一種智能看護嬰兒床的設計

摘 要：設計了一種集多種智能功能的嬰兒床。該床主控選用STM32F103系列單片機，通過(guò)多種傳感器來(lái)檢測環(huán)境及嬰兒床的狀態(tài)、LED燈報警、渦輪蝸桿電機實(shí)現床體搖擺。最后將單片機處理完成的數據在OLED顯示屏上顯示，同時(shí)通過(guò)ESP8266模塊將數據發(fā)送到上位機或者接收上位機所發(fā)出的指令。該床體結構尺寸與普通嬰兒床相差甚微，同時(shí)根據嬰兒床需要實(shí)現的功能對床體進(jìn)行調整，壓縮成本，滿(mǎn)足了市場(chǎng)需求，對于嬰兒產(chǎn)品的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：STM32F103單片機；ESP8266模塊；智能嬰兒床

隨著(zhù)生活水平的提高，人們更加關(guān)注嬰兒的成長(cháng)，對嬰兒產(chǎn)品的設計提出了更高的要求，尤其是在父母的“舔犢之情”的情況下，愿意投入更多的代價(jià)來(lái)滿(mǎn)足嬰兒的要求。嬰兒床是嬰兒必備品，面對龐大的市場(chǎng)，設計師要提高嬰兒床的生產(chǎn)工藝，保證質(zhì)量和安全。提高使用價(jià)值是首要解決的問(wèn)題，因此嬰兒床這一產(chǎn)品設計具有極大的必要性和巨大的市場(chǎng)前景。嬰兒床的設計以生活需求為指導，最大程度的滿(mǎn)足嬰兒和父母的生理以及心理需求。創(chuàng )新性的設計體現出藝術(shù)性、超前性、新穎性和經(jīng)濟性。而嬰兒床作為照顧嬰兒的必備品，也受到了許多智能家居廠(chǎng)商的關(guān)注。在嬰兒床的設計中。不僅僅考慮嬰兒睡覺(jué)的基本功能需求．如何整合形態(tài)、色彩、心理、安全、情感等需求也尤為重要。但是因為各個(gè)廠(chǎng)商所針對的領(lǐng)域不同，造成現有的嬰兒床產(chǎn)品在單一功能上非常出色，而整體的功能卻并不能滿(mǎn)足家長(cháng)的需求。在嬰兒與產(chǎn)品的關(guān)系中，嬰兒常常不能作為獨立 的主體，而是需要成年人的輔助。因此，嬰兒產(chǎn)品的使用者其實(shí)是嬰兒及成人共同構成的。如何處理好兩者之間的關(guān)系，就是設計中必須解決的問(wèn)題。通過(guò)結合現有的智能家居作為參造，利用機械控制技術(shù)、單片機、傳感器技術(shù)、WiFi 通信技術(shù)，本文提出了一種智能看護嬰兒床。

1 總體結構

本文研究一款輔助嬰兒健康成長(cháng)的系統。由尿床檢測功能、哭泣檢測功能、智能助眠功能、環(huán)境檢測功能和報警功能組成。各個(gè)功能通過(guò)檢測環(huán)境中溫濕度、粉塵濃度、嬰兒床墊的濕度、溫度、聲音頻率等數據實(shí)現。通過(guò)對比床墊濕度和環(huán)境濕度可以判斷嬰兒是否尿床；通過(guò)聲音頻率的變化可以判斷嬰兒是否哭泣；通過(guò)曲柄搖桿結構連接電機可以使床的搖擺，同時(shí)播放音樂(lè )，并配合床墊的溫度數據，應用 PID 控制加熱絲使床墊溫度快速穩定到一個(gè)適宜入眠的溫度，起到助眠的作用，并將所有相關(guān)數據通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)，在有數據超出閾值時(shí)進(jìn)行報警。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件選擇

該系統分為單片機最小系統部分、數據采集模塊、外部被控模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和報警模塊等幾個(gè)部分。

2.1 單片機最小系統模塊

本設計選用 STM32F103RCT6 單片機作為主控。其最小系統由復位電路、晶振電路、下載電路以及 BOOT 設置電路構成。這些外圍電路給單片機提供了時(shí)鐘源信號，以及復位信號，同時(shí)完成下載功能。下載接口也提供在線(xiàn)仿真功能，通過(guò)在線(xiàn)仿真，可以快速找出程序存在的問(wèn)題。

2.2 數據采集模塊

該部分的電路設計是利用溫濕度傳感器、粉塵傳感器、音頻傳感器和按鍵分別對環(huán)境中溫濕度，床墊的溫度、濕度，空氣中粉塵濃度，嬰兒哭泣頻率以及按鍵輸出信息進(jìn)行檢測。采集完相關(guān)數據后，系統可以通過(guò)對比不同的數據，可以組合完成不同的功能，如通過(guò)床墊內的濕度和環(huán)境的濕度的對比可以判斷出嬰兒是否尿床。

