智測(cè)護(hù)嬰 ——智能嬰兒安全檢測(cè)的領(lǐng)航者

本項(xiàng)目由閩江學(xué)院公宇巖、謝茜、柯詩(shī)宏同學(xué)完成，獲得福建省首屆 OpenHarmony 開(kāi)發(fā)者大賽二等獎(jiǎng)。

1 項(xiàng)目背景

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，傳感器技術(shù)、計(jì)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(guó)外的發(fā)展傾向于對(duì)嬰兒生命體征的監(jiān)測(cè)，比如血壓、體溫、身高、體重等方面，但是國(guó)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(duì)一款能提供一系列安全措施的智能嬰兒車的渴望越來(lái)越急切。

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

2.1 項(xiàng)目描述

該項(xiàng)目是基于 OpenHarmony 的操作系統(tǒng)，它是我國(guó)自主研究、國(guó)產(chǎn)可控的芯片RK2206 搭載的一個(gè)全新的，獨(dú)立的首個(gè)完全開(kāi)源的操作系統(tǒng)。該項(xiàng)目能夠?qū)雰旱纳瞽h(huán)境以及嬰兒的實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)，利用MP3、溫濕度、測(cè)溫、火焰、測(cè)距、雨滴等傳感器，對(duì)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(shí)間更好地照顧好嬰兒，讓嬰兒更加健康茁壯地成長(zhǎng)。

2.2 功能說(shuō)明

智能嬰兒車內(nèi)安裝有各類傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒的安全與健康的問(wèn)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(dòng)控制和智能控制兩個(gè)功能。點(diǎn)擊進(jìn)入手動(dòng)控制頁(yè)面，可以通過(guò)藍(lán)牙對(duì)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(gè)系統(tǒng)的電源，保證了該系統(tǒng)的超長(zhǎng)續(xù)航。通過(guò)SHT30模塊來(lái)檢測(cè)溫濕度并進(jìn)行風(fēng)扇的狀態(tài)的調(diào)整，MLX90614來(lái)檢測(cè)嬰兒的體溫，用DS1302來(lái)檢測(cè)時(shí)間，通過(guò)紫外線傳感器來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)外部的紫外線指數(shù)，利用避障傳感器來(lái)判斷嬰兒是否在車內(nèi)，利用雨滴傳感器來(lái)判斷嬰兒是否尿床以及頂部車棚的打開(kāi)與關(guān)閉，全程還可以通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)來(lái)進(jìn)行播報(bào)。

2.3 項(xiàng)目展示

智能嬰兒車實(shí)物

嬰兒安全情況監(jiān)測(cè)顯示

嬰兒健康狀況監(jiān)測(cè)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(kāi)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(shí)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(gè) GPIO）。一根TypeC USB線，即可實(shí)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(shí)無(wú)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?jìng)髂Ｊ?，由于它同時(shí)支持主從機(jī)模式，所以任意兩個(gè)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(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被反射回來(lái)且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管被點(diǎn)亮。

3.5 語(yǔ)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(duì)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(yàn)線路的連接。

3.6 火焰?zhèn)鞲衅?/strong>

火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)火焰敏感,對(duì)普通光也是有反應(yīng)的。一般用做火焰報(bào)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(shí)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(cè)溫模塊

紅外熱電堆傳感器輸出的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部低噪聲、低失調(diào)的運(yùn)算放大器放大后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為17位數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(chǔ)在其內(nèi)部RAM存儲(chǔ)單元中。

3.9 DS1302時(shí)鐘

DS1302芯片包含一個(gè)用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷的 31 字節(jié)的靜態(tài) RAM，可通過(guò)簡(jiǎn)單的串行接口與微處理器通訊，將當(dāng)前的是時(shí)鐘存于RAM。DS1302芯片對(duì)于少于 31 天的月份月末會(huì)自動(dòng)調(diào)整,并會(huì)自動(dòng)對(duì)閏年進(jìn)行校正。由于有一個(gè) AM/PM 指示器，時(shí)鐘可以工作在 12 小時(shí)制或者 24小時(shí)制。

3.10 雨滴傳感器

接上3.3V電源電源燈亮，感應(yīng)板上沒(méi)有水滴時(shí)，DO輸出為高電平，開(kāi)關(guān)指示燈滅;滴上一滴水，DO輸出為低電平，開(kāi)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它的敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。

超聲波是振動(dòng)頻率高于20kHz的機(jī)械波。它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。

MP3音頻解碼過(guò)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(dòng)解碼器后，可以通過(guò)搜索數(shù)據(jù)流中的12比特長(zhǎng)的同步字來(lái)完成。

4 軟件方案

4.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

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

4.2 通風(fēng)智能決策設(shè)計(jì)

影響是否打開(kāi)風(fēng)扇主要因素是溫度和濕度，溫度過(guò)高和濕度過(guò)高都會(huì)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(dòng)模式或手動(dòng)模式；

3)自動(dòng)模式下，超過(guò)指定閾值時(shí)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)風(fēng)扇；反之，則關(guān)閉；

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

通風(fēng)智能決策程序流程如圖所示。

4.3 音樂(lè)智能決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嬰兒在車內(nèi)時(shí)難免會(huì)發(fā)生哭叫，我們可以通過(guò)播放音樂(lè)來(lái)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的大小；

2)判斷是否處于自動(dòng)模式；

3)自動(dòng)模式下，超過(guò)指定閾值時(shí)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)繼電器播放音樂(lè)；反之，則關(guān)閉；

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

音樂(lè)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(jì)

在本系統(tǒng)中，影響車棚打開(kāi)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(guò)比較器輸出的電平來(lái)進(jìn)行頂部車棚的控制。其智能控制具體流程為：

1)通過(guò)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(dòng)模式或手動(dòng)模式；

3)自動(dòng)模式下，低電平時(shí)會(huì)打開(kāi)車棚，高電平則會(huì)關(guān)閉車棚

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

風(fēng)車棚智能決策程序流程如下圖所示。

5 項(xiàng)目總結(jié)和展望

本項(xiàng)目根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和市場(chǎng)需求,從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)出發(fā)，基于以我國(guó)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(jì)了一款智能嬰兒車，通過(guò)實(shí)際模型可以充分體現(xiàn)出來(lái)系統(tǒng)的實(shí)用性和可行性，可以隨時(shí)對(duì)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(shí)反饋。

系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)整體功能，但仍有一些不足之處，如手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的切換時(shí)間會(huì)稍長(zhǎng)一點(diǎn)以及部分傳感器反應(yīng)時(shí)間會(huì)相對(duì)較慢；后續(xù)我們還計(jì)劃添加GPS模塊和4G通信來(lái)實(shí)時(shí)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(zhǎng)的設(shè)計(jì)。