潘春玲

隨著我國“二胎政策”的全面放開，二孩家庭越來越多.很多父母既要忙于工作，又要照顧兩個孩子，通常無法做到時刻將新生兒帶在身邊照顧，如何對新生兒進行有效的護理成為父母們十分關(guān)心的問題［1］.

由于新生兒體溫調(diào)節(jié)功能還不完善，各項生理功能尚未成熟，過高或過低的環(huán)境溫度都容易刺激新生兒，進而引起發(fā)病或死亡.一個溫暖舒適的環(huán)境，是對新生兒有效護理的最重要措施之一，可以有效保障新生兒的成活率.另外，呼吸頻率正常是人體健康的基本標準，很多新生兒易發(fā)疾病會引發(fā)呼吸頻率異常現(xiàn)象，例如哮喘、支氣管炎，但由于新生兒父母的精力有限，很難實時掌握孩子是否出現(xiàn)呼吸異常的情況.

鑒于此，本文采用目前性能很高的樹莓派3 代B+作為核心控制器，結(jié)合Flask 技術(shù)，設計了一款智能嬰兒看護系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以時刻監(jiān)測環(huán)境的溫濕度，還可以監(jiān)測記錄新生兒的體溫、心率和血氧含量等體征值，同時配備了攝像頭實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控.所有環(huán)境參數(shù)、生理體征參數(shù)和現(xiàn)場視頻都可以通過手機端或電腦Web 端進行遠程控制.該系統(tǒng)可以幫助父母們分擔新生兒監(jiān)護工作，讓他們無需時刻陪在新生兒身邊，就能對新生兒進行有效的護理.

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能嬰兒看護系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 智能嬰兒看護系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)選用樹莓派3 代B+作為開發(fā)平臺，樹莓派是一種微型電腦主板，運行Linux系統(tǒng)，除了具備計算機的基本功能外，還配備GPIO 接口［2-4］.系統(tǒng)首先在樹莓派上設計并安裝Web 服務器軟件和輕量級SQLite 數(shù)據(jù)庫軟件，然后通過GPIO 接口外接溫濕度傳感器、心率血氧傳感器、體溫傳感器等外圍設備，用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)和生理體征數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)存儲在SQLite 數(shù)據(jù)庫中.為了觀察新生兒實時情況，該系統(tǒng)還外接攝像頭，通過編寫Python 程序?qū)⒁曨l傳輸至Web 服務器，用戶可以利用手機、電腦、平板等設備通過wifi網(wǎng)絡連接到Web 服務器上進行查看.該樹莓派3 代B+平臺集Web 服務器、數(shù)據(jù)庫、控制系統(tǒng)于一體，形成B/S 工作模式，靈活小巧便于用戶遠程監(jiān)控.

2 硬件設計

硬件模塊主要由樹莓派、DHT11 溫濕度傳感器、MAX30100 心率血氧生物傳感器、GY-906 紅外測溫傳感器和攝像頭等硬件構(gòu)成，硬件連接方式如圖2 所示.

2.1 樹莓派控制器

本文選用的樹莓派3 代B+是一款提供開源軟件架構(gòu)的微型電腦主板，雖然尺寸只有信用卡大小，但是具有音視頻、藍牙、無線等PC 所有功能，功能強大，并且價格低廉，性價比極高，被廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)的應用開發(fā)中.該型號的樹莓派擁有主頻700 MHz 的ARM 處理器和512 MB 內(nèi)存，運行速度快，同時配置了40 個GPIO 接口，這些接口中除去專用的電源和地接口，至少還有26 個通用I/O 口.此外，其內(nèi)部含有Python GPIO、BCM2835 等豐富的集成庫，用戶只要通過軟件編程，就可以利用GPIO 接口輕松實現(xiàn)樹莓派與各類傳感器的通信.

