基于GPRS的智能婴儿服实时监测调温系统

惠州学院 陈学军 钟少磊

本文由主控单元软件硬件和物联网应用层设计部分构成，概括地介绍了本智能婴儿服的设计。系统以STM32F103系列芯片作为核心控制芯片，控制传感器和GPRS通信模块进行数据的远程收发和监控。物联网应用层以微信小程序为主，主要通过Websocket连接服务器端的数据库进行数据的接受与发送。

引言：我们团队的研究目标是制造出一款智能婴儿服，实现可家用的穿戴医疗设备的设想，帮助家长更便捷更准确地了解孩子的情况。

针对现有婴儿监控设备无法随身携带、独立性差、准确度较差、孩子远离无法提供定位报警信息的问题，本文设计了一套基于GPRS无线通信技术和STM32芯片的婴儿服无线监控调温系统。这也是未来万物互联的应用方向之一，具有良好的前景。

本文章以智能婴儿服设计的核心，即主控单元兼移动监测调温终端的设计作为主体，用户操作小程序的设计为辅助来介绍本项目设计。

2.系统总方案体设计

智能婴儿服实时监测调温系统主要实现以下三个功能：婴儿状况监测、智能温度控制、婴儿定位。系统整体设计结构框图如图1所示。

图1 系统整体设计结构框图

本设计由STM32为主控制器，通过GPRS模块，将现在传感器节点数据上传，实现现场数据检测和远程数据采集功能。传感器采集的数据通过串口传送给GPRS模块，打包为数据包并按照TCP/IP协议与Internet上的服务器建立连接，将收集的数据发送给服务器。

孩子身上的各传感器数据被设计为每隔半个小时上传一次到服务器，并在家长的微信小程序端显示穿戴智能婴儿服时记录到的数据，以图表的方式统计婴儿的身体状况，家长以此可掌握孩子的状态；婴儿服上放置一片发热片，家长可通过手机小程序端控制加热的档位；主控板装有GPS定位装置，同时辅助以基站定位，保证孩子在国内大部分地区的位置信息可以被探测到，并在手机小程序端显示；手机端可以由家长设置地理围栏，使得当穿着智能婴儿服的孩子超过地理围栏时，可以自动向家长手机报警。

3.系统硬件设计

本系统硬件部分主要是由STM32F103RBT6低功耗芯片作为MCU核心控制器，以SIM808为GPRS通信模块兼GPS定位模块，传感器应用MLX90614温度传感器、Pulse Sensor脉搏传感器、热敏电阻、湿度传感器和三轴加速度传感器，另外再应用发热片，实现对婴儿体温、心率、室温、尿布状态监测、运动状态监测和衣服温度控制。

3.1 微处理器模块

STM32F103RBT6是一款基于Cortex-M3内核开发的32位增强型微处理器，旨在为MCU用户提供新的开发自由度。CPU最高速度达72 MHz，32K字节Flash，采用64脚LQFP封装。自带IIC、SPI和多个串口，可以满足本系统设计丰富外设的需求；系统自带RTC、看门狗等模块，RTC可以为系统的数据运行提供时间标记，看门狗可以保证系统稳定运行。片上集成一个温度传感器。最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个ICOCPWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出；多达13个通信接口：2个IIC接口（SMBusPMBus）；5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）；3个SPI接口（18 Mbits），两个和IIS复用；CAN接口（2.0B）；USB 2.0全速接口；SDIO接口。STM32由于它丰富的库函数，IO类型多，功能强大，完全可以实现我们团队的开发需求。

3.2 通信模块

通信模块采用SIM808这款由SIMCOM（芯讯通）公司开发的GPRS通信模块，其内置蓝牙、GPS芯片，工作频率为GSM/GPRS：850/ 900/ 1800/ 1900MHz，支持标准的AT命令，全球可用，能够实现发短信、打电话、GPRS传输数据、GPS定位等功能。

该模块通过UART2串口与STM32连接，波特率为115200bit/s。使用时，首先将中国移动SIM卡插入SIM卡槽，然后通过STM32向SIM808模块发送AT指令，可实现相应的功能调用，包括完成系统的启动，初始化串口，包括波特率、数据位、停止位、数据流控制、奇偶校验等；后使用AT指令注册中国移动网络实现上网，最后和远端的阿里云服务器建立TCP连接，随后便可以实现数据的透明传输。这样可以在全国范围有移动基站的地方自由行动，方便随时掌握使用者（孩童）的位置。

3.3 各传感器节点

传感器分别使用了不同的通讯协议和STM32主控芯片进行通讯，如IIC、SPI和TTL等。

温度传感器使用的是MLX90614非接触红外温度传感器，这是一款性能和精度都较高的温度测量产品，在医疗，工业等领域应用较多；有四个引脚，使用SMBus协议，通过控制SCL引脚进行数据读取。这款温度传感器主要用于对婴儿体温进行监测；另外使用了一个热敏电阻，通过一定的算法转换电压的变化，可以测量出较准确的温度。这个设计主要用于室温的监测，为发热片自动调整发热档位提供环境参数。

心率监测使用了Pulse Sensor脉搏传感器，它是通过检测光反射信号（PPG），利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量。传感器对光电信号进行滤波、放大，最终输出模拟电压值。STM32通过将采集到的模拟信号值转换为数字信号，再通过简单计算就可以得到心率数值。

