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嬰幼兒安全監(jiān)控保障系統(tǒng)研究

2015年電子技術應用第7期

李文欣，陳國金，陳昌，王堃喆，黃操

杭州電子科技大學機械工程學院，浙江杭州310018

摘要： 基于STC89C52和sim300c的嬰幼兒安全保障系統(tǒng)，利用單片機作為主控系統(tǒng)，結合RFID傳感技術、GPRS通信技術、語音檢測技術等實現(xiàn)對嬰幼兒活動范圍及對嬰幼兒體溫、啼哭、尿布濕度等情況的檢測。該系統(tǒng)具有無線遠程測控的功能，操作方便，成本低，適合大量推廣使用。

關鍵詞： RFID SIM300C 多功能

中圖分類號： TH7
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.020
中文引用格式： 李文欣，陳國金，陳昌，等. 嬰幼兒安全監(jiān)控保障系統(tǒng)研究[J].電子技術應用，2015，41(7)：71-73，80.
英文引用格式： Li Wenxin，Chen Guojin，Chen Chang，et al. Infant and young child safety monitoring system research[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：71-73，80.

Infant and young child safety monitoring system research

Li Wenxin，Chen Guojin，Chen Chang，Wang Kunzhe，Huang Cao

School of Mechanical Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China

Abstract： A set of infant security system based on STC89C52 and sim300c is introduced in this paper, using the single chip microcomputer as main control system, combined with RFID sensor technology, GPRS communication technology, speech detection technology, achieve the detection of infants and young children′s temperature, crying, wet diapers,and so on and so forth. The system has the function of a wireless remote measurement and control, convenient operation, low cost and suitable for extensive use.

Key words : RFID；sim300C；multifunction

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、滾落等都可能對嬰幼兒的身心造成傷害。同時，嬰幼兒的體溫、尿布濕度等情況也需得到關注。但是家長出于工作、家務、學習等各種原因，無法時時刻刻對自己的孩子進行監(jiān)護，或者難免有時候粗心大意，其結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)品對嬰幼兒進行實時監(jiān)控，在夜晚睡眠以及需要孩子獨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，無法全面滿足家長與孩子的需求^[1]。

1 系統(tǒng)的硬件設計

本系統(tǒng)分為3個模塊，總體實現(xiàn)5項功能，如圖1所示。3個模塊分別為：主機模塊、臂帶模塊、腰帶模塊；5項功能分別為：嬰幼兒活動范圍檢測監(jiān)控、嬰幼兒睡眠踹被檢測監(jiān)控、嬰幼兒尿布濕度檢測監(jiān)控、嬰幼兒發(fā)燒檢測監(jiān)控、嬰幼兒啼哭聲檢測監(jiān)控。

1.1 主機模塊

設備主板設計完成后將主板安裝于主機箱內，主機箱置于嬰兒房間內離嬰兒床較近的地方，主機箱外接二自由度紅外高端夜視固定攝像頭，攝像頭能適應多角度多情景模式。主機箱上有復位、開關按鈕，主機箱中無線路由器的天線通過預留的天線口留在外面，使得信號傳輸更高效。箱子內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識別技術，識別過程無需人工干預，可同時識別多個標簽，操作方便，適應性廣泛。設計中 RFID讀卡器由天線、耦合元件、芯片組成，用于讀取標簽信息。電子標簽分為有源、無源和半有源3種。本設計選用無源標簽，主要依靠閱讀器發(fā)射脈沖信號的能量工作，具有低成本、使用壽命長的特點，但在閱讀距離和對較大移動速度的識別方面有所限制。

如圖3，選用TRF7960A作為RFID/近場通信系統(tǒng)的集成模擬前端和數(shù)據(jù)成幀設備。內置編程選項使其適合各種鄰近和近程識別系統(tǒng)應用。

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，內嵌強大的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服務與終端建立連接、實現(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根信號線分別為：電源(VCC)、地(GND)、復位(RST)、狀態(tài)(VPP)、時鐘(CLK)、數(shù)據(jù)(I/O)。如圖4，無線遙控開關分別為PT2262發(fā)射模塊和PT2272接收模塊，是一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片。在空地無干擾時使用距離>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數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用專用的溫濕度傳感技術和數(shù)字模塊采集技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與良好的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC測溫元件，可與STC89C52單片機相連接，達到檢測嬰幼兒溫濕度的目的，具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點^[8]。

