CN109360643A

CN109360643A - 一种婴幼儿智慧监护装置及系统

Info

Publication number: CN109360643A
Application number: CN201811575684.2A
Authority: CN
Inventors: 徐卓农; 吴楚梁
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2018-12-22
Filing date: 2018-12-22
Publication date: 2019-02-19

Abstract

本发明公开了一种婴幼儿智慧监护装置及系统，婴幼儿智慧监护装置包括MCU、饮水监测模块、睡眠状况监测模块、体征数据监测模块以及位置信息监测模块；饮水监测模块、睡眠状况监测模块、体征数据监测模块以及位置信息监测模块均与MCU相连。婴幼儿智慧监护系统包括服务器和婴幼儿智慧监护装置；用户通过监控终端访问服务器；婴幼儿智慧监护装置与服务器通信连接。该婴幼儿智慧监护装置及系统易于实施，功能丰富。

Description

一种婴幼儿智慧监护装置及系统

技术领域

本发明涉及一种婴幼儿智慧监护装置及系统。

背景技术

儿童作为祖国为来发展的中坚力量，他们的健康成长对未来的发展至关重要，但社会现状表现的是地区发展不平衡导致部分地区的留守儿童数量不断增加，以至于儿童成长过程中不能得到足够的父母的关爱，日常生活受到的关注也越来越少，以至于让不法分子有机可乘，不断出现儿童在幼儿园受到各种侵害、或是在家遭到保姆虐待等令人发指的事件。这些现象，无一不在呼吁强调儿童作为社会的弱势群体，又是祖国的未来和希望，迫切需要社会各界人士的关注。

因此，有必要设计一种婴幼儿智慧监护装置及系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种婴幼儿智慧监护装置及系统，该婴幼儿智慧监护装置及系统集成度高，功能丰富。

发明的技术解决方案如下：

一种婴幼儿智慧监护装置，包括MCU、饮水监测模块、睡眠状况监测模块、体征数据监测模块以及位置信息监测模块；

饮水监测模块、睡眠状况监测模块、体征数据监测模块以及位置信息监测模块均与MCU相连。

饮水监测模块、睡眠状况监测模块、体征数据监测模块以及位置信息监测模块均通过ZigBee通信模块与MCU相连。

MCU采用带有ZigBee通信模块的CC2530主控模块。

婴幼儿智慧监护装置，饮水监测模块包括水温检测模块、三轴加速度传感器、语音播放模块和重量检测模块；

三轴加速度传感器用于检测饮水动作；

语音播放模块用于高温报警。

三轴加速度传感器采用MMA763器件，水温检测模块中的温度传感器采用DS18B20数字传感器(数字测温器)，语音播放模块采用ISD1700芯片，重量检测模块采用NA1重量传感器。

