基于STM32的數(shù)據(jù)通信智能安全嬰兒車設(shè)計(jì)

劉斌琨，劉海濤

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 236000）

隨著二胎政策的開放，新生兒數(shù)量逐年增多，使得新生兒在家庭中處于更重要的位置，安全問題也日益嚴(yán)峻。傳統(tǒng)的嬰兒車只是一個(gè)出行代步工具，并不能為嬰兒提供較全面的安全保障，即嬰兒被人帶走時(shí)嬰兒車無法做出任何相關(guān)反應(yīng)。當(dāng)今時(shí)代控制技術(shù)的發(fā)展日新月異，各種設(shè)備都走上了智能化道路，嬰兒車也應(yīng)走向智能。但是智能嬰兒車在國外的發(fā)展傾向于對嬰兒生命體征的監(jiān)測，比如血壓、體溫、身高、體重等方面，國內(nèi)的智能嬰兒車則傾向于避震便攜等方面。智能安全防護(hù)領(lǐng)域依舊是一片空白，因此，人們對一款能提供一系列安全措施的智能嬰兒車的渴望越來越急切。

圖1 整體設(shè)計(jì)的框圖

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能嬰兒車采用嵌入式設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)包括溫濕度檢測、位置定位、誤抱抓拍、越界檢測和報(bào)警等功能。用戶可通過手機(jī)軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控或控制某些功能的開啟和關(guān)閉。當(dāng)系統(tǒng)檢測到嬰兒被非監(jiān)護(hù)人抱走時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)攝像頭對其抓拍，同時(shí)發(fā)出警報(bào)，手機(jī)會(huì)接收到抓拍的照片并振動(dòng)彈出提示框“嬰兒被抱走”。當(dāng)嬰兒車與監(jiān)護(hù)人之間的距離超出一定范圍時(shí)，嬰兒車自身會(huì)報(bào)警，并且手機(jī)也會(huì)收到報(bào)警訊息，除非通過手機(jī)軟件關(guān)閉報(bào)警或者嬰兒車與監(jiān)護(hù)人之間的距離恢復(fù)到安全值，否則嬰兒車會(huì)一直報(bào)警。當(dāng)監(jiān)護(hù)人把嬰兒交給不會(huì)使用手機(jī)的長輩看管時(shí)，可暫時(shí)關(guān)閉距離報(bào)警功能，同時(shí)能在手機(jī)軟件界面上實(shí)時(shí)查看嬰兒車的位置。

智能安全嬰兒車的供電電源是只需提供5 V電壓，并且能驅(qū)動(dòng)兩片單片機(jī)，因此，電源體積小、質(zhì)量輕，不會(huì)造成額外的質(zhì)量負(fù)擔(dān)，保證了嬰兒車的便攜性。且整個(gè)電路裝置用金屬屏蔽網(wǎng)包裹，減少了電磁輻射，避免對嬰兒身體健康發(fā)育造成影響。

整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1.1 溫濕度采集

溫濕度傳感器選型為DHT11，可檢測溫度和濕度。將傳感器貼于嬰兒車底部，用于檢測車內(nèi)溫度和濕度，并實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)傳送給STM32（2），當(dāng)STM32（1）收到來自手機(jī)的溫度命令字時(shí)，STM32（1）通過串口1向STM32（2）發(fā)送請求，STM32（2）則將讀取到的溫濕度值回傳給STM32（1）。STM32（1）將接收到的溫濕度通過WIFI模塊發(fā)送給手機(jī)。

