刘雯 薛斌喜 黄开元 李兆恩 牟翰林

摘 要：文中研究了一款基于nRF51-DK开发板的婴儿助手，该婴儿助手可以安装在婴儿车、婴儿床等环境中，并可以利用开发板自带的低功耗蓝牙模块与监护人手机通信。主要功能包括利用温湿度传感器实时监测婴儿所处环境以及检测婴儿是否尿湿;利用压力传感器在婴儿频繁乱动时向监护人手机发送警报;利用麦克风模块检测婴儿是否啼哭，并向监护人手机发送提示;同时可以通过手机控制小喇叭播放音乐缓解婴儿啼哭。此系统具有成本低，适用性强等特点。最后，在处理采集到的数据方面，提出了一种基于平均差的统计方法，可以快速反应各个数据之间的差异程度，适用于单片机这种处理能力比较弱的系统。通过测试，发现该统计方法简单、快捷、高效。

关键词：nRF51;婴儿看护;物联网;蓝牙;单片机;传感器

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

随着国内二胎政策的放开，新生儿的数量将迎来大规模增长。婴儿往往在家庭中处于重要地位[1]，但由于年轻家长缺乏育儿经验[2]，且工作繁忙，无法实时陪在婴儿身边给予婴儿及时的照顾[3]。即使年轻父母选择聘请保姆，或邀请自己的父母照顾婴儿，但家长仍有实时监测婴儿状态的需求[4]。

传统婴儿监测系统依赖于摄像头的实时监控，此类监控设备铺设成本高且存在视线盲区，传输数据量大，较大程度受制于家长和婴儿所处的网络环境。此外，实时监控占据了家长大量时间，且即使出现问题，家长也无法及时采取措施，适用性不佳[5]。

本文所设计的智能婴儿助手具有以下特点。

（1）适用性好：该系统成本低、体积小、布设方便，可以安放在婴儿常处的任何环境中。

（2）功能实用：该系统可以涵盖照顾婴儿所需的绝大多数功能，为年轻父母提供帮助。

1 系統总体结构

智能婴儿助手系统由两部分组成，分别为数据监测与传输模块和手机客户端模块。

数据监测与传输模块由nRF51-DK开发板[6]、DHT22（AM2302）数字温湿度传感器、HX711重力传感器、MAX9814麦克风模块和小喇叭组成。nRF51-DK开发板负责处理与协调各传感器采集的数据，将温度、湿度、压力等统计信息与设置的阈值进行比较，判断婴儿是否尿湿、是否啼哭、是否乱动，并将提示信息与实时温度、湿度数据通过低功耗蓝牙发送到手机端。

手机客户端主要负责显示婴儿所处环境的实时数据以及报警。此外，当检测到婴儿啼哭时，手机端还可以控制小喇叭播放音乐安抚婴儿。

数据监测与传输模块如图1所示，手机客户端模块如图2所示。

2 系统的硬件实现

本系统的硬件包括温湿度检测模块、麦克风模块、压力检测模块、主控模块与低功耗蓝牙模块，各模块之间相互协调完成工作[7]。

2.1 温湿度采集

温湿度采集所选的温湿度传感器型号为AM2302（DHT22），此传感器应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，可以同时检测温度和湿度，并将已校准的数字信号输出[8]。将此传感器置于婴儿身体下方，用于检测婴儿所处环境的温度与湿度，并将数据通过普通I/O与单片机连接，实时传输给nRF51-DK开发板。当单片机收到温度与湿度的信息后，通过蓝牙模块将数据发送给手机，并在手机客户端显示。

2.2 尿湿检测

尿湿检测同样通过AM2302（DHT22）温湿度传感器进行。在单片机中设置标志变量humidity_flag，当湿度的统计信息高于一定阈值时，此标志位被设置为1，此时认定婴儿尿湿，同时通过蓝牙模块向手机端发送尿湿警报，提示家长及时照顾婴儿;当湿度的统计信息低于阈值时，此标志位清零。

2.3 啼哭检测

啼哭检测所选择的传感器为MAX9814麦克风模块，在单片机中设置标志变量nosie_flag，当麦克风模块采集到的统计信息高于一定阈值时，此标志位被设置为1，此时认定婴儿啼哭，单片机可以通过控制小喇叭播放音乐来舒缓婴儿情绪，同时通过蓝牙模块向家长手机发送啼哭警报提示家长;当噪声统计信息低于一定阈值时，此标志位清零。

2.4 乱动检测

乱动检测所选择的传感器为HX711电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片[9]。在单片机中设置标志变量action_flag，当压力的统计信息高于一定阈值时，会认定为婴儿由于某些原因乱动，然后立即通过蓝牙模块向手机端发送警报信息提醒家长;当压力统计信息低于一定阈值时，此标志位清零。