睡眠状况监测模块包括三轴加速传感器和压力传感器；三轴加速传感器和压力传感器均设置在床上的枕头内；

睡眠状况监测模块用于检测睡姿和睡眠时长。

压力传感器采用FSR电阻式薄膜压力传感器，三轴加速传感器采用MMA763器件

体征数据监测模块包括心率及血样传感器；具体采用GY-MAX30100传感器。

位置信息监测模块为安全距离监测模块，采用基于蓝牙的测距模块，安装在被监护人身上，基于蓝牙信号的强弱判定被监护人的位置与主机(MCU)的距离。

体征数据采用手环获取，手环中设有处理器，信号为STM32F103RCT6。

MCU还包括用于与服务器通信的通信模块。通信模块为WiFi通信模块或3G，4G，5G通信模块。

一种婴幼儿智慧监护系统，包括服务器和权利要求1-7任一项所述的婴幼儿智慧监护装置；

用户通过监控终端访问服务器；

婴幼儿智慧监护装置与服务器通信连接。

服务器为云服务器。

监控终端为智能手机、平板电脑、PC机或笔记本电脑。

饮水监控：

系统判断用户是否喝水的依据是水杯倾斜角度，它的判定阈值是85°，若倾角大于85°，则认为用户未喝水；若倾角小于85°的时间超过5s，则认为用户已经喝水。

一种婴幼儿智慧监护方法，包括以下步骤：

步骤1：数据采集；

由婴幼儿智慧监护装置采集现场数据；

现场数据包括：

(1)与饮水相关的数据；

(2)与睡眠状况相关的数据；

(3)体征数据；

(4)位置数据；

步骤2：基于采集的数据进行判定；

判定采集的数据是否在预设的范围内(即安全范围内)；若超出预设的范围，则发出报警信号；

步骤3：将采集的数据或报警信号传送给监护人。

采集的数据发送到服务器；由服务器进行判定。也可以在监控现场或服务器进行判定；

服务器依据被监护人的年龄和身体状态，给出饮水量以及睡眠量范围。

监护人通过监控终端访问服务器查询监控数据。

监控终端为智能手机、平板电脑、PC机或笔记本电脑。

所述的智能手机上安装有监控APP。

通过饮水监测模块采集与饮水相关的数据；

饮水监测模块包括水温检测模块、三轴加速度传感器、语音播放模块和重量检测模块；

三轴加速度传感器用于检测饮水动作；

语音播放模块用于高温报警；

饮水监测模块还统计出当日累计饮水量和饮水数据。

采用睡眠状况监测模块获取与睡眠状况相关的数据；

睡眠状况监测模块用于检测睡姿和睡眠时长；

采用体征数据监测模块采集体征数据；

采用位置信息监测模块采集位置数据；

体征数据监测模块包括心率及血样传感器；具体采用GY-MAX30100传感器；

位置信息监测模块为安全距离监测模块，采用基于蓝牙的测距模块。

婴幼儿智慧监护装置采用MCU实现监控，MCU采用带有ZigBee通信模块的CC2530主控模块；

三轴加速传感器监控被监控对象是否入睡：

针对枕头内部的三轴加速度传感器，先截取用户每30s的三轴(X、Y、Z)原始数据，将人体在静止状态下加速度信号的三轴平方记为G₂，所以采用下式计算新的信号G：

然后求取该数据段的标准差(STD)以及最大数据值和最小数据值之差(MAX-MIN)；若满足STD>0.01g且最大值与最小值之差大于0.3g，g为重力加速度，则标记该时段为翻身，否则标记为未翻身；对于连续两个翻身时段，若间隔大于30min，则将中间间隔时段标记为深睡期，若间隔大于20min小于30min，则将中间间隔时段标记为浅睡期，若间隔小于20min，则标记为被监控对象醒着。

有益效果：

本项目开发了一款面向广大儿童、运用物联网和数据分析技术的智慧宝贝监护系统，又称为婴幼儿智慧监护系统。该系统包括带有ZigBee通信模块的CC2530主控模块、WiFi传输模块、嵌入各类传感器和执行机构，实时监测儿童饮水数据、睡眠数据、体征数据，结合科学算法得到儿童的基本健康状况，再根据现有的权威医学健康指导对儿童进行有效、个性的健康规划。此外，系统还包括在室内危险区域，如：阳台、窗户等地方设置电子围栏，检测儿童是否步入危险区域，从而起到及时预警的作用。

该系统与阿里云服务器相连，App操作界面简单，可以实现儿童监护人远程监护儿童健康，以及协助幼儿机构、院校管理员管理儿童在校生活作息等功能。此外，除了能实现儿童成长状况可视化，此App平台也可以成为儿童营养师资询、儿童用品销售的平台。

本项目旨在打造一款致力于儿童健康、安全监护的监护系统，为用户提供更多可靠实用、有效便捷且具有时尚气息的服务。

表1传统监护系统与智慧宝贝监护系统对比

附图说明

图1为婴幼儿智慧监护系统的总体框图；

图2为数据收集功能图；

图3为健康规划功能图；

图4为监护人远程监护示意图；

图5为智慧宝贝系统构架；

图6为传感节点示意图；

图7为饮水量监测模块框图；

图8为睡眠状况监测模块框图；

图9为体征数据及位置监测模块框图；

图10为系统主程序流程图；

图11为饮水量测量程序流程图；

图12为水温检测程序流程图；

图13为心率及血氧采集序流程图；

图14为安全距离检测程序流程图；

图15为睡眠状态监测主程序流程图

图16为睡眠检测算法流程图；

图17为App主程序流程图；

图18为数据上传流程图；

图19为手环及位置检测电路原理图；

图20为睡眠检测电路原理图；

图21为协调器电路原理图；

图22为饮水检测电路原理图。

图23是可调放大倍数的放大器的原理图；

图24为过流保护电路的电路原理图；

图25为恒流充电电路的原理图。

图26为循环吸热管网系统示意图；

图27为吸热管网结构示意图；

图28为吸热水管的结构示意图；

图29为吸热水管内部结构示意图；

图30为吸热水管内壁凹槽示意图；

图31为吸热水管中挡板上的过孔分布示意图；

图32为外墙分层结构示意图；

图33为2个相邻换热器通过联络管道串接示意图；

图34为2个不相邻换热器通过M管串接示意图；

图35为3个相邻换热器通过联络管道串接示意图；

图36为3个不相邻换热器通过M管串接示意图；

图37为3个换热器级联示意图；

图38为净化水系统的示意图；

标号说明：211-吸热水管，22-水管入口，23-水管出口，24-安装板，25-安装孔，26-挡板，27-过孔，28-凹槽，29-凸条；

30-汇聚管，311-外墙外层，32-水管安装层，33-隔热层，34-外墙内层。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：如图1-3，智慧宝贝监护系统通过监测儿童的心率、血氧饱和度、日常饮水量、饮水温度、睡眠状况以及在室内危险区域附近的位置，结合物联网和数据分析技术，科学反映儿童的基本健康状况，及时做到健康提醒和安全警示，为儿童健康管理规划提供科学依据。同时基于该系统的手机App将成为儿童家长远程监护儿童健康状况，幼儿机构院校统一监测、管理儿童生活作息的好帮手。