圖2 數據采集電路原理圖

室內溫濕度由 DHT11 模塊采集，DHT11 的 DATA 引腳與 PA0 引腳相連接，將 40 位數字信號發(fā)送至單片機端。床墊的濕度由濕敏電阻采集，將濕敏電阻與運放芯片組成的濕度檢測模塊的模擬輸出引腳 AO 與單片機 PC6 連接。單片機通過(guò)內置的 AD 轉換功能將模擬信號轉換位準確電壓值，進(jìn)而測算出濕度大小。床墊內溫度由 DS18B20 模塊采集，其使用方法與 DHT11 相類(lèi)似，都是一線(xiàn)通信。將其 DOUT 引腳與 PA8 連接，模塊將數字信號發(fā)送至單片機，再由單片機解算。聲音由 LM386 聲音檢測模塊采集。聲音檢測與濕度檢測類(lèi)似，都是通過(guò)運放將微弱信號放大輸出，其接法為 AO 與 PC7 相連。通過(guò)檢測模塊輸出的聲音狀態(tài)，即可判斷聲音的頻率及分貝。粉塵檢測雖然采用模擬信號檢測，但是在檢測前需要先開(kāi)啟紅外小燈，以產(chǎn)生信號源。模擬信號輸出腳 OUT 連 PA1 之外，還要使紅外小燈的控制腳 LED 與 PC1 連接。按鍵部分全部采用數字信號處理，既只對數據的高低電平做出反應。按鍵一端與地線(xiàn)相連，按下時(shí)電壓為 0，不按下時(shí)電壓為 3.3 V，對應數字量的 0 和 1。

2.3 外部被控模塊

本模塊需要實(shí)現加熱、搖擺、音樂(lè )播放以及數據實(shí)時(shí)顯示的功能。

通過(guò)電阻絲內流過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生熱量的原理實(shí)現加熱功能，由于單片機引腳帶載能力普遍很小，所以需要通過(guò)驅動(dòng)模塊直接將電源電壓作用在電阻絲上，以保證電阻絲的電流足夠大并能夠承受相應的電流負荷，電阻絲的兩端分別連接在 L298 的 OUT1、OUT2 上，控制引腳為與 IN1 連接的 PC8。

電機通過(guò)簡(jiǎn)單的曲柄搖桿結構將旋轉運動(dòng)變成搖擺運動(dòng)，既實(shí)現嬰兒床的搖擺功能。

音樂(lè )播放采用串口 MP3 模塊，將模塊的通信引腳與單片機的串口 2 連接，通過(guò)發(fā)送命令即可完成控制。數據實(shí)時(shí)顯示通過(guò) OLED 顯示屏完成，該屏使用 IIC 通信的控制模式，將 OLED 的 SCL、SDA 分別與單片機的 PB8、PB9 連接，通過(guò)單片機自帶的 IIC 通信功能即能將處理后的額數據實(shí)時(shí)顯示。

2.4 無(wú)線(xiàn)通信模塊

該部分選擇 ATK-ESP8266WiFi 模塊實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信功能。WiFi 通信模塊可以通過(guò)上位機程序與手機端或者電腦端配合使用。將 WiFi 無(wú)線(xiàn)通信模塊的 RXD、與單片機 TXD 引腳連接，可實(shí)現單片機的發(fā)送功能。將 WiFi 模塊的 TXD 與單片機的 RXD 引腳相連，可以從上位機發(fā)送信息并在單片機端接收。WiFi 通信所用串口為單片機串口 1。系統上電后，WiFi 模塊首先連接WiFi 信號并進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，在連接完成后將 WiFi 模塊的 ip 地址以及端口號進(jìn)行顯示，以方便上位機連接。連接完成后下位機可以即可對不同的 ID 設備進(jìn)行通信。對于配套的上位機部分，利用 APPINVENTOR 進(jìn)行手機 app 開(kāi)發(fā)，通過(guò) WiFi 通信組件，將 app 對應的顯示與輸入功能完成。

圖4 WiFi無(wú)線(xiàn)通信原理圖

2.5 報警模塊

在常規報警電路設計中，一般都采用聲光報警結合的方式，因為這種方式是最直觀(guān)也是最簡(jiǎn)易的。但是本系統考慮到使用者不僅有成年人，也有嬰兒，如果采用傳統的警報來(lái)報警極有可能會(huì )對嬰兒產(chǎn)生驚嚇。所以采用光電報警?？紤]到光電報警可能因為白天光線(xiàn)太亮而不夠明顯，或是報警光線(xiàn)被遮擋等情況，所以在上位機處也設有報警處理，既下位機進(jìn)行光電報警，而上位機進(jìn)行震動(dòng)報警。光電報警燈與 PA8 引腳相連。

3 軟件設計

為實(shí)現系統的尿床檢測功能、哭泣檢測功能、助眠功能、環(huán)境檢測及報警功能以及通信功能，需要通過(guò)編寫(xiě)程序將各個(gè)傳感器采集的數據進(jìn)行配合來(lái)完成。系統啟動(dòng)后，首先進(jìn)行系統參數初始化，包括對所有用到的 IO 口進(jìn)行配置以及設置初始的變量值。然后進(jìn)行按鍵設置，通過(guò)按鍵設置可以對報警閾值、搖擺時(shí)間、音樂(lè )播放曲目及是否受上位機控制進(jìn)行設置。按鍵設置完畢后，進(jìn)入無(wú)線(xiàn)通信子程序，環(huán)境檢測子程序，哭泣檢測子程序、尿床檢測子程序和助眠子程序，最后，系統將處理好的數據通過(guò)液晶顯示屏顯示，如此循環(huán)往復執行。

