基于 nRF51-DK 的智能婴儿助手设计

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 系统总体结构

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。

图 4 手机客户端界面

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 湿度采集结果

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。