智慧宝贝监护系统通过将多类传感器构成数据采集模块，实时收集儿童饮水量、心率、血氧饱和度等体征数据，并结合科学算法分析处理，最终通过手机App反馈给儿童监护人，从而实现对儿童健康的提醒改善和管理规划。同时通过测定的水温并以安全指示灯的形式提示安全饮水的温度范围，以防烫伤。此外，系统包括在室内危险区域设置电子围栏，检测儿童位置。

健康规划根据录入儿童的年龄、性别、体重、当前身体状态等体征数据，结合采集到的心率、血氧浓度等体征数据对儿童进行能量消耗估计，根据消耗的能量和当前的身体健康状况，规划出更为合理的饮水建议。睡眠时长规划则是基于传感器收集到的睡眠数据，如：翻身次数、深睡时长、浅睡时长等，再结合不同的年龄和身体代谢速率及所需最短睡眠时长进行的。

智能交互则是基于儿童健康状况和健康规划的对比，通过执行机构实现的包括饮水提醒、安全水温提醒、饮水奖励、睡前助眠等功能，有效帮助儿童及时改善健康状况，长期坚持还将有利于儿童养成良好的生活习惯。

儿童健康状况的远程监护

监护人通过手机App远程监护孩子的健康状况。系统会根据提前录入的儿童信息，包括年龄、性别、体重等以及最新采集的饮水量、心率、血氧饱和度等数据，结合现在儿童的身体状态，如：是否感冒发烧等几种常见疾病，给家长推荐儿童适宜饮水量、运动量以及建议补充的营养元素等。

类似的，该系统还将为幼儿院校、机构管理员了解儿童健康状况提供一个系统的可视化平台，这些信息可作为管理员规划儿童在校作息的时间，如：运动时间、睡眠时间、饮水时间、如厕时间等的重要依据。

系统硬件设计

系统构架

系统的基本结构由带ZigBee通信模块的CC2530主控模块、WiFi传输模块、各类传感器、执行模块、云端、手机端App组成。CC2530主控板部分负责实现完成接收用户所下达的指令并执行相应的功能，以及从各类型传感器获取数据。ZigBee通信模块负责将采集到的信息传输到CC2530协调器，信息再由WiFi传输模块上传至阿里云平台，手机App获取云平台存储的数据。系统构架如图5所示。图6呈现则是每个模块里面传感器节点的设计组成。

饮水状况监测模块

饮水状况监测的基本步骤下：

(1)饮水目标首先是根据用户录入的基本信息，包括：年龄、性别、体重等重要指标并结合每日最低需水量来制定的。

表2人群每日最低需水量和最少饮水量参考值

(2)饮水数据收集则是基于三轴加速度传感器、温度传感器、重量传感器、语音输出模块等实现的。本项目中使用的MMA763三轴加速度传感器，其具有体积小、重量轻、检测数值准确的特点，运用算法根据x、y、z三个方向输出的值可以真实可靠的反映物体的运动方式，故以此作为除水重量减少外的另一大判断是否喝水的依据。

此外还采用NA1重量传感器。该传感器具有重量轻便，易操作，精度高的特点，重量输出精度可以达到1克。传感器输出量为模拟电压量。电压值由激励电压(工作电压)决定，当激励电压为DC5V.则压力传感器的满量程输出电压值为：5V*1.0mv/V＝5mV；即信号电压输出范围为0-5mV，施加的压力越大，对应输出的电压值越大，由计算重量值的算法根据输出电压大小计算出重量，从而得到饮水量。

该模块中，安全水温提示功能的实现与其他略有不同。测温模块采用的DS18B20数字传感器，是一款具有体积小、功耗低、性能高、抗干扰能力强、使用简单等优点的智能集成数字式传感器。其的温度测量范围为-55℃～+125℃、-10℃～+85℃,精度达到±0.5℃。与传统的分立式温度传感器不同的是,它是将被测量的温度值直接转化成串行数字信号,通过微处理器即可直接读出被测量的温度数据。因而把DS18B20应用于温度测控系统中,将大大简化线路结构和减少硬件开销。

温度传感器检测水温，将数据通过串口发送至主控板，当水温高于安全温度(50℃)时，主控板直接控制安全指示灯亮，提示儿童当前不宜饮水。

语音播放模块采用ISD1700语音播放模块。ISD1700芯片支持双运作模式(独立&嵌入式)，以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部包含有自动增益控制，麦克风前置扩大器，扬声器驱动线路，振荡器与内存等全方位整合系统功能。其可可处理多达255段以上的信息并且音质好，电压范围宽，应用灵活。

