一种智能看护婴儿床的设计

关键词：STM32F103单片机；ESP8266模块；智能婴儿床

随着生活水平的提高，人们更加关注婴儿的成长，对婴儿产品的设计提出了更高的要求，尤其是在父母的“舔犊之情”的情况下，愿意投入更多的代价来满足婴儿的要求。婴儿床是婴儿必备品，面对庞大的市场，设计师要提高婴儿床的生产工艺，保证质量和安全。提高使用价值是首要解决的问题，因此婴儿床这一产品设计具有极大的必要性和巨大的市场前景。婴儿床的设计以生活需求为指导，最大程度的满足婴儿和父母的生理以及心理需求。创新性的设计体现出艺术性、超前性、新颖性和经济性。而婴儿床作为照顾婴儿的必备品，也受到了许多智能家居厂商的关注。在婴儿床的设计中。不仅仅考虑婴儿睡觉的基本功能需求．如何整合形态、色彩、心理、安全、情感等需求也尤为重要。但是因为各个厂商所针对的领域不同，造成现有的婴儿床产品在单一功能上非常出色，而整体的功能却并不能满足家长的需求。在婴儿与产品的关系中，婴儿常常不能作为独立 的主体，而是需要成年人的辅助。因此，婴儿产品的使用者其实是婴儿及成人共同构成的。如何处理好两者之间的关系，就是设计中必须解决的问题。通过结合现有的智能家居作为参造，利用机械控制技术、单片机、传感器技术、WiFi 通信技术，本文提出了一种智能看护婴儿床。

1 总体结构

本文研究一款辅助婴儿健康成长的系统。由尿床检测功能、哭泣检测功能、智能助眠功能、环境检测功能和报警功能组成。各个功能通过检测环境中温湿度、粉尘浓度、婴儿床垫的湿度、温度、声音频率等数据实现。通过对比床垫湿度和环境湿度可以判断婴儿是否尿床；通过声音频率的变化可以判断婴儿是否哭泣；通过曲柄摇杆结构连接电机可以使床的摇摆，同时播放音乐，并配合床垫的温度数据，应用 PID 控制加热丝使床垫温度快速稳定到一个适宜入眠的温度，起到助眠的作用，并将所有相关数据通过显示屏显示出来，在有数据超出阈值时进行报警。

图1 系统总体框图

2 系统硬件选择

该系统分为单片机最小系统部分、数据采集模块、外部被控模块、无线通信模块和报警模块等几个部分。

2.1 单片机最小系统模块

本设计选用 STM32F103RCT6 单片机作为主控。其最小系统由复位电路、晶振电路、下载电路以及 BOOT 设置电路构成。这些外围电路给单片机提供了时钟源信号，以及复位信号，同时完成下载功能。下载接口也提供在线仿真功能，通过在线仿真，可以快速找出程序存在的问题。

2.2 数据采集模块

该部分的电路设计是利用温湿度传感器、粉尘传感器、音频传感器和按键分别对环境中温湿度，床垫的温度、湿度，空气中粉尘浓度，婴儿哭泣频率以及按键输出信息进行检测。采集完相关数据后，系统可以通过对比不同的数据，可以组合完成不同的功能，如通过床垫内的湿度和环境的湿度的对比可以判断出婴儿是否尿床。

图2 数据采集电路原理图

室内温湿度由 DHT11 模块采集，DHT11 的 DATA 引脚与 PA0 引脚相连接，将 40 位数字信号发送至单片机端。床垫的湿度由湿敏电阻采集，将湿敏电阻与运放芯片组成的湿度检测模块的模拟输出引脚 AO 与单片机 PC6 连接。单片机通过内置的 AD 转换功能将模拟信号转换位准确电压值，进而测算出湿度大小。床垫内温度由 DS18B20 模块采集，其使用方法与 DHT11 相类似，都是一线通信。将其 DOUT 引脚与 PA8 连接，模块将数字信号发送至单片机，再由单片机解算。声音由 LM386 声音检测模块采集。声音检测与湿度检测类似，都是通过运放将微弱信号放大输出，其接法为 AO 与 PC7 相连。通过检测模块输出的声音状态，即可判断声音的频率及分贝。粉尘检测虽然采用模拟信号检测，但是在检测前需要先开启红外小灯，以产生信号源。模拟信号输出脚 OUT 连 PA1 之外，还要使红外小灯的控制脚 LED 与 PC1 连接。按键部分全部采用数字信号处理，既只对数据的高低电平做出反应。按键一端与地线相连，按下时电压为 0，不按下时电压为 3.3 V，对应数字量的 0 和 1。

2.3 外部被控模块

本模块需要实现加热、摇摆、音乐播放以及数据实时显示的功能。

通过电阻丝内流过电流时产生热量的原理实现加热功能，由于单片机引脚带载能力普遍很小，所以需要通过驱动模块直接将电源电压作用在电阻丝上，以保证电阻丝的电流足够大并能够承受相应的电流负荷，电阻丝的两端分别连接在 L298 的 OUT1、OUT2 上，控制引脚为与 IN1 连接的 PC8。

电机通过简单的曲柄摇杆结构将旋转运动变成摇摆运动，既实现婴儿床的摇摆功能。

音乐播放采用串口 MP3 模块，将模块的通信引脚与单片机的串口 2 连接，通过发送命令即可完成控制。数据实时显示通过 OLED 显示屏完成，该屏使用 IIC 通信的控制模式，将 OLED 的 SCL、SDA 分别与单片机的 PB8、PB9 连接，通过单片机自带的 IIC 通信功能即能将处理后的额数据实时显示。