1.4.2 聲音傳感器模塊

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

2 系統(tǒng)軟件設計

單片機系統(tǒng)的程序采用C51語言，編程調試后生成HEX文件，由ISP下載軟件寫入STC89C52單片機。主體程序采用中斷模式，讀寫器輸入信號觸發(fā)中斷，執(zhí)行相應的中斷服務程序。串口通信子程序在整個系統(tǒng)運作中起到了關鍵作用。運用串口調試工具，設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，無奇偶校驗。然后在主程序中，通過編寫相關AT命令程序，實現(xiàn)單片機對SIM300C模塊的控制。圖6為軟件流程圖。

3 系統(tǒng)功能

3.1 嬰幼兒活動范圍檢測監(jiān)控

針對嬰幼兒是否“單獨”離開指定的生活區(qū)域（如嬰兒房、臥室等）或進入不安全區(qū)域（如浴室、陽臺、門外等）進行實時監(jiān)控，并在此類情況下迅速地通知家長，使之得到有效地解決。一張電子標簽通過臂帶模塊佩戴在嬰幼兒身上。嬰兒靠近 RFID 讀卡器時，讀卡器會自動采集電子標簽信息，認為此次靠近為不安全行為，警報響起提示附近的家人查看，同時通過sim300c 模塊以手機短信形式告知系統(tǒng)綁定的手機。

3.2 嬰幼兒尿布濕度檢測監(jiān)控

針對嬰幼兒晚上是否需要更換尿不濕而設計的尿布濕度檢測控制系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)對尿不濕的濕度進行實時檢測，并在需要更換尿不濕時及時通知家長，從而為嬰幼兒營造舒適的睡眠環(huán)境。當濕度傳感器檢測到尿布濕度超過預警值時，輸出電位會發(fā)生變化，89C51 單片機控制模塊感應到電位變化，利用內部中斷服務程序借助sim300c網(wǎng)絡與通信模塊發(fā)送相應報警信息到家長的手機終端。

3.3 嬰幼兒啼哭聲檢測監(jiān)控

針對嬰幼兒晚上獨立睡覺時是否有哭聲等，對嬰幼兒房間進行實時監(jiān)控，一旦檢測到相應信號，通過迅捷的技術手段發(fā)出警報并通知家長，從而提高安全性。聲音傳感器檢測到嬰幼兒的哭聲，傳感器輸出數(shù)字信號到單片機，單片機輸出高電平使無線發(fā)射模塊發(fā)射信號，無線接收模塊接收信號，通過電磁繼電器啟動蜂鳴器，家長聽到蜂鳴器的聲音后打開智能手機，通過無線網(wǎng)絡觀看攝像頭傳輸?shù)漠嬅妗?/p>

3.4 嬰幼兒睡眠踹被檢測監(jiān)控

針對嬰幼兒晚上是否踹被設計的嬰幼兒睡眠踹被檢測監(jiān)控。該檢測監(jiān)控系統(tǒng)對嬰幼兒體表周圍的溫度是否超出波動范圍進行實時檢測，以判別嬰幼兒是否有踹被行為。若有，則及時通知家長，防止嬰幼兒受涼感冒。

3.5 嬰幼兒發(fā)燒檢測監(jiān)控

針對嬰兒是否發(fā)燒而進行溫度的檢測和實時監(jiān)控。由于嬰幼兒正處在生長階段，無法對生理現(xiàn)象進行自我表達和自我照顧。若因受涼而發(fā)燒，或發(fā)燒后長時間未被家長發(fā)現(xiàn)，極可能對嬰兒造成嚴重的后果。因此，該嬰幼兒發(fā)燒檢測監(jiān)控系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)并迅速通知家長，以避免危險事件的發(fā)生。

設計成果如圖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。試用者反饋信息對設備給了很大好評，他們認為設備設計巧妙，系統(tǒng)報警精準度高，信息傳輸完善，功能全面。相比較之前的一些設備或無設備狀態(tài)，當小孩靠近危險時不但能準確快速地將信號傳遞給家長，攝像頭傳輸技術還能通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)攝像頭圖像實時傳輸。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)控保障設備的引入，一旦其實用性得到了驗證，將使很多人受益。它能很有效地解決因家長大意或者忙碌而造成小孩受傷或死亡等問題，例如需對開水壺安裝讀卡器，當小孩靠近熱水時，系統(tǒng)發(fā)出警報，可讓家長及時發(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。