论文部分内容阅读
摘 要：完善的睡眠体系在婴幼儿成长中对其体格、免疫系统和中枢神经系统的发育和成熟起着十分重要的作用。目前，婴幼儿睡眠监控系统多用于医院中新生儿、特别是早产儿的健康状况监控，尚未普及到家庭，且功能相对简单（多为恒温保持），缺少婴幼儿睡眠数据的采集、保存与分析功能，无法远程监控。因此，研究设计了一款多功能、能远程监控、可普及到一般家庭的婴儿睡眠监测系统。本系统实现了婴幼儿睡眠环境参数和睡眠状态的实时监测、睡眠数据的分析、睡眠信息的上传及存储与远程监控等功能。
关键词：婴幼儿睡眠;STM32单片机;微信小程序
婴幼儿的教育以及生活状况是人们生活中关注的重点，但众所周知照顾婴儿的起居是一件非常劳累而且费神的事情，尤其是婴儿睡眠期间，目前国内外大多数的婴儿睡眠监测主要是人工看护和婴儿睡眠监护系统。人工看护，需要看护人实时监护，一定程度上減少了看护人的休息、工作时间。而婴幼儿睡眠监护系统无论在时间还是在空间上都存在着大量限制：监护范围小、数据无法保存、过于依赖人力以及费用较高等缺点，存在着用户的隐私安全的不到保证，功能冗余等问题。
因此，有必要研究设计一款多功能、能远程监控、可普及到一般家庭的婴儿睡眠监测系统。
1.系统方案架构图
本系统将主要实现婴幼儿睡眠环境参数和睡眠状态的实时监测、睡眠数据的分析，并将睡眠信息上传及存储到远程服务器，供用户进行本地或远程监控，实现婴幼儿睡眠的监测，为婴幼儿良好睡眠提供一定保障，从而为婴幼儿的体格、免疫系统和中枢神经系统的发育和成熟奠定良好基础。
本系统能自动检测婴幼儿睡眠时的环境参数和睡眠状态参数，上述信息上传至服务器，家长可以本地/远程实时查询与掌握婴幼儿的睡眠情况;检测到异常信息，如哭闹、尿床、踢被和翻身等，系统会发出警报，为家长实时提供婴幼儿的睡眠信息，从而为家长的下一步决策提供依据。
在本系统中，电子模块将采集的数据以串口通信方式发送给STM32单片机，STM32单片机采用UIP协议通过以太网模块以SPI通信方式发送至服务器。微信小程序可以远程访问服务器，并获取相关数据加以显示。
2.硬件设计.
2.1 系统硬件框图
该系统硬件部分采用STM32为核心开发板配合相关的电子模块，通过串口通信的方式实现数据的采集，并对采集的数据进行相应处理获取真正所需的数据信息。STM32通过UIP协议，将单片机设置为服务端，通过ENC28J60以太网模块向PC端进行数据发送。在PC端搭建开发环境，将从STM32接收到的数据存入MYSQL数据库中。
系统硬件程序开始先对引脚、UIP协议、TFT液晶屏等功能进行初始化，UIP协议初始化时，需对IP地址和MAC地址进行初始化配置。ENC28J60以太网模块通过网线与PC机相连，若UIP协议初始化成功会在TFT液晶屏上提示连接成功并显示所配置的IP地址。通过各种传感器所读取的数据也会通过TFT液晶屏进行显示。如果传感器并未连接或连接出现错误，在TFT液晶屏上也会得到相应的信息显示。
2.2 STM32核心开发板
STM32PZ6806L-ILI9341是一款32位ARM微控制器，该开发板本身集成了SPI、以太网、USB、定时器、UART、wifi、CAN、DMA、时钟、ADC、SD卡、TFT液晶屏等多种模块，是初级开发者的优先选择。
2.3 DHT11温湿度模块
DHT11数字温湿度传感器是具备较高性能的一款复合型传感器，该传感器含有已校准终了的数字信号输出。DHT11数字温湿度传感器通过应用数字模块收集技术和温湿度传感技术，来确保传感器有极高的可靠性和持久的稳定性。该传感器构成中有一个电阻式测湿元器件和一个NTC测温元器件，而且这两个元件与一个8位高性能的单片机相连接，该传感器响应速度快、产品质量出色、具备极强的抗干扰本领而且性价比高。每个传感器在生产过程中都经过了严格的功能测试，在精确的温湿度校验室中进行严格校准，传感器通过校准系数对检测的信号进行校准处理。DHT11数字温湿度传感器体积小，便于开发携带并不会占用太多空间去能准确的检测温湿度，并且功耗极低，是很多行业市场在检测温湿度方面的最佳选择。
