0 引言

    嬰幼兒是家庭的重要成員，由于生活能力較弱，各方面需額外照顧，墜落、走失、燙傷、滾落等都可能對(duì)嬰幼兒的身心造成傷害。同時(shí)，嬰幼兒的體溫、尿布濕度等情況也需得到關(guān)注。但是家長(zhǎng)出于工作、家務(wù)、學(xué)習(xí)等各種原因，無(wú)法時(shí)時(shí)刻刻對(duì)自己的孩子進(jìn)行監(jiān)護(hù)，或者難免有時(shí)候粗心大意，其結(jié)果往往是造成慘劇或者事故的發(fā)生。因此，希望能通過現(xiàn)代科技產(chǎn)品對(duì)嬰幼兒進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在夜晚睡眠以及需要孩子獨(dú)處等的情況下能夠知道孩子的狀況，以減少這些意外的發(fā)生。目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品普遍存在可靠性不高、攜帶不便捷、功能不全面等不足，無(wú)法全面滿足家長(zhǎng)與孩子的需求^[1]。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)分為3個(gè)模塊，總體實(shí)現(xiàn)5項(xiàng)功能，如圖1所示。3個(gè)模塊分別為：主機(jī)模塊、臂帶模塊、腰帶模塊；5項(xiàng)功能分別為：嬰幼兒活動(dòng)范圍檢測(cè)監(jiān)控、嬰幼兒睡眠踹被檢測(cè)監(jiān)控、嬰幼兒尿布濕度檢測(cè)監(jiān)控、嬰幼兒發(fā)燒檢測(cè)監(jiān)控、嬰幼兒啼哭聲檢測(cè)監(jiān)控。

1.1 主機(jī)模塊

    設(shè)備主板設(shè)計(jì)完成后將主板安裝于主機(jī)箱內(nèi)，主機(jī)箱置于嬰兒房間內(nèi)離嬰兒床較近的地方，主機(jī)箱外接二自由度紅外高端夜視固定攝像頭，攝像頭能適應(yīng)多角度多情景模式。主機(jī)箱上有復(fù)位、開關(guān)按鈕，主機(jī)箱中無(wú)線路由器的天線通過預(yù)留的天線口留在外面，使得信號(hào)傳輸更高效。箱子內(nèi)置電路板與箱體表面的12864顯示屏相連，原理圖如圖2所示。

1.2 RFID模塊

    RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，識(shí)別過程無(wú)需人工干預(yù)，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作方便，適應(yīng)性廣泛。設(shè)計(jì)中 RFID讀卡器由天線、耦合元件、芯片組成，用于讀取標(biāo)簽信息。電子標(biāo)簽分為有源、無(wú)源和半有源3種。本設(shè)計(jì)選用無(wú)源標(biāo)簽，主要依靠閱讀器發(fā)射脈沖信號(hào)的能量工作，具有低成本、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，但在閱讀距離和對(duì)較大移動(dòng)速度的識(shí)別方面有所限制。

    如圖3，選用TRF7960A作為RFID/近場(chǎng)通信系統(tǒng)的集成模擬前端和數(shù)據(jù)成幀設(shè)備。內(nèi)置編程選項(xiàng)使其適合各種鄰近和近程識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用。

1.3 SIM300c模塊

    如圖4，系統(tǒng)采用的SIM300C是一款新型的GPRS通信模塊，內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP/P協(xié)議，提供通用的AT控制命令，使用戶不需移植TCP/IP協(xié)議就能利用GPRS服務(wù)與終端建立連接、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，縮短用戶的開發(fā)和生產(chǎn)周期。采用6針SIM卡座，6根信號(hào)線分別為：電源(VCC)、地(GND)、復(fù)位(RST)、狀態(tài)(VPP)、時(shí)鐘(CLK)、數(shù)據(jù)(I/O)。如圖4，無(wú)線遙控開關(guān)分別為PT2262發(fā)射模塊和PT2272接收模塊，是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片。在空地?zé)o干擾時(shí)使用距離>50 m，正常使用一般為二三十米，因此能夠滿足一般家庭有建筑物干擾的情況。

1.4 傳感器模塊

1.4.1 溫濕度傳感器模塊

    溫濕度傳感系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感模塊，外形及原理圖如圖5所示。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，采用專用的溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè) NTC測(cè)溫元件，可與STC89C52單片機(jī)相連接，達(dá)到檢測(cè)嬰幼兒溫濕度的目的，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)^[8]。

1.4.2 聲音傳感器模塊

    選用的傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，不需額外的A/D 轉(zhuǎn)換電路即可與單片機(jī)之間進(jìn)行通信，工作電壓為3.5～5 V，靈敏度在70～100分貝范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。一般小孩的哭聲正好能夠達(dá)到此范圍，生活中較為常見的噪音能夠有效被過濾掉。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    單片機(jī)系統(tǒng)的程序采用C51語(yǔ)言，編程調(diào)試后生成HEX文件，由ISP下載軟件寫入STC89C52單片機(jī)。主體程序采用中斷模式，讀寫器輸入信號(hào)觸發(fā)中斷，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。串口通信子程序在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作中起到了關(guān)鍵作用。運(yùn)用串口調(diào)試工具，設(shè)置串行口的波特率為115 200 b/s，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。然后在主程序中，通過編寫相關(guān)AT命令程序，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)SIM300C模塊的控制。圖6為軟件流程圖。

