一種智能看護(hù)嬰兒床的設(shè)計(jì)

摘 要：設(shè)計(jì)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(jī)，通過多種傳感器來檢測環(huán)境及嬰兒床的狀態(tài)、LED燈報(bào)警、渦輪蝸桿電機(jī)實(shí)現(xiàn)床體搖擺。最后將單片機(jī)處理完成的數(shù)據(jù)在OLED顯示屏上顯示，同時(shí)通過ESP8266模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)或者接收上位機(jī)所發(fā)出的指令。該床體結(jié)構(gòu)尺寸與普通嬰兒床相差甚微，同時(shí)根據(jù)嬰兒床需要實(shí)現(xiàn)的功能對床體進(jìn)行調(diào)整，壓縮成本，滿足了市場需求，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(jī)；ESP8266模塊；智能嬰兒床

隨著生活水平的提高，人們更加關(guān)注嬰兒的成長，對嬰兒產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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)來滿足嬰兒的要求。嬰兒床是嬰兒必備品，面對龐大的市場，設(shè)計(jì)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)值是首要解決的問題，因此嬰兒床這一產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有極大的必要性和巨大的市場前景。嬰兒床的設(shè)計(jì)以生活需求為指導(dǎo)，最大程度的滿足嬰兒和父母的生理以及心理需求。創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)體現(xiàn)出藝術(shù)性、超前性、新穎性和經(jīng)濟(jì)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商的關(guān)注。在嬰兒床的設(shè)計(jì)中。不僅僅考慮嬰兒睡覺的基本功能需求．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?yàn)楦鱾€(gè)廠商所針對的領(lǐng)域不同，造成現(xiàn)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足家長的需求。在嬰兒與產(chǎn)品的關(guān)系中，嬰兒常常不能作為獨(dú)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(gòu)成的。如何處理好兩者之間的關(guān)系，就是設(shè)計(jì)中必須解決的問題。通過結(jié)合現(xiàn)有的智能家居作為參造，利用機(jī)械控制技術(shù)、單片機(jī)、傳感器技術(shù)、WiFi 通信技術(shù)，本文提出了一種智能看護(hù)嬰兒床。

1 總體結(jié)構(gòu)

本文研究一款輔助嬰兒健康成長的系統(tǒng)。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(bào)警功能組成。各個(gè)功能通過檢測環(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(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。通過對比床墊濕度和環(huán)境濕度可以判斷嬰兒是否尿床；通過聲音頻率的變化可以判斷嬰兒是否哭泣；通過曲柄搖桿結(jié)構(gòu)連接電機(jī)可以使床的搖擺，同時(shí)播放音樂，并配合床墊的溫度數(shù)據(jù)，應(yīng)用 PID 控制加熱絲使床墊溫度快速穩(wěn)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(shù)據(jù)通過顯示屏顯示出來，在有數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件選擇

該系統(tǒng)分為單片機(jī)最小系統(tǒng)部分、數(shù)據(jù)采集模塊、外部被控模塊、無線通信模塊和報(bào)警模塊等幾個(gè)部分。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

本設(shè)計(jì)選用 STM32F103RCT6 單片機(jī)作為主控。其最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、晶振電路、下載電路以及 BOOT 設(shè)置電路構(gòu)成。這些外圍電路給單片機(jī)提供了時(shí)鐘源信號，以及復(fù)位信號，同時(shí)完成下載功能。下載接口也提供在線仿真功能，通過在線仿真，可以快速找出程序存在的問題。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

該部分的電路設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)后，系統(tǒng)可以通過對比不同的數(shù)據(jù)，可以組合完成不同的功能，如通過床墊內(nèi)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(shù)據(jù)采集電路原理圖