2.4 DS18B20温度模块
DS18B20温度模块体积精小，具有耐磨耐碰的特点，适合用于空间比较狭小的环境。DS18B20模块可用于堆栈温度检测、高炉水循环温度检测、汽锅温度检测、电脑机房温度检测、农业大棚温度检测、洁净室温度检测等各非极限温度场所。该传感器一共有三个引脚VDD、GND和DQ，通过DQ引脚将获取的温度发送到单片机，DS18B20温度传感器引脚图如图3所示。
2.5 光敏模块
光光敏模块是由一个光敏电阻（光敏二极管）来实现检测光照强度的功效，它对光的转变很是敏感，当光照强度增强时，光敏电阻阻值便会下降，得出的电压值便会增加;相反，如果光照强度减小时，光敏电阻阻值便会增加，得出的电压便会减少。
2.6 压力模块
压力模块模仿电子秤实现，数据收集经由称重传感器HL-8型获得电压数值并通过信号放大和专用型高精度24位AD转换芯片HX711对电信号进行放大，并进行模数转换，将数据转换成数字量。
2.7 VO7670视频模块
OV7670/OV7171 CAMERACHIPTM 图像传感器，是一款适合于嵌入式开发和实际应用的摄像头模块，具有体积小，节省空间;工作电压低等特点。该摄像头功效强大，具备和单片VGA摄像头同样的机能和影象处理器的全部功效。该摄像头是通过SCCB总线进行控制操作的，可以进行一下操作：1）输出整帧各种分辨率8位影响数据;2）子采样方式的8位数据;3）取窗口方式的8位数据。 2.8 声音模块
声音传感器可以用于检测周围环境的声音强度，本次考虑到时候跟本钱的题目，以是只采取输出开关量的声音传感器，即只能辨认声音的有没有，不能对音贝进行检测。声音传感器预先设定一个阀值，当传感器检测周围环境的声音强度达不到预定的阀值时，OUT输出高电平;相反，当检测周围环境的声音强度能够达到预定的阀值时，OUT输出低电平。STM32单片机通过检测OUT引脚输出高低电平以此来判断声音的有无。
2.9 以太网模块
ENC28J60以太网模块是一款独立以太网控制器，本身带有行业标准的串口外设接口（Serial Periphe-ral Interface，SPI）。由于带有串口外设接口，所以ENC28J60以太网模块可以为任何设备配置具有SPI的控制器的以太网接口。ENC28J60遵守IEEE 802.3协议中的全部规范，并通过诸多包过滤机制来对数据包进行严格的筛选和限制。ENC28J60以太网模块内部集成为了一个DMA模块，通过内部DMA模块，实现数据的快速吞吐和撑持硬件操纵的IP校验和计较。ENC28J60以太网模块经由SPI通讯和两其中断引脚来实现与主控制器之间通讯，与主控制器之间的传输速度可以到达10 Mb/s，并留有两个专用的引脚用于毗连两个LED信息提醒灯，用于表现收集勾当的状况。
3 软件设计
3.1 系统软件结构框图
根据婴儿睡眠监控系统的要求，本设计应采集婴儿睡眠时的温湿度、噪声、压力、光照强度等信息，同时将数据通过网关发送给服务器，可以让使用人员员实时通过微信小程序查看婴儿睡眠状况。
3.2 微信web开发者工具
微信web开发工具是一款简单易上手的初学者微信开发工具，集程序编写、编译、调试、发布为一身，并且在相关网站中有详细的使用说明，可以使微信开发新手尽快入门。只要在微信开发平台内进行注册，获取APPID，便可以将自己编写的微信小程序在其服务器上进行试发布。通过手机微信扫码，便可以在手机端进行查看。
