智測護(hù)嬰 ——智能嬰兒安全檢測的領(lǐng)航者

本項目由閩江學(xué)院公宇巖、謝茜、柯詩宏同學(xué)完成，獲得福建省首屆 OpenHarmony 開發(fā)者大賽二等獎。

1 項目背景

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，傳感器技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，各種各樣的設(shè)備都走上了智能化的道路。嬰兒車也應(yīng)走向智能。智能嬰兒車在國外的發(fā)展傾向于對嬰兒生命體征的監(jiān)測，比如血壓、體溫、身高、體重等方面，但是國內(nèi)的智能嬰兒車則傾向于避震便攜等方面。智能安全防護(hù)領(lǐng)域依舊是一片空白，因此，人們對一款能提供一系列安全措施的智能嬰兒車的渴望越來越急切。

2 項目簡介

2.1 項目描述

該項目是基于 OpenHarmony 的操作系統(tǒng)，它是我國自主研究、國產(chǎn)可控的芯片RK2206 搭載的一個全新的，獨立的首個完全開源的操作系統(tǒng)。該項目能夠?qū)雰旱纳瞽h(huán)境以及嬰兒的實時狀況進(jìn)行智能監(jiān)測，利用MP3、溫濕度、測溫、火焰、測距、雨滴等傳感器，對嬰兒是否尿床、在車內(nèi)，嬰兒車周圍環(huán)境是否有火源、障礙物、下雨等情況作出判斷，并在嬰兒車的顯示屏上顯示，幫助父母花更少的時間更好地照顧好嬰兒，讓嬰兒更加健康茁壯地成長。

2.2 功能說明

智能嬰兒車內(nèi)安裝有各類傳感器可以實時監(jiān)測嬰兒的安全與健康的問題，主要包括紫外線、溫濕度、避障、雨滴等傳感器。

設(shè)備控制模塊中，具有手動控制和智能控制兩個功能。點擊進(jìn)入手動控制頁面，可以通過藍(lán)牙對設(shè)備直接進(jìn)行控制。

本系統(tǒng)由四節(jié)3.7V/2000mAH的18650鋰電池作為整個系統(tǒng)的電源，保證了該系統(tǒng)的超長續(xù)航。通過SHT30模塊來檢測溫濕度并進(jìn)行風(fēng)扇的狀態(tài)的調(diào)整，MLX90614來檢測嬰兒的體溫，用DS1302來檢測時間，通過紫外線傳感器來檢測系統(tǒng)外部的紫外線指數(shù)，利用避障傳感器來判斷嬰兒是否在車內(nèi)，利用雨滴傳感器來判斷嬰兒是否尿床以及頂部車棚的打開與關(guān)閉，全程還可以通過語音播報來進(jìn)行播報。

2.3 項目展示

智能嬰兒車實物

嬰兒安全情況監(jiān)測顯示

嬰兒健康狀況監(jiān)測顯示

3 硬件方案

3.1 硬件總體框架

3.2主控芯片

采用小凌派RK2206 OpenHarmony開發(fā)板，主控為瑞芯微RK2206芯片，200MHz主頻，RAM 256KB、ROM 16KB、PSRAM 8M、FLASH 8M。板載NFC Tag芯片及天線，可實現(xiàn)OpenHarmony“碰一碰”功能。支持 IEEE 802.11b/g/n 制式，AP 模式。USB 2.0 、SD card /SPI/I2C 接口、麥克風(fēng)接口、E53 接口（包含 UART、 I2C、ADC、DAC、PWM、5 個 GPIO）。一根TypeC USB線，即可實現(xiàn)供電、下載等功能。一根TypeC USB線，可支持串口調(diào)試功能。

3.3 藍(lán)牙模塊

HC-06是一款主從一體式串口藍(lán)牙模塊，使用時無需理解復(fù)雜的藍(lán)牙協(xié)議，把它當(dāng)作普通串口使用即可，串口通信為透傳模式，由于它同時支持主從機(jī)模式，所以任意兩個藍(lán)牙模塊之間都是可以通信的。

3.4 紅外避障模塊

TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，被檢測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時，紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極管被點亮。

3.5 語音避障模塊

此模塊使用自帶的100mil的插針焊接到SYN6288模塊的接口上。其中為了連接喇叭方便，將對應(yīng)的2PIN焊接在上面，其他的5PIN焊接在下面便于插在面包板上完成試驗線路的連接。

3.6 火焰?zhèn)鞲衅?/strong>

火焰?zhèn)鞲衅鲗鹧婷舾?對普通光也是有反應(yīng)的。一般用做火焰報警等用途。輸出接口可以與小凌派IO口直接相連。

3.7 溫濕度傳感器

溫濕度一體化模擬量型傳感器它可以同時把溫度及濕度值的變化變換成電流/電壓值的變化，可以直接同各種標(biāo)準(zhǔn)的模擬量輸入的二次儀表連接。

3.8 紅外測溫模塊

紅外熱電堆傳感器輸出的溫度信號經(jīng)過內(nèi)部低噪聲、低失調(diào)的運(yùn)算放大器放大后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為17位數(shù)字信號通過可編程FIR及IIR低通數(shù)字濾波器處理后輸出,輸出結(jié)果存儲在其內(nèi)部RAM存儲單元中。

