罗婷婷，张利强，周 谊，陈 林
(内江师范学院人工智能学院，四川 内江641199)
每年都有许多孩童因为家长监护不到位而受伤甚至失去生命。随着科技的进步，这些惨痛的教训已经逐渐可以通过现代化手段干预来降低发生的概率，如可以考虑用传统摄像头来辅助看娃。但传统的监控摄像机仍面临着不少缺点:如无法进行报警、功能不智能、操控方式复杂、具有一定的安全隐患等。
日常生活中哪些风险需要及时预警？
让宝宝远离绳、线一类物品。这类物品稍有不慎就会缠绕在宝宝的身上，轻则勒坏局部组织，重则可以要人命，而生活中很多物品都有类似的特质，比如缝衣线、皮筋儿、假发、各类流苏装饰等等，所以在婴幼儿够得到的地方，务必不要出现这类物品。
医护及家长的大意失职，没有及时发现宝宝被卡住或者憋住，发生悲剧。比如宝宝小时候睡觉不安稳，经常翻身，假如监护人没留意，很可能宝宝翻到一个危险角落里把脖子卡住，或者因为趴睡无法翻身，而导致窒息身亡。
针对上述风险，本文提出一种基于树莓派的婴儿监护系统，相比传统的监护设备更智能，更省心。
本系统主要由四部分组成：
1) 数据采集终端：包括体温感应器,用于检测新生儿体温数值;麦克风,用于检测新生儿啼哭数;温度传感器,用于检测环境气候;湿度感应器,用于检测环境湿度;音响，用于远程语音；
摄像头，用于视觉信号检测；
心率传感器，用于检测婴儿心率数据；
2) 树莓派：搜集终端数据并处理，处理后的数据通过无线网络上传至云端服务器，亦可接收云端服务器指令进行终端操作。
3) 云端服务器：汇总由树莓派处理后的数据并入库，方便智能手机终端查询，也用于转发智能手机终端命令下发给树莓派平台。
4) 智能手机终端：家长用户使用的终端，可以查阅监视自己的监护产品，也可以对监护产品下发远程命令。
图1 系统总体框图
温度传感器是检测温度并将其转换为输出信号的组件。按照材质和元件的特性,温度传感器又能够分为等温电阻和热电偶二类,而热敏电阻只是前者的一部分,它由零点五导体收音机材料所构成。大多数热敏电阻都是负温度系数(NTC),其电流随周围环境工作温度升高而减少,因为它的电流随环境温度变化而剧烈改变,所以热敏电阻也是最灵敏的温度传感器[1]。
模拟温度传感器模块使用NTC热敏电阻，因此可以对温度进行敏感测量。它还拥有一个内置比较器LM393,它能够在模块内同步地输出数字和模拟信号。该模块还可以用来进行高温报警和温度检测。
本单元采用热敏电阻的设计,其电阻随环境温度变化,在环境温度上升时热敏电阻的电阻变小,在环境温度下降时它的电阻加大。它可以实时检测周围的温度变化。
由于传感器发出的是数字信号所以我们必须通过模数转换器PCF8591把模拟信号转化为数字信号。但是在编程中，我们要通过数字信号值计算出热敏电阻的实时阻值，再来计算对应的温度值。
计算热敏电阻实时阻值：
1) 通过函数ADC.read(0)取得传感器模拟输出A/D转化后的数字值：
analogVal=ADC.read(0)
2) 利用上面的值计算热敏电阻的原始模拟电压值Vr：
Vr=5*float(analogVal)/255
3) 串联电路电流值相同，所以电流值相等：
热敏电阻电压/热敏电阻值=(5 V-热敏电阻电压)/另外一个分压电阻值。
另外一个分压电阻阻值为10 k，即10000，所以热敏电阻值:
Rt=10000*Vr/(5-Vr)
热敏电阻公式：
NTC热敏电阻的标准温度计算方法,温度-阻值的公式,即Steinhart-Hart关系等式,这是一种经验公式,可以用来说明在NTC热敏电阻的阻值和实际工作温度之间的最好的数学表达式:
Rt=R*EXP(B*(1/T1-1/T2))
其中，T1和T2指的是K度，即开尔文温度；
Rt是指热敏电阻阻值在T1温度下的阻值；
R为热敏电阻在T2常温下时的标称阻值，10 k的热敏电阻在25 ℃的值是10 k(即R=10000)，T2=(273.15+25)；
EXP是e的n次方；