圖5 系統主程序流程

3.1 無(wú)線(xiàn)通信子程序

無(wú)線(xiàn)通信子程序首先判斷是否接收到新信息，若接收到則讀取指令內容，則與指定庫進(jìn)行對比，先判斷該指令是否為查看，是則將數據打包發(fā)送至上位機端以供人們在手機上查看。不是則判斷指令是否為開(kāi)始加熱，是則對床墊進(jìn)行 PID 溫控，將床墊快速升溫到適宜入眠的溫度。不是則判斷指令是否為播放，是則播放指令對應的曲目。若無(wú)該指令信息則結束子程序，回到主程序運行。

3.2 環(huán)境檢測子程序

環(huán)境檢測子程序首先通過(guò) DHT11 讀取當前環(huán)境的溫濕度值，并將該值作為其他功能的對比參數。其次，讀取空氣質(zhì) PM2.5 顆粒物濃度，如果超出設定閾值則發(fā)出光電報警，同時(shí)將報警信息發(fā)送至上位機端。在運行該部分結束后繼續執行主程序內的下一子程序。

3.3 哭泣檢測子程序

進(jìn)入哭泣檢測子程序后首先檢測嬰兒床周遭環(huán)境的聲音大小及頻率，首先將聲音分貝作為先決條件判斷是空氣噪音還是說(shuō)話(huà)聲音。因為成年人正常說(shuō)話(huà)聲音一般為 75 dB，而嬰兒哭泣所產(chǎn)生的聲音一般大于 75 dB。之后再通過(guò)聲音頻率對聲音的主人進(jìn)行分辨，成年人的正常說(shuō)話(huà)聲音頻率普遍比嬰兒哭泣聲音頻率低，其中成年男性平均聲音頻率為 150 Hz 左右，女性相對男性會(huì )更高一些達到 200 Hz 左右，而嬰兒的哭聲頻率最小也在 200 Hz 以上，所以為了區分，將閾值設定在 300 Hz 以上即可。在子程序中當檢測到有哭聲大于 75 dB，頻率超過(guò) 300 Hz 時(shí)既發(fā)出光電報警，同時(shí)將信息發(fā)送至上位機端。在執行完程序后或者不滿(mǎn)足以上條件時(shí)結束該段子程序，并返回主程序繼續執行下一子程序。

3.4 尿床檢測子程序

尿床檢測子程序，首先獲取床墊內的濕度，獲取床墊內濕度后將該值與環(huán)境濕度加上 10% 進(jìn)行比較。以環(huán)境濕度作為對比，是防止因天氣以及地域因素造成的濕度變化對閾值設置所帶來(lái)的影響，而之所以加上 10% 的目的是防止受外界干擾以保證檢測的準確性，當檢測完畢后如果濕度超出則報警。最后返回主程序繼續執行下一子程序。

3.5 助眠子程序

助眠子程序由溫控功能、音樂(lè )播放功能和搖擺功能共同組成。首先通過(guò)按鍵設置床墊加熱溫度、音樂(lè )播放時(shí)間、以及搖擺時(shí)間，按下啟動(dòng)后開(kāi)始運行，并在定時(shí)結束后自動(dòng)停止。其中溫度控制通過(guò) PID 控制原理進(jìn)行調控，PID 參數的整定方法為試湊法，選取合適的參數可以使溫度在短時(shí)間內達到設定值并保持穩定狀態(tài)。

4 結束語(yǔ)

本設計通過(guò)按鍵，調節床墊的溫度以及改變各種環(huán)境閾值；通過(guò)顯示屏可以查看設定的閾值以及各個(gè)傳感器檢測到的數據；能夠根據嬰兒聲音的頻率判斷嬰兒是否哭泣，并進(jìn)行光電報警；能根據床墊的濕度判斷嬰兒是否尿床并報警；在嬰兒睡眠時(shí)可以啟動(dòng)搖擺和音樂(lè )播放功能幫助嬰兒入眠等功能，可以幫助父母去照顧嬰兒，在嬰兒的睡眠和健康上可起到一定作用。

目前，市場(chǎng)上的智能嬰兒床僅在某一功能上值得信賴(lài)，但整體的功能卻華而不實(shí)。本文設計的一種智能看護嬰兒床在保證嬰兒安全性與舒適度的基礎上，通過(guò)放置各種傳感器來(lái)獲取嬰兒床的實(shí)時(shí)狀態(tài)，然后通過(guò)按鈕手動(dòng)控制各種環(huán)境閾值以更好地服務(wù)嬰兒。較多種類(lèi)傳感器獲取的數據會(huì )更實(shí)際化，貼近生活，父母更精確地了解嬰兒的需求做出對應措施，使得嬰兒更健康。

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)