摘 要： 系統以AVR單片機ATmega64為核心，處理來自溫濕度傳感器、紅外體溫傳感器、翻身檢測裝置、嬰兒尿床和踢被檢測裝置等采集的各種實時信息，并通過無線通信方式與父母手持設備及Web服務器進行信息交互。在嬰兒發生異常時，系統能及時將報警信息告知父母，并通過手持設備實現對嬰兒房間信息采集器的遠距離智能控制，達到及時安撫嬰兒的目的；嬰兒的實時圖像等信息也可以在移動終端上瀏覽，實現了基于網絡的遠程監護功能。
關鍵詞： 嬰兒監護；踢被檢測；紅外測溫；遠程監護
我國是世界上人口最多的國家，嬰幼兒總數也位居前列。嬰兒監護一直是家庭關心的重要問題。目前大多數家庭還是主要依靠家人時時刻刻看守著孩子，這就造成了父母正常工作、休息等的不便。
同時，因為嬰兒沒有行為能力，若嬰兒在尿濕、踢被、翻身和睡醒等狀態時能夠及時地被發覺，父母就可以及時采取相應的處理措施。為此本文以微處理器為核心，結合外圍電路檢測嬰兒實時狀態，并且引用遠程監護原理，融合視頻監護的技術，設計了一個多功能的嬰兒睡眠監護系統。
1 系統功能及原理
本系統采用ATMEL公司生產的高性能ATmega64單片機作為微處理器，包含尿濕檢測、翻身檢測、踢被檢測、感光檢測、溫濕度檢測、體溫檢測、語音提示、振動提示和彩燈撫慰等部分。其中采用尿濕感應墊檢測嬰兒是否尿床；利用紅外發射接收技術檢測嬰兒是否踢被。當檢測的信息超出正常范圍時，單片機將控制語音芯片，實時播放報警信息。此外系統采用溫濕度傳感器檢測環境溫度和濕度、采用非接觸式紅外傳感器檢測嬰兒體溫的功能。在報警提醒方面，在實現語音報警的同時，考慮到在環境嘈雜情況下語音信息不能清晰地傳遞，系統添加了振動提示；根據環境的不同可以設定不同的報警方式。
微處理器一方面利用上述外圍電路采集嬰兒實時狀態信息，另一方面通過無線傳輸的方式與上位機(Web服務器)進行串口通信，上位機將嬰兒實時狀態及嬰兒視頻信息通過IIS服務對外發布，實現基于網絡的遠程監護。系統原理框圖如圖1所示。
2 系統功能單元設計
2.1 尿濕檢測單元
尿濕檢測部分采用有一定阻值的特制墊子檢測信號。嬰兒躺在這種墊子上，墊子通過引線連到單片機帶A/D轉換的I/O端口上(EMI1是信號輸出腳)。因自身有一定阻值，所以會有初始電壓。通過對端口電壓值的A/D采樣處理，可以根據實際情況智能設計尿濕報警門限值，避免了普通開關式測量帶來的誤判。當嬰兒發生尿床時，墊子電壓就會升高。當經單片機處理后的電壓值超過設定電壓的門限值上限時，系統就會自動提示報警，及時將報警信息告知父母[1-2]，電路圖如圖2所示。
2.2 踢被檢測單元
踢被檢測采用紅外線發射-接收技術。踢被檢測分為紅外發射部分和接收部分。發射部分采用AVR系列單片機ATmega8作為中央處理器，為增大驅動能力，在紅外發射管前面連接三極管QN1和QN2，用單片機I/O口TXD和OC1A電平的變化來控制三極管的通斷，進而控制紅外發射管發射紅外線；紅外發射和接收部分電路如圖3、圖4所示。
另外為增大發射功率和發射角度，在電路中采用了兩個紅外發射管并聯，同時發射。為避免環境中別的紅外信號的干擾，在程序中做了設置：在發射程序中讓紅外發射管發出一定的加密數據，在接收程序中檢測接收的數據。當檢測接收的數據正確時，系統則自動提示嬰兒踢被報警信息。
2.3 溫濕度傳感器測溫濕單元
系統采用SHT10系列傳感器對環境溫濕度進行測量。它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現無縫連接[3]。該產品具有響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等優點，測試電路圖如圖5所示。
2.4 體溫檢測功能
系統采用非接觸式紅外體溫傳感器MLX90614對嬰兒體溫進行測量。MLX90614模塊外圍電路如圖6所示。它由紅外溫度傳感器、低噪聲放大器、A/D轉換器、DSP 單元、脈寬調制電路及邏輯控制電路構成。熱電耦輸出的溫度信號經過內部高性能、低噪聲的運算放大器放大后送給模/數轉換器(ADC)，ADC輸出的17位數字量經過可編程FIR和IIR低通濾波器處理后輸出，該輸出作為測量結果保存在MLX90614內部RAM存儲單元中，可以通過SMBus協議讀取。其中模塊引腳MCU_SCL(SMBus串行時鐘輸入)連到單片機的時鐘腳上；MCU_SDA(數字輸出)連到單片機的I/O口上；VDD是模塊的供電引腳；VSS接地，為增強模塊的測量精確性，在VDD和VSS間串接了一個電容來提高濾波效果。
