智能安撫奶嘴的設(shè)計(jì)與開發(fā)

北華大學(xué)　劉萌萌　高天澤

智能安撫奶嘴的設(shè)計(jì)與開發(fā)

北華大學(xué)劉萌萌高天澤

通過(guò)在現(xiàn)有安撫奶嘴的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加微型數(shù)字?jǐn)z像頭和貼片式紅外線LED，實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒的口腔狀況進(jìn)行成像檢查。數(shù)字?jǐn)z像頭對(duì)圖像進(jìn)行紅外處理得到灰度圖像，并經(jīng)過(guò)圖像數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)換，來(lái)測(cè)量嬰兒的體溫。將獲得的嬰兒生理參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙的無(wú)線通訊，發(fā)送給android 系統(tǒng)移動(dòng)終端，使得父母能夠在第一時(shí)間準(zhǔn)確地掌握嬰兒的身體狀況，為現(xiàn)代的父母養(yǎng)育嬰兒提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)在終端增加互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為嬰兒的養(yǎng)育提供顧問(wèn)服務(wù)和必要的產(chǎn)品支持。

智能安撫奶嘴；測(cè)溫；Android；智能奶嘴APP

嬰兒時(shí)期是人一生中最至關(guān)重要的時(shí)期之一，但同時(shí)也是最脆弱的時(shí)期，為了照顧自己的寶貝，父母都操碎了心。智能安撫奶嘴的應(yīng)用，可以解決嬰幼兒時(shí)期患病發(fā)熱難以及時(shí)檢測(cè)和持續(xù)監(jiān)控，容易導(dǎo)致耽誤病情，或易患口腔潰瘍等問(wèn)題，項(xiàng)目是在普通安撫奶嘴的基礎(chǔ)上增加了溫度監(jiān)測(cè)和口腔檢測(cè)兩大主要功能，使孩子在生病時(shí)能夠第一時(shí)間得到治療。同時(shí)在軟件端提供更深層次的服務(wù)，對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，方便以后就醫(yī)診斷時(shí)作參考，并提供專業(yè)性護(hù)嬰貼士，嬰兒安撫音樂(lè)播放，以及用戶育兒心得、奶嘴查找等功能，為家長(zhǎng)們照料孩子以及嬰幼兒健康提供貼心、便捷、專業(yè)性的服務(wù)。

本課題主要為將智能化融入生活，方便父母照顧嬰幼兒，在傳統(tǒng)安撫奶嘴的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)更貼合嬰兒口腔發(fā)育的安撫奶嘴，其奶嘴膠頭采用了無(wú)毒環(huán)保、舒適耐用的液體硅膠材料，可隨時(shí)配套更換。膠頭形狀選擇勺子狀設(shè)計(jì)風(fēng)格，既美觀又可以起到促進(jìn)牙齒發(fā)育，保護(hù)口腔的作用。智能化體溫檢測(cè)監(jiān)控，口腔狀況檢測(cè)，可將孩子的體溫信息、口腔情況同步到移動(dòng)終端軟件方便用戶記錄和瀏覽。在軟件端內(nèi)置護(hù)嬰提示和推送，嬰兒安撫音樂(lè)播放庫(kù)，奶嘴尋找等功能，為用戶體驗(yàn)和分享提供更專業(yè)性的平臺(tái)和服務(wù)。利用微型傳感器等元件，來(lái)采集數(shù)據(jù)以及圖像，并傳送給軟件端，軟件端將信息處理并反饋，方便對(duì)嬰幼兒健康狀況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

圖1　總體功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如1圖所示：在父母需要的時(shí)候，手機(jī)客戶端發(fā)出采集指令，指令通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線信號(hào)傳遞給采集硬件環(huán)境。攝像頭將采集到的圖像暫存在內(nèi)存中，通過(guò)嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)基本圖像處理算法，在嵌入式環(huán)境的內(nèi)存中對(duì)圖像進(jìn)行處理：（1）如果需要觀察口腔內(nèi)部，則將采集到的圖像數(shù)據(jù)以多幀形式，發(fā)送給手機(jī)終端，供參考使用；（2）溫度測(cè)量值，通過(guò)自主開發(fā)圖像分析軟件，對(duì)內(nèi)存中的圖像進(jìn)行分析，計(jì)算獲得當(dāng)前的體溫?cái)?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳遞給手機(jī)終端供參考使用。

