育婴监控系统的设计与实现
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作者:黄惠玲
摘 要：电子技术是中职电子信息技术专业的基础学科，是物联网、网络安防等专业的硬件电路支持，通过育婴监控系统的设计与实现，采用NI MyDAQ采集卡读取传感器信号，采用NI LabVIEW软件进行可视化界面的设计及程序框图编写实现计算机与电子电路通讯，在计算机界面实现电路信号的读取及硬件电路的写入，实现电子控制;在教学上，在改变传统电子技术教学模式、教学内容以及一体化实训教学方面提供了不同的方向，对中职电子技术实现信息化教学手段具有重要的指导意义。
关键词：育婴监控系统 采集卡 可视化界面 电路控制
现代家庭中，一部分父母提倡西方的母婴分床睡的育婴方式，一方面保证了母亲有足够的睡眠时间，有利于产后恢复;另一方面，养成婴幼儿独立的习惯。但母婴分床睡的育婴方式也存在让新手爸爸妈妈无法安枕无忧的安全隐患，比如婴幼儿掉下床没有及时发现，被子捂过头造成婴幼儿窒息没有及时发现和施救等，据不完全统计，婴幼儿因被子捂过头造成窒息而亡是造成婴儿死亡的重要原因之一。
育婴监控系统用于实时监控婴幼儿睡眠的环境状态，它设计了以下几部分功能：
（1）检测婴幼儿尿床或者尿不湿溢出，提醒爸爸妈妈及时更换;
（2）检测婴幼儿哭闹，提醒爸爸妈妈前来查看原因;
（3）檢测婴幼儿掉床下，提醒爸爸妈妈及时过来处理;
（4）检测婴幼儿蹬开了被子，提醒爸爸妈妈前来盖好被子;
（5）检测婴幼儿即将有捂被子的风险，提醒父母即刻前往处理;
（6）房间温度是否适当。
1 育婴监控系统的设计
育婴监控系统由检测电路、信号采集和可视化控制界面三大模块组成，如图1所示。
检测电路由不同类型的传感电路组成，分别检测不同状态的电信号。本系统设置了4种传感器，分别是潮湿传感器、声音传感器、震动传感器及利用电机正转和反转模拟婴幼儿踢被子或者捂被子的传感器电路。其中，潮湿传感器检测婴儿床潮湿情况，判断是否有尿液溢出;声音传感器通过检测声音信号，判断婴幼儿是否已经醒来并正在哭闹;震动传感器检测婴幼儿是否跌下床;用电机的正转模拟被子往婴幼儿头的方向移动，设置电机正转达到一定圈数则判断婴幼儿即将有捂被子的风险，提醒家长前往处理;用电机的反转模拟被子往婴幼儿脚的方向移动，设置电机反转达到一定圈数则判断被子已经被婴幼儿蹬开，提醒家长前往处理;即时显示当前房间温度。
本系统的信号采集由NI MyDAQ采集卡完成。传感器检测到的信号根据信号类型的不同，接入NI MyDAQ采集卡对应的采集端口，NI MyDAQ采集卡采集到信号后通过USB数据线传送到计算机，完成本系统数据的采集功能。
本系统的可视化控制界面是指利用NI LabVIEW软件设计一个控制界面，通过编写程序把NI MyDAQ采集的数据进行处理，并在控制界面上显示，实现了代表不同环境状态的传感器信号的读取、处理和控制。
2 育婴监控系统的实现
2.1 硬件电路的实现
育婴监控系统由检测电路、信号采集和可视化控制界面三大模块组成，电路原理框图如图2所示：
传感检测电路信号不需要经过中央处理器（一般采用单片机系统对传感信号进行处理）进行数据处理，在本系统中，传感信号被信号采集卡NI MyDAQ采集并输入计算机，利用NI LabVIEW软件后台程序编写，对传感信号进行处理，根据系统要求绘制可视化界面，结合程序实现系统功能。硬件电路设计如图3所示。
潮湿传感电路：当婴幼儿尿床，尿液会造成“回型”铜模短路，由IC5D及周围元器件产生的谐振信号进入IC5A、IC5B组成的斯密特整形电路及IC5C组成的迟滞电路，并在IC5C第10脚输出一个高电平，令三极管Q4导通，指示灯LED4亮，VOUT4输出一个低电平信号，表示潮湿传感电路检测到有尿湿现象。
声音感应电路：当婴幼儿哭闹时，声音信号进入麦克风MK1转换成电信号，经过VT3放大输出，令VT1导通，NE555芯片第2脚电压从接近电源电压下降到小于1/3电源电压，触发NE555芯片第3脚输出高电平，声音信号指示灯LED2亮，VT2导通，并输出一个低电平信号，代表有婴幼儿在哭闹。
震动感应电路：当震动传感器检测到震动信号时，VOUT4输出一个跟震动信号成正比的模拟信号。
温度传感电路：温度传感器PT100把环境温度转换成与之成正比的电信号，经过由IC1A及周围元器件组成的运算放大电路放大输出，输出的信号是一个模拟量。
直流电机控制电路：用直流电机的正转模拟婴幼儿捂被子的行为，直流电机反转模拟婴幼儿蹬被子的行为;通过检测电机正反转判断被子移动方向，电机上安装霍尔传感器，计算电机转动的次数，当次数达到设定值，代表被子已经滑落，或者被子有捂住婴幼儿脸的风险。