1.1.2 壓力檢測

壓力傳感器選型為HX711，其單個(gè)壓力傳感器測量上限設(shè)置為25 kg。三個(gè)壓力傳感器呈三角形擺放在嬰兒車底部，目的是更可靠地采集車內(nèi)質(zhì)量，防止嬰兒翻身等活動(dòng)造成單個(gè)壓力傳感器測量值不準(zhǔn)確。根據(jù)物理學(xué)原理，STM32（2）將三個(gè)壓力傳感器檢測到的數(shù)值相加得出最終的結(jié)果。當(dāng)檢測質(zhì)量超過4 kg時(shí)，單片機(jī)程序中的標(biāo)志變量Flag1置1，認(rèn)為此時(shí)嬰兒位于車內(nèi)；當(dāng)檢測質(zhì)量低于1.5 kg時(shí)，認(rèn)為嬰兒此時(shí)不在車內(nèi)，此時(shí)判斷Flag1是否為1，如果為1，則說明嬰兒之前位于車內(nèi)，現(xiàn)在嬰兒被人抱走，嬰兒車發(fā)出警報(bào)并拍照，標(biāo)志變量Flag1清零，否則繼續(xù)檢測。

1.1.3 指紋識(shí)別

指紋模塊選型為AS608。單片機(jī)程序內(nèi)標(biāo)志變量Flag2默認(rèn)值為0，當(dāng)監(jiān)護(hù)人想要抱起嬰兒時(shí)，可先進(jìn)行指紋識(shí)別，單片機(jī)會(huì)對Flag2的值進(jìn)行判斷，F(xiàn)lag2為1時(shí)拒絕進(jìn)行指紋識(shí)別，F(xiàn)lag2為0時(shí)允許進(jìn)行指紋識(shí)別，識(shí)別成功后Flag2置1，這段邏輯是為了防止多次識(shí)別。指紋識(shí)別成功后系統(tǒng)動(dòng)作為關(guān)閉報(bào)警功能，壓力傳感器則正常工作，當(dāng)壓力傳感器檢測的數(shù)值驟降時(shí)即嬰兒被抱起，報(bào)警系統(tǒng)不響應(yīng)，F(xiàn)lag2置0，最后報(bào)警功能恢復(fù)正常。AS608可存儲(chǔ)300枚指紋，響應(yīng)時(shí)間小于0.3 s，認(rèn)假率小于0.001%，性能足以滿足嬰兒車的需求。

1.1.4 距離報(bào)警

距離報(bào)警通過檢測藍(lán)牙是否連接來實(shí)現(xiàn)，藍(lán)牙選型為HC05。HC05在空曠地帶的理論通訊距離為10 m，但經(jīng)檢測一般情況下其通訊距離在5 m左右。手機(jī)和單片機(jī)都在監(jiān)測藍(lán)牙連接狀態(tài)，當(dāng)嬰兒車與監(jiān)護(hù)人的距離超過5 m時(shí)，藍(lán)牙連接就會(huì)斷開，手機(jī)和單片機(jī)同時(shí)報(bào)警，且單片機(jī)的警報(bào)只有當(dāng)接收到來自手機(jī)發(fā)送的警報(bào)解除信號或者藍(lán)牙重新連接上時(shí)才會(huì)解除。其目的在于有人推走嬰兒車后，嬰兒車會(huì)一直警報(bào)，引起監(jiān)護(hù)人和其他路人的注意，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)嬰兒車被推走。在推走距離不是很遠(yuǎn)時(shí)，可通過警報(bào)聲追蹤嫌疑人。

1.1.5 位置定位

位置定位通過S1216北斗+GPS雙定位模塊來實(shí)現(xiàn)，其天線放置在嬰兒車的把手上。S1216與單片機(jī)STM32之間通過串口3交換數(shù)據(jù)，串口3的波特率設(shè)置為38 400，刷新頻率為5 Hz。北斗+GPS具有更高的精度，其定位精度為2.5 mCEP。當(dāng)監(jiān)護(hù)人想要查看嬰兒車位置時(shí)可通過手機(jī)軟件將命令字中GPS位置1發(fā)送給單片機(jī)，STM（1）接收到命令字完成解析后，將經(jīng)緯坐標(biāo)通過WIFI模塊回傳給手機(jī)。因?yàn)閭魉妥珠L的關(guān)系，手機(jī)軟件上顯示小數(shù)點(diǎn)后四位，這已經(jīng)能滿足基本需求。

