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(guò)多種傳感器來(lái)檢測(cè)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(guò)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(duì)床體進(jìn)行調(diào)整，壓縮成本，滿足了市場(chǎng)需求，對(duì)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(zhǎng)，對(duì)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(lái)滿足嬰兒的要求。嬰兒床是嬰兒必備品，面對(duì)龐大的市場(chǎng)，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(wèn)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(chǎng)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(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?yàn)楦鱾€(gè)廠商所針對(duì)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(zhǎng)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(wèn)題。通過(guò)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(zhǎng)的系統(tǒng)。由尿床檢測(cè)功能、哭泣檢測(cè)功能、智能助眠功能、環(huán)境檢測(cè)功能和報(bào)警功能組成。各個(gè)功能通過(guò)檢測(cè)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(guò)對(duì)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(jié)構(gòu)連接電機(jī)可以使床的搖擺，同時(shí)播放音樂(lè)，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(guò)顯示屏顯示出來(lái)，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(wú)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(hào)，以及復(fù)位信號(hào)，同時(shí)完成下載功能。下載接口也提供在線仿真功能，通過(guò)在線仿真，可以快速找出程序存在的問(wèn)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(duì)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(cè)。采集完相關(guān)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)比不同的數(shù)據(jù)，可以組合完成不同的功能，如通過(guò)床墊內(nèi)的濕度和環(huán)境的濕度的對(duì)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(hào)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(cè)模塊的模擬輸出引腳 AO 與單片機(jī) PC6 連接。單片機(jī)通過(guò)內(nèi)置的 AD 轉(zhuǎn)換功能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換位準(zhǔn)確電壓值，進(jìn)而測(cè)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(hào)發(fā)送至單片機(jī)，再由單片機(jī)解算。聲音由 LM386 聲音檢測(cè)模塊采集。聲音檢測(cè)與濕度檢測(cè)類似，都是通過(guò)運(yùn)放將微弱信號(hào)放大輸出，其接法為 AO 與 PC7 相連。通過(guò)檢測(cè)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(cè)雖然采用模擬信號(hào)檢測(cè)，但是在檢測(cè)前需要先開(kāi)啟紅外小燈，以產(chǎn)生信號(hào)源。模擬信號(hào)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(hào)處理，既只對(duì)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(duì)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(lè)播放以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的功能。

通過(guò)電阻絲內(nèi)流過(guò)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(guò)驅(qū)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(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(guò)簡(jiǎn)單的曲柄搖桿結(jié)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成搖擺運(yùn)動(dòng)，既實(shí)現(xiàn)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(jī)的串口 2 連接，通過(guò)發(fā)送命令即可完成控制。數(shù)據(jù)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(jī)的 PB8、PB9 連接，通過(guò)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(wú)線通信模塊

該部分選擇 ATK-ESP8266WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。WiFi 通信模塊可以通過(guò)上位機(jī)程序與手機(jī)端或者電腦端配合使用。將 WiFi 無(wú)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(hào)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(hào)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(duì)不同的 ID 設(shè)備進(jìn)行通信。對(duì)于配套的上位機(jī)部分，利用 APPINVENTOR 進(jìn)行手機(jī) app 開(kāi)發(fā)，通過(guò) WiFi 通信組件，將 app 對(duì)應(yīng)的顯示與輸入功能完成。

圖4 WiFi無(wú)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(jiǎn)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(lái)報(bào)警極有可能會(huì)對(duì)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(dòng)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(cè)功能、哭泣檢測(cè)功能、助眠功能、環(huán)境檢測(cè)及報(bào)警功能以及通信功能，需要通過(guò)編寫程序?qū)⒏鱾€(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行配合來(lái)完成。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)初始化，包括對(duì)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(guò)按鍵設(shè)置可以對(duì)報(bào)警閾值、搖擺時(shí)間、音樂(lè)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(wú)線通信子程序，環(huán)境檢測(cè)子程序，哭泣檢測(cè)子程序、尿床檢測(cè)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(guò)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(wú)線通信子程序

無(wú)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(kù)進(jìn)行對(duì)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?cè)谑謾C(jī)上查看。不是則判斷指令是否為開(kāi)始加熱，是則對(duì)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(duì)應(yīng)的曲目。若無(wú)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(cè)子程序

環(huán)境檢測(cè)子程序首先通過(guò) 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(duì)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(cè)子程序

進(jìn)入哭泣檢測(cè)子程序后首先檢測(cè)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)話聲音。因?yàn)槌赡耆苏Ｕf(shuō)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(guò)聲音頻率對(duì)聲音的主人進(jìn)行分辨，成年人的正常說(shuō)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(duì)男性會(huì)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(cè)到有哭聲大于 75 dB，頻率超過(guò) 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(cè)子程序

尿床檢測(cè)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(duì)比，是防止因天氣以及地域因素造成的濕度變化對(duì)閾值設(shè)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(cè)的準(zhǔn)確性，當(dāng)檢測(cè)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(lè)播放功能和搖擺功能共同組成。首先通過(guò)按鍵設(shè)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(yùn)行，并在定時(shí)結(jié)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(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(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)按鍵，調(diào)節(jié)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(shè)定的閾值以及各個(gè)傳感器檢測(cè)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(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，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(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。較多種類傳感器獲取的數(shù)據(jù)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(duì)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)