NI MyDAQ数据采集端口：根据传感信号的类型不同，接入不同的采集端口，信号主要区分数字信号、模拟信号、差分信号。
2.2 可视化界面的设计及程序框图编写
本系统采用NI LabVIEW软件进行可视化界面的设计及程序框图编写实现系统功能。NI LabVIEW是美国国家仪器公司开发的一种图形化的编程语言，分为前面板窗口及程序框图窗口，其中前面板窗口是图形用户界面，相当于实际仪器的控制面板，它将用户和程序联系起来，是程序运行时显示和输入的交互窗口。
2.2.1 可视化界面的设计
在前面板进行用户界面的设计，如图4所示。
4个布尔指示灯分别指示尿床、滚下床、蹬被子、哭闹4种情况，喇叭形状的指示灯是捂被子的信号灯，采用不同的布尔模式意在强调该情况比较危险和紧急，温度计实时显示婴幼儿房间的温度。6种情况在设定合理的范围内，当前状态显示：正常，同时布尔灯不亮，处于棕色状态（颜色可以在界面设计时修改）;当任意一种情况发生异常，对应的布尔灯亮红灯，同时当前状态项显示：警告（当前状态显示字体可通过程序编写）;当温度超出设定的最高温度27°C时，当前状态将显示：房间温度过高。 2.2.2 程序框图编写及实现
程序框图的主要任务是对采集卡输入的数据进行读取、分离，再对分离后的数据进行处理，控制前面板界面的显示。如图5所示。
DAQ助手、DAQ助手3讀取端口数据，通过索引数组分离出不同端口的数据，对数据进行处理，前面板控制界面的布尔灯亮灭、温度计显示及当前状态文字显示。其中，索引数组分离不同端口的信号，条件结构是用于对数据进行判断，当满足设定条件，则在“真”分支里输出对应指示，当条件不满足时，则在“假”分支里输出相反的指示，与系统的设计意图一致。
3 育婴监控系统的测试
本系统的硬件电路采用亚龙公司生产的LY-292模块电路搭建测试，如图6所示。
尿床测试：把水滴在潮湿传感器上，可视化界面的尿床指示灯亮，当前状态显示：报警。测试通过。
婴幼儿哭闹测试：对着声音传感器发出声音时，可视化界面的哭闹指示灯亮，当前状态显示：报警。测试通过。
滚下床测试：敲动震动传感器，可视化界面的滚下床指示灯亮，当前状态显示：报警。测试通过。
捂被子及蹬被子测试：同时按下直流电机启动及正转控制按钮，电机正向转动一定时间后，捂被子指示灯亮，当前状态显示：报警;同时按下直流电机启动及反转控制按钮，电机反向转动一定时间后，蹬被子指示灯亮，当前状态显示：报警。测试通过。
温度测试：测试环境温度小于20℃，可视化界面的温度计正确显示当前环境温度;用加热后的电烙铁靠近PT100测温电阻，可视化界面的温度计随着时间上升，高于27℃后，当前状态显示：房间温度过高。测试通过。
4 育婴监控系统的设计与实现对中职电子信息技术专业教学的延伸意义
电子技术是中职电子信息技术专业的基础学科，同时也是相关电类专业，如网络安防、物联网、汽车电子等专业的硬件电路支撑学科，学好电子技术这门课，在专业方向选择上可以向网络安防、物联网、汽车电子等专业延伸，因此学好电子技术具有重要意义。
但目前电子技术课在中职教学中面临瓶颈，主要原因有：（1）电子技术基础知识抽象，学生学习起来比较困难，导致他们学习积极性不高，兴趣不浓;（2）电子技术实训内容及方式比较传统，跟不上当前电子技术行业的飞速发展，导致学生对电子技术的认识具有局限性，学校对电子类学生的培养方向也具有局限性。
采用模块化电路搭建设计电路系统任务，让电子电路通过不同组合实现不同的功能，激发学生学习兴趣，提高学生对电子技术的应用能力，有利于“任务驱动教学法”、“做中学教学法”、“以学生为中心教学法”、“反转课堂教学法”等综合应用在电子电路课堂教学，有利于信息化教学法在电子技术课堂上应用，从而丰富教学手段;采用NI LabVIEW软件进行可视化界面的设计及程序框图编写，实现计算机与硬件电路的通讯，实现计算机读取硬件电路信息及控制硬件电路工作，融入新的教学内容，丰富了电子技术的教学模式，让传统电子技术教学新颖起来。
参考文献
[1] 钱声强.基于LabVIEW的智能家居监控系统设计[J].现代电子技术，2013（24）：113-115.
[2] 王晓品，周日勇.基于LabView的智能家居系统设计[J]. 计算机与数字工程，2008（12）：209-212.
[3] 易成强，李威宣.基于LabV IEW的智能家居传感网络测控系统研究[J].机电信息，2015（3）：107-108.
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