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[摘要] 目的本文设计了一种基于智能手机的新型婴儿睡眠监护系统。方法监护系统由婴儿可穿戴设备和智能手机两部分构成。穿戴设备上集成nrf52832主控芯片、MPU6050加速度模块和DHT11温湿度模块，通过嵌入式软件设计，控制完成加速度和温湿度数据的采集，并通过低功耗蓝牙无线发送到智能手机。智能手机APP能够实时接收和处理数据，实现对婴儿的睡眠监护。结果实验结果表明，智能手机软件能够实时接收婴儿穿戴设备采集到的数据，并通过分析判断婴儿睡眠状况及异常情况的发生。结论设计的新型婴儿睡眠监护系统具有良好的稳定性与实时性，可用于婴儿睡眠监护。

引言

婴儿的健康成长对一个家庭的重要性不言而喻，对婴儿进行必要的监护能够促进婴儿健康成长。婴儿猝死综合症（Sudden Infant Death Syndrome，SIDS）是一种常见的新生婴儿病症 [1] 。有统计表明，SIDS是造成2周到1岁之间婴儿死亡的主要原因 [2] 。研究表明，婴儿在睡眠过程中，采用仰卧睡姿能够有效减少SIDS的发生率 [3] 。因此，如果在婴儿的睡眠过程中，能够实时监测婴儿的体位、翻身以及环境条件，并在异常发生时自动报警，从而提高安全性。

目前，国内外对婴儿监护的研究主要分为以下3个方面：① 基于传感器生理参数采集的婴儿监护，其主要方式是利用传感器对婴儿的一些生理参数进行检测，实现对婴儿的监护 [4-7] ；② 基于射频识别技术的婴儿定位防盗系统，通过射频标签以及无线网络通信，实时的获取婴儿位置，发现异常自动报警 [8-10] ；③ 基于图像处理的婴儿监护系统，利用摄像或录像设备采集婴儿视频数据，使用图像处理方法实时监护婴儿动态，发生异常自动发出警报 [11-13] 。

随着智能手机的普及，本研究设计并实现了一种基于智能手机的婴儿睡眠监护系统。该系统具有监测婴儿的睡眠姿态、翻身次数和环境温湿度等功能，进而能够有效的起到对SIDS进行预防的作用。

1 系统的设计

1.1 系统结构的整体设计

新型婴儿睡眠监护系统由穿戴式设备和智能手机两个部分组成，系统结构，见图1。

图1 婴儿监护系统结构图

穿戴式设备集成处理器和传感器模块，能够实时获取传感器参数进行处理分析，并能通过低功耗蓝牙与智能手机建立双向通讯；智能手机既能够实时接收穿戴式设备传来的数据，又能够对穿戴式设备发送指令，控制穿戴式设备工作。此外，智能手机APP还具备数据存储、用户注册，婴儿课堂等功能。

1.2 穿戴式设备设计

穿戴式设备的结构，见图2，采用具有低功耗蓝牙功能的nRF52832芯片作为主控芯片，并集成MPU6050加速度、DHT11温湿度、电源等模块。

图2 穿戴式设备结构图

穿戴式设备工作时，主控芯片控制传感器模块采集加速度和温湿度数据，并对数据进行分析处理，通过低功耗蓝牙发送到智能手机。设备的软件工作流程，见图3。

图3 穿戴式设备软件功能流程图

（1）nrf52832处理器芯片。nrf52832芯片是Nordic公司推出的一款低功耗蓝牙芯片。它采用Cortex-M4F内核，运行频率64 MHz，拥有512 KB的Flash和64 KB的RAM。具有处理速度快，能耗低等优点。该芯片价格适合，具有很高的性价比。

（2）MPU6050加速度传感器。MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件。它能以数字形式输出6轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据，自带数字运动处理引擎减少负荷，自带1024字节的FIFO，高达400 kHz的IIC通信，有助于降低功耗。

（3）DHT11温湿度传感器。DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。该传感器具有品质高、响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。

（4）穿戴式设备电路设计。设备各模块器件选型确定后，本研究设计了穿戴式设备的PCB电路，设计采用2层板，主要基于下面的布局和布线规则 [14] ：布局在本研究中主要按照信号的流向来确定器件的放置位置，同一功能的电路结构，尽量放置在一起。滤波电容和晶振靠近IC放置，同时，晶振的外壳需要接地；布线在本研究中主要按照下面的规则进行设计：① 布线应当避免锐角和直角的出现，以减少信号对外的辐射和耦合；② 3W规则，即走线的间隔距离大于或等于单一走线线宽的三倍；③ 相邻层布线应该要相互垂直，防止产生寄生耦合；④ 信号线不能形成环路。

本研究按照“电源线—信号线—地线”的顺序进行布线，线宽设置为7 mil。地线采用底层的大面积普通设计，同时，对PCB的顶层也进行铺铜的操作，完成后的PCB，见图4。

图4 PCB设计原理图

注：a.PCB设计原理图（2D视图）；b.PCB设计原理图（3D视图）。

1.3 BLE通讯设计

低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）与普通蓝牙相比，具有低成本，低功耗，启动快速以及安全性高等优点 [15] 。

BLE体系结构主要包括三个部分，主机、控制器和应用程序，其结构，见图5 [16] 。应用程序使用软件栈等方式，进而使控制器来实现用户所需的功能。

图5 BLE的体系结构图

通讯的建立是通过应用程序来进行控制，本系统控制程序的编写采用的是Keil公司推出的Keil μVision 5软件开发系统。

（1）软件定时器初始化。定时器用来控制加速度和温湿度传感器的数据采集频率。采用app_timer_create函数创建加速度和温湿度采集定时器，规定定时器的采样频率。在本系统中，加速度定时器采样率为每秒10次，温湿度定时器采样率为5秒1次。

