基于STM32單片機的智能嬰兒床設計*

潘銘志，陳嘉欣，劉慧玲

(晉中學院 機械系，山西 晉中 030619)

0 引言

近幾年來，智能家居發展迅速，不論冰箱、空調還是門鎖、窗簾，全都朝著智能化方向發展。其目的都是為了節省人力，而對于照顧嬰兒這項工作，智能化產品在節省時間、減少精力耗費方面起到了關鍵作用。

本文主要介紹一種智能化的嬰兒床，該產品以STM32單片機作為核心控制器，運用網絡通信技術、機械制造技術、嵌入式開發技術，結合聲音傳感器、溫濕度傳感器以及步進電機，將傳統嬰兒床進行綜合升級，實現了互連互通、以人為本的全新設計，并且配備安卓軟件，保障育兒生活更加安全省心、智能便利。通過手機端可以控制嬰兒床搖晃、調整嬰兒床的姿勢、檢測嬰兒是否小便，以及可以開啟無需實時照看的睡眠模式。

1 總體設計

該智能嬰兒床由機械部分和電路部分組成，主要以STM32F1單片機作為核心控制器，連接溫濕度傳感器和聲音傳感器，將數據采集后進行處理，并通過Wi-Fi模塊發送至手機端，可檢測嬰兒小便、具有睡眠模式、能及時提醒監護人并反饋嬰兒的一些實時狀況。該嬰兒床整體結構簡單，采用步進電機、減速齒輪箱、傳動軸實現搖籃功能，并且在已有嬰兒床的基礎上降低了床體重心和嬰兒床的擺幅、增加了護欄高度、將床板邊緣或者床板上空氣流通口的邊緣進行了光滑處理，在可搖擺、可通風的基礎上增加了美觀、安全系數高等優點。智能嬰兒床的總體框圖如圖1所示。

圖1 智能嬰兒床的總體框圖

2 系統設計

該系統分為電源模塊、搖籃模塊、調整座椅模塊、檢測模塊、睡眠模塊和小風扇等幾個部分。

2.1 電源模塊

電源模塊采用LM2596可調電源模塊，外接12 V鋰電池。該模塊可將電源轉換為12 V以內的任意電壓，STM32F1單片機連接5 V電源，溫濕度傳感器DHT11、聲音傳感器LM386連接5 V電源，步進電機驅動器TB6600連接12 V電源。該模塊裝有4個自恢復保險絲，可對過熱、過流進行保護，且具有自動恢復的功能。此外還帶有電源指示燈，若燈滅，說明負載有短路，可提醒及時拔掉電源。

2.2 搖籃模塊

42步進電機與齒輪組中的主動輪連接進行動力傳動，從動輪與傳動軸連接，由傳動軸連接床體。首先在單片機中設置好步進電機步數后，收到指令，步進電機開始轉動，轉子帶動齒輪組運動，齒輪組帶動傳動軸運動，最后由傳動軸帶動床體進行單方向、小角度、低速度的搖擺。嬰兒床兩側的傳動軸與前、后兩端床體中的軸承連接，增加了傳動的穩定性。齒輪組為減速齒輪，傳動比為0.8，過快的速度搖擺影響嬰兒的身體健康，會造成不適感。步進電機驅動器采用TB6600，該驅動器可用撥碼開關選擇8擋電流，具有過熱、過流短路保護功能，能夠小噪聲、低震動、高速地驅動電機。

在單片機中已設置好多種搖籃模式，根據調查，將單側搖擺角度設置為13°，搖擺周期為3 s，是最適合2周歲以下的嬰兒，不會對嬰兒造成危害。監護人可以通過手機端并根據嬰兒年齡的不同選擇合適的模式。此處采用兩個步進電機，分別與驅動器1和驅動器2連接，搖籃模塊電路如圖2所示。

圖2 搖籃模塊電路

2.3 調整座椅模塊

該嬰兒床的床位分為三部分，中間部分固定于床架，前、后兩部分分別與一個轉軸連接。使用聯軸器將步進電機轉子和轉軸連接，轉軸與床板連接，在另一側轉軸與軸承連接。利用單片機設置好步進電機步數，收到指令后，步進電機提供動力帶動轉軸運動，使床板開始旋轉，此時可以通過手機端將床板固定在任意傾斜狀態，由此完成從睡姿到坐姿的轉換，同理，也可在休息時將床板恢復到水平狀態。