Web服務(wù)器提供給父母附加的服務(wù)支持，例如嬰幼兒養(yǎng)育知識(shí)、常見疾病的預(yù)防、日常生活指南、父母幫扶互助等功能。后期還可加入嬰幼兒產(chǎn)品的推廣和營(yíng)銷等。

因此，本產(chǎn)品中的主要技術(shù)分為3大部分：（1）嵌入式硬件前端，包括嵌入式的硬件環(huán)境和嵌入式軟件環(huán)境；（2）手機(jī)終端應(yīng)用APP軟件，包括android端和IOS端；（3）Web服務(wù)器端的開發(fā)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇、服務(wù)器的假設(shè)、管理功能開發(fā)等等。

1.智能安撫奶嘴硬件環(huán)境設(shè)計(jì)

（1）材質(zhì)方面

奶嘴膠頭采用了無(wú)毒環(huán)保、舒適耐用的液體硅膠材料，可隨時(shí)更換。膠頭設(shè)計(jì)為勺子狀，可以起到促進(jìn)牙齒發(fā)育，保護(hù)口腔的作用。

（2）口腔情況查看

用戶啟動(dòng)智能奶嘴后，選擇口腔情況查看，利用奶嘴內(nèi)微型數(shù)字?jǐn)z像頭和貼片式紅外線LED對(duì)口腔內(nèi)部進(jìn)行圖像信息的采集，通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳給藍(lán)牙，由藍(lán)牙傳輸?shù)揭苿?dòng)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒口腔狀況的成像檢查。

（3）體溫檢測(cè)和監(jiān)控

用戶在軟件端開啟體溫檢測(cè)和監(jiān)控功能，通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)處理口腔的圖象，實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒體溫的非接觸式測(cè)量。

（4）智能尋找奶嘴

智能安撫奶嘴內(nèi)置音樂(lè)芯片，當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)丟失奶嘴，可以打開“尋找奶嘴功能”，通過(guò)音樂(lè)芯片的播放，可以確定大致位置。

（5）奶嘴“硬件部分”安全性

安全性問(wèn)題可以通過(guò)以下兩點(diǎn)解決：①對(duì)電路板進(jìn)行灌膠或者掛膠，密閉電路部分；②奶嘴做成一體成型的奶嘴，只在主要部分留有接口空間。

圖2　智能奶嘴硬件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)需求，硬件環(huán)境建設(shè)中擬采用嵌入式開發(fā)技術(shù)。（1）攝像頭采用小型針孔式數(shù)字?jǐn)z像頭，采集的圖像為256級(jí)灰度圖象，利用攝像頭具有部分紅外成像的能力，加入紅外照明系統(tǒng)，加強(qiáng)在口腔內(nèi)清晰成像的能力，攝像頭及紅外照明直接焊接在電路板上；（2）CPU選取ARM系列，小規(guī)模和小尺寸系列，由于本系統(tǒng)對(duì)計(jì)算的實(shí)時(shí)性要求不高，CPU尺寸指標(biāo)為主要參考指標(biāo)；（3）arm系列CPU自帶內(nèi)存基本滿足系統(tǒng)的需要，根據(jù)實(shí)際的需求，可以適當(dāng)擴(kuò)展內(nèi)存；（4）藍(lán)牙模塊選用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙通訊模塊，重點(diǎn)注意電壓和尺寸。不需要外存和其他系統(tǒng)接口，電路系統(tǒng)近兩簡(jiǎn)化。

硬件開發(fā)環(huán)境：采用嵌入式Linux作為該嵌入式環(huán)境的軟件開發(fā)系統(tǒng)，其具備規(guī)模小、易于上手，便于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)功能強(qiáng)大的硬件軟件環(huán)境，可以綜合控制圖像的采集、照明開關(guān)、藍(lán)牙通信、內(nèi)存管理等控制功能。同時(shí)其可以運(yùn)行小規(guī)模的圖像處理算法，達(dá)到在小規(guī)模硬件環(huán)境下，進(jìn)行溫度分析和計(jì)算的目標(biāo)。