3.9 DS1302時鐘

DS1302芯片包含一個用于存儲實時時鐘/日歷的 31 字節(jié)的靜態(tài) RAM，可通過簡單的串行接口與微處理器通訊，將當(dāng)前的是時鐘存于RAM。DS1302芯片對于少于 31 天的月份月末會自動調(diào)整,并會自動對閏年進(jìn)行校正。由于有一個 AM/PM 指示器，時鐘可以工作在 12 小時制或者 24小時制。

3.10 雨滴傳感器

接上3.3V電源電源燈亮，感應(yīng)板上沒有水滴時，DO輸出為高電平，開關(guān)指示燈滅;滴上一滴水，DO輸出為低電平，開關(guān)指示燈亮;刷掉上面的水滴,又恢復(fù)到,輸出高電平狀態(tài)。

3.11 光敏電阻傳感器

光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。

超聲波是振動頻率高于20kHz的機(jī)械波。它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小、方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。

MP3音頻解碼過程中的第一步就是使解碼器與輸入數(shù)據(jù)流同步。在啟動解碼器后，可以通過搜索數(shù)據(jù)流中的12比特長的同步字來完成。

4 軟件方案

4.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)采用兩個小凌派來實現(xiàn)。選用第一個小凌派來采集溫濕度，選用避障傳感器，雨滴傳感器和聲音傳感器來判斷嬰兒的狀態(tài)并做出相對應(yīng)的反應(yīng)，此外，我們還可以通過藍(lán)牙發(fā)送不同的指令來控制嬰兒車內(nèi)的各種設(shè)備；第二個小凌派我們可以通過DS1302模塊顯示當(dāng)?shù)厝掌诤蜁r間，利用ADC和紫外線傳感器來采集紫外線指數(shù)，并采用MLX90614來測量嬰兒的體溫，還可以通過測距傳感器來檢測嬰兒車與前方障礙物的距離。

4.2 通風(fēng)智能決策設(shè)計

影響是否打開風(fēng)扇主要因素是溫度和濕度，溫度過高和濕度過高都會影響嬰兒在車內(nèi)的舒適情況。其智能控制具體流程為：

1)設(shè)定溫度閾值和濕度閾值；

2)判斷系統(tǒng)是否為自動模式或手動模式；

3)自動模式下，超過指定閾值時會自動打開風(fēng)扇；反之，則關(guān)閉；

4)手動模式下，可以通過藍(lán)牙發(fā)送指令2，3直接控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動；

通風(fēng)智能決策程序流程如圖所示。

4.3 音樂智能決策系統(tǒng)設(shè)計

嬰兒在車內(nèi)時難免會發(fā)生哭叫，我們可以通過播放音樂來安撫嬰兒，其智能控制具體流程為：

1)小凌派采集聲音傳感器輸出的模擬電壓的adc的大?。?/p>

2)判斷是否處于自動模式；

3)自動模式下，超過指定閾值時會自動打開繼電器播放音樂；反之，則關(guān)閉；

4)手動模式下，可以通過藍(lán)牙發(fā)送指令4，5直接控制繼電器的打開與關(guān)閉；

音樂智能決策程序流程圖如下圖所示。

4.4 車棚智能決策設(shè)計

在本系統(tǒng)中，影響車棚打開的的智能控制決策的主要因素是車外是否有雨， 根據(jù)雨滴傳感器通過比較器輸出的電平來進(jìn)行頂部車棚的控制。其智能控制具體流程為：

1)通過比較器判斷雨滴傳感器的高低電平；

2)判斷系統(tǒng)是否為自動模式或手動模式；

3)自動模式下，低電平時會打開車棚，高電平則會關(guān)閉車棚

4)手動模式下，可以通過藍(lán)牙發(fā)送指令6，7直接控制車棚的打開與關(guān)閉；

風(fēng)車棚智能決策程序流程如下圖所示。

5 項目總結(jié)和展望

本項目根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和市場需求,從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計出發(fā)，基于以我國自主創(chuàng)新研發(fā)的芯片RK2206并搭載OpenHarmony操作系統(tǒng)為控制核心的小凌派設(shè)計了一款智能嬰兒車，通過實際模型可以充分體現(xiàn)出來系統(tǒng)的實用性和可行性，可以隨時對嬰兒的安全情況和健康情況以及在車內(nèi)的舒適程度進(jìn)行及時反饋。

系統(tǒng)雖然實現(xiàn)整體功能，但仍有一些不足之處，如手動模式和自動模式的切換時間會稍長一點以及部分傳感器反應(yīng)時間會相對較慢；后續(xù)我們還計劃添加GPS模塊和4G通信來實時反應(yīng)嬰兒車的位置，添加攝像頭模塊進(jìn)行嬰兒行為的抓拍等一系列有助于嬰兒舒適成長的設(shè)計。