基于树莓派的婴儿床智能监护系统设计与实现

多泽华 王明申 赵宇 田红日

摘要：随着科技革新和物联网的发展，智能家居逐渐取代传统家电，成为人们日常生活中的必备品。为了更加有效地帮助父母护理新生儿，设计并实现了一款基于树莓派的智能婴儿看护系统。该系统不仅可以通过传感器实时监测婴儿所处的环境温湿度，还可以监测婴儿的体温、尿床信息，并且能对婴儿所处环境进行调节。

关键词：树莓派;智能;传感器

中图法分类号：TP23

文献标识码：A

Design and implementation of intelligent monitoring system forcribs based on Raspberry Pi

DUO Zehua， WANG Mingshen， ZHAO Yu ， TIAN Hongri

（lnner Mongolia University of Technology， Hohhot 010000. China）

Abstract： With the innovation of science and technology and the development of Internet of things，the intelligent home begins to replace the traditional household appliances and become the necessarygoods in people's daily life. In order to help parents care for newborns more effectively， an intelligentbaby care system based on Raspberry Pi is designed and implemented. The system can not onlymonitor the baby's temperature and humidity in real time， but also monitor the baby's bodytemperature， bedwetting information and adjust the current babv's environment.

Key words： Raspberry pi， intelligence， sensor

1 引言

隨着物联网、大数据和人工智能等技术的不断发展，智能技术逐渐应用于母婴用品领域。婴幼儿是自我保护意识最弱、自我保护能力最差的群体之一，婴幼儿的生活处处离不开婴童用品，婴儿床更是在婴幼儿成长过程中必不可少的母婴用品。但是，常见的婴儿床的功能较为单一，若父母要了解婴儿的状态只能时时刻刻待在婴儿床附近。智能婴儿监测系统则是智能化时代以及未来不可缺少的一部分，国内外都对此展开了积极地研究与开发。

智能婴儿监测系统是以婴儿床为基础，设备自动化，集系统、服务、管理为一体的高效、舒适、便利的平台。该系统应用计算机技术，通过智能化的管理与控制，实现父母实时监控、检测婴儿状态并且调节环境的智能体验。

在国内外的婴儿床市场上，出现了智能化的装置及系统，但只是简单的摄像监测，没有完整的、全方位的婴儿监测系统。因此，智能婴儿监测系统要实现即使父母不在婴儿身边也能即时了解婴儿的状态和信息。在婴儿床内有对当前环境下温湿度、婴儿体表温度、尿床信息等进行检测功能，并将数据实时显示在网页上，将婴儿状态以及提示更换尿布信息等反馈给父母。父母在远程就可以及时了解婴儿周围的环境温度，通过精确的温度数据以便对婴儿的衣物进行适当增减。除此之外，当车内温度较高时，智能婴儿监测系统会自动调节风扇，将温度调整到让婴儿感觉较为舒适的区间。这打破了传统婴儿床非智能化的窘境.能及时对婴儿的信息进行监控与反馈，给父母及监护人带来极大的便利[1-4]。

2 系统总体方案设计

本系统使用基于ARM的微型电脑主板树莓派4B控制温湿度传感器、红外温度传感器、雨滴传感器进行婴儿体温、尿床信息检测[5]，将数据上传至数据采集模块，便于父母查看婴儿信息，再经控制模块将数据上传至MySQL数据库并显示在网页上，也可以在终端查询数据库的历史信息，对婴儿的状态进行检查。终端功能的整体结构和工作流程如图1所示。

3 系统实现

3.1 硬件设计

3.1.1 温湿度传感器

本系统选用DHT22作为温湿度传感器（如图2所示），其测量范围为-40 - +80℃，精度为±0.5℃，分辨率为0.1℃，精度和分辨率与DHT11相比有较大提升。该传感器使用单总线通信协议，即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由数据线完成。在实际测试中，DHT22不到5ms时间就能完成采样，响应速度快，能及时向父母反映婴儿周围的环境温湿度。

3.1.2 红外温度传感器

本系统采用MLX90614红外温度传感器（如图3所示）测量婴儿的体表温度，其是一组通用的红外测温模块。红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，可不与被测物体接触，具有温度分辨率高、响应速度快、测温范围广、稳定性强等特点。MLX90614红外温度传感器的通信方式是“类IIC”通信，只有两根信号线，即双向数据线和时钟信号线，允许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信、交换信息，可以显著提高传输速度。

