基于低功耗藍(lán)牙技術(shù)的智能嬰兒搖床設(shè)計(jì)

重慶第二師范學(xué)院 李芷薇 穆壹瀾 趙 楚

引言：在二胎開放的大環(huán)境下，嬰幼兒產(chǎn)品智能化的需求愈加迫切，一款便利的嬰兒搖床也成了每個(gè)擁有新生兒家庭的必需品，為了寶貝的健康成長同時(shí)幫助解決父母們無法成眠的苦惱，本文主要以AU6210K為主控芯片，實(shí)時(shí)檢測兒童們所處室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量，及時(shí)示警，并利用聲音傳感器檢測來孩子的哭聲，驅(qū)動(dòng)音樂播放模塊和搖擺驅(qū)動(dòng)電路模塊來安撫嬰兒，減少對家長工作生活產(chǎn)生影響的嬰兒哭鬧次數(shù)，有效改善新生兒家庭的生活品質(zhì)。

1.序言

二胎政策的開放大大增加了我國新生兒在全國所占人口比例，人們對嬰兒床的需求隨之增長。如何為嬰兒們提供一個(gè)良好的安睡、成長的環(huán)境成為了當(dāng)下?lián)碛行律鷥旱募彝リP(guān)注的熱點(diǎn)。嬰兒床周圍的空氣質(zhì)量是時(shí)刻影響兒童生長的關(guān)鍵因素，如何實(shí)時(shí)監(jiān)控空氣質(zhì)量的變化成為了家長們的一項(xiàng)煩惱；嬰兒在夜半驚醒后，如果沒有得到及時(shí)的安撫，啼哭聲將在得到安撫后才可能停止，然而及時(shí)發(fā)現(xiàn)和回應(yīng)嬰兒是家長們的另一項(xiàng)煩惱。

本設(shè)計(jì)旨在監(jiān)測嬰兒床周圍的環(huán)境，當(dāng)空氣中的有害氣體檢測超標(biāo)時(shí)，實(shí)時(shí)向家長報(bào)警；時(shí)刻檢測孩子的所處環(huán)境的分貝值，及時(shí)播放音樂并搖床回應(yīng)并安撫孩子，減少父母的起夜次數(shù)。

2.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用AU6210K作為主控芯片與六個(gè)模塊相互連接以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能：

①電源模塊；②藍(lán)牙模塊；③搖擺驅(qū)動(dòng)電路模塊；④聲音傳感器模塊；⑤音樂播放模塊；⑥空氣質(zhì)量檢測模塊。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.硬件部分

3.1 主控芯片的選擇

設(shè)計(jì)的主控芯片為AU6210K，它具有多應(yīng)用、高性能音頻SOC芯片，具有可以讀取MP3格式的文件系統(tǒng)，兼具M(jìn)P3解碼模塊，支持UFO設(shè)備掉電記憶，IO口復(fù)用等功能，適合實(shí)現(xiàn)多功能模塊連接，可滿足藍(lán)牙接入以及低功耗等需求。[1]

其功能模塊如圖2所示。

3.2 主控芯片外圍連接模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 電源模塊

電源模塊的設(shè)計(jì)核心是低功耗，同時(shí)保證功能的供能。AU6210K中包含LDO模塊，需要提供一組3.35-5.5V的輸入電源。當(dāng)輸入電壓為5V時(shí)，功耗相對較低。系統(tǒng)在不使用時(shí)，主控板將停止工作，進(jìn)入低電量模式，低功耗運(yùn)行時(shí)鐘鬧鐘，等待并實(shí)時(shí)響應(yīng)喚醒信號。[1]一般情況下，藍(lán)牙模塊處于待機(jī)狀態(tài)，直到主控板喚醒藍(lán)牙模塊進(jìn)入藍(lán)牙模式。

圖2 主控芯片功能模塊示意圖

圖3 主控芯片封裝圖

3.2.2 聲音傳感器模塊

該模塊采用的一種設(shè)置合理，分辨率高的聲音檢測傳感器，利用聲音檢測架屏蔽設(shè)在下部的檢測孔以外的周圍噪聲，經(jīng)過處理器差分處理后，實(shí)現(xiàn)對被檢測對象聲音大小的檢測[2]，檢測效果較好，制作成本低廉，在設(shè)計(jì)中用以檢測嬰幼兒作出環(huán)境的噪聲和嬰兒自身的哭鬧聲。將收集到的數(shù)值傳給AU6210K并進(jìn)行解碼判斷，獲取當(dāng)前嬰兒是否處于哭鬧狀態(tài)的判斷結(jié)果。

傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 聲音傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.3 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)的藍(lán)牙模塊原理圖如圖5所示，將藍(lán)牙芯片的多個(gè)引腳接入主控AU6210K，實(shí)現(xiàn)連接控制。開啟藍(lán)牙模式后，會(huì)自動(dòng)連接到上一次接入的設(shè)備，方便操作，可以直接在移動(dòng)設(shè)備中控制播放，方便家長們的操作。

圖5 藍(lán)牙模塊與主控模塊連接示意圖

3.2.4 搖擺驅(qū)動(dòng)電路模塊

根據(jù)分貝檢測的結(jié)果判斷是否啟動(dòng)搖床的機(jī)制，如果在不斷安撫下寶寶的哭鬧沒有停止，將會(huì)減緩直至停止搖動(dòng)，并向家長的移動(dòng)端發(fā)送消息，提示家長前來查看寶寶的情況。