2.2 溫濕度傳感器

圖2 硬件電路圖

系統(tǒng)利用DHT11 傳感器采集周圍環(huán)境的溫度和濕度.DHT11 傳感器內(nèi)含熱敏電阻和感濕電阻，電阻的阻值會隨著環(huán)境溫濕度的變化而變化，進而引起通過電流的變化，同時該傳感器內(nèi)部還含有一個能進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的芯片，能將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，該數(shù)字信號很容易被樹莓派控制器讀取.DHT11 傳感器通過串行方式與樹莓派相連，連接方式如下：

DHT11 電源引腳VCC 連接到樹莓派的第1 引腳3.3 V；

DHT11 輸出數(shù)據(jù)引腳DATA 連接樹莓派的第7 引腳GPIO4；

DHT11 接地引腳GND 接地.

2.3 心率血氧生物傳感器

系統(tǒng)選用MAX30100 心率血氧生物傳感器采集新生兒的心率和血氧含量體征值.MAX3010 在功耗管理上具有一定的優(yōu)勢，被廣泛應用于一些可穿戴智能產(chǎn)品.該傳感器內(nèi)部含LED、光電檢測器、低噪聲信號處理器等電子電路，采用標準的IIC 與樹莓派通信.使用時，用LED 光照射手指，因血管中的紅血球會根據(jù)含氧量的不同而吸收不同程度的紅外光，由吸收光譜的原理和特定的算法，可以計算出血氧含量和心率.與樹莓派的連接方式如下：

MAX30100 電源引腳5 V 連接到樹莓派的第4 引腳5 V；

MAX30100 時鐘線SCL 引腳連接到樹莓派的第28 引腳ID SC；

MAX30100 數(shù)據(jù)線SDA 引腳連接到樹莓派的第27 引腳ID SD；

MAX30100 接地引腳GND 接地.

2.4 紅外測溫傳感器

系統(tǒng)選用GY-906 紅外傳感器測量新生兒的體溫值.GY-906內(nèi)部包含紅外感應熱元件、信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器等，是一款測量精度高、測溫范圍寬的非接觸式紅外測溫傳感器，測量物體溫度范圍從-70 ℃到280 ℃，可以滿足人體溫度的測量要求，對外也是采用標準的IIC 通信，與樹莓派的連接方式如下：

GY-906 電源引腳5 V 連接到樹莓派的第2 引腳5 V；

GY-906 時鐘線SCL 引腳連接到樹莓派的第5 引腳GPIO3；

GY-906 數(shù)據(jù)線SDA 引腳連接到樹莓派的第3 引腳GPIO2；

GY-906 接地引腳GND 接地.

另外，本系統(tǒng)采用樹莓派官方攝像頭進行視頻監(jiān)視，該攝像頭與樹莓派控制器的CSI接口相連.系統(tǒng)實物如圖3 所示.

圖3 系統(tǒng)實物圖

3 軟件設計

3.1 軟件設計方案

本系統(tǒng)的軟件設計流程如圖4 所示.系統(tǒng)開啟后，啟動各傳感器模塊和攝像頭模塊，各個模塊按照預定時間間隔5 s 讀取相應數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)存儲，通過Web 程序顯示所有數(shù)據(jù).該流程主要包括數(shù)據(jù)采集和Web 顯示兩部分.其中數(shù)據(jù)采集包括各個傳感器采集的空氣溫濕度數(shù)據(jù)和體溫、心率、血氧含量等體征值數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)寫入SQLite 數(shù)據(jù)庫，同時將攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)寫入圖像庫.Web 顯示是通過在樹莓派中構(gòu)建Web 服務器，形成B/S 工作模式，以網(wǎng)頁的形式向用戶展現(xiàn)各項數(shù)據(jù)值，本系統(tǒng)主要采用Python 語言開發(fā).

