0 引言

据美国媒体报道，根据美国世界人口时钟的数据统计，在全世界每隔0.24 s就有一名婴儿诞生。每一个孩子都是家庭的希望，家长们的“心头肉”，很多人都认为孩子在家是最安全的，然而，由于儿童天性好动、好奇心强，喜欢去窗边攀爬、张望，而窗户本身存在较多的安全隐患，父母忙于工作、一时疏忽，看护不到位，使得儿童坠楼等意外事件接连发生，这些给父母们敲响了警钟。而传统的智能家居侧重于舒适，没有考虑到儿童安全这一块，尤其是缺乏安全意识的儿童，正是在这种背景下，以蓝牙信标、超声波测距为技术手段的家庭儿童智能防护系统的建设方案呼之欲出。通过家庭儿童智能防护系统的开发将能对家里的一些安全隐患进行排除，及时有效的对一些突发事件进行处理，方便、安全、实用性强。

1 家庭儿童智能防护系统设计方案

家庭儿童智能防护系统的应用对象是十岁以下儿童，针对的危险区域是家里窗户、入户门、厨房门等。它主要包含三个部分：可穿戴设备、控制模块、防护模块，各部分相互连接。在窗户、入户门、厨房门等危险区域放上控制设备，当携带可穿戴设备的儿童离危险区域很近的时候，可穿戴设备里的蓝牙信标就会和主控设备建立连接，此时主控芯片端口输出40KHz方波信号，经超声波发射探头发送出去。发射出去的超声波反射回来后，经超声波接收探头接收，并送回给主控芯片，主控芯片通过计算，得出儿童离主控设备的距离值，进行判断，看是否需要关门或关窗，从而达到智能防护的效果。

刚刚过去的金秋十月，中国铁路昆明局集团完成旅客发送482.5万人，单日旅客发送最高突破30万人次，然而1978年云南铁路准轨每月发送旅客仅为50万人，增长近9倍。

首先，应加强宣传教育，调动农民参与培训的主动性与积极性。许多农民对农业机械技术培训工作缺乏必要了解，配合度不高。只有农民了解农业机械化的重要性及好处后，才能积极主动地参与到培训工作中。因此，相关部门应告知农民这些必要的信息，打消农民疑虑，以实现农业机械技术培训效果的提升。其次，将理论与实践有机结合起来。大部分农民文化素质不高，很难迅速接受高深艰涩的理论知识。农业机械化培训要将理论与实践结合起来，为农民创造更多的实践机会。

2 家庭儿童智能防护系统硬件设计框图

家庭儿童智能防护系统的硬件框图如下图1所示。

  

图1 系统硬件框图

2.1 可穿戴设备

(1)非常便宜、非常省电：按器件成本来估算(不包括外壳)，信标每个只有15元人民币左右；信标本身通过深度睡眠、免连接、协议简单等节能措施，依赖2厘米直径的纽扣电池可持续工作六个月到一年。

控制模块主要由四部分组成：电源模块、蓝牙模块、主控核心模块及WIFI模块，其中电源模块是给控制系统提供能量；蓝牙模块是用来接收可穿戴设备中蓝牙信标发过来的ID信息；主控核心模块采用CC2541芯片，结合超声波传感器对地理位置信息进行判断，从而对防护设备做出正确的指示；WIFI模块用来连接网关向家长手机发生提示信息。

(2)适用于室内检测：每隔一定的时间用无线电广播一个蓝牙数据包出去，这个数据包可以除了信标ID不含任何信息。控制系统接收到这些数据包时结合超声波传感器即可完成定位。

可穿戴设备是指缩小版的电子设备，被使用者戴在身上、放在衣服里或者戴在衣服上。家庭儿童智能防护系统中的可穿戴设备是戴在儿童身上，携带有蓝牙信标装置。

第三套系统的旋流器组型号FX350×12型，由12台Φ350的小直径旋流器组成，处理能力1 000 m3/h，分级粒度为0.15～0.20 mm。实际生产过程中为保证正常的入料压力，只使用其中的6～7组，使用效率不高。2011年9月24日，将原3338号旋流器组更换为FX750-GT型大直径水力旋流器，该旋流器直径达750 mm，处理能力450～500 m3/h，入料压力为0.07～0.12 MPa，分级粒度0.20～0.25 mm。

2.2 控制模块

蓝牙信标的英文名叫Bluetooth Beacon，它是用载有蓝牙数据包的无线电波给迷航的移动设备(以及他们的主人)指示方位。蓝牙信标具有以下两个特点：

超声波测距模块采用的是HC-SR04，它具有敏感范围大(最大可达450 cm)、精度达0.3 cm的特点，完全能满足家庭儿童智能防护系统的要求。该模块有四个引线，分别是VCC(电源)、Trig(控制端)、Echo(接收端)、GND(地)。超声波测距的原理图如下图3所示。采用IO触发测距，主控芯片CC2541的P1.0端口给出至少10 us的高电平信号，模块自动发送8个40 KHz方波，通过超声波接收电路自动检测是否有回波信号返回，如果有信号返回，通过引脚Echo输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。单片机从定时器取得时间数值，其距离=(高电平时间*声速)/2，其中声速可以在程序中设定，一般取340 m/s[1]，该距离即为主控设备和可穿戴设备之间的距离即为儿童离危险物的距离。

  