B值也是热敏电阻的重要参数，这里的B=3950。
通过转换可以得到温度T1与电阻Rt的关系T1=1/(ln(Rt/R)/B+1/T2)，相应的摄氏温度t=T1-273.15，同时+0.5的误差矫正。
图2 室温传感器焊接图
DHT11数字温度传感器是一款具备已校准数据信号的温湿度综合感应器品牌,其应用了专有的数据模块收集工艺技术和温湿度感知工艺技术,使得该产品具备了高度的安全性和优异的长期稳定性。其湿度测量范围在20%～90%RH间，误差±5%RH，温度测量范围在0～50 ℃间，误差±2 ℃[2]。
DHT11通信采用单总线数据格式，数据部分包括小数和整数部分，通信时间大约为4 ms。DHT11完整的数据共40 bit，以高位先出形式。其数据格式为8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和。校验和等于前4项8位数据之和。
总线空闲状态均为高电平，总线输出低电平大于18 ms，以保证DHT11成功检测到起始信号，拉高并延时等待。等待主机发送信号结束(拉高)并转换到输入模式，DHT11发送80 μs低电平为响应信号。发送响应信号后再拉高80 μs，开始发送数据。之后每一bit数据均以50 μs的低电平时隙开始，高电平持续26 μs-28 μs表示数据0，高电平持续70 μs表示数据1，编程时通过选取数据0和1时隙中间值，可以判断数据为0或1。
图3 DTH11电平
TensorFlow Lite是一组开发工具，可支持开发者在移动设备、嵌入式设备以及loT设备上运行模型，从而进行设备端机器学习[3]。
TensorFlow Lite模型以名为FlatBuffer的专用高效可移植格式(由“.tflite”文件扩展名标识)表示。与TensorFlow的协议缓冲区模型格式相比，这种格式具有多种优势，例如可缩减大小(代码占用的空间较小)以及提高推断速度(可直接访问数据，无需执行额外的解析/解压缩步骤)，这样一来，TensorFlow Lite即可在计算和内存资源有限的设备上高效地运行。
运用TensorFlow Lite Model Maker库，能够简化使用自定义数据集训练TensorFlow Lite模型的过程。该库使用迁移学习来减少所需要的训练数据量和缩短训练时间。
在树莓派上构建TensorFlow环境，借助训练好的相关视觉模型即可完成视觉方面相关处理。
表1 视觉检测方案
图4 视觉处理
云端服务器主要用于数据的收集和下发，终端监护设备通过Https协议与服务器进行通信，保证了传输数据的安全性，避免了中间人攻击；
同时所有数据在树莓派上传输前均通过AES 128加密后传输，避免数据的窃取；
Http Server获取到上传数据后将会及时入库存储，方便终端用户查询[4]。
图5 云端服务器设计
终端App是为了方便用户查阅的终端产品，使用了Web App技术构建[5]，大大降低了构建难度，也方便了开发与维护。整个App分为四大功能：
首页：是整个App的主要内容区域，用于整个系统的概览和主要信息，方便用户直观了解婴儿状态。
数据监控：是终端数据的展示区域，这里展示了所有系统采集的数据，按时间段精细化地展示了所有采集的数据。
视频监控：这里是视觉检测后展示的主要信息区域，展示了实时的婴儿状态和历史的预警信息。
个人中心：这里可以方便地管理自己的终端设备信息，和自己的账号信息。
图6 用户终端设计
本项目基于了目前使用门槛和使用范围都非常广泛的树莓派作为开发硬件基础进行探索，结合实际可行方案介绍了一种全方位的婴儿监护系统，该系统在二胎，三胎政策普及的当下，具有十分可观的探索前景；
该系统不仅仅可以运用在父母都需要工作的家庭中还可以运用在月子中心，托管中心，月嫂托管等情况进行实时的远程监护，极大消除和避免常见婴儿意外和风险。
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