基于嵌入式技術的智能嬰兒床設計

單賓賓，梁宸睿，李森森，焦澤棟，張蘇南，薛 清

（江蘇海洋大學 理學院，江蘇 連云港 222005）

0 引 言

隨著時代的發展以及社會的變化，我國人口結構也在不斷發生變化。根據第七次全國人口普查數據顯示，2020 年中國總和生育率僅為1.3，相較于歷次全國人口普查呈下降趨勢[1]。而隨著中國總和生育率的降低，國家為了應對持續變化的人口結構與形式，也相應調整了我國早期所實施的計劃生育政策，繼而全面提出并實施了“二孩”“三孩”等生育政策，為維持我國生育率保持正常水平保駕護航。當代社會，年輕人普遍存在早出晚歸以及加班等現象，這種現象早已不是單獨某一個行業存在的問題[2]，已影響了育齡婦女以及其所在家庭對生育成本的考量。本設計基于當前社會現狀，設計了一款基于嵌入式技術的智能嬰兒床系統。

1 系統硬件電路設計

1.1 設計思路

為實現對嬰兒尿床狀況、哭鬧狀況的實時監控并在出現異常時自動告警以及自動化哄睡嬰兒，文中設計了一套智能系統裝置。利用STM32F767 系列單片機，結合聲音傳感器、溫濕度傳感器、電機驅動模塊等設備，達到實時監測嬰兒狀況的目的，同時還需將嬰兒狀況進行可視化處理，方便父母查看。

1.2 系統硬件架構

智能嬰兒床的結構如圖1 所示。嬰兒床以STM32F767系列單片機為控制核心。設備共分為四部分：主機控制端、傳感器端、電機驅動端、信息呼叫端。

圖1 智能嬰兒床結構

主機控制端為系統的控制樞紐及核心，需完成系統的邏輯運算、邏輯判斷等操作；控制電機驅動端運行、接收傳感器端實時傳輸的數據、控制信息呼叫端發送警報[3-4]。

主機控制端下方為智能嬰兒床的人機交互顯示裝置，由RGB 電容觸摸液晶顯示屏、SD 卡組成。其中，RGB 電容觸摸液晶顯示屏用于檢測觸摸交互以及顯示相應的圖片、文字信息，方便父母觀察嬰兒的狀況，并控制智能嬰兒床的運行；SD 存儲卡主要用于存儲液晶顯示屏所需顯示的圖片以及顯示文字所需的字庫[5]。

圖中主機控制端上方為傳感器端，傳感器端由溫濕度傳感器、聲音傳感器組成，主要負責監測嬰兒尿床、嬰兒哭鬧等狀況，并將相關數據傳輸至主機控制端，由主機控制端進行處理與邏輯判斷。

主機控制端左側為電機驅動端，包括電機驅動模塊和直流減速電機。電機驅動端的主要功能是對電機進行驅動，實現搖晃床體哄睡嬰兒的目的。該模塊由主機控制端所產生的PWM 波控制直流減速電機的轉速[6]。

主機控制端右側為信息呼叫端，由通信模塊、WiFi 模塊組成，主要將嬰兒的異常狀況通過電話及時通知父母，并通過WiFi 模塊將嬰兒相關信息上傳至云端，與手機APP 同步。

2 系統軟件設計

智能嬰兒床主程序流程如圖2 所示。流程圖只展現了程序的大致運行過程，更多細節將在系統實現章節闡述。當程序開始運行時，首先初始化系統（需要初始化的外設及模塊為L298N 電機驅動模塊、ATK-ESP8266 無線傳輸模塊、RGB 電容觸摸液晶顯示屏、DHT11 數字溫濕度傳感器、YL-56 聲音傳感器、SD 卡；需要初始化的系統內部資源為FLASH、SDRAM、定時器、時鐘、中斷、串口、內存池）。接著，傳感器端運行并實時監測嬰兒的各項數據：當檢測到嬰兒尿床或哭鬧時，系統通過呼叫端呼叫父母前來處理，之后將數據上傳至云平臺與手機APP 同步，同時，觸摸屏上顯示相應的內容并檢測觸摸；當檢測到用戶開啟哄睡模式時，電機端按照設定的擋位運行，持續監測數據，開啟邏輯判斷。

圖2 智能嬰兒床主程序流程

3 分析和論證

3.1 嬰兒狀況的判斷與處理

用于判斷嬰兒尿床狀況的數據來源于DHT11 數字溫濕度傳感器，將傳感器放置在嬰兒床墊下，系統通過判斷傳感器所檢測的床墊下濕度是否大于閾值（系統閾值設置為92%RH）從而確定嬰兒的尿床情況。當嬰兒尿床時，床墊下的濕度會發生變化，并超過系統設定的閾值，因此系統可以根據床墊下的濕度精確判斷嬰兒的尿床情況。當檢測到嬰兒尿床時，系統會向父母手機發送電話通知，并將嬰兒尿床狀況顯示在顯示屏上[7-8]。

3.2 嬰兒哭鬧狀況的判斷與處理

用于判斷嬰兒哭鬧狀況的數據來源于YL-56 聲音傳感器，將傳感器放置在嬰兒床周圍，系統通過判斷傳感器所檢測到的周圍環境聲音是否大于閾值（閾值由傳感器上的電位器調節），從而確定嬰兒的哭鬧狀況。當嬰兒哭鬧聲音超過所設定的閾值時，傳感器輸出低電平。系統通過檢測與傳感器相連的GPIO 口電平以及電平的持續時間，從而準確判斷嬰兒是否正在哭鬧。當檢測到嬰兒哭鬧時，系統向父母手機發送電話通知，并將嬰兒哭鬧狀況顯示在顯示屏上，同時還會自動搖晃床體[9]。

3.3 脈寬調制技術的應用

PWM 脈寬調制技術是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法，通過改變GPIO 口所輸出方波的占空比，改變輸出的有效電壓，實現對電機轉速的有效控制[10]。

本系統中電機轉速擋位共設置三檔，分別為：低擋、中檔、高檔，對應的PWM 占空比為：70%、80%、90%；選擇該占空比的原因是為了避免電機轉速過低或過快從而影響嬰兒床的正常工作，同時預留一部分空間，對嬰兒床的動作起到限制作用[11-12]。

4 結 語

對所采用的方案進行了多次研究、對比，最后選擇使用ATK-ESP8266 無線傳輸模塊與機智云平臺搭配，以保證智能嬰兒床系統所采集的傳感器數據及嬰兒狀況能夠實時上傳，并能夠在機智云提供的手機APP 程序上查看或控制。對于自動哄睡嬰兒功能的實現，選擇了由廠家提供的直流減速電機與機械結構相結合的直線往復電機，同時配合PWM 脈寬調制技術對輸出電壓進行控制，進而帶動嬰兒床搖晃。調整電機的轉速擋位，控制嬰兒床的晃動程度。通過對系統內各部件、傳感器及程序進行不斷調整與測試。最終結果表明，系統能夠長時間穩定運行，數據采集傳輸無誤，確保了系統的可靠性，達到了系統所設定的預期效果。

注：本文通訊作者為薛清。