在使用微信web开发工具时，需要在微信公众平台内部进行程序的注册，需要将微信小程序在其平台上进行设置，并获取相应的APPID号，通过APPID号创建的微信小程序具有上传和手机预览的功能，否则只能实現本地的测试和浏览，不能进行上传和手机浏览等操作。
3.3 开发环境
本次开发环境使用Linux宝塔面板对开发环境进行统一管理，Linux面板可以对站点、FTP、数据库等多方面进行管理。主界面主要对信息进行统一显示和连接管理，显示网站、FTP、数据库等信息。
本系统采用mysql数据库对数据进行统一的管理，在Linux宝塔中的数据库界面可以对数据库进行统一管理操作，例如对数据库权限、密码等的修改。在数据库管理界面修改数据库，使得在Linux系统底下修改数据库信息变得简单，不需要在用命令行形式，以指令的形式对其进行修改。Mysql数据库又通过网页PHPmysql对数据库进行详细管理。
Linux宝塔管理界面还可以对开发环境套件进行统一的管理，例如nginx、mysql、PHP等，在界面进行重启或停止等操作，便可以实际的对相应的部分进行操作，通过Linux宝塔界面的统一管理，使得开发环境的运行以及相关配置的修改都变的简单，并且界面还能够显示网络流量信息，使开发者能够详细了解网站的详细情况。
3.4 客户端与服务器端交互方案设计
本系统中STM32作为客户端与服务器进行交互，客户端和服务器端通过 PHP 接口来实现数据交互，客户端与服务器端建立连接后，向服务器端发送请求，接收到请求的服务器端根据请求对数据库执行操作，并将响应信息返回客户端，信息反馈完毕后，客户端与服务器端断开连接。
4 总结
本系统分别使用DHT11温湿度传感器作为踢被和尿床的数据采集来源，通过DHT11温湿度传感器获取的温度值来确定婴幼儿是否踢被，通过DHT11温湿度传感器获取的相对湿度来确定婴幼儿是否尿床;通过光民传感器的AO口传输数值，并通过ADC模块将电信号转化成数字量;通过DS18B20温度传感器成功获取温度值;通过ENC28J60以太网模块配合内嵌网页成功实现网络功能，并成功通过内嵌网页form表单将数据发送至服务器PHP网页。
本系统微信小程序在本地访问的情况下，各个模块都能够在服务器获取数据，并以表格的形式进行显示。用户反馈也能够将准确的信息发送至服务器。
关键词：婴幼儿睡眠;STM32单片机;微信小程序
婴幼儿的教育以及生活状况是人们生活中关注的重点，但众所周知照顾婴儿的起居是一件非常劳累而且费神的事情，尤其是婴儿睡眠期间，目前国内外大多数的婴儿睡眠监测主要是人工看护和婴儿睡眠监护系统。人工看护，需要看护人实时监护，一定程度上減少了看护人的休息、工作时间。而婴幼儿睡眠监护系统无论在时间还是在空间上都存在着大量限制：监护范围小、数据无法保存、过于依赖人力以及费用较高等缺点，存在着用户的隐私安全的不到保证，功能冗余等问题。
因此，有必要研究设计一款多功能、能远程监控、可普及到一般家庭的婴儿睡眠监测系统。
1.系统方案架构图
本系统将主要实现婴幼儿睡眠环境参数和睡眠状态的实时监测、睡眠数据的分析，并将睡眠信息上传及存储到远程服务器，供用户进行本地或远程监控，实现婴幼儿睡眠的监测，为婴幼儿良好睡眠提供一定保障，从而为婴幼儿的体格、免疫系统和中枢神经系统的发育和成熟奠定良好基础。
本系统能自动检测婴幼儿睡眠时的环境参数和睡眠状态参数，上述信息上传至服务器，家长可以本地/远程实时查询与掌握婴幼儿的睡眠情况;检测到异常信息，如哭闹、尿床、踢被和翻身等，系统会发出警报，为家长实时提供婴幼儿的睡眠信息，从而为家长的下一步决策提供依据。
在本系统中，电子模块将采集的数据以串口通信方式发送给STM32单片机，STM32单片机采用UIP协议通过以太网模块以SPI通信方式发送至服务器。微信小程序可以远程访问服务器，并获取相关数据加以显示。
2.硬件设计.