传感器采集数据后通过串口发送至主控模块，由协调器通过WiFi传输至云平台，之后将收集到的数据和制定规划分析对比，如果没有达到指定指标，一方面，会通过手机App反馈给儿童监护人，及时监护儿童进行改善，另一方面也会及时向饮水监测模中的语音输出模块发送语音提醒指令，提醒儿童增加饮水量，或是对完成饮水任务的儿童唱儿歌鼓励。

睡眠状况监测模块

将由三轴加速传感器、压力传感器等构成的睡眠监测模块放在枕头里面，由于所采用的FSR电阻式薄膜压力传感器，顶层为柔性薄膜和复合在上面的压敏层，能感应到20g以上的触发力，感应范围为：20g～20Kg，当传感器受到不同压力时，传感器会输出不同的电压值，通过检测算法就可以辅助判断用户睡眠状态(如表3所示)，且传感器具有柔性、超薄、超低功耗、极速响应的特点，能感应到微弱动态或静态力。

睡姿改变则会使压力传感器对应输出的电压值发生变化，体重不同的儿童，引起传感器传感的程度不同，输出的电压值也不同，如表3所示。通过电压值判断睡姿是平卧还是侧卧。三轴加速度传感器则是通过传感三个维度上的空间变化，判断用户是否翻身，并记录翻身次数和翻身频率，以此确定睡眠状况是深度睡眠还是浅度睡眠，并计算睡眠时长，最终实现睡眠状况的检测。

表3不同体重对应给枕头的压力传感器测试数据

在检测到基本的睡眠数据之后，将采集到的数据和各年龄段的最佳睡眠时长最对比，每天应保证小学生10h的睡眠时间标准的前提下，应该努力向健康睡眠时长靠近，得出改善建议后，通过手机App反馈给儿童监护人。根据国内外研究调查表明，在以我国颁布的有关学生健康和工作卫生条例中规定的其中具体的时长规划如表4所示(数据来源于2010-2018年国内外针对儿童睡眠时长调查结果)。

表4 2-6岁人群最佳睡眠时长

注：睡眠时长不宜超过12小时，超过12小时可能会造成肥胖。

体征数据及安全距离监测模块

体征数据收集模块运用采用GY-MAX30100传感器采集儿童的心率、血氧体征数据。

GY-MAX30100传感器是完全集成的光学生物传感器，包含两个LED、光电探测器，通过优化的光模块和低噪声AFE采集脉搏血氧饱和度和心脏速率信号采样值具有很高的准确性，是业内尺寸最小、功耗最低的脉搏血氧及心率测量方案。其采集血氧浓度的原理为携带氧气的红血球能吸收较多红外光(850-1000nm)，未携带氧气的红血球则是吸收较多的红光(600-750nm)，因此利用不同红血球之吸收光谱的原理，来分析血氧饱和度。

通过低功耗蓝牙模块实现测距RSSI，是BLE蓝牙模块在广播模式下，另一个蓝牙设备根据信号的强弱，返回RSSI值，基于室内定位算法，通过数学关系计算得出这两台蓝牙之间的距离远近，从而实现把信号强弱转化为距离的测算。在本作品中用来检测小孩是否靠近窗户、阳台等比较危险的地方。

主程序流程如图10.

各个检测节点与协调器组成一个小型的ZigBee网络。在监护系统中，当模块节点接收到传感器采集的儿童信息后会将信息通过ZigBee发送到协调器，协调器判断节点信息无误后会将信息通过WiFi上传到阿里云服务器，在阿里云服务器进行数据处理。

(1)饮水状况监测模块

该模块对饮水状况的监测主要从饮水量和水温两方面进行。对应采用的传感器是三轴加速度传感器和温度传感器，实现原理和程序流程如下：

三轴加速度传感器需在三维坐标中进行分析。常用的坐标系主要有两种，即直角坐标系和球面坐标系。

三维空间中任意一点P的位置均可用直角坐标(x，y，z)表示。球面坐标系中P点的位置用(r，φ，θ)来表示，其中r为P点与原点O之间的距离，θ为Z轴与线段OP之间的夹角，φ为OP在XY平面的投影线OM与X轴之间的夹角。这两种坐标可用现有的公式进行相互转换。

系统判断用户是否喝水的依据是水杯倾斜角度(即90°-θ)，它的判定阈值是85°，若倾角大于85°，则认为用户未喝水；若倾角小于85°的时间超过5s，则认为用户已经喝水。

(2)体征数据收集模块和安全距离监测模块

在系统的实现过程中，这两个监测模块是集成为一个整体来使用的。其中体征数据来源是通过监测儿童的心率和血氧饱和度，安全距离则是采用室内蓝牙技术测距实现的，具体过程和实现流程如下：

