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寶貝好好睡



Semi-Finals


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Project Paper - view as Preliminary(2010/07/21), Final(2010/11/01), Draft, Latest

1. 設計介紹 (Preliminary Paper)

 

現今婦女多為職業婦女，照顧3個月以上至兩歲以下的小嬰兒時，因為新手媽媽上路而導致手忙腳亂以及容易精神疲勞。在小嬰兒睡眠時，也因害怕小嬰兒有突發狀況發生而不敢離開小嬰兒太遠，導致無法利用這些瑣碎時間來專心整頓家庭事務。
 
本作品(如圖1)利用影像辨識技術觀察小嬰兒於嬰兒床時的狀態，加以判斷小嬰兒的姿態例如：哭鬧、不正常側身、靜止活動，翻身有窒息危險時、小嬰兒睡醒時等等情形，再利用RF無線收發模組進行傳送訊號至媽媽配戴的接收器上，以通知媽媽小嬰兒的情形。
 
如此一來，將可大大減少因一時的疏忽，而造成無法挽救的遺憾。
 
DE1平台擁有足夠的 I/O 腳位可供我們使用RF傳輸模組、以及VGA和Audio Line Out可讓我們方便實現顯示及音效的功能。此外，使用FPGA開發平台同時可以快速的完成我們的作品。

 

圖1 寶貝好好睡系統示意圖
 
應用領域：嬰幼兒照顧
 
目標使用者：新手媽媽與褓姆們

 

(Revision: 13 / 2010-09-17 10:19:23)

2. 功能描述 (Final Project Paper)

 

本作品採用軟硬體整合方式，來完成如下系統功能:
發射端具有功能：
1.      通訊設定能力；
2.      對接收機及中繼機台的無線通訊能力(例如：對接收機傳送寶寶目前的資訊)；
3.      CCD影像擷取(即：擷取寶寶的影像)；
4.      影像辨識能力(即：辨識寶寶目前的狀態)；
5.      即時音效播放(即：寶寶睡醒時撥放音樂)。
接收端具有功能：
1.      通訊設定能力；
2.      對發送端及中繼機台的無線通訊能力(例如：接收寶寶資訊)；
3.      寶寶狀態音效提示(即：依據接收到的寶寶狀態發出不同音效通知媽媽)。
中繼機具有功能：
1.      通訊設定能力；
2.      對發射端及接收端的無線通訊能力(例如：對接收端傳送資訊)。
 
為了實現上述功能，在軟硬體設計部分可分為三大部分：
通訊部分：以GPIO_0 Port 擴接RF2401 無線傳輸模組，搭配本設計之軟體通訊
 協定，做為發送端、接收端與中繼機之間的通訊骨幹。
I/O部份：
   Input：以CCD擷取影像；
   Output：以LTM呈現寶貝好好睡的顯示部分，播放音訊檔以達到語音提示
功能。
軟體部分：本作品在Altera IDE 軟體發展環境下，分別發展發射端、接收端與通訊中繼機的通訊軟體，以及發展影像辨識軟體，使之具有前述之功能。

 

(Revision: 5 / 2010-09-17 10:20:13)

3. 效能參數 (Final Project Paper)

 

下表列舉本作品所使用資源如下：

Quartus II Version
9.0 Build 132 05/25/2010SJ Full Version
Revision Name
DE1_NIOS
Top-level Entity Name
DE1_NIOS
Family
Cyclone II
Device
EP2C20F484C7
Timing Models
Final
Met timing requirements
N/A
Total logic elements
7987/18752(43%)
Total combinational functions
6052/18752(32%)
Dedicated logic registers
5080/18752(27%)
Total registers
5148
Total pins
168/315(53%)
Total virtual pins
0
Total memory bits
92270/239616(39%)
Embedded Multiplier 9-bits elements
4/52(8%)
Total PLLs
1/4(25%)

本作品在50MHz下工作良好，SDRAM工作在100MHz情況穩定。
(Revision: 4 / 2010-09-17 10:23:05)

4. 設計架構 (Preliminary Paper)

 

系統之方塊圖設計
圖4.1 發射端--Nios嵌入系統架構設計示意圖
 
 
圖4.2 接收端--Nios嵌入系統架構設計示意圖 

軟體流程圖設計

  

圖4.3 影像處理流程

 

圖4.4 程式處理流程

 

 

 

(Revision: 13 / 2010-09-16 22:04:29)

5. 設計方法 (Final Project Paper)

 

以ALTERA公司的Quartus II 9.0 和Nios II 9.0 IDE工具，在Altera DE1平台上實現「寶貝好好睡」，首先：
1.實現寶貝好好睡 (硬體部份)：以SOPC Builder設計技術，實現寶寶狀態資訊傳輸的核心架構NIOS II模組(如圖5.1與圖5.2所示) ；
2.以Nios II IDE發展RF模組的驅動程式；
3.建立寶寶資訊傳遞協定(軟體部份)：利用C語言建立RF通訊協定，構成獨立通訊網路；
4.寶寶影像辨識建立：利用C語言建立影像辨識程式。
5.RF通訊功能驗證；
6.系統顯示功能驗證；
7.總合功能驗證。
 
圖5.1 以SOPC Builder建立NIOS II 核心
 
 
圖5.2 本作品之NIOS II 核心模組
(Revision: 5 / 2010-09-16 23:23:03)

6. 設計特點 (Preliminary Paper)

 

照顧小嬰兒雖是幸福的負擔，但也造成新手媽媽們需要付出更多的心力來照顧，往往當小嬰兒在睡眠時，媽媽也會跟著小睡或者利用時間做些簡單的家庭事務，但往往在這些時候都會發生一些不可挽回的遺憾。本作品藉由影像處理及辨識技術監看小嬰兒睡眠情況、辨識危險情境，以及使用通訊技術即時通知小嬰兒母親，避免遺憾情事發生。
(Revision: 4 / 2010-09-16 21:43:50)

7. 總結 (Final Project Paper)

 

 

在本次大賽中，很榮幸能夠晉級決賽，透過Altera DE1多媒體平台讓我們可以有更大的發揮空間及輕易地實現更多的功能。在此競賽過程當中我們學習到了更豐富的知識，對Nios II 有了更多的了解，也體會到了軟硬體設計開發的技巧。同時我們也深深體會到，要完成一個作品所要顧及到的層面很廣，也都發現我們以往所不足且還需要在努力學習的地方。
為了實現寶貝好好睡的功能，我們使用了Altera DE1平台搭配5 Mega Pixel Digital Camera、4.3”800X480 LCD Touch Panel與RF無線射頻模組。
配合Altera公司的Quartus II 9.0 EDA工具與Nios II 9.0 IDE的軟體環境，成功的來完成本作品。如此一來即可使媽媽們不用時時刻刻緊張地注意小嬰兒的狀態，也可使媽媽再嬰兒睡覺時可以在家處理一些瑣碎事務。
 未來更可以搭配GSM或3G行動技術，讓小嬰兒在托嬰中心或保姆家時也可以即時的觀看小嬰兒的狀態。
(Revision: 4 / 2010-09-17 11:11:52)