室內(nèi)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(shù)字信號發(fā)送至單片機(jī)端。床墊的濕度由濕敏電阻采集，將濕敏電阻與運(yùn)放芯片組成的濕度檢測模塊的模擬輸出引腳 AO 與單片機(jī) PC6 連接。單片機(jī)通過內(nèi)置的 AD 轉(zhuǎn)換功能將模擬信號轉(zhuǎn)換位準(zhǔn)確電壓值，進(jìn)而測算出濕度大小。床墊內(nèi)溫度由 DS18B20 模塊采集，其使用方法與 DHT11 相類似，都是一線通信。將其 DOUT 引腳與 PA8 連接，模塊將數(shù)字信號發(fā)送至單片機(jī)，再由單片機(jī)解算。聲音由 LM386 聲音檢測模塊采集。聲音檢測與濕度檢測類似，都是通過運(yùn)放將微弱信號放大輸出，其接法為 AO 與 PC7 相連。通過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(shù)字信號處理，既只對數(shù)據(jù)的高低電平做出反應(yīng)。按鍵一端與地線相連，按下時(shí)電壓為 0，不按下時(shí)電壓為 3.3 V，對應(yīng)數(shù)字量的 0 和 1。

2.3 外部被控模塊

本模塊需要實(shí)現(xiàn)加熱、搖擺、音樂播放以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的功能。

通過電阻絲內(nèi)流過電流時(shí)產(chǎn)生熱量的原理實(shí)現(xiàn)加熱功能，由于單片機(jī)引腳帶載能力普遍很小，所以需要通過驅(qū)動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(yīng)的電流負(fù)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(jī)通過簡單的曲柄搖桿結(jié)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成搖擺運(yùn)動，既實(shí)現(xiàn)嬰兒床的搖擺功能。

音樂播放采用串口 MP3 模塊，將模塊的通信引腳與單片機(jī)的串口 2 連接，通過發(fā)送命令即可完成控制。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示通過 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(jī)的 PB8、PB9 連接，通過單片機(jī)自帶的 IIC 通信功能即能將處理后的額數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。

2.4 無線通信模塊

該部分選擇 ATK-ESP8266WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)無線通信功能。WiFi 通信模塊可以通過上位機(jī)程序與手機(jī)端或者電腦端配合使用。將 WiFi 無線通信模塊的 RXD、與單片機(jī) TXD 引腳連接，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的發(fā)送功能。將 WiFi 模塊的 TXD 與單片機(jī)的 RXD 引腳相連，可以從上位機(jī)發(fā)送信息并在單片機(jī)端接收。WiFi 通信所用串口為單片機(jī)串口 1。系統(tǒng)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(jī)連接。連接完成后下位機(jī)可以即可對不同的 ID 設(shè)備進(jìn)行通信。對于配套的上位機(jī)部分，利用 APPINVENTOR 進(jìn)行手機(jī) app 開發(fā)，通過 WiFi 通信組件，將 app 對應(yīng)的顯示與輸入功能完成。

圖4 WiFi無線通信原理圖

2.5 報(bào)警模塊

在常規(guī)報(bào)警電路設(shè)計(jì)中，一般都采用聲光報(bào)警結(jié)合的方式，因?yàn)檫@種方式是最直觀也是最簡易的。但是本系統(tǒng)考慮到使用者不僅有成年人，也有嬰兒，如果采用傳統(tǒng)的警報(bào)來報(bào)警極有可能會對嬰兒產(chǎn)生驚嚇。所以采用光電報(bào)警?？紤]到光電報(bào)警可能因?yàn)榘滋旃饩€太亮而不夠明顯，或是報(bào)警光線被遮擋等情況，所以在上位機(jī)處也設(shè)有報(bào)警處理，既下位機(jī)進(jìn)行光電報(bào)警，而上位機(jī)進(jìn)行震動報(bào)警。光電報(bào)警燈與 PA8 引腳相連。