室内蓝牙定位技术通过对RSSI的判断分析进行实现。RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)是接收信号的强度指示，它的实现是在反向通道基带接收滤波器之后进行的，RSSI是主从机通信过程所产生。无线信号的发射功率和接收功率之间的关系以用式(1)表示，P_R是无线信号的接收功率，P_r是无线信号的发射功率，r是收发单元之间的距离，n传播因子，数值大小取决于无线信号传播的环境。

P_R＝P_T/rⁿ (1)

在公式(1)两边取对数可得到式(2)。

10·nlgr＝10·lgrP_T/P_R (2)

因为蓝牙的发射功率是已知的，将发送功率代入式(2)中可得式(3)。

10·lgP_R＝A-10·nlgr (3)

式(3)的左半部分10·lgP_R是接收信号功率转换为dBm的表达式，可以直接写成式(4)。在式(4)中A可以看作信号传输1m远时接收信号的功率。

P_R(dBm)＝A-10·nlgr (4)

由式(4)中可以得到常数A和n的数值决定了接收信号强度和信号传输距离的关系，通过采集大量的实验数据，利用大尺度路径衰减模型，分析得到这两个常数的具体值。

(3)睡眠监测模块

睡眠检测功能的实现由于传统手环的睡眠监测功能需借助手环外设处理并传递相关数据，从而计算得出用户的睡眠状况，所以本系统将采集睡眠相关数据的模块设计在枕头里面，从而计算得出用户(被监控对象)的睡眠数据，如深睡时间、浅睡时间分期算法，具体流程如图所示。

基于加速度的睡眠分期算法设计

本系统设计方案基于睡眠分期算法具体流程如图。其核心思想为通过枕头内部的加速度传感器，先截取用户每30s的三轴(x，y，z)原始数据，将人体在静止状态下加速度信号的三轴平方记为G₂，所以采用公式(1)计算新的信号G(可以克服重力在两轴上的影响)。

然后求取该数据段的标准差(STD)以及最大数据值和最小数据值只差(MAX-MIN)。若满足STD>0.01g(g为重力加速度)且最大值与最小值之差大于0.3g，则标记该时段为翻身，否则标记为未翻身。对于连续两个翻身时段，若间隔大于30min，则将中间间隔时段标记为深睡期，若间隔大于20min小于30min，则将中间间隔时段标记为浅睡期，若间隔小于20min，则标记为用户(被监控对象)醒着。

此外为了减轻本地存储的负担和提高搜索效率，在加速度数据记录和处理方面并没有记录下全部的加速度数据，而是采用了压力传感器触发的办法，枕头里的压力传感器感受到压力的变化，三轴加速度传感器开始工作，采集有效数据，主要实现过程如图所示。起床后，压力传感器不再被触发，结束检测，为了保证采集数据的有效性，需要判断睡眠时间间隔是否小于1小时，如果是则不能生产睡眠报告。

(4)系统App主程序流程如图11.

阿里云平台

阿里云平台是全球领先的与计算及人工智能科技公司，致力于在线公共服务的方式，提供安全、可靠的计算和数据处理能力。在全球各地部署高效节能的绿色数据中心，利用清洁计算为万物互联的新世界提供源源不断的能源动力。

(1)平台介绍

采用TCP/IP协议进行可靠的数据传输，服务器端创建socket套接字等待硬件系统WiFi接入，利用多线程技术提供多个WiFi同时接入进行数据上传，保证了数据能够实时到达数据库，实现APP提取的数据与本地数据同步。

(2)平台及设备准备

建立TCP/IP连接，将硬件系统模块采集到的数据送到数据库中相应的位置存储，以便APP从数据库中取相应数据，通过对APP的响应对硬件发送一定的指令，实现硬件与APP端的连通，就像一个上传下达的中转站，参见图18。

App功能

App主要包含四大功能：健康数据查看、改善提示、一键提醒、安全测距。

(1)数据查看

传感器数据由ZigBee模块，通过WiFi传输至阿里云平台，云平台对数据进行管理与存储，App从云平台获取数据并显示。

(2)实时发布改善提示

当采集到的儿童健康相关数据与规划结果不符时，云平台将智能筛选出相关方面的健康百科知识进行推送，同时发送提醒信息至客户端App。

(3)远程控制一键提醒

家长或管理员可以通过App查看儿童的饮水量、睡眠时长、位置安全及各项体征数据的状况，及时通过手机App实现远程提醒，及时改善。

(4)安全距离检测

安全距离监测，通过创建虚拟的围栏区域作为危险区域，当用户携带的蓝牙测距实现通信。

数据传输技术与应用

如图19，系统中用到的数据传输技术包括WiFi传输技术和ZigBee通信技术。

WiFi技术

作品采用的网管芯片为安信可公司的ESP8266芯片。该模块是常用的WiFi组网芯片，其高度集成了天线开关、射频balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块，具有如下优点：

