以大大节省时间成本，父母便可以利用这段时间去工作。通过对这个问题的研究分析，本文设计一款基于ARM的婴儿睡眠监控预警系统，实时监控婴儿的睡眠环境并作出报警从而更好的保护婴儿。

1  系统组成结构和系统框图

1.1 系统组成框图

婴儿睡眠监控预警系统由处理器模块、红外温度传感器、温湿度传感器、声音采集传感器、烟雾浓度传感器和摄像头。

1.2 系统工作原理

本系统通过使用ARM处理各种传感器的数据，如温湿度传感器（DHT11）、红外体温传感器（MLX90615）、声音传感器（LM386）、摄像头（OV7725）和烟雾检测传感器（MQ-135）等对婴儿通过声音的采集进行啼哭检测、通过动作采集进行婴儿的蹬被检测、温湿度检测、烟雾检测等，对出现不正常的情况通过WiFi模块（ESP8266）传输进行报警，接收器收到报警后发出提示。

2  硬件设计

2.1 中央处理器单元

该设计采用的MCU选择的是目前常见、主流且功能强大的STM32F10VET6作为系统的核心处理器。本品采用ST超低功耗ARM CortexTM-M0微控器，同时也保留了传统单片机的功能且它是个加强版的单片机。它拥有72M的主频，这样的配置保证了它可以高速运行，还拥有100个IO，以及各种多个丰富的接口，同时官方提供了各种开源的库函数，这样的设计使开发者更容易开发它，它能够实现先进且复杂的功能。

2.2 传感器模块

本系统的传感器可分为温湿度传感器用于检测环境中的温度和湿度差异及时了解婴儿的踢被降温和尿床升湿，声音传感器可检测婴儿啼哭，烟雾浓度传感器用于检测婴幼兒身边是否烟雾浓度过高。

2.2.1 温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器是一款单数据传输线，并自身具有已校准数字信号输出的温湿度复合型的传感器。所以该传感器拥有极高的品质、超快的响应速度、综合性价比极高的优点。

该传感器通过数字线直接连接MCU，使系统集成变得简易快捷。同时它的极低的功耗，单信号线的设计，使得有效信号不失真可传输20米以上，具有很强的抗干扰能力，使我们选择这款温湿度传感器的重要原因。 （图2）

2.2.2 声音传感器

声音传感器的结构如同一个带着麦克风的传感器。它利用自带的麦克风去接受周围环境的声波。该传感器内集成了一个敏感的电容式驻极体话筒，周围的声波产生时，声波的震动使话筒内的薄膜产生振动，薄膜的位置改变导致电容间隔产生变化，使得产生出相应变化的微电压，再通过它集成的芯片，最终输出一个0-5的变换电压，通过与MCU的连接，进过AD转换，最后在液晶屏上显示声音的振动图象。

2.2.3 烟雾传感器

烟雾传感器是通过监测空气中烟雾的浓度的一种传感器，它可将空气中烟雾的浓度转换成电信号或者高低电平输出。当用模拟引脚时，通过与MCU，进过AD转换即可看到烟雾的变化曲线。当用数字输出时，可调节集成的电位器来调节它触发了灵敏度，通过MCU去检测电平的跳变即可知道烟雾的浓度是否过高。MCU再做判读进行控制和触发报警系统。

2.3 摄像头

该系统采用的摄像头是OV7725摄像头，该摄像头的主体结构与一般的摄像头类似，主要由图像传感器、光学镜头、电路构成。OV7725摄像头最大可输出30W像素的图像，其分辨率为640×480。同时它支持VGA时序进行图像数据的输出，输出的图像格式有三种，分别为YUV（422/420）、YCbCr422和RGB565格式。OV7725摄像头还具有对采集到的图像数据自动进行补偿，支持基本的伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等，以及6種拍摄环境模式的自由选择。选择它的还有一重要原因是它集成了一块FIFO缓存，当采集到图像时，它会先将数据存储到FIFO缓存中，等待MCU的读取，这样的设计避免的MCU的内存不足以及需要扩展外部储存的困扰。同时，由于它的小体积和工作电压低，最终选择它。