2.1 系统硬件框图
该系统硬件部分采用STM32为核心开发板配合相关的电子模块，通过串口通信的方式实现数据的采集，并对采集的数据进行相应处理获取真正所需的数据信息。STM32通过UIP协议，将单片机设置为服务端，通过ENC28J60以太网模块向PC端进行数据发送。在PC端搭建开发环境，将从STM32接收到的数据存入MYSQL数据库中。
系统硬件程序开始先对引脚、UIP协议、TFT液晶屏等功能进行初始化，UIP协议初始化时，需对IP地址和MAC地址进行初始化配置。ENC28J60以太网模块通过网线与PC机相连，若UIP协议初始化成功会在TFT液晶屏上提示连接成功并显示所配置的IP地址。通过各种传感器所读取的数据也会通过TFT液晶屏进行显示。如果传感器并未连接或连接出现错误，在TFT液晶屏上也会得到相应的信息显示。
2.2 STM32核心开发板
STM32PZ6806L-ILI9341是一款32位ARM微控制器，该开发板本身集成了SPI、以太网、USB、定时器、UART、wifi、CAN、DMA、时钟、ADC、SD卡、TFT液晶屏等多种模块，是初级开发者的优先选择。
2.3 DHT11温湿度模块
DHT11数字温湿度传感器是具备较高性能的一款复合型传感器，该传感器含有已校准终了的数字信号输出。DHT11数字温湿度传感器通过应用数字模块收集技术和温湿度传感技术，来确保传感器有极高的可靠性和持久的稳定性。该传感器构成中有一个电阻式测湿元器件和一个NTC测温元器件，而且这两个元件与一个8位高性能的单片机相连接，该传感器响应速度快、产品质量出色、具备极强的抗干扰本领而且性价比高。每个传感器在生产过程中都经过了严格的功能测试，在精确的温湿度校验室中进行严格校准，传感器通过校准系数对检测的信号进行校准处理。DHT11数字温湿度传感器体积小，便于开发携带并不会占用太多空间去能准确的检测温湿度，并且功耗极低，是很多行业市场在检测温湿度方面的最佳选择。
2.4 DS18B20温度模块
DS18B20温度模块体积精小，具有耐磨耐碰的特点，适合用于空间比较狭小的环境。DS18B20模块可用于堆栈温度检测、高炉水循环温度检测、汽锅温度检测、电脑机房温度检测、农业大棚温度检测、洁净室温度检测等各非极限温度场所。该传感器一共有三个引脚VDD、GND和DQ，通过DQ引脚将获取的温度发送到单片机，DS18B20温度传感器引脚图如图3所示。
2.5 光敏模块
光光敏模块是由一个光敏电阻（光敏二极管）来实现检测光照强度的功效，它对光的转变很是敏感，当光照强度增强时，光敏电阻阻值便会下降，得出的电压值便会增加;相反，如果光照强度减小时，光敏电阻阻值便会增加，得出的电压便会减少。
2.6 压力模块
压力模块模仿电子秤实现，数据收集经由称重传感器HL-8型获得电压数值并通过信号放大和专用型高精度24位AD转换芯片HX711对电信号进行放大，并进行模数转换，将数据转换成数字量。
2.7 VO7670视频模块
OV7670/OV7171 CAMERACHIPTM 图像传感器，是一款适合于嵌入式开发和实际应用的摄像头模块，具有体积小，节省空间;工作电压低等特点。该摄像头功效强大，具备和单片VGA摄像头同样的机能和影象处理器的全部功效。该摄像头是通过SCCB总线进行控制操作的，可以进行一下操作：1）输出整帧各种分辨率8位影响数据;2）子采样方式的8位数据;3）取窗口方式的8位数据。 2.8 声音模块
声音传感器可以用于检测周围环境的声音强度，本次考虑到时候跟本钱的题目，以是只采取输出开关量的声音传感器，即只能辨认声音的有没有，不能对音贝进行检测。声音传感器预先设定一个阀值，当传感器检测周围环境的声音强度达不到预定的阀值时，OUT输出高电平;相反，当检测周围环境的声音强度能够达到预定的阀值时，OUT输出低电平。STM32单片机通过检测OUT引脚输出高低电平以此来判断声音的有无。