图2 CC2541典型应用电路

防护模块主要包括两部分：窗防护系统和门防护系统。在接到主控芯片的指示以后，防护系统需要做出正确的判断：关窗或者关门。

2.3 超声波测距模块

人民币升值、绿色壁垒、反倾销以及福利取消交易的一系列交易环境变化,变化的最大值在国际交易和企业利润空间收到挤压类,在以往低税收控股公司以及交货方式的价格将会被税务机关关注。甚至是严厉稽查，根据新的税收，在早期的情况下，这是一个问题，对这两家公司的股东来说是非常重要的。另外，实质是中资的外资企业(俗称假合资企业)在企业中占比较高，这类企业实际上增加了运营成本。

  

图3 超声波测距的原理图

2.4 防护模块

CC2541芯片是2.4GHz蓝牙低功耗系统级芯片(SoC)，支持250 kbps，500 kbps，1 Mbps和2 Mbps数据速率。它将领先RF收发器的出色性能和一个业界标准的增强型8051 MCU、系统内可编程闪存存储器、8kB RAM和很多其它功能强大的特性和外设(强大的五通道DMA、12位ADC、2个USART、2个I2C和23个通用I/O引脚)组合在一起，在电路设计时，只需要极少的外部组件。CC2541典型应用电路如下图2所示。

本文中，利用CC2541单片机和驱动电路控制A、B电机，实现门/窗户的开关，从而达到智能防护的功能。该防护系统中采用的驱动芯片是L298N。该芯片属于H桥集成电路，具有输出电流大、输出功率大的特点，而且它的直插封装能够提高芯片的散热效果，以防芯片过热而影响芯片性能[2]。在这里，以两扇推拉窗为例，电机的驱动电路图如图4所示。

我又接着说：“教育孩子确实不容易，一个孩子的成长需要父母付出很多心血和汗水。既然你们都是为了孩子着想，今后多沟通、多交流。妈妈脾气暴躁，爸爸温柔，你们两个性格刚好可以互补，在教育孩子时是很搭的一对。爸爸看到妈妈教育孩子的态度粗暴，可以拉拉妈妈的衣角或者给个眼神提醒，不要当面反对，如果当着孩子的面指责的话，会让孩子把错误转移到妈妈身上。爸爸和妈妈不管哪一方不对，都需要冷静、理智一点，用巧妙的方法提醒对方。孩子出现问题时首先帮助他找出问题，一种方法不行那就换一种方法，总能找到适合孩子的教育方法。”

  

图4 L298N电机驱动电路

其中，对11EQS06二极管进行反接，以保护电路。L298N的IN1和IN2为一组，驱动电机A,IN3和IN4为一组，驱动电机B,ENA接CC2541的P1.6脚，它是IN1和IN2的使能管脚，ENB接CC2541的P1.7脚，它是IN3和IN4的使能管脚，当EN A或EN B为高电平时，桥的通断由IN信号来控制[3]。以B电机的正反转为例，如下表1所示。

 

表1 电机正反转情况表

  

ENAIN1IN2B电机HHL正转LH反转

3 家庭儿童智能防护系统软件设计流程

家庭儿童智能防护系统主控部分设备在正常情况下处于休眠状态，以节省电能。当儿童佩戴可穿戴设备中的蓝牙信标初始化完成之后，以广播的方式向外界发送数据，此时节点设备处于不受限的可发现状态[4]。

当主控设备发现蓝牙信标后，进行初始化，处于激活状态，向蓝牙信标设备发送连接请求，蓝牙信标设备接受请求并作为从机进入连接状态。至此，儿童佩戴的可穿戴设备和主控设备的连接建立完成。主控设备通过超声波传感器获得可穿戴设备和主控设备间的距离s,通过对s的值进行判断来控制门窗的驱动电路，当门窗状态检测电路发现门窗处于开着的状态时，驱动电路会自动把门窗关闭，达到防护效果。对于窗户，若检测电路在两分钟内仍然检测到可穿戴设备，此时控制系统便会通过WiFi模块连接网关，将儿童位置发送到家长手机，并提醒家长注意孩子此时处于危险的位置，要做好防护措施。软件设计程序流程图如下图5所示。

  

图5 智能防护流程图

4 结束语

本文通过对现有状况的分析，提出了基于蓝牙4.0的家庭儿童智能防护系统的设计方案，从硬件框图以及软件设计流程给出了家庭儿童智能防护系统的设计过程。家庭儿童智能防护系统是智能家居的补充，告别了以往的传统被动的模式，是一种实用新型的系统。针对十岁以下儿童因缺乏安全意识而触碰到危险物品，它采取相应的智能防护措施，达到防患于未然的目的。本系统追求的核心目标是可靠、稳定且实用，在设计中，体现的特色有：成本较低、操作简单以及智能防护。然而，由于当前的功能主要依赖于蓝牙通信技术，功能过于单一，家庭防护有部分漏洞，未来我们可以增加系统功能，如空气净化装置、安防装置等，使家庭儿童智能防护系统的功能更加完善。

参考文献

[1] 耿寸召.基于ZigBee技术的停车场车位检测系统设计[D].内蒙古：内蒙古大学硕士论文，2013：18-21.

[2] 严平峰.步进电机的控制与检测系统的设计与实现[J].自动化仪表，2014,35(4)：38-42.

[3] 黄瑞钰.基于51单片机的PWM直流电机调速系统[D].内蒙古：内蒙古大学硕士论文，2013：11-14.

[4] 杨琳芳,杨黎.无线传感网络技术与应用项目化教程[M].北京：机械工业出版社，2017：205-216.