①成本低廉：模块外围电路极少配合板载天线大大降低成本。

②抗干扰能力强：低功率操作的自适应无线电偏置、前端信号的处理功能、故障排除和无线电系统共同存特性为消除蜂窝、蓝牙、DDR、LVDS、LCD干扰。

③模块高度集成：片内集成，包括天线开关balun、电源管理转换器，仅需极少的外部电路，将所占PCB空间降到最低。

4.3.2 ZigBee通信

本作品使用的ZigBee模块为CC2530模块，其使用主控芯片+射频收发模块的SOC设计，这种设计让节点更加微笑，还极大的降低功耗。模块的ZigBee通讯方式符合2.4GHz的IEEE802.15.4规范并支持最新的ZigBee协议——ZigBee2007/PRO，模块可应用与无线传感、控制及数据采集等应用领域。该通讯方式有如下优点：节点之间采用ZigBee通讯方式。

该通讯方式有如下优点：

①低功耗：由于工作周期很短，收发信息功耗较低。

②高可靠性：采用了碰撞避免机智，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用的时隙，避免了发送数据是的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制。

③低成本：模块价格低廉，且ZigBee协议是免专利费的。

④低时延：搜索设备时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备接入时延为15ms。

⑤网络容量大：一个ZigBee网络可以最多容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

⑥高保密性：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

本发明所采用的CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其它强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈(Z-Stack^TM)，提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。CC2530F64结合了德州仪器的黄金单元RemoTI，更好地提供了一个强大和完整的ZigBeeRF4CE远程控制解决方案。

另外，如图23，采用可调放大倍数放大器对采集的温度信号进行放大；可调放大倍数放大器包括运算放大器LM393和4选一选择器；

温度传感器的输出端Vin为信号端，所述的信号端经电阻R0的接运算放大器LM393的反相输入端，运算放大器LM393的同向输入端经电阻R0接地，运算放大器LM393的同向输入端还分别经4个电阻R01-R04接4选一选择器的4个输入通道，4选一选择器的输出通道接运算放大器LM393的输出端Vout，Vout接MCU的ADC端；

MCU的2个输出端口分别接4选一选择器的通道选端A和B。

Vout与Vin的计算公式：

Vout＝Vin*(Rx+R0)/R0；其中，Rx＝R01，R02，R03或R04；基于选通端AB来确定选择哪一个电阻；且R01，R02，R03和R04各不相同；优选的R04＝5*R03＝25*R02＝100*R01；R01＝5*R0.可以方便地实现量程和精度切换。

如图24，电子设备中还包括用于保护监控区的过流保护电路，包括运算放大器U1-B、测量电阻R18和升压保护芯片U9；

测量电阻R18串接在汽车启动电源的前端供电回路中；

测量电阻R18的第一端经电阻R39接运算放大器的同相输入端；测量电阻R18的第二端经电阻R36接运算放大器的反相输入端；

运算放大器的输出端与反相输入端之间跨接有电阻R40；

运算放大器的输出端与升压保护芯片U9的反馈端FB相接。

运算放大器的输出端通过二极管D20与升压保护芯片U9的反馈端FB相接；且反馈端FB接二极管D20的负极。

所述的前端供电回路为USB供电回路(通过USB接口为启动电源的储能模块充电)；测量电阻R18的第一端接地(SGND)；测量电阻R18的第二端接USB充电接口J4的负端BAT1-。

运算放大器的型号为LM258ADR，升压保护芯片U9的型号为FP5139，电阻R18、R39、R36和R40的阻值分别为0.01欧姆、1K欧姆、1K欧姆和20K欧姆。

采用的基于运算放大器的电路为反相放大电路，放大倍数约为20倍；增加二极管D20起到防止电流倒灌的作用，即保障单向导通；另外升压保护芯片本身具有短路保护功能，以及升压放电功能，并且能调节输出电流和电压的大小，功能丰富，放大电路和保护IC相结合，能实现电路的过流保护，可靠性高。

系统还包括锂电池以及为锂电池充电的恒流充电电路；锂电池用于为监测终端供电。如图25的原理图，各元件或标号说明：

VIN+-----输入电源正极。VIN------输入电源负极。VOUT+-----输出电源正极。VOUT-----输出电源负极。VREF+-----参考电源的正极；C1为输入滤波电容。C2为输出滤波电容。C3为电流采样反馈滤波。R1，R2，R5，C3组成电流采样反馈线路。R3，R4，为电压采样反馈电路。D1为隔离二级管。