1.1.6 數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)通信依賴于WIFI模塊ESP8266來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)與手機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸都必須通過ESP8266完成。ES8266接收到6位手機(jī)命令字后，通過串口2傳送給STM32（1），STM32（1）對6位命令字進(jìn)行解析，不同的位對應(yīng)不同的功能，根據(jù)不同的命令字執(zhí)行不同的功能。ESP8266設(shè)置的波特率為115 200，傳輸速率約為8.5 KB/S，在數(shù)據(jù)量不大時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。

1.1.7 報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)由蜂鳴器和攝像頭組成，攝像頭選用OV2640。其像素為200萬，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，抓拍的照片可以分辨人的面貌特征，抓拍反應(yīng)時(shí)間小于1 s，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)對壓力警報(bào)做出反應(yīng)。報(bào)警系統(tǒng)被壓力傳感器觸發(fā)時(shí)蜂鳴器動(dòng)作，OV2640抓拍抱起人員，手機(jī)軟件彈出“嬰兒被抱起”的窗口并持續(xù)振動(dòng)。抓拍照片存放在STM32（2）攜帶的內(nèi)存卡里，同時(shí)STM32（2）通過STM32（1）發(fā)送到手機(jī)。報(bào)警系統(tǒng)被藍(lán)牙觸發(fā)時(shí)蜂鳴器動(dòng)作，手機(jī)軟件彈出“嬰兒超出距離”的窗口并持續(xù)振動(dòng)。 STM32（1）流程圖和STM32（2）流程圖如圖2和圖3所示。

圖2 STM32（1）流程圖

圖3 STM32（2）流程圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件通過發(fā)送命令字控制系統(tǒng)，命令字一共6位。功能如下。對應(yīng)指示表如表1所示。

表1 對應(yīng)指示表

第0位：控制GPS，為0時(shí)手機(jī)軟件不接收經(jīng)緯坐標(biāo)，為1時(shí)接收經(jīng)緯坐標(biāo)。

第1位：控制DHT11，為0時(shí)手機(jī)軟件不接收溫濕度值，為1時(shí)接收溫濕度值。

第2位：控制指紋模塊，為0時(shí)指紋模塊正常工作，為1時(shí)指紋模塊禁用。

第3位：控制藍(lán)牙，為0時(shí)禁用距離報(bào)警，為1時(shí)開啟距離報(bào)警并且啟動(dòng)手機(jī)藍(lán)牙。

第4位：控制壓力傳感器，為0時(shí)壓力傳感器正常工作，為1時(shí)壓力傳感器禁用。

第5位：解除警報(bào)，默認(rèn)為0，允許單片機(jī)發(fā)出警報(bào)，手機(jī)收到警報(bào)時(shí)置1關(guān)閉系統(tǒng)警報(bào)。

軟件識(shí)別區(qū)分來自單片機(jī)回傳的數(shù)據(jù)依賴于回傳數(shù)據(jù)前的標(biāo)識(shí)符，比如“TEM|”表示溫度，“"HUM|”表示濕度，“"BJ|”則表示警報(bào)，“WD|N”表示北緯，“JD|E”表示東經(jīng)。

圖4 軟件主界面

圖5 軟件功能界面

軟件主界面如圖4所示，軟件功能界面如圖5所示。

2 結(jié)束語

本款基于STM32的智能安全嬰兒車可以較全面地為嬰兒提供防護(hù)，各功能通過軟件開啟或關(guān)閉，更加人性化。該設(shè)計(jì)的不足之處在于利用ESP8266進(jìn)行數(shù)據(jù)通信必須有可供連接的WIFI，這就極大地限制了這款智能安全嬰兒車的應(yīng)用，以及抓拍時(shí)不能連拍，一旦照片模糊，就無法識(shí)別嫌疑人，后期發(fā)展方向則是采用物聯(lián)網(wǎng)的新一代標(biāo)準(zhǔn)NB-Iot進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而擺脫對WIFI無線網(wǎng)絡(luò)的依賴，加快數(shù)據(jù)傳送速率，優(yōu)化算法，提高攝像頭反應(yīng)速度的同時(shí)，使攝像頭能夠完成連拍多張照片的任務(wù)。