2.5 数据通信

数据通信所选择的是开发套件上自带的低功耗蓝牙功能。为实现此功能，需要在板卡上下载S110 SoftDevice。SoftDevice是用于蓝牙射频部分的预编译API，被放在设备存储器的最底端。可以根据蓝牙功能将51单片机设置成BLE beacon。当手机端检测到蓝牙，并与蓝牙建立连接后，即可进行数据传输。数据帧格式见表1所列。

表1中，温度、湿度为float型变量，最后的三个标志位为bool型变量。

3 系统软件设计

3.1 单片机软件设计

系统的软件设计通过C语言实现，使用Keil Vision5软件编译。具体而言，使用mbed API编程，采用模块化设计方法。数据监测模块将采集到的婴儿信息传输至单片机，单片机将处理后的信息发送给手机客户端，手机客户端根据相应数据位显示婴儿现有状态，并及时报警。软件流程如图3所示。

3.2 手机客户端

手机客户端基于安卓平台通过Java语言开发。通过蓝牙接收传感器的数据，实现温湿度、尿湿信息、啼哭信息、乱动信息的检测，并控制小喇叭播放音乐。客户端界面简洁，易于操作，给用户带来良好的体验。进入手机客户端后点击连接按钮，可以发现可连接的蓝牙设备，然后手机和蓝牙建立连接。成功连接后，手机会显示温度、湿度等信息。手机客户端界面如图4所示。

通过图4可以发现，手机可以实时显示温湿度，并对是否尿湿、是否乱动、是否啼哭等信息进行选择性接收。另外，可以实现实时报警功能，并控制小喇叭播放音乐。

4 系统测试及阈值确定

根据传感器采集的数据确定阈值的过程：使用求平均差的方法对采集到的数据进行分析，主要包括噪声、湿度和压力等数据。平均差定义见公式[10]：

式中：采样频率为f;每次处理的样本个数为n;连续超过阈值的次数为m。系统的关键在于选择合适的阈值。在检测中，我们将m设置为1，为了消除极值的影响，单片机将采集到的数据分别去掉一个最大值和一个最小值，然后将统计结果通过串口输出到串口工具。将串口采集到的数据进行分析以取得合适阈值，然后在单片机中设置相应阈值位。在阈值确定时，可以通过设定m的取值来控制单片机报警的灵敏度。

4.1 噪声采集结果

设置f=10 Hz，n=30，m=1，噪声采集结果如图5所示，其中：“○”为有噪声时统计得到的数据;“×”为安静环境下采集到的数据。

4.2 濕度采集结果

设置f=1 Hz，n=6，m=1，湿度采集结果如图6所示。前半部分为正常空气中的湿度统计结果，后半部分为湿毛巾靠近湿度传感器时的统计结果。

4.3 压力采集结果

设置f=1 Hz，n=6，m=1，压力采集结果如图7所示，前半部分为压力未变化的统计结果，后半部分为压力变化后的统计结果。

5 结 语

本文研究了一种基于nRF51单片机的智能婴儿助手系统。经过设计与测试，该系统可以实时监测婴儿所处环境的温湿度、尿湿信息、啼哭信息和乱动信息等。单片机具有数据采集、判决和数据传输功能，各功能运转正常，探测结果准确，可及时对婴儿的异常状态采取相应措施，并向家长的手机发送通知。该系统可以成为家长育儿的得力助手，效果好且布设成本低，具有大规模推广的潜质。

参 考 文 献

[1]刘斌琨，刘海涛.基于STM32的数据通信智能安全婴儿车设计[J].科技与创新，2018（16）：62-64.

[2]欧阳集正，胡荣杰.多功能智能婴儿床的设计[J].湖南科技学院学报，2010，31（4）：68-70.

[3]何文华.远程智能婴儿床研究设计[J].电子世界，2016（9）：58.

[4]孙鹏，刘书丹，胡俊锋，等.基于无线通信的智能婴儿监控系统的设计与实现[J].信息技术，2011，35（8）：189-191.

[5]郭俊.智能婴儿车发展趋势探究[J].大众文艺，2018（20）：228-229.

[6]高杰.基于mbed的nRF51-DK开发板的防爆排雷小车电路部分的设计[J].数字技术与应用，2016（1）：184.

[7]沈王姚，徐建，苏和平，等.智能婴儿车保姆[J].物联网技术，2018，8（8）：40-41.

[8]林珠妹.基于DHT22的数字式温湿度计的设计[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2016，34（2）：223-225.

[9]刘宸，陈垚至.基于MSP430和HX711的电子称设计与制作[J].电子测试，2018（16）：30-31.

[10]包为民，沈丹丹，倪鹏，等.滑动平均差检测法的提出及验证[J].地理学报，2018，73（11）：2075-2085.