3 系統(tǒng)功能

3.1 嬰幼兒活動(dòng)范圍檢測(cè)監(jiān)控

    針對(duì)嬰幼兒是否“單獨(dú)”離開指定的生活區(qū)域（如嬰兒房、臥室等）或進(jìn)入不安全區(qū)域（如浴室、陽(yáng)臺(tái)、門外等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在此類情況下迅速地通知家長(zhǎng)，使之得到有效地解決。一張電子標(biāo)簽通過臂帶模塊佩戴在嬰幼兒身上。嬰兒靠近 RFID 讀卡器時(shí)，讀卡器會(huì)自動(dòng)采集電子標(biāo)簽信息，認(rèn)為此次靠近為不安全行為，警報(bào)響起提示附近的家人查看，同時(shí)通過sim300c 模塊以手機(jī)短信形式告知系統(tǒng)綁定的手機(jī)。

3.2 嬰幼兒尿布濕度檢測(cè)監(jiān)控

    針對(duì)嬰幼兒晚上是否需要更換尿不濕而設(shè)計(jì)的尿布濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)尿不濕的濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并在需要更換尿不濕時(shí)及時(shí)通知家長(zhǎng)，從而為嬰幼兒營(yíng)造舒適的睡眠環(huán)境。當(dāng)濕度傳感器檢測(cè)到尿布濕度超過預(yù)警值時(shí)，輸出電位會(huì)發(fā)生變化，89C51 單片機(jī)控制模塊感應(yīng)到電位變化，利用內(nèi)部中斷服務(wù)程序借助sim300c網(wǎng)絡(luò)與通信模塊發(fā)送相應(yīng)報(bào)警信息到家長(zhǎng)的手機(jī)終端。

3.3 嬰幼兒啼哭聲檢測(cè)監(jiān)控

    針對(duì)嬰幼兒晚上獨(dú)立睡覺時(shí)是否有哭聲等，對(duì)嬰幼兒房間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦檢測(cè)到相應(yīng)信號(hào)，通過迅捷的技術(shù)手段發(fā)出警報(bào)并通知家長(zhǎng)，從而提高安全性。聲音傳感器檢測(cè)到嬰幼兒的哭聲，傳感器輸出數(shù)字信號(hào)到單片機(jī)，單片機(jī)輸出高電平使無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)射信號(hào)，無(wú)線接收模塊接收信號(hào)，通過電磁繼電器啟動(dòng)蜂鳴器，家長(zhǎng)聽到蜂鳴器的聲音后打開智能手機(jī)，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)觀看攝像頭傳輸?shù)漠嬅妗?/p>

3.4 嬰幼兒睡眠踹被檢測(cè)監(jiān)控

    針對(duì)嬰幼兒晚上是否踹被設(shè)計(jì)的嬰幼兒睡眠踹被檢測(cè)監(jiān)控。該檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)嬰幼兒體表周圍的溫度是否超出波動(dòng)范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以判別嬰幼兒是否有踹被行為。若有，則及時(shí)通知家長(zhǎng)，防止嬰幼兒受涼感冒。

3.5 嬰幼兒發(fā)燒檢測(cè)監(jiān)控

    針對(duì)嬰兒是否發(fā)燒而進(jìn)行溫度的檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于嬰幼兒正處在生長(zhǎng)階段，無(wú)法對(duì)生理現(xiàn)象進(jìn)行自我表達(dá)和自我照顧。若因受涼而發(fā)燒，或發(fā)燒后長(zhǎng)時(shí)間未被家長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)，極可能對(duì)嬰兒造成嚴(yán)重的后果。因此，該嬰幼兒發(fā)燒檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并迅速通知家長(zhǎng)，以避免危險(xiǎn)事件的發(fā)生。

    設(shè)計(jì)成果如圖7、圖8所示，圖7為臂帶三維爆炸圖，圖8為腰帶三維爆炸圖。試用者反饋信息對(duì)設(shè)備給了很大好評(píng)，他們認(rèn)為設(shè)備設(shè)計(jì)巧妙，系統(tǒng)報(bào)警精準(zhǔn)度高，信息傳輸完善，功能全面。相比較之前的一些設(shè)備或無(wú)設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)小孩靠近危險(xiǎn)時(shí)不但能準(zhǔn)確快速地將信號(hào)傳遞給家長(zhǎng)，攝像頭傳輸技術(shù)還能通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)攝像頭圖像實(shí)時(shí)傳輸。現(xiàn)在大多數(shù)家庭等環(huán)境里還未有這種嬰幼兒安全監(jiān)控保障設(shè)備的引入，一旦其實(shí)用性得到了驗(yàn)證，將使很多人受益。它能很有效地解決因家長(zhǎng)大意或者忙碌而造成小孩受傷或死亡等問題，例如需對(duì)開水壺安裝讀卡器，當(dāng)小孩靠近熱水時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，可讓家長(zhǎng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)小孩的情況，確保孩子的安全，徹底遏制慘劇的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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