嬰幼兒學(xué)步車(chē)安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張誠(chéng)誠(chéng) 梅斌 沈宏光 韓宇 王靖宇

摘? 要：根據(jù)嬰幼兒安全需求，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的智能嬰幼兒學(xué)步車(chē)安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括防嬰幼兒丟失的壓力傳感器、防跌落的高度傳感器、防摔倒的速度傳感器，并能將這些傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)WiFi模塊上傳到監(jiān)護(hù)人的手機(jī)APP上，通過(guò)設(shè)置這些傳感器的閾值，或采用默認(rèn)值，配合系統(tǒng)中的剎車(chē)控制系統(tǒng)，在危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)剎車(chē)，能根據(jù)監(jiān)護(hù)人的要求很好地保證嬰幼兒使用學(xué)步車(chē)的安全。

關(guān)鍵詞：嬰幼兒學(xué)步車(chē)? 安全監(jiān)測(cè)? 傳感器? 自動(dòng)控制? 單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：Y57 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）07（b）-0007-03

Design of Safety Monitoring and Control System for Baby Walkers

ZHANG Chengcheng? MEI bin*? SHEN Hongguang? HAN Yu? WANG Jingyu

（Hubei Normal University， Huangshi， Hubei Province， 435002 China）

Abstract： According to the safety requirements of infants and young children， a safety monitoring and control system of intelligent toddler based on single chip microcomputer is designed. The system includes pressure sensor， height sensor and speed sensor to prevent infants and young children from losing. The data of these sensors can be uploaded to the mobile app of the Guardian through WiFi module in real time， and these sensors can be set According to the requirements of the guardian， it can ensure the safety of infants and young children to use the walking car.

Key Words： Baby walker; Safety monitoring; Sensor; Automatic control; Single chip microcomputer

眾所周知，嬰兒在學(xué)習(xí)走路的時(shí)間里，父母都會(huì)特別擔(dān)心孩子的安全，傳統(tǒng)的嬰兒學(xué)步車(chē)最初是為了解放母親的雙手，但隨著人們對(duì)傳統(tǒng)嬰兒學(xué)步車(chē)的使用，一系列的安全隱患逐漸外露，例如廣州康復(fù)醫(yī)學(xué)專(zhuān)家指出過(guò)早使用學(xué)步車(chē)會(huì)造成嬰兒步態(tài)不穩(wěn)、腿骨變形甚至影響脊柱發(fā)育[1]。致使許多父母不敢讓自己的孩子通過(guò)嬰兒學(xué)步車(chē)來(lái)練習(xí)走路。為了解決這一問(wèn)題，該文提出了嬰兒學(xué)步車(chē)的改進(jìn)措施，即通過(guò)安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)來(lái)輔助傳統(tǒng)的嬰兒學(xué)步車(chē)，更好地實(shí)現(xiàn)了母親放心、孩子開(kāi)心的特點(diǎn)。

該文主要以加強(qiáng)嬰幼兒在學(xué)步過(guò)程的安全性為目的，改進(jìn)并完善嬰幼兒學(xué)步車(chē)，進(jìn)而降低父母照顧嬰幼兒的壓力。經(jīng)過(guò)研究調(diào)查，市場(chǎng)上常見(jiàn)的嬰幼兒產(chǎn)品的制作主要應(yīng)用的材料是塑料（高分子量的合成樹(shù)脂），這種材料的回收性差、耐熱差、易老化，燃燒時(shí)可產(chǎn)生有毒氣體，對(duì)寶寶的身體影響極大，所以必須選用安全材料。另外，傳統(tǒng)的嬰兒學(xué)步車(chē)制作簡(jiǎn)易，存在很多的安全問(wèn)題，目前涉及的主要安全問(wèn)題有3個(gè)：一是座位適應(yīng)度不佳;二是安全性不高，沒(méi)有監(jiān)測(cè)措施的情況下，孩子有被他人抱走的風(fēng)險(xiǎn);三是易側(cè)翻，學(xué)步車(chē)位于樓梯或下坡邊緣時(shí)，嬰幼兒很難控制住學(xué)步車(chē)，會(huì)導(dǎo)致學(xué)步車(chē)側(cè)翻的嚴(yán)重后果。

為了避免以上情況的發(fā)生，可以利用高度傳感器、壓力傳感器和速度傳感器，以及WiFi模塊和手機(jī)APP來(lái)對(duì)嬰兒學(xué)步車(chē)的狀態(tài)進(jìn)行直接或間接的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，讓家長(zhǎng)能夠真正地放心并合理利用嬰兒學(xué)步車(chē)，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)孩子們盆骨、腿骨正常發(fā)育。家長(zhǎng)在手機(jī)上可清晰地看到孩子的狀態(tài)與位置，由系統(tǒng)的高度傳感器確定是否有側(cè)翻危險(xiǎn)，若有危險(xiǎn)，嬰兒學(xué)步車(chē)通過(guò)配合系統(tǒng)中的剎車(chē)控制系統(tǒng)自動(dòng)鎖住學(xué)步車(chē)，由系統(tǒng)的壓力傳感器確定嬰幼兒是否離開(kāi)學(xué)步車(chē)，若嬰幼兒離開(kāi)座椅，嬰兒學(xué)步車(chē)以及家長(zhǎng)手機(jī)APP會(huì)同時(shí)“報(bào)警”，確保嬰幼兒的安全。

1? 硬件設(shè)計(jì)

