基于物联网的智能婴儿床远程监控系统

杜宝强，朱传奇，武 涛

（1.中国电子技术标准化研究院，北京 100000；2.安徽理工大学，安徽 淮南 232001；3.中国联合网络通信有限公司安徽省分公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

婴儿床是每一个生育家庭必备的产品，传统的婴儿床只是在普通床的基础上进行缩小，加上床周围的防护，某些婴儿床还会添加音乐播放哄睡功能，但从根本上不能减轻婴儿父母的看护强度。因此，开发一款“智慧”智能婴儿床是非常有必要的[1]。国外的智能婴儿床偏向于医疗健康方面，注重婴儿生命体征的监测，比如血压、体温等[2]，国内对此方面的研究尚处于起步阶段。本文就基于上述问题采用传感器采集技术和CC2530主控芯片，利用ZigBee自组网功能接入云平台对采集传输的终端实时数据进行存储，并利用相应的Web页面和手机消息通知实现对智能婴儿床的实时有效监控。

1 智能婴儿床远程监控系统硬件设计

本系统研究的是智能婴儿床远程监控系统，主要研究内容为尿湿检测、掉床检测、啼哭检测、空气质量检测，包括传感器、协调器的有关设定、微处理器及其网络传输部分。组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

主控芯片：主控芯片选用CC2530芯片，它主要将相关传感器采集的数据打包上传。

传感器模块：传感器模块主要负责采集婴儿床的具体信息，本系统利用温湿度传感器检测儿童是否尿床，使用声音传感器检测儿童是否哭泣，利用压力传感器判断儿童是否存在掉床的风险，同时使用空气质量传感器判断儿童是否处于优质的环境中。

无线通信模块：无线通信模块将ZigBee模块与WiFi模块相结合，ZigBee模块实现传感器与主控芯片之间的通信，WiFi模块实现主控芯片与云平台之间的通信。

云平台：云平台主要用于存储传感器数据，可供家长实时查看孩子的睡眠质量。

电源模块：电源模块主要为其他各模块供电。

报警模块：系统检测出异常状态后，如尿湿、啼哭等，将发出报警信号，让家长可以及时处理，以免孩子发生意外。

1.1 CC2530主控芯片

本设计选用由TI公司生产的第二代IEEE802.15.4、ZigBee应用系统芯片CC2530作为无线传感网络节点的核心。此款芯片可以以极低的功耗工作并传输信息[3]。

CC2530模块原理如图2所示。

图2 CC2530电路原理

1.2 电源电路设计

电源模块主要负责为主控芯片以及婴儿床的传感器供电，利用手机充电器的电源和数据线很容易满足电源要求。（但要注意，现如今很多设备的USB输出电压并非都是5 V），再通过电压转换电路将5 V电压转成3.3 V提供给CC2530芯片供电[4]。USB电压转换供电电路如图3所示。

图3 USB电压转换供电电路

1.3 仿真器接口设计

仿真器接口即为CC2530芯片的程序下载接口，本设计选用SmartRF04EB仿真器，其电路如图4所示。

图4 程序下载接口电路

1.4 尿湿检测

本系统选用温湿度传感器DHT11检测儿童是否尿床，该传感器包括一个测温元件NTC，一个电阻式感湿元件和一个高性能的八位处理器。它的突出特点是响应速度快、抗干扰能力强、性价比极高[5]。它可以对采集的数据进行校准并输出。DHT11的实物与接线图如图5所示。从图中可以看出，DHT11有3个端口，其中VCC为电源端，GND为接地端，DATA为串行数据端，通过单总线的方式进行数据传输。

图5 DHT11的实物与接线图

1.5 掉床检测

智能婴儿床的掉床检测选择YL-A1压力传感器。当检测到压力传感器数值发生大幅变化时，就意味着儿童睡觉时身体有大幅运动，存在掉床的风险，系统发出报警信号。在感知到外界压力变化时，传感器的电阻值也会随之发生变化，这样我们就可以根据检测到的电信号变化情况得到压力变化情况。YL-A1传感器模块利用1个传感器元件串联1个510 kΩ电阻，其工作电压为3.3～5 V，控制信号为模拟信号。

1.6 啼哭检测

本系统选用SY-01声音传感器来检测儿童是否存在啼哭行为，同时还可以检测周围环境的声音强度，为儿童提供一个相对安静的睡眠场所。SY-01声音传感器工作过程可概括为：模块在相对安静的正常环境背景音情况下输出高电平，当环境噪音超过设定值时输出低电平[6]。电路原理如图6所示。

图6 SY-01传感器原理

1.7 空气质量检测

本系统选用MQ-2传感器检测孩子睡觉时周围的环境情况。气体传感器（MQ-2）具有诸多优点，突出表现在其具有极低的延迟响应、强抗干扰能力[7]。在使用MQ-2传感器时需注意其输出的是模拟量，并非数字量，因此需要额外一个数模转换芯片将其转换成数字量[8]。MQ-2传感器使用广泛，成本极低，可检测多种烟雾气体，是产品大规模推广的必备之选。MQ-2气体传感器原理电路如图7所示。

图7 MQ-2气体传感器原理

1.8 网络模块

WiFi模块选用ESP8266模块，ESP8266 WiFi可工作在AP、Station与AP+Station三种模式下，并且可以通过软件实现模式切换，通常使用AT指令进行控制。模块的协调器上安装有LED指示灯，当ZigBee协调器节点上有数据接收时，相应的LED灯开始闪烁[9]。

1.9 报警电路设计

当系统检测出有毒气体以及儿童出现尿湿、啼哭、掉床风险时，系统会发出报警信号，迅速通知家长，让家长及时处理异常情况，以免儿童的睡眠质量受到影响。

本系统选用蜂鸣器作为报警信号，按照驱动方式的原理可分为两种。一种是无源蜂鸣器，另一种是有源蜂鸣器，有源蜂鸣器使用方便，无源蜂鸣器成本低且使用灵活[10]。本次报警信号选用FM01有源蜂鸣器，其具有高可靠性、声音清脆等特点。该蜂鸣器采用S8550三极管驱动，电压工作范围为3.3～5 V。当I/O口输入低电平时，蜂鸣器动作发出声音。

2 系统软件设计

终端节点的数据采集部分主要包括采集温湿度、压力、空气质量、声音等数据，每部分的工作流程类似，本文详细介绍了温湿度传感器DHT11的工作流程与程序，其他部分不再赘述。

在本实验中，温湿度检测是由串口以及P0_7来配置完成，其主程序为：

3 云平台设计

云平台的搭建可以利用中国移动物联网开放平台OneNET。在OneNET云平台上首先完成账号注册，之后登录账号，在产品服务中找到多协议接入，添加所需的设备传感器。产品注册完成后界面如图8所示。

图8 设备查询界面

利用OneNET接入设备后，用户即可对所添加的设备进行远程实时监控和查询。查询结果如图9～图12所示。

图9 温度数据

图10 湿度数据

图11 压力传感器数据

图12 空气质量传感器数据

当有触发条件时，系统会通过邮件发送至客户端，图13为湿度、压力数据超出设定值时的触发情况。

图13 警报发送情况

4 结 语

本文设计搭建了基于物联网远程监控功能的智能婴儿床监控系统，利用传感器采集技术来构建智能婴儿床的终端信息采集模块，从整体上看，监控系统能在一定程度上减轻家长的负担。该系统具有布线简单等优点，能够实时监测孩子睡觉时的状况，性能稳定，性价比较高。但由于作者水平有限，系统还存在诸多问题需要完善，也必将不断吸收采纳最新的技术手段，争取创造更大的社会价值。