（2） BLE初始化。该初始化包含广播、连接参数、GAP层、服务等初始化配置，其中，最主要的是广播和GAP层的初始化。广播初始化中我们通过advertising_init函数来设置设备名称，服务的UUID以及广播间隔等参数。GAP定义了设备如何彼此发现、建立连接以及如何实现绑定，我们通过设置gap_params_init函数来完成GAP层初始化。

硬件设备上电后，软件调用定时器启动函数app_timer_start和 ble_advertising_start函数，app_timer_start函数使得定时器开始工作，传感器在定时器的作用下采集相应参数，ble_advertising_start函数会让蓝牙开始向外广播，等待设备连接。

智能手机打开蓝牙进行搜索，对搜索到的广播进行配对，如果设备名称和通用唯一识别码（Universally Unique Identifier，UUID）均匹配，就建立连接，从而实现硬件设备和智能手机之间的通讯，通讯建立的流程图，见图6。

图6 通讯建立流程图

1.4 手机监护软件设计

手机监护软件基于Android平台开发，集成开发环境为Android Studio。软件主要有注册登录，睡眠监测，温湿度监测，历史记录，婴儿课堂等功能。

该功能用来监测婴儿在睡眠过程中的睡眠状况，包括婴儿的翻身，以及睡姿等。

MPU6050传感器采集到的加速度数据为三轴加速度数据，其灵敏度和旋转极性的方向示意图，见图7。在本系统中，X轴与人体的冠状轴平行，Y轴与人体的垂直轴平行，Z轴与人体的矢状轴平行 [17] 。根据Miwa提出的翻身检测模型，可计算翻身情况 [18] 。

图7 加速度模块灵敏度和旋转极性的方向示意图

（1）以1 min为标准时段，求取该时段的特征值P t 、M Xt 和M Yt 。P t 的求解见公式(1)，其中A Xt 、A Xt-1 分别为X轴该时段均值和前一时段的均值。M Xt 为X轴平均绝对差。M Yt 为Y轴的平均绝对差。

（2）当公式(2)所示的条件满足时，就认为该时段有翻身的情况发生。

由上节知三轴加速度计方向与人体之间的关系，我们可以根据加速度方向，判断婴儿睡姿，加速度方向与婴儿睡姿关系，见图8。

图8 加速度计与睡姿关系示意图

其中，g是重力加速度数值；h为垂直方向倾角余弦值；v为水平方向余弦值（本文中，g取2048，h和v的值取0.9）。1.4.2 温湿度监测

该功能用于实时监测婴儿所处环境的温湿度状况，DHT11传感器能够实时获取温湿度数据，并通过BLE的方式发送到智能手机。父母可以根据实际情况，设置温湿度阈值，系统一旦发现温湿度数值异常，就会自动报警。

软件首界面是注册登录界面，在这里用户需要用账号登录手机APP或者注册账号，同时完善个人信息。历史记录可以存储婴儿监护过程中的数据和信息，方便婴儿父母查看，数据的记录也便于长期的分析婴儿的睡眠情况。婴儿课堂能够推送一些有关照顾婴儿方面的知识经验等。

2 系统测试

系统运行后，智能手机能够实时接收到可穿戴式设备传来的数据，并能对这些数据进行分析和存储。如果有异常发生，则发出警报，提醒婴儿父母注意。本系统使用Android 6.0版本的智能手机进行测试。系统测试结果展示，见图9。

图9 系统测试结果展示图

注：a是睡眠监护界面及其异常情况提醒；b是温湿度监测界面及其异常情况提醒。

3 讨论与总结

可穿戴式设备以其具有的便携、低功耗和体积小等优势，正在蓬勃发展，种类繁多，按照佩戴位置进行分类，可分为头盔、眼镜、挂件、臂环、手环、戒指、服饰、鞋子等 [19] 。Ferreira等 [20] 设计了一款用于监测SIDS的综合系统，它采用胸带的方式采集婴儿的各种参数进行监护。本研究采用挂件的方式，固定在婴儿穿着的衣服表面，进而采集相关参数进行判断。与Ferreira等 [20] 的研究成果相比，本研究具有更加便捷、安全、功耗低等优点。

本研究设计的一种基于智能手机的新型婴儿睡眠监护系统。该系统能够实时获得婴儿睡眠过程中的加速度和温湿度数据，并将数据发送到智能手机APP进行分析处理，如发现异常情况，能够及时报警。实验结果表明，该系统运行稳定，能够达到实时监测婴儿睡眠状况的目的。

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LIU Yongkai, SUN Shen, ZHANG Bin, SHI Wenfei, WU Shuicai
College of Life Science and Bioengineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

Abstract: Objective To devise a new type of baby sleep monitoring system based on smart phone. Methods Monitoring system was consisted by baby wearable devices and smart phones. Wear equipment integrated with nrf52832 main control chip, MPU6050 acceleration module and DHT11 temperature and humidity module. The completion of acceleration and temperature and humidity data collection was controlled through the embedded software design, and the data were sent to the smart phone through Bluetooth low energy. Mobile APP software could receive and process data in real time, so as to achieve sleep monitoring of infants. Results The experimental results showed that the smart phone software could receive the data collected by the baby wearable device in real time and could analyze the status of the baby’s sleep and the abnormal situation. Conclusion The new designed baby sleep monitoring system has good stability and timeliness. It can be used for infant sleep monitoring.

Key words: sleep monitoring; bluetooth low energy; wearable devices; monitoring system

通讯作者：吴水才，教授，主要研究方向为生物医学电子与信息处理。

一种基于智能手机的新型婴儿睡眠监护系统设计