3 軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的尿床檢測功能、哭泣檢測功能、助眠功能、環(huán)境檢測及報(bào)警功能以及通信功能，需要通過編寫程序?qū)⒏鱾€(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行配合來完成。系統(tǒng)啟動后，首先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)初始化，包括對所有用到的 IO 口進(jìn)行配置以及設(shè)置初始的變量值。然后進(jìn)行按鍵設(shè)置，通過按鍵設(shè)置可以對報(bào)警閾值、搖擺時(shí)間、音樂播放曲目及是否受上位機(jī)控制進(jìn)行設(shè)置。按鍵設(shè)置完畢后，進(jìn)入無線通信子程序，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(tǒng)將處理好的數(shù)據(jù)通過液晶顯示屏顯示，如此循環(huán)往復(fù)執(zhí)行。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

3.1 無線通信子程序

無線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(nèi)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(shù)據(jù)打包發(fā)送至上位機(jī)端以供人們在手機(jī)上查看。不是則判斷指令是否為開始加熱，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(yīng)的曲目。若無該指令信息則結(jié)束子程序，回到主程序運(yùn)行。

3.2 環(huán)境檢測子程序

環(huán)境檢測子程序首先通過 DHT11 讀取當(dāng)前環(huán)境的溫濕度值，并將該值作為其他功能的對比參數(shù)。其次，讀取空氣質(zhì) PM2.5 顆粒物濃度，如果超出設(shè)定閾值則發(fā)出光電報(bào)警，同時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送至上位機(jī)端。在運(yùn)行該部分結(jié)束后繼續(xù)執(zhí)行主程序內(nèi)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話聲音。因?yàn)槌赡耆苏Ｕf話聲音一般為 75 dB，而嬰兒哭泣所產(chǎn)生的聲音一般大于 75 dB。之后再通過聲音頻率對聲音的主人進(jìn)行分辨，成年人的正常說話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，女性相對男性會更高一些達(dá)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(qū)分，將閾值設(shè)定在 300 Hz 以上即可。在子程序中當(dāng)檢測到有哭聲大于 75 dB，頻率超過 300 Hz 時(shí)既發(fā)出光電報(bào)警，同時(shí)將信息發(fā)送至上位機(jī)端。在執(zhí)行完程序后或者不滿足以上條件時(shí)結(jié)束該段子程序，并返回主程序繼續(xù)執(zhí)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(nèi)的濕度，獲取床墊內(nèi)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(shè)置所帶來的影響，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(zhǔn)確性，當(dāng)檢測完畢后如果濕度超出則報(bào)警。最后返回主程序繼續(xù)執(zhí)行下一子程序。

3.5 助眠子程序

助眠子程序由溫控功能、音樂播放功能和搖擺功能共同組成。首先通過按鍵設(shè)置床墊加熱溫度、音樂播放時(shí)間、以及搖擺時(shí)間，按下啟動后開始運(yùn)行，并在定時(shí)結(jié)束后自動停止。其中溫度控制通過 PID 控制原理進(jìn)行調(diào)控，PID 參數(shù)的整定方法為試湊法，選取合適的參數(shù)可以使溫度在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過按鍵，調(diào)節(jié)床墊的溫度以及改變各種環(huán)境閾值；通過顯示屏可以查看設(shè)定的閾值以及各個(gè)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)；能夠根據(jù)嬰兒聲音的頻率判斷嬰兒是否哭泣，并進(jìn)行光電報(bào)警；能根據(jù)床墊的濕度判斷嬰兒是否尿床并報(bào)警；在嬰兒睡眠時(shí)可以啟動搖擺和音樂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，市場上的智能嬰兒床僅在某一功能上值得信賴，但整體的功能卻華而不實(shí)。本文設(shè)計(jì)的一種智能看護(hù)嬰兒床在保證嬰兒安全性與舒適度的基礎(chǔ)上，通過放置各種傳感器來獲取嬰兒床的實(shí)時(shí)狀態(tài)，然后通過按鈕手動控制各種環(huán)境閾值以更好地服務(wù)嬰兒。較多種類傳感器獲取的數(shù)據(jù)會更實(shí)際化，貼近生活，父母更精確地了解嬰兒的需求做出對應(yīng)措施，使得嬰兒更健康。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)