2.4 显示终端

TFT-LCD是一种由薄膜晶体管液晶显示器。该设计采用的事一个分辨率为240×320的一个液晶显示屏。通过编程调节RGB的参数即可精确的控制每个像素点的色彩。由于需要实时先显示监控画面，屏幕的显示色彩也很重要。该显示屏是一个16位数据输出/输入的设计，对于采用32的MCU来说，完全可以完美控制。

2.5 WIFI模块

该设计采用的WIFI模块是ESP8266。它是目前主流的WIFI模块之一，总体结构小巧，功能强悍，性能可靠，并且方便开发，资料充足。内置TCP/IP协议栈，TR开关、balun、LNA、功率放大器和匹配网络;强大的它具有WIFI@2.4GHZ、支持WAP/WAP2安全模式;并可在2ms之内将其唤醒，进行连接及输数据包;该传感器通过了FCC、CE、TELEC、WIFIAlliance以及SRRC认证。连接如图4所示。

3  设备联调

通过各个功能模块的设计和开发，最后将所有模块进行合一和设备联调，最终组成了一个拥有：对婴儿周围环境温度检测和湿度检测、对婴儿周围环境的空气质量检测、可实时对婴儿睡眠画面监控。并当出现异常情况时，系统会自动报警提醒用户的一个多功能的婴儿睡眠监控预警系统。实现了智能育婴，直接的实现了在婴儿监护人不在婴儿身边，自动的对婴儿实时的进行各种检测，有效的检测婴儿的生理状况和防止安全问题的发生;当发生紧急情况时，系统能够在第一时间，快速做出反应及告知看护人，从而能够方便看护人在看护婴儿的时候也能够做其他的事情，大大提高婴儿看护人的自由活动度，更加高效、充分的利用时间，为婴儿的看护人提供了很大的便利。

4  结论

本设计基于STM32，采用按键作为用户的输入接口，实现对婴儿体周围的温湿度、气体、画面、啼哭的检测，并使之在显示屏上显示。此外，当出现异常情况时，系统会自动报警提醒用户。该设计硬件包括：温湿度检测模块、监控模块、啼哭检测模块、烟雾浓度检测模块、WiFi传输模块、液晶显示模块和自动报警模块。软件部分包括：温度传感器程序、湿度传感器程序、声音传感器程序、烟雾传感器、显示屏显示程序、摄像头监控程序、蜂鸣器警报程序和无线传输模块程序。

本系统的直接目的就是在婴儿监护人不在婴儿身边时，对婴儿进行实时监测，有效地监测婴儿生理状况和防止安全问题的发生;如果发生紧急情况，可以在检测出现异常的第一刻告知看护人，从而能够方便看护人在看护婴儿的时候也能进行其他的事情，大大提高婴儿看护人的自由活动度，为婴儿的看护人提供了很大的便利。该婴儿睡眠测试预警系统除了可在家里对婴儿的状况进行监控以外，还可以用在其他场合，比如医院中对于婴儿的监护;此外，监护对象还可以是老人。因此，这款婴儿睡眠测试预警系统拥有一定的应用价值和广阔的市场空间。

该领域在当前智能化的大时代背景下，各种东西趋向于智能化，育儿也不例外，随着人们知识水平的不断提高，人们对育婴幼儿这方面的重视程度也越来越高，婴幼儿能否健康成长也就直接关系着一个家庭的幸福。另外，“时间成本”这个概念越来越被人们所熟知，人们做事更趋向于高效，婴儿监护费时费力，婴儿监护系统的市场需求也是相当大的，我相信未来在这一领域会有越来越大的突破，使婴儿监护系统更加系统化，对婴儿健康不会造成太大影响。同时在当今中国图像识别领域发展突飞猛进的大背景下，对婴儿图像采集识别会有更加高端的研究与发展，使婴儿睡眠监测系统更加发达。

参考文献：

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[3]刘永凯，孙珅，张斌，史文飞，吴水才.一种基于智能手机的新型婴儿睡眠监护系统设计[J].中国医疗设备，2018，33（09）：28-31，41.