2.4 无线通信模块

该部分选择 ATK-ESP8266WiFi 模块实现无线通信功能。WiFi 通信模块可以通过上位机程序与手机端或者电脑端配合使用。将 WiFi 无线通信模块的 RXD、与单片机 TXD 引脚连接，可实现单片机的发送功能。将 WiFi 模块的 TXD 与单片机的 RXD 引脚相连，可以从上位机发送信息并在单片机端接收。WiFi 通信所用串口为单片机串口 1。系统上电后，WiFi 模块首先连接WiFi 信号并进行联网，在连接完成后将 WiFi 模块的 ip 地址以及端口号进行显示，以方便上位机连接。连接完成后下位机可以即可对不同的 ID 设备进行通信。对于配套的上位机部分，利用 APPINVENTOR 进行手机 app 开发，通过 WiFi 通信组件，将 app 对应的显示与输入功能完成。

图4 WiFi无线通信原理图

2.5 报警模块

在常规报警电路设计中，一般都采用声光报警结合的方式，因为这种方式是最直观也是最简易的。但是本系统考虑到使用者不仅有成年人，也有婴儿，如果采用传统的警报来报警极有可能会对婴儿产生惊吓。所以采用光电报警。考虑到光电报警可能因为白天光线太亮而不够明显，或是报警光线被遮挡等情况，所以在上位机处也设有报警处理，既下位机进行光电报警，而上位机进行震动报警。光电报警灯与 PA8 引脚相连。

3 软件设计

为实现系统的尿床检测功能、哭泣检测功能、助眠功能、环境检测及报警功能以及通信功能，需要通过编写程序将各个传感器采集的数据进行配合来完成。系统启动后，首先进行系统参数初始化，包括对所有用到的 IO 口进行配置以及设置初始的变量值。然后进行按键设置，通过按键设置可以对报警阈值、摇摆时间、音乐播放曲目及是否受上位机控制进行设置。按键设置完毕后，进入无线通信子程序，环境检测子程序，哭泣检测子程序、尿床检测子程序和助眠子程序，最后，系统将处理好的数据通过液晶显示屏显示，如此循环往复执行。

图5 系统主程序流程

3.1 无线通信子程序

无线通信子程序首先判断是否接收到新信息，若接收到则读取指令内容，则与指定库进行对比，先判断该指令是否为查看，是则将数据打包发送至上位机端以供人们在手机上查看。不是则判断指令是否为开始加热，是则对床垫进行 PID 温控，将床垫快速升温到适宜入眠的温度。不是则判断指令是否为播放，是则播放指令对应的曲目。若无该指令信息则结束子程序，回到主程序运行。

3.2 环境检测子程序

环境检测子程序首先通过 DHT11 读取当前环境的温湿度值，并将该值作为其他功能的对比参数。其次，读取空气质 PM2.5 颗粒物浓度，如果超出设定阈值则发出光电报警，同时将报警信息发送至上位机端。在运行该部分结束后继续执行主程序内的下一子程序。

3.3 哭泣检测子程序

进入哭泣检测子程序后首先检测婴儿床周遭环境的声音大小及频率，首先将声音分贝作为先决条件判断是空气噪音还是说话声音。因为成年人正常说话声音一般为 75 dB，而婴儿哭泣所产生的声音一般大于 75 dB。之后再通过声音频率对声音的主人进行分辨，成年人的正常说话声音频率普遍比婴儿哭泣声音频率低，其中成年男性平均声音频率为 150 Hz 左右，女性相对男性会更高一些达到 200 Hz 左右，而婴儿的哭声频率最小也在 200 Hz 以上，所以为了区分，将阈值设定在 300 Hz 以上即可。在子程序中当检测到有哭声大于 75 dB，频率超过 300 Hz 时既发出光电报警，同时将信息发送至上位机端。在执行完程序后或者不满足以上条件时结束该段子程序，并返回主程序继续执行下一子程序。

3.4 尿床检测子程序

尿床检测子程序，首先获取床垫内的湿度，获取床垫内湿度后将该值与环境湿度加上 10% 进行比较。以环境湿度作为对比，是防止因天气以及地域因素造成的湿度变化对阈值设置所带来的影响，而之所以加上 10% 的目的是防止受外界干扰以保证检测的准确性，当检测完毕后如果湿度超出则报警。最后返回主程序继续执行下一子程序。

3.5 助眠子程序

助眠子程序由温控功能、音乐播放功能和摇摆功能共同组成。首先通过按键设置床垫加热温度、音乐播放时间、以及摇摆时间，按下启动后开始运行，并在定时结束后自动停止。其中温度控制通过 PID 控制原理进行调控，PID 参数的整定方法为试凑法，选取合适的参数可以使温度在短时间内达到设定值并保持稳定状态。

4 结束语

本设计通过按键，调节床垫的温度以及改变各种环境阈值；通过显示屏可以查看设定的阈值以及各个传感器检测到的数据；能够根据婴儿声音的频率判断婴儿是否哭泣，并进行光电报警；能根据床垫的湿度判断婴儿是否尿床并报警；在婴儿睡眠时可以启动摇摆和音乐播放功能帮助婴儿入眠等功能，可以帮助父母去照顾婴儿，在婴儿的睡眠和健康上可起到一定作用。

目前，市场上的智能婴儿床仅在某一功能上值得信赖，但整体的功能却华而不实。本文设计的一种智能看护婴儿床在保证婴儿安全性与舒适度的基础上，通过放置各种传感器来获取婴儿床的实时状态，然后通过按钮手动控制各种环境阈值以更好地服务婴儿。较多种类传感器获取的数据会更实际化，贴近生活，父母更精确地了解婴儿的需求做出对应措施，使得婴儿更健康。

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(注：本文转载自《电子产品世界》杂志2022年11月期)