3.1.3 雨滴传感器

本系统使用雨滴传感器（如图4所示）检测婴儿是否尿床，以线形形式涂覆镍于雨滴传感器，它基于抵抗原理。雨滴传感器模块允许通过模拟输出引脚测量湿度，当湿度超过阈值时，它可以提供数字输出。传感器是一个电阻偶极子，在潮湿时显示较小的电阻，而在干燥时显示较大的电阻。当婴儿未尿床时，它会增加电阻，因此根据V =IR获得高电压。当婴儿尿床时，电阻减少，因为水是电的导体，并且水的存在使镍线并联连接，因此降低了电阻并降低了其两端的电压[6]。

3.2软件设计

3.2.1 系统软件总体设计

婴儿床智能监护系统软件部分，先执行程序的初始化操作，然后获取各个传感器的数据，达到每部分的阈值后执行自动控制的相关指令，同时可以接收界面或远程网页端的指令控制，并执行相应的控制命令，最后将所有传感器的数据信息上传到数据库端[7]。界面跳转流程如图5所示。

3.2.2 红外测温传感器运行流程

对婴儿体表温度实时检测的红外测温传感器通过继电器自动控制风扇和加热片，保证婴儿拥有最适宜的温度环境。当婴儿的体表温度高于37.5℃时，开启风扇，否则关闭风扇：当婴儿的體表温度低于35℃时，开启加热片：当婴儿的体表温度高于38℃时，关闭加热片。温控模块执行流程如图6所示。

3.2.3 基于flask框架的网页（含内网穿透方式）

Flask框架是一个轻量级的、便捷的、Python所提供的Web框架，它比其他的服务器框架更加灵活、轻便、安全而且容易上手，是目前比较主流的服务器框架。Flask服务器上要显示传感器获取的信息，输入树莓派的IP地址，显示温湿度传感器、红外温度传感器和雨滴传感器的信息，网页显示结果如图7所示。

树莓派可以正常访问外网，而父母不能远程访问树莓派，为解决此问题，本系统采用花生壳实现内网穿透。内网穿透通过开放的第三方端口来实现，在花生壳端口映射内网穿透软件上添加映射，外网的地址是映射后访问的地址，在不同设备上用新网址打开，实现实时、远程查看婴儿床的信息[7]。

4 测试结果

本系统由树莓派4B进行控制并处理来自传感器检测到的各种数据，进而实现对婴儿周围环境的监测，并将传感器收集到的数据显示在网页上。以月龄为7个月的婴儿为测试对象，本系统可以实现如下功能。

（1）状态监测：通过温湿度传感器对婴儿所处环境进行温湿度检测，同时红外温度传感器和雨滴传感器对婴儿体表温度和尿床信息进行实时监控。

（2）智能反馈：在传感器获得到数据后，配合继电器对环境进行调节，当婴儿体表温度或环境温度过高，通过继电器控制风扇和加湿器对环境进行调节，使婴儿所处环境达到比较适宜的日标。当婴儿尿床后，提醒父母及时给婴儿更换床垫及衣物[8]。

（3）网页显示：所有婴儿信息均可在父母的手机上通过内网穿透实现远程查看，达到父母不必一直陪伴在婴儿身边的目的。

5 结语

婴儿床智能监护系统以监测婴儿信息为研究日标。本系统基于树莓派，利用Flask实现了婴儿信息的实时检测、管理以及查询，极大程度上简化父母照顾婴儿的过程，在保证婴儿舒适成长的同时减轻了父母的压力，使父母可以随时随地了解婴儿的信息。

参考文献：

[1]谢灵莉，婴儿监护产品系统设计[J].山海经，2019（10）：63-64.

[2]郑世珏，徐虹.基于Raspberry Pi的远程监测系统的设计与实现[J].微型机与应用，2014，33（19）：105-107.

[3]许晨.基于物联网的环境监测系统设计与实现[J].通化师范学院学报，2018（6）：5-9.

[4]吕太之，张军，陈勇.实验室智能管理系统的研究与实现[J].通化师范学院学报，2019（12）：61-65.

[5]刘志强，王晓强，庄旭菲，等.基于项目驱动的嵌入式Linux应用设计开发[M].北京：清华人学出版社，2016.

[6]闫悦，蒋祝鹏.基丁树莓派4B的智能物流小车[J].智能制造，2021（6）：84-88.

[7]袁昕，互联网环境下婴儿用品设计研究[J].流行色，2019.37（8）：77-78.

[8]张磷，许自程，冯陈伟.基于树莓派的远程网络视频监控系统[J].电视技术，2018，42（10）：92-97.

作者简介：

多泽华（2001-），本科，研究方向：计算机科学与技术。