2.5 遠程監護模塊
本系統通過嬰兒信息采集器的RS232接口與系統上位計算機實現無線數據傳輸。上位計算機同時作為Web服務器，通過局域網連接到Internet，以提供遠程監視和智能控制功能[4-5]。系統結構如圖7所示。
無線通信主要完成服務器與信息采集器之間的串口通信，讀寫嬰兒房間及嬰兒狀態各種參數，同時將采集的實時數據上傳至服務器端，以備客戶端通過網絡訪問實時數據。
該模塊主要應用MSComm控件和Modbus協議，實現Web服務器與帶RS－232輸出接口的智能嬰兒信息采集器的串口通信功能。采用MSComm控件接收數據，按照接收方式分兩種方式：事件驅動方式及定時查詢方式。在這里為了獲得嬰兒狀態的實時數據采用定時驅動方式。若定時器計時到，通過串行通信口向指定地址信息采集器發出讀寫等操作命令，等待時間到則檢查InBufferCount屬性值，判斷輸入緩沖區中是否接收到了相應數目的字符，從而進行讀取、判斷數據合法性和數據存儲、處理等操作，其基本屬性如表1所示[6]。
程序流程圖如圖8所示。
3 實驗結果及分析
根據本文提出的思路和方法，設計并制作出了多功能嬰兒睡眠監護系統。經過大量試驗驗證，系統的各項功能均滿足設計要求，系統整體性能穩定。系統在傳感器檢測靈敏度方面還存在不足，程序不夠優化，外觀不夠優美等，這些不足有待于進一步改進。
3.1 測試溫濕度部分誤差分析
在使用SHT10傳感器測試溫度濕度時存在一部分誤差，分析原因主要有：(1)測試溫濕度的這款傳感器是數字輸出傳感器，它所要求的測試條件為25℃，而在現實使用中隨著環境溫度的變化，其測試條件也在逐漸的改變，從而影響了其精度；(2)測試溫濕度程序的優化程度有待提高，雖然程序中已加入溫度補償，但受補償溫度范圍的限制，檢測結果依舊存在一定的誤差。
3.2 紅外測溫部分誤差分析
當使用MLX90614傳感器非接觸測試體溫時，在滿足系統要求精度的同時，經測試結果(見表2)分析發現存在部分誤差，原因主要有：
(1)MLX90614傳感器的醫療精確度版本MLX90614DAA，是在環境溫度10℃~40℃和被測物體溫度32℃~42℃范圍內且假設紅外感應器處在均衡的溫度環境中(所謂均衡的溫度環境是指在感應器封裝表面不存在溫度梯度差)。感應器的精確度會受這種溫度差影響，造成這種溫度差的原因有：發熱電子器件處在感應器背部，加熱器或者散熱器距離感應器太近等。此類感應器本身采用了熱梯度差補償原理，從而使得由熱梯度造成的誤差大大減小。但是，并不意味著這種誤差可以完全消除。所以，感應器的排放位置或者環境都會對感應器的測量帶來誤差。
(2)測試體溫的程序優化程度有待提高，雖然程序中已加入溫度補償，但受補償溫度范圍的限制，檢測結果仍然存在一部分誤差。
基于紅外廣角發射、紅外測溫原理和網絡遠程監護的嬰兒睡眠監護系統具有功能強、智能化、性能可靠、操作簡單等特點。本系統方案不僅可以實現對嬰兒狀態數據的采集與無線控制，而且也可以實現基于網絡的遠程監護，并且在發生異常狀況時能及時地在手持設備上顯示報警信息及報警提示等。但系統在踢被檢測、系統供電等方面有待改進。同時遠程監護中網絡的時間延遲是基于Web的遠程監護系統中最為關鍵的問題之一，它是客觀存在的，不能消除的，而且它直接影響到系統的穩定性和控制品質。相信經過今后的不斷修正，系統能夠更加完善，也希望這款嬰兒睡眠監護系統能夠早日進入每一個家庭。
參考文獻
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[2] 李長林.AVR單片機應用設計[M].北京：電子工業出版社，2005.
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[5] 巴休拉，楊浩.ASP.NET Web服務高級編程[M].北京：清華大學出版社，2005.
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