2.9 以太网模块
ENC28J60以太网模块是一款独立以太网控制器，本身带有行业标准的串口外设接口（Serial Periphe-ral Interface，SPI）。由于带有串口外设接口，所以ENC28J60以太网模块可以为任何设备配置具有SPI的控制器的以太网接口。ENC28J60遵守IEEE 802.3协议中的全部规范，并通过诸多包过滤机制来对数据包进行严格的筛选和限制。ENC28J60以太网模块内部集成为了一个DMA模块，通过内部DMA模块，实现数据的快速吞吐和撑持硬件操纵的IP校验和计较。ENC28J60以太网模块经由SPI通讯和两其中断引脚来实现与主控制器之间通讯，与主控制器之间的传输速度可以到达10 Mb/s，并留有两个专用的引脚用于毗连两个LED信息提醒灯，用于表现收集勾当的状况。
3 软件设计
3.1 系统软件结构框图
根据婴儿睡眠监控系统的要求，本设计应采集婴儿睡眠时的温湿度、噪声、压力、光照强度等信息，同时将数据通过网关发送给服务器，可以让使用人员员实时通过微信小程序查看婴儿睡眠状况。
3.2 微信web开发者工具
微信web开发工具是一款简单易上手的初学者微信开发工具，集程序编写、编译、调试、发布为一身，并且在相关网站中有详细的使用说明，可以使微信开发新手尽快入门。只要在微信开发平台内进行注册，获取APPID，便可以将自己编写的微信小程序在其服务器上进行试发布。通过手机微信扫码，便可以在手机端进行查看。
在使用微信web开发工具时，需要在微信公众平台内部进行程序的注册，需要将微信小程序在其平台上进行设置，并获取相应的APPID号，通过APPID号创建的微信小程序具有上传和手机预览的功能，否则只能实現本地的测试和浏览，不能进行上传和手机浏览等操作。
3.3 开发环境
本次开发环境使用Linux宝塔面板对开发环境进行统一管理，Linux面板可以对站点、FTP、数据库等多方面进行管理。主界面主要对信息进行统一显示和连接管理，显示网站、FTP、数据库等信息。
本系统采用mysql数据库对数据进行统一的管理，在Linux宝塔中的数据库界面可以对数据库进行统一管理操作，例如对数据库权限、密码等的修改。在数据库管理界面修改数据库，使得在Linux系统底下修改数据库信息变得简单，不需要在用命令行形式，以指令的形式对其进行修改。Mysql数据库又通过网页PHPmysql对数据库进行详细管理。
Linux宝塔管理界面还可以对开发环境套件进行统一的管理，例如nginx、mysql、PHP等，在界面进行重启或停止等操作，便可以实际的对相应的部分进行操作，通过Linux宝塔界面的统一管理，使得开发环境的运行以及相关配置的修改都变的简单，并且界面还能够显示网络流量信息，使开发者能够详细了解网站的详细情况。
3.4 客户端与服务器端交互方案设计
本系统中STM32作为客户端与服务器进行交互，客户端和服务器端通过 PHP 接口来实现数据交互，客户端与服务器端建立连接后，向服务器端发送请求，接收到请求的服务器端根据请求对数据库执行操作，并将响应信息返回客户端，信息反馈完毕后，客户端与服务器端断开连接。
4 总结
本系统分别使用DHT11温湿度传感器作为踢被和尿床的数据采集来源，通过DHT11温湿度传感器获取的温度值来确定婴幼儿是否踢被，通过DHT11温湿度传感器获取的相对湿度来确定婴幼儿是否尿床;通过光民传感器的AO口传输数值，并通过ADC模块将电信号转化成数字量;通过DS18B20温度传感器成功获取温度值;通过ENC28J60以太网模块配合内嵌网页成功实现网络功能，并成功通过内嵌网页form表单将数据发送至服务器PHP网页。
本系统微信小程序在本地访问的情况下，各个模块都能够在服务器获取数据，并以表格的形式进行显示。用户反馈也能够将准确的信息发送至服务器。