圖4 軟件流程圖

在算法方面，數(shù)據(jù)采集和Web 顯示采用了多線程技術(shù)，因為數(shù)據(jù)采集是按照時間間隔嚴格進行的任務，它不能被Web 顯示的任務打斷.使用單線程方法的一般流程是：先從數(shù)據(jù)庫讀出數(shù)據(jù)，然后將他們顯示到顯示界面上，接著再處理顯示界面的更新.這樣做的結(jié)果是當進行顯示界面操作時，線程將繼續(xù)停留在顯示界面，不能返回到數(shù)據(jù)采集任務，數(shù)據(jù)采集任務將被中斷.我們使用多線程技術(shù)解決上述問題，將數(shù)據(jù)采集任務和Web 顯示任務分開，各放在一個線程中，這樣，在對界面進行操作時，程序?qū)⑦M行線程切換，保證數(shù)據(jù)采集線程繼續(xù)進行.

3.2 Web 程序設計

Web 程序設計是通過在服務端構(gòu)建Flask環(huán)境實現(xiàn)的.Flask 是一種功耗低、重量輕的Web 應用程序框架［5-7］，可以順利運行于搭載Linux 系統(tǒng)的樹莓派上［8］.安裝Flask 通常需要Python 2.6 或更高版本，由于樹莓派本身帶有Python 3.5 環(huán)境，本系統(tǒng)可直接在樹莓派上進行開發(fā)，首先在樹莓派終端輸入：

sudo apt-get install python3-flask

這一行是完成Flask 的安裝.

Web前端頁面采用Html5、JavaScript 等 編寫［9］，后端采用Flask.使用Python 編程，F(xiàn)lask首先從SQLite 數(shù)據(jù)庫、攝像頭圖像庫讀取數(shù)據(jù)，接著將數(shù)據(jù)傳給Web 服務器，Web 服務器再通過JavaScript 將數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)頁上.通過將前端和后端結(jié)合，搭建一個交互性良好的網(wǎng)頁框架.

該網(wǎng)頁上除了可以實時顯示溫濕度數(shù)據(jù)以外，還可以顯示生理體征參數(shù)和現(xiàn)場視頻.下面以視頻顯示為例進行說明，首先使用Flask 創(chuàng)建一個渲染視頻的Python 文件，部分代碼如下：

代碼第6 行將視頻流傳輸?shù)絠ndex.html 頁面上，index.html 的代碼如下：

在代碼的第8 行，視頻將會在這里反饋到網(wǎng)頁上.

4 測試運行

為了讓該系統(tǒng)在樹莓派通電時就能自動進行監(jiān)測，將樹莓派上的應用程序設置為開機自動運行.測試時，樹莓派設備的IP 地址為：192.168.0.107，端口號為：12345.打開電腦瀏覽器，在地址欄輸入：192.168.0.107：12345，程序運行效果如圖5 所示.該監(jiān)控平臺頁面分為三部分：環(huán)境數(shù)據(jù)采集、生理體征值和直播監(jiān)控視頻，點擊環(huán)境數(shù)據(jù)采集和生理體征值的刷新按鈕，可以實時更新數(shù)據(jù).直播監(jiān)控視頻旁邊設置了一個LIVE 按鈕，點擊它可以進入視頻監(jiān)控頁面，如圖6 所示.

圖5 程序運行效果圖

圖6 視頻監(jiān)控頁面

5 結(jié)語

本文結(jié)合傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［10］設計了一款智能嬰兒看護系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用多種傳感器實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度、嬰兒體溫、心率和血氧含量等體征值的數(shù)據(jù)采集，使用攝像頭實現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)控，所獲取的數(shù)據(jù)具有良好的實時性與準確性；該系統(tǒng)以目前物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)中比較流行的樹莓派3 代B+為控制核心，該樹莓派集Web 服務器、數(shù)據(jù)庫、控制系統(tǒng)于一體，便于后期的維護與管理，并且體積小，安裝簡便，使用無線wifi 傳輸，只要在同一局域網(wǎng)中，都可以訪問監(jiān)控平臺，非常適合在普通家庭中部署；整個系統(tǒng)是基于Flask 框架進行編寫的，使用目前流行的Python 編程語言和SQLite 數(shù)據(jù)庫，具有簡單輕便的優(yōu)點.整個系統(tǒng)運行流暢，在嬰兒看護上具有良好的實用價值.