婴幼儿睡眠监测系统的研究与设计*

郝红冉 张殿伟 王宇 杨君豪 巩秀钢（通讯作者）

1.山东理工大学计算机科学与技术学院 山东 淄博 255030

2.日照职业技术学院电子信息工程系 山东 日照 276800

引言

在婴幼儿期间，睡眠占据其日常的很大一部分时间，良好的睡眠质量有助于其更好的生长发育。加之父母工作繁忙，照看婴幼儿压力大，设计了一套可以在婴幼儿睡眠期间能够实时监测其周围环境和婴幼儿睡眠状态的设备。使用该系统能一定程度上减轻父母照看婴幼儿的压力，更好地为婴幼儿打造良好、舒适的睡眠环境；同时该系统能够实时监测异常状态并通过系统邮件提醒来告知用户，提醒用户下一步操作等。

1 系统组成

1.1 系统架构

本系统以树莓派作为主控板，利用摄像头采集图像信息数据并通过机器学习算法进行分析处理，利用传感器采集环境数据进行分析并上传至服务器端，用户可通过访问网页端查看相关数据。同时该系统会对异常数据和图像等进行邮件报警来提醒用户。系统架构如图1所示。

图1 系统架构图

1.2 系统流程

本系统需要对婴幼儿睡眠数据进行采集、分析、传输、保存以及处理和显示；系统结构包括传感器、摄像头、树莓派、网络模块、服务器等。树莓派是该系统的核心控制单元，通过对摄像头和传感器采集到的数据进行分析处理。服务器用于保存数据信息和搭建网页等。系统流程如图2所示。

图2 系统流程图

1.3 系统功能概述

该系统包括婴幼儿睡眠状态采集子系统、婴幼儿环境数据采集子系统、婴幼儿睡眠数据存储子系统、异常数据处理子系统，婴幼儿睡眠监控子系统。主要实现婴幼儿睡眠状态、睡眠数据的监测和分析，并将采集的数据上传服务器，若检测到数据或画面状态异常，则会向用户发送邮件提醒。

2 系统硬件子系统

硬件子系统完成对婴幼儿睡眠状态的判断，首先通过设备摄像头采集图片数据信息，然后对图片数据集进行预处理操作，最后在搭建的神经网络中利用预处理模型对其训练。在婴幼儿睡眠过程中利用之前训练好的模型监测婴幼儿睡眠状态。在环境监测模块，由于直接选用数字输出的传感器可以去除模数转换的复杂过程，故选用DHT11温湿度传感器[2]。利用其采集环境的温湿度数据并上传至服务器，同时将此数据同以往数据进行对比分析，检测其数据是否异常。

本系统对于开发板的选用为树莓派，该开发板功能强大，对于图像识别功能有着强大的支持，且接口丰富，支持接入摄像头，且对于外部设备运行代码简洁方便。

在树莓派GPIO7引脚处接DHT11温湿度传感器，通过Dout端口将传感器监测出的湿度和温度通过I/O口传输给主控板。通过排线将摄像头连接在树莓派摄像头接口处（CSI），利用python代码驱动摄像头工作。传感器、摄像头与树莓派连线如图3所示。

图3 传感器、摄像头与树莓派连线

3 系统软件子系统

软件子系统连接了底层硬件系统和用户，是整个系统数据的调度中心。

3.1 数据库设计

3.1.1 实体关系。本系统主要对象有用户、所采集信息等。普通用户实体属性主要包括用户名，密码，邮箱，真实姓名，身份证号，地址，角色，头像路径。管理员用户实体主要包括用户名，密码，邮箱，真实姓名，头像路径。所采集信息实体属性主要包括用户名，温度，湿度，采集时间[3]。它们之间的联系通过E-R图表示如图4所示。

图4 系统E-R图

3.1.2 系统数据库表结构设计。利用Navicat连接远程服务器的数据库，建立respi数据库，新建user_info、manager_info、data_info表，用来存储用户信息、管理员信息和利用硬件设备采集到的数据信息。

（1）用户信息表(user_info)

用户信息表用来存储普通用户的基本信息。表结构如表1所示：

表1 用户信息表

（2） 管理员信息表（manager_info）

管理员信息表用来存储管理员用户的基本信息。其表结构和表1的前六个字段相同，这里不再赘述。

（3）所采集信息表（data_info）

所采集信息表用来存储采集的环境信息。表结构如表2所示：

表2 所采集信息表

3.2 网页设计

3.2.1 网页总体架构。网页采用Flask框架编写，以同步方式为主。拥有管理员和普通用户两套框架系统，在登陆时根据账号不同角色跳转不同框架。普通用户登录网页后可查看采集到的历史数据信息，数据以Echarts图表的方式存在，可供用户更好的观察其变化趋势。同时用户也可修改个人基本信息等。管理员用户登录网页后可查看所有用户的信息，同时可以对其进行增删改查的基本操作。类似于普通用户，管理员也可自行修改个人基本信息。

3.2.2 网页基本技术。为了应对用户基数大，不易管理的情况采用RBAC授权机制，使用角色、层次和约束组织用户访问等级，使信息安全管理变得简单[3]。本系统在搭建网页时选择Nginx服务器，其是一款轻量级Web服务器，具有高性能的HTTP和反向代理，Nginx服务器具有占用内存少，并发能力强等突出特点；在利用邮件发送提醒信息时，选用QQ邮箱的SMTP服务器。因SMTP是一种提供可靠且有效的电子邮件传输的协议，其邮件的发送高度模仿了正常用户发送邮件的方式[4]。

4 异常判断

4.1 环境数据异常判断

基于环境温度不会变化很快的基础上，将负责判断数据离散程度的算法简化为如下：系统每分钟检测一次环境的温湿度数据（a1,b1），但不存入数据库并将其与最近一次数据库中的数据（a2,b2）进行对比。若出现（|a1-a2|＞1 or |b1-b2|＞2）的情况则立刻将该数据存入数据库并向用户发送环境数据异常警告。如数据在正常范围内，则继续监测；若检测时间与上次记录数据的时间间隔一小时则再次记录。最后根据每小时所采集的数据，生成Echarts图表。

4.2 睡眠状态异常判断

睡眠状态的异常检测采用YOLOv4目标检测算法，系统中利用该算法的准确率在93%以上，为更简易的实现目标，其中异常报警机制的算法简化如下：系统实时监测婴幼儿睡眠状态（st），若st为cover则记录其识别率为c1并将其与上一次的识别率c2做比对。若出现(c2-c1＞0.05 or st == uncover)则向用户发送睡眠状态异常警告。如数据在正常范围内或者st为cover，则继续监测。

5 结束语

本系统利用树莓派摄像头采集婴幼儿睡眠状态信息并利用YOLOv4目标检测算法进行目标状态检测；利用传感器采集环境数据信息并上传至服务器端保存。若睡眠状态或环境数据出现异常，本系统通过邮件提醒来告知用户出现异常状态，以供用户知晓并提醒用户下一步操作等。故该系统能够初步解决父母工作繁忙，照看婴幼儿精力少、压力大等问题。