嬰兒學(xué)步車(chē)的安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)是以STC89C52RC單片機(jī)為核心，高度傳感器、壓力傳感器、速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，WiFi模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊议L(zhǎng)的手機(jī)APP上，保障嬰幼兒的安全。單片機(jī)與各傳感器模塊之間的相互關(guān)聯(lián)如圖1所示。

1.1 高度傳感器

高度傳感器可以利用紅外測(cè)距傳感器，高度傳感器可安放在嬰兒學(xué)步車(chē)的各個(gè)車(chē)輪的固定位置，來(lái)間接、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)各車(chē)輪離地面的高度，加以判別在嬰兒學(xué)步車(chē)?yán)锏膵雰菏欠裉幱陬?lèi)似樓底的危險(xiǎn)區(qū)域邊緣。其中需要特別注意的是，光脈沖的傳播速度非?？?，約為299792458m/s，所以要想測(cè)量的距離達(dá)到預(yù)想的精準(zhǔn)度，就要求傳感器的電子電路必須能分辨出極短的時(shí)間。

1.2 壓力傳感器

壓力傳感器是一種能將接收到的壓力信號(hào)通過(guò)某一規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，它是由壓力敏感元件和信號(hào)處理單元組成[2]。壓力傳感器在正常工作時(shí)，壓力敏感元件可以接收到由外部產(chǎn)生的壓力信號(hào)，然后信號(hào)處理單元通過(guò)某一規(guī)律轉(zhuǎn)換為一個(gè)觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到家長(zhǎng)的手機(jī)APP上，家長(zhǎng)就能清楚地知道嬰兒是否離開(kāi)了學(xué)步車(chē)。

1.3 速度傳感器

速度可以分為角速度與線速度，對(duì)應(yīng)就有角速度傳感器與線速度傳感器[3]。將速度傳感器固定在嬰兒學(xué)步車(chē)穩(wěn)定的支架上，速度傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車(chē)的速度并可以實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)顯示在家長(zhǎng)的手機(jī)APP上，當(dāng)小車(chē)的速度達(dá)到一定的閾值時(shí)，線速度傳感器將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)將通過(guò)控制嬰兒學(xué)步車(chē)的車(chē)輪來(lái)保障嬰幼兒的安全，與此同時(shí)再通過(guò)WiFi模塊將危險(xiǎn)信息發(fā)送給家長(zhǎng)的手機(jī)APP上。線速度傳感器是一種能將接收到的速度變化量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)變化量的裝置，常見(jiàn)的線速度的測(cè)量原理有激光測(cè)速和雷達(dá)測(cè)速，如圖2所示。

利用激光測(cè)速的線速度傳感器在正常工作時(shí)，先由激光發(fā)射口發(fā)射激光，激光遇到物體發(fā)生散射，部分激光被攝像接收口接收并將信號(hào)反饋給信號(hào)處理器，最后信號(hào)處理器根據(jù)算法得到嬰兒學(xué)步車(chē)的線速度[4]。

1.4 WiFi模塊

普遍的WiFi模塊可大致分為3類(lèi)：通用WiFi模塊、路由器WiFi模塊和嵌入式WiFi模塊[5]，通用WiFi模塊主要應(yīng)用于手機(jī)、電腦等電子設(shè)備，路由器WiFi模塊主要應(yīng)用于家用路由器上，嵌入式WiFi模塊主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)等智能家居。在嬰兒學(xué)步車(chē)上可以利用嵌入式WiFi模塊給手機(jī)APP實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，讓家長(zhǎng)真正地能夠放心。

1.5 剎車(chē)控制系統(tǒng)

嬰幼兒使用的學(xué)步車(chē)的車(chē)輪都一般為自由輪，為了適應(yīng)嬰幼兒這種特殊群體，可以采用兩種方法進(jìn)行剎車(chē)控制：一是齒輪剎車(chē)法，將車(chē)輪上的齒輪卡住，直接鎖死車(chē)輪;二是剎車(chē)片剎車(chē)法，通過(guò)剎車(chē)片對(duì)車(chē)輪產(chǎn)生摩擦力剎車(chē)（摩擦力在90～300N），并可以根據(jù)小車(chē)速度控制剎車(chē)的力度，這樣可以防止慣性對(duì)寶寶造成傷害。

學(xué)步階段的嬰幼兒在正常使用學(xué)步車(chē)時(shí)的線速度在1m/s內(nèi)，可以將此速度作為速度傳感器的閾值，若嬰幼兒學(xué)步車(chē)上的速度傳感器監(jiān)測(cè)到線速度超過(guò)這個(gè)閾值，則傳感器將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)最后控制剎車(chē)片進(jìn)行防抱死剎車(chē)，防止學(xué)步車(chē)的慣性對(duì)寶寶造成傷害。當(dāng)高度傳感器監(jiān)測(cè)到嬰幼兒學(xué)步車(chē)靠近樓梯等有側(cè)翻危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，需要采用齒輪剎車(chē)法直接在最短時(shí)間內(nèi)鎖死車(chē)輪。

2? 結(jié)語(yǔ)

這種擁有安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的嬰兒學(xué)步車(chē)能夠更好地讓嬰幼兒在使用時(shí)讓盆骨、腿骨正常發(fā)育，3種傳感器模塊（高度、壓力和速度傳感器）以及WiFi模塊的關(guān)聯(lián)能夠讓家長(zhǎng)通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)了解到孩子在嬰兒學(xué)步車(chē)上的動(dòng)態(tài)，同時(shí)嬰兒學(xué)步車(chē)?yán)米陨淼谋O(jiān)測(cè)與剎車(chē)控制系統(tǒng)也能及時(shí)地避免嬰幼兒受到不可控制的意外傷害。

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