一种恒流充电电路，包括恒压驱动芯片和电流反馈电路；(1)恒压驱动芯片的电压输出端为恒流充电电路的正输出端VOUT+；恒压驱动芯片的负输出端接地；恒压驱动芯片由直流电压供电端VIN+和VIN-供电；(2)所述的电流反馈电路包括电阻R1、R2和R5和参考电压端VREF+；参考电压端VREF+通过依次串联的电阻R1、R2和R5接地；电阻R5与R2的连接点为恒流充电电路的负输出端VOUT-；电阻R1与R2的连接点接恒压驱动芯片的反馈端FB。所述的恒流充电电路还包括电压反馈电路；电压反馈电路包括电阻R3和R4以及二极管D1；电阻R3和R4串联后接在恒流充电电路的正输出端VOUT+与地之间；电阻R3和R4的连接点接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极接恒压驱动芯片的反馈端FB。在恒流充电电路的正输出端VOUT+和负输入端之间跨接有电容C2。在直流电压供电端VIN+和VIN-之间跨接有电容C1。所述的恒压驱动芯片采用ZTP7192器件。也可以是市场上其他的恒压驱动芯片。如MP1495,MP1593,RT8296,MC34063,FP5138…………。

另外，如图26-38，监控系统所在的环境是一个智能居室资源节约系统，包括智能冷量分配系统；

所述的智能冷量分配系统中，由主冷量供应管P为各居室提供冷量，主冷量回管Q回收冷量；智能冷量分配系统还包括辅助冷量传输管M；

每一个居室均设有换热器和设置在换热器处的风机；主冷量供应管P和辅助冷量传输管M均通过流入阀门接换热器的入口；主冷量回管Q和辅助冷量传输管M均通过流出阀门接换热器的出口；相邻的居室的入口与出口之间设有联络管道；所述的连接管道上设有联络阀门；进入阀门、流出阀门和联络阀门均受控于主控中心；居室内设置有受控于主控中心的控制器；

主冷量供应管P、辅助冷量传输管M和主冷量回管Q中的工质温度依次降低；即P中的温度高于M中温度，M中温度高于Q中温度，进入阀门，流出阀门和联络阀门均为气阀或液阀，功能相同，只是名称的不同。控制器可以控制居室空调的打开和调节风量，以及设定温度。控制器与主控中心通信。

智能冷量分配系统控制策略如下：

(1)若t(i+1)-t(i)>t0，t0为设定的阈值(t1可以是1-5度，优选1度或2度)，t(i)、t(i+1)分别为相邻的2个居室中控制器的设定温度；则主控中心通过阀门控制居室i中换热器的入口接通P,出口与居室i+1的入口接通，而居室i+1的换热的出口接通Q；此时2个房间的换热器串联，以充分利用冷量，如图23所示；

(2)若t(k)-t(j)>t1，t1为设定的阈值(t1可以是1-5度，优选1度或2度)，t(k)、t(j)分别为非相邻的2个居室中控制器的设定温度；则主控中心通过阀门控制居室j中换热器的入口接通P,出口与M管相通，M管与Q管分别接居室k的换热的入口和出口；此时2个房间的换热器通过M管串联，以充分利用冷量，如图24所示。

(3)在第(1)和第(2)的基础上级联；如多个连续的居室换热器通过联络管道串联，如图10三个换热器(1#，2#和3#)串联；多个两两不相连的居室换热器通过M管串联，如图11三个不相连的换热器(1#，3#和5#)串联；以及部分居室的换热器通过联络管串联，部分居室的换热器通过M管串联，如图27，居室3#和4#通过联络管串联，居室1#和3#通过M管串联。

P和Q来自于中央空调。

智能居室资源节约系统还包括废水收集循环利用系统，所述的收集循环利用系统包括依次连接的废水收集池、废水净化池和净水池；废水收集池用于收集一次使用废水(如洗手和洗澡用水等)，废水净化池中设有净水设备(如过滤器等)用于将所述的一次使用废水进行净化，净化后的水进入净水池储存，进水池的水进行二次利用；所述的二次利用包括用于冲马桶、用于对绿植浇水以及对室内外的水池进行补水。

在居室内设有用电设备保护系统，用电设备保护系统包括基于继电器的过载保护电路。

居室内设有自动通风系统，自动通风系统包括设置在室内的空气质量传感器、设置在居室的墙壁上的能自动开启的窗户(可以是百叶窗式或推杆式开合的窗户)，还包括设置在室内和室外的温湿度传感器以及设置在室外的雨量传感器，窗户的开合受控于居室内的控制器。优选的居室内墙上设有风机。必要时开启风机使得空气对流，从而调节温度和湿度，以及净化室内空气，雨量传感器、空气质量传感器与温湿度传感器均与控制器连接。当空气质量低于设定值，则打开窗户，启动风机，实施换气。

智能居室资源节约系统还包括设置在墙壁内的循环吸热管网系统；

所述的循环吸热管网系统包括设置在居室外墙内的吸热管网，吸热管网输出的水进入锅炉，锅炉为多间居室提供热水供应；

锅炉中设有锅炉加热装置；

吸热管网由多个蛇形的吸热水管211通过串联或并联方式连接而成(实施例中，由6个吸热水管组成3条支路的并联管，每一条支路由2个吸水管通过法兰串接而成)；吸热管网的入口接自来水或接空调系统的冷却水(或冷冻水)；吸热管网具有统一的出水管即汇聚管30；汇聚管处设有用于检测吸热管网输出水温的第一温度传感器(T1)；锅炉内设有用于检测锅炉中水温的第二温度传感器(T2)；吸热水管竖直方向或斜向布置(以便冷水能在重力的作用下向下流动)；