湿度传感器使用了自己设计的方案，使用时，长条状的湿度传感器的一头接入主控器，另一头置入尿布内，这样可以简单的通过测量因为湿度引起的材料电阻变化，判断尿布中是否有较多尿液，从而判断婴儿是否需要更换尿布。这款湿度传感器是被作为一次性用品来设计的，原因是考虑到实际使用过程中，湿度传感器是需要直接置入婴儿使用的尿布内，直接感知尿液的存在，所以可以在使用完后应当随着尿布一同丢弃，客户也一般不会多次使用。

运动状态感知模块使用了三轴加速度传感器和声音传感器，两者被设计为直接安装在主控板上。婴儿穿戴本智能服时，测量的传感器数据经过STM32主控器一定的算法分析婴儿此时是躺着还是站着、侧睡还是卧睡、睡觉时是否安稳、是否在剧烈运动等。该设计可以感知婴儿是否起床、感知睡眠姿态、统计分析孩子睡眠质量等，可以为孩子家长提供预警或者相关的分析数据以及建议。各传感器节点设计流程图如图2。

图2 传感器设计流程图

3.4 发热片模块

发热片模块使用了聚酰亚胺薄膜PI电热膜，它是以聚酰亚胺薄膜为外绝缘体，以金属箔、金属丝为内导电发热体，经高温高压热合而成。聚酰亚胺电热膜具有优异的绝缘强度，优异的抗电强度，优异的热传导效率，优异的电阻稳定性，从而广泛适用于电加热领域。它的柔软性能好，可弯曲，预热速度快、使用寿命长，厚度仅0.4mm。由于耗电量较大，发热片电路设计为外接电源，经过主控板稳压转换为7V的电压后输出至发热片。经过计算，这款发热片在7V电压下，置入衣服内最高可感受温度为40度，绝不会烫伤婴儿的柔嫩肌肤。

4.系统软件设计

本系统的软件设计可以分成中控系统软件设计和小程序前端设计两部分，而传感器系统和GPS定位包含于中控系统之中。

4.1 中控系统

中控系统数据采集流程图如图3所示，中控系统上电后，先初始化各个模块、开启定时器中断方式，然后开始通过串口和各引脚软件模拟时序收集各传感器的信息并判断数据是否正确且有效，若无效则返回中断入口程序；STM32芯片通过串口输出AT指令到GPRS模块进行注册上网并连接到我们的阿里云服务器，若连接不成功或者断线则自动重新连接；连接成功后，程序开始主循环，中控系统开始处理传感器监测数据为数据包并发送给服务器端。

图3 中控系统数据采集流程图

传感器的数据处理流程主要是先采集室温传感器的数据，数字化处理后得到的温度数据一旦低于家长预设的温度，则开启发热片；随后通过IIC、SPI等方式采集体温传感器、心率传感器和三轴加速度传感器的数据，若使用了湿度传感器，则同时采集湿度传感器的数据。

4.2 小程序前端设计

小程序的系统界面设计如图4。在本设计的小程序主页可以直接查看孩子的心率、体温、室温、GPS定位地址、是否尿湿和报警状况，可以查看主控器的剩余电量并且可以控制加热档位或者开启自动调温模式。另外在健康日志可以看到本系统对传感器数据进行分析后得到的对孩子智能建议和指导。

图4 小程序系统界面设计

当家长点击加热档位时，就可以远程地直接对婴儿服的发热片输出功率进行控制；当点击小孩位置时，可以进入地图界面，然后设置地理围栏，即对孩子可以行动的地方进行范围的划定，一旦超出范围则会立刻向家长报警，如图5所示。

在小程序系统设计中，我们团队考虑增加与儿童医院的合作，建立医生问诊的系统界面，当孩子身体不舒服，可以把收集到的数据由家长一键发送给相关的医生，大致的判断孩子的身体状况，以便家长做出进一步的处理。

图5 小程序地理围栏设置

5.结论

在日益增长的婴儿出生率和快速发展的物联网技术的时代背景下，智能服装的流行并不是伪命题，它已经是一个全世界服饰类企业竞相追逐的真理，巨头们都在布局智能服装。本次设计便很好的适应了这一需要，从孩子的角度提供了一个较为新颖的智能婴儿服设计。

为实现现代婴儿无线体征监控与防丢的应用需要，我们设计了基于GPRS的智能婴儿服实时监测调温系统。系统以GPRS网络作为无线传输监测数据的载体，实现了通过微信小程序进行远程监测婴儿心率、体温、环境室温、运动状态和尿布状态，并可远程地对婴儿服进行加热控制；通过微信小程序记录婴儿数据并输出图表，统计孩子的身体状况，分析孩子的情绪，给家长行动建议，另外可以通过小程序直接联系儿童医院，将数据发送给医生，在线诊断孩子的病情，提供建议。系统测试结果表明，该监控系统实现了远程监测的需要，功能在实践中不断完善、定位精确可靠，可满足家长对孩子远程看护的需要。

参考：张万良，基于Web和GPRS的智能家居远程监控系统：自动化与仪器仪表，2016；姚程，黄帅，马娜，基于物联网的智能家居安防系统设计与实现：电子科技，2017；李涛，马殷元，杨东，基于STM32的GPRS远程监测终端设计：电子世界，2012；王亚飞，沈根浩，冯朝霞，史智兴，室内安全实时监测及远程联动报警系统：电子世界，2017。