此處采用兩個步進電機，分別與驅動器3和驅動器4連接。調整座椅模塊電路如圖3所示。

圖3 調整座椅模塊電路

2.4 檢測模塊

將溫濕度傳感器DHT11與單片機連接，實時監測嬰兒是否尿床，并進行判斷。將溫濕度傳感器置于床板上，提前對其設置適當閾值，當嬰兒尿床時，溫度濕度超出傳感器閾值，傳感器會反饋到單片機，從而提醒監護人及時處理。

該數字溫濕度傳感器功耗極低，信號傳輸距離可達20 m以上，具有體積小、響應速度快、控制簡單等特點。與單片機連接后，一直讀取外界溫濕度數據，若超過閾值，發生中斷，將提示發送至手機端。溫濕度傳感器DHT11電路原理圖如圖4所示。

圖4 DHT11電路原理圖

2.5 睡眠模塊

監護人可在嬰兒入睡后開啟睡眠模式，聲音傳感器LM386將監測嬰兒睡醒后是否哭泣或拍打床體。聲音傳感器放置于床頭，提前對其設置適當閾值，當嬰幼兒睡醒后，若發出的聲音超過傳感器閾值，傳感器會反饋到單片機，從而將提醒發送至手機端，防止嬰兒在沒有人監管的情況下發生危險。同時，監護人可提前設置好哭泣后是否自動開啟搖籃模式，若檢測到哭聲，提醒監護人的同時也會開始搖晃嬰兒床。

該聲音傳感器功耗低、諧波失真小，可檢測的頻段為50 Hz～20 kHz。嬰兒的哭聲可達到600 Hz～1 200 Hz左右，而環境中的噪聲頻率小于200 Hz，因此需在傳感器前連接一個低頻濾波器，防止環境噪聲干擾聲音傳感器的正常工作，阻斷400 Hz以下的聲音。LM386的DATA接單片機的PB6引腳，該引腳為TIM4_CH1，利用中斷對外界聲音進行捕獲，若產生一次上升沿，即捕獲了一次外界高于400 Hz的聲音。LM386的電路原理圖如圖5所示。

圖5 LM386電路原理圖

2.6 小風扇

使用電機馬達帶動兩個小風扇，內置于嬰兒床護欄的一側，解決夏季炎熱的問題，提升嬰兒的舒適感，并且安裝了風扇保護罩，避免對嬰兒造成危險。電機使用L9110驅動器，該驅動器為兩通道推挽式功率放大器件，TTL/CMOS輸出電平兼容，可直接連CPU，并且利用PWM脈沖調制對電機進行調速。可通過手機端對轉速進行設置，控制風力的強弱，滿足不同年齡段嬰兒的需要。小風扇模塊電路如圖6所示。

圖6 小風扇模塊電路

2.7 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊采用ESP8266聯網模塊，該模塊所發送的信號覆蓋范圍可達30 m。首先使用手機端發送指令給ESP8266，然后再將數據發送給單片機，單片機產生中斷，并對比指令內容，執行相應操作，或發送數據給手機端。ESP8266電路原理圖如圖7所示。

圖7 ESP8266電路原理圖

3 軟件設計

bool ESP8266_Link_Server(ENUM_NetPro_TypeDef enumE,char * ip,char * ComNum,ENUM_ID_NO_TypeDef id)

{

char cStr [100] ={ 0 },cCmd [120];

switch (enumE )

{

case enumTCP:

sprintf (cStr,"”%s”,”%s”,%s","TCP",ip,ComNum );

break;

case enumUDP:

sprintf (cStr,"”%s”,”%s”,%s","UDP",ip,ComNum );

break;

default:

break;

}

if (id <5 )

sprintf (cCmd,"AT+CIPSTART=%d,%s",id,cStr);

else

sprintf (cCmd,"AT+CIPSTART=%s",cStr );

return ESP8266_Send_AT_Cmd (cCmd,"OK","ALREAY CONNECT",4000 );

}

該模塊最高傳輸速率可達72.2 Mb/s，能夠滿足手機端的傳輸要求。手機端為用戶提供了4個模塊的功能，界面如圖8所示。

圖8 手機端界面

指令中控制位不同，代表著不同的指令。控制位對應的功能如表1所示。

表1 控制位對應的功能

4 結語

本文設計了一款多功能嬰兒床，在滿足嬰兒基本生活需求的同時，更多地減輕了監護人照顧嬰兒時的工作量。該設計結構合理，獲取外界信息能力強，監護人操作簡單，符合未來嬰兒床的發展趨勢。