2.“Baby的吻”移動(dòng)終端設(shè)計(jì)

（1）對(duì)奶嘴檢測(cè)情況的分析處理

移動(dòng)客戶端對(duì)于藍(lán)牙傳輸?shù)捏w溫?cái)?shù)據(jù)，圖像信息進(jìn)行分析處理，提供相應(yīng)護(hù)嬰方案，并記錄儲(chǔ)存功能，并有用戶自定義記錄功能，方便以后就醫(yī)診斷時(shí)將數(shù)據(jù)記錄作為參考。

（2）嬰幼兒日常照料、護(hù)理貼士推送

用戶可以設(shè)置開啟護(hù)嬰貼士推送功能，每日推送專業(yè)的護(hù)嬰常識(shí)以及疾病預(yù)防知識(shí)。

（3）嬰幼兒娛樂(lè)及分享平臺(tái)

軟件內(nèi)置嬰兒音樂(lè)庫(kù)播放、知識(shí)課堂，心得交流，成長(zhǎng)日記等功能、為用戶育嬰提供信息幫助和更加便捷、專業(yè)性服務(wù)。

3.手機(jī)客戶端的開發(fā)

手機(jī)客戶端的主要功能為：（1）與硬件環(huán)境建立連接；（2）系統(tǒng)自檢；（3）控制硬件系統(tǒng)的動(dòng)作；（4）顯示圖像或者溫度數(shù)據(jù)；（5）與web服務(wù)器互聯(lián)，顯示輔助功能信息等。手機(jī)客戶端的開發(fā)，需要開發(fā)兩種環(huán)境下的軟件：android和IOS。總體開發(fā)過(guò)程分別采用各自的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行。對(duì)于硬件環(huán)境的控制和通信，通過(guò)對(duì)藍(lán)牙芯片的通信協(xié)議的改寫，實(shí)現(xiàn)底層控制信息的標(biāo)準(zhǔn)化。在嵌入式軟件和應(yīng)用軟件之間形成標(biāo)準(zhǔn)的控制信息通道，避免二次重復(fù)開發(fā)?？蛻舳说膽?yīng)用軟件功能，采用當(dāng)前流行的軟件開發(fā)架構(gòu)和模式，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，界面優(yōu)化。

服務(wù)器端的開發(fā)采用Java結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行，主要提供通用的數(shù)據(jù)服務(wù)功能。

通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定符合實(shí)際需要的硬件環(huán)境：藍(lán)牙模塊的選取、數(shù)字?jǐn)z像頭的選取、開發(fā)硬件條件（CPU、內(nèi)存等）的選取、制板及調(diào)試等。通過(guò)C、C++ 語(yǔ)言結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，開發(fā)基于單片機(jī)的圖像存儲(chǔ)、處理技術(shù)，在該技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像的采集及傳輸；利用紅外處理后的灰度圖像轉(zhuǎn)化為熱量數(shù)據(jù)的算法的研究，通過(guò)建立經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行體溫測(cè)定。

利用藍(lán)牙通過(guò)低帶寬電波實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接之間的信息交流。將先進(jìn)的無(wú)線、近距離傳輸技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)中，明確藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流限制指標(biāo)，建立完善的數(shù)據(jù)通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)智能奶嘴對(duì)傳輸距離、傳輸速度、傳輸數(shù)據(jù)量的指標(biāo)要求。通過(guò)Eclipse環(huán)境結(jié)合android手機(jī)開發(fā)移動(dòng)智能終端軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能奶嘴硬件的支持和后期數(shù)據(jù)的采集及處理功能。此外，建立數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，方便對(duì)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，傳輸，寄存，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效利用。接收藍(lán)牙傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，得出嬰兒生理狀況。

［1］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第5版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）（第5版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］中國(guó)集成電路大全編委會(huì).高速CMOS集成電路［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

［4］孫俊人.新編電子電路大全.第3卷.通用數(shù)字電路［M］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2001.