本設(shè)計(jì)使用的一種采用無線電遙控的電磁搖擺器，可隨時(shí)調(diào)整頻率，安全可靠、新型無噪聲、制作成本低。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 電磁搖擺器結(jié)構(gòu)圖

圖7 空氣質(zhì)量檢測流程

該部分的設(shè)計(jì)利用的電磁感應(yīng)原理，電磁感應(yīng)原理是對線圈通電后產(chǎn)生磁力。[2]通過改變通過線圈的電流大小來改變磁力的大小，搖床在搖擺過程中，搖擺的力度能夠根據(jù)需求通過改變電壓的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)從而使搖床產(chǎn)生合適規(guī)律的擺動(dòng)，由于電流是線性變化的，可以搖床能夠平穩(wěn)的進(jìn)行搖擺，噪聲較小。

3.2.5 音樂播放模塊

利用AU6210K的功能模塊MP3解碼器，從直接存儲(chǔ)器中取出MP3音樂文件，并在解碼芯片中解讀出存儲(chǔ)器中的信號，對信號進(jìn)行解碼，再利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器將這些數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后將通過轉(zhuǎn)換的模擬音頻通過功放模塊進(jìn)行放大，最后進(jìn)行濾波后傳送到音箱[3]，播放家長預(yù)先存放的搖籃曲。

同時(shí)在藍(lán)牙模式下，可以通過藍(lán)牙連接家長的移動(dòng)設(shè)備，直接在設(shè)備中控制媒體音樂的播放。

3.2.6 空氣質(zhì)量檢測模塊

設(shè)計(jì)中一共采用了三種傳感器來檢測空氣質(zhì)量：甲醛傳感器；NH3傳感器；苯傳感器。空氣質(zhì)量檢測的流程如圖7所示。甲醛傳感器采用Membrapor公司生產(chǎn)的電化學(xué)傳感器CH2O/S-10-S收集空氣中的甲醛濃度數(shù)值；NH3傳感器和苯傳感器均選擇Winsensor公司生產(chǎn)的電化學(xué)傳感器。將通過氣體傳感器采集到的對應(yīng)氣體濃度的微弱電流信號，利用信號調(diào)理電路和基于FPGA的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路得到對應(yīng)氣體的初始濃度值輸出給主控芯片[4]。

對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)超過閾值時(shí)，將觸發(fā)報(bào)警功能，啟動(dòng)藍(lán)牙模塊，向家長的移動(dòng)設(shè)備發(fā)送警報(bào)信息。

4.軟件部分

本設(shè)計(jì)軟件編寫采用C語言，使用KeilμVision5軟件進(jìn)行編譯，主函數(shù)中使用的是一個(gè)while循環(huán)。

在主函數(shù)設(shè)計(jì)方面，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。

①判斷聲音傳感器收集到的數(shù)值

針對聲音傳感器回傳的數(shù)值，判斷嬰兒是否處于哭鬧狀態(tài)。當(dāng)新生兒處于哭鬧狀態(tài)時(shí)，喚醒藍(lán)牙模式并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，同時(shí)驅(qū)動(dòng)音樂播放模塊和搖床機(jī)制，以合適的音量和適合的檔速調(diào)節(jié)音樂和搖床速度，同時(shí)根據(jù)計(jì)時(shí)器的數(shù)值大小對兒童哭鬧的時(shí)長是否達(dá)到閾值進(jìn)行判斷，及時(shí)通過藍(lán)牙向監(jiān)護(hù)人發(fā)送示警信息。

當(dāng)判斷出嬰兒停止哭鬧時(shí)，搖床和音樂漸弱，進(jìn)入低電量模式，同時(shí)藍(lán)牙休眠，刷新系統(tǒng)，重新對于傳感器的數(shù)值進(jìn)行判斷。

②判斷空氣質(zhì)量傳感器收集到的數(shù)值

針對空氣質(zhì)量傳感器回傳的數(shù)值，對嬰幼兒所處的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行空氣質(zhì)量檢測，當(dāng)?shù)玫降臍怏w濃度達(dá)到閾值時(shí)，及時(shí)通過藍(lán)牙向移動(dòng)設(shè)備端發(fā)出示警信息，向家長報(bào)告孩子此時(shí)所處環(huán)境的空氣質(zhì)量，提醒家長及時(shí)通風(fēng)換氣。

設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示：

圖 8 軟件設(shè)計(jì)流程圖

5.結(jié)論

本智能嬰兒搖床設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的主要功能有：①實(shí)時(shí)檢測環(huán)境的空氣質(zhì)量；②通過聲音傳感器檢測嬰兒的哭鬧狀態(tài)；③通過上位機(jī)或藍(lán)牙控制音樂的播放和控制搖床功能；④具有通過藍(lán)牙向移動(dòng)端示警的功能。

引文

①朱巍,周龍.新型多功能藍(lán)牙音箱設(shè)計(jì)[J].武漢輕工大學(xué)學(xué)報(bào),2014(2):52-55,59.

②任平.電磁搖擺器:中國,CN01256709.4[P].2002-11-27.

③何文華.遠(yuǎn)程智能嬰兒床研究設(shè)計(jì)[J].電子世界,2016(09):58+60.

④張光南.一種新型室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的設(shè)計(jì)[J].河南科學(xué),2014,32(08):1478-1482.

⑤走出塵埃.電子閥工作原理及控制電路設(shè)計(jì)[EB/OL].(2016-07-17)[2018-05-25]http://www.360doc.com/content/16/0717/07/29864439_576194008.shtml.