第一温度传感器、第二温度传感器和锅炉加热装置均与MCU相连。

工作模式说明：在温度较高的时候，如夏天气温超过30度或35度，此时墙面的温度在太阳的照射下超过50度甚至60度，将冷水注入吸热管网充分吸热后进入锅炉，而居室的热水来自于锅炉，一般客人需要的热水温度在45-55度之间。根据以下情况实施控制：

(a)若吸热管网输出的水温t1在45-55度内，则锅炉无需加热即可直接输出；

(b)若t1大于55度，直接输出热水，或者MCU通知控制冷水加入管往锅炉中加入一些冷水，使之温度在该范围内再输出；锅炉中原本具有冷水阀K1，K1受控于MCU；

(c)若吸热管网输出的水温t1小于45度，则MCU启动锅炉加热装置，将锅炉中的水加热到45-55度再输出。

吸热水管的外部设有多个安装板24(等间距设置)，每一个安装板上设有至少一个安装孔25，安装孔用于插入螺钉以固定吸热水管。

吸热水管内设有多块挡板26(优选等间距设置)，每一块挡板上设有多个用于水流穿过的过孔27；过孔为多圈同心圆设置，实施例中，分为三圈，内圈为一个过孔，中间圈为4个过孔，外圈为8个过孔，过水均匀。

在吸热水管的内壁的周向等间距设有多条凹槽28。用于增加吸热面积，提高吸热效率。

挡板和过孔用于延缓水流速度，便于水充分吸热。

居室的外墙由外到内依次包括外墙外层311、水管安装层32、隔热层33和外墙内层34，吸热管网设置在水管安装层内。外墙外层优选采用导热材料，隔热层采用保温隔热材料。

另外，外墙的部分区域安装太阳能板，用于吸收热能并转化成电能，为居室供电，节能环保，而且作为居室的应急电源。

本发明的智能居室资源节约系统及方法，通过多种方式实现能耗的降低，以及充分利用可再生的能源；具体的：

(1)采用设置在墙壁内的循环吸热管网系统

蛇形的吸热水管能吸收外墙的大量热量，第一，能充分利用热量加热冷水，再经锅炉的必要加热为居室提供热水供应，第二，吸收外墙的热量后，能大量减少进入居室内部的热量，使得室内更加凉爽怡人。

(2)采用独特的智能冷量分配系统，具有独特的官网设计方案，基于不同居室的位置以及冷量需求的不同，将冷量的利用最大化和智能化，从而提高冷量的利用效率，达到节能降耗的目的。

(3)在居室内设置有独特的废水收集循环利用系统

该废水收集循环利用系统能充分利用一次废水，即将一次废水进一步净化后用于冲洗马桶，补充池水，为植物浇水等，能显著节约水资源。

Claims

1.一种婴幼儿智慧监护装置，其特征在于，包括MCU、饮水监测模块、睡眠状况监测模块、体征数据监测模块以及位置信息监测模块；

2.根据权利要求1所述的婴幼儿智慧监护装置，其特征在于，饮水监测模块、睡眠状况监测模块、体征数据监测模块以及位置信息监测模块均通过ZigBee通信模块与MCU相连。

3.根据权利要求2所述的婴幼儿智慧监护装置，其特征在于，MCU采用带有ZigBee通信模块的CC2530主控模块。

4.根据权利要求1所述的婴幼儿智慧监护装置，其特征在于，饮水监测模块包括水温检测模块、三轴加速度传感器、语音播放模块和重量检测模块；

三轴加速度传感器用于检测饮水动作；

语音播放模块用于高温报警；

饮水监控：

5.根据权利要求1所述的婴幼儿智慧监护装置，其特征在于，睡眠状况监测模块包括三轴加速传感器和压力传感器；三轴加速传感器和压力传感器均设置在床上的枕头内；

睡眠状况监测模块用于检测睡姿和睡眠时长。

6.根据权利要求1所述的婴幼儿智慧监护装置，其特征在于，体征数据监测模块包括心率及血样传感器；

7.根据权利要求1所述的婴幼儿智慧监护装置，其特征在于，MCU还包括用于与服务器通信的通信模块。

8.一种婴幼儿智慧监护系统，其特征在于，包括服务器和权利要求1-7任一项所述的婴幼儿智慧监护装置；

用户通过监控终端访问服务器；

婴幼儿智慧监护装置与服务器通信连接。

9.根据权利要求8所述的婴幼儿智慧监护系统，其特征在于，服务器为云服务器。

10.根据权利要求9所述的婴幼儿智慧监护系统，其特征在于，监控终端为智能手机、平板电脑、PC机或笔记本电脑。