基于STM32的智能兒童桌椅的設計與實現

摘要：在當前家庭生活中，智能化家居已經成為人們生活中必不可少的一部分，但傳統的學習桌椅功能單一、結構基本固定，不能提供良好的使用體驗，因此設計合理的學習桌椅對于兒童的成長至關重要。由此，團體設計并實現了基于STM32單片機的智能兒童桌椅及控制系統，通過傳感器獲取相關環境數據，實現桌子高度調節、坐姿矯正、長時間學習提醒以及語音識別控制等功能。該設計具備自動控制、手動控制、語音控制以及遠程控制功能，包括手動控制使用獨立按鍵控制燈、風扇的開關和桌子的高度調節；語音控制功能可以通過語音識別來控制燈、風扇的開關和桌子的高度調節；遠程控制通過手機APP，實現遠程查看和控制，可以控制燈、風扇的開關和桌椅的高度調節。整個設計使兒童桌椅具備了智能化功能，提升了用戶體驗。

關鍵詞：智能家居；桌椅；STM32

中圖分類號：TP274.4" " " "文獻標識碼：" A" " " 文章編號：2095-7734（2024）06-0079-11

" 功能型兒童學習用品是對傳統的臺燈、桌椅等學習用品進行智能化升級，將傳統的控制方式升級為智能控制。近年來，我國智能型兒童學習桌椅發展迅速，市場需求廣闊，但目前我國智能化兒童學習桌椅的研發尚處于初級階段，主要在桌椅與其他智能學習用品的配合搭配上進行開發。如大力智能推出了一款智能家教燈，除了具備護眼燈的照明功能外，還應用了傳感器技術來監測兒童的坐姿行為，對不正確坐姿行為及時語音提示。隨著5G時代的到來以及IOT的發展成熟，智能硬件的發展和應用為兒童學習桌椅使用體驗的優化帶來了更多的可能性。

" 本設計結合物聯網技術的發展和較大規模的市場需求，通過用戶功能需求調研分析，開展了本款智能兒童桌椅的設計開發。

1“智能兒童桌椅”功能需求分析

（1）兒童桌椅高度調節：根據兒童身高智能調節兒童桌椅的高度，達到使用者最合適的狀態，此功能通過步進電機控制調節桌椅高度實現。

（2）坐姿矯正提醒功能：當檢測到兒童不規范坐姿時，提醒兒童矯正坐姿，使其養成良好的學習習慣，此功能通過超聲波測距技術實現。

（3）長時間學習提醒功能：當檢測到長時間學習，語音播報提醒學習者休息。

（4）智能環境實現：根據學習環境智能調節臺燈，風扇等設備，提供良好的學習環境，此功能通過傳感器數據采集后綜合控制實現。

（5）四種控制方式：自動、語音、按鍵和APP控制。

" 根據功能需求分析，設計系統整體功能模塊圖如圖1所示。

2設計的創新性思考

（1）設計思路創新：本設計綜合運用了STM32單片機控制技術、傳感器應用、IOT技術和APP開發，系統整合監測兒童生理特征與學習條件的傳感器，通過智能算法自動調節桌椅，優化學習環境，實現對兒童學習狀態的全面關懷。

（2）技術創新：體現在高效的傳感器集成應用和低功耗無線通信，旨在為兒童打造一種健康、智能化的學習環境。

（3）硬件創新：自主設計的PCB電路板、選用特定的傳感器與執行器。

（4）應用創新：除了常規的桌椅高度調節和環境適應，還加入了坐姿矯正提醒和學習時間管理。通過云數據分析，家長可以實時監測孩子的學習狀態和環境，提升了家長對兒童生活和學習的關注度。

3所應用關鍵技術

系統實現主要應用到了以下技術：

（1）串口通信技術：一種接口標準，根據標準協議的不同，串口有多種類型，如RS232、TTL等。

（2）無線通信技術（Wi-Fi）：基于IEEE802.11無線網絡標準，通過無線路由器或接入點創建局域網絡，使設備可以通過無線方式連接到互聯網或內部網絡。

（3） OneNET云平臺：平臺提供了NB-IOT物聯網套件以及MQTT物聯網套件等一系列基礎服務和增值服務。

（4 ）MQTT協議：MQTT協議的主要優點在于其輕量級和高效性。它是一種基于TCP/IP構建的常用與物聯設備之間的輕量級發布/訂閱模式的通信協議，屬于ISO標準（ISO/IEC PRF 20922）。

（5）印制電路板（PCB）設計技術：通過原理圖繪制出PCB，將所有元器件都集成在一個電路板上，可以使用最短的導線，通過雕刻、印刷等方式將其連接在一起，實現電路設計者所需要的功能。

4系統設計

4.1 硬件系統設計

4.1.1系統硬件技術架構

" 根據功能需求，最終選擇系統硬件模塊分別為 STM32F103C8T6單片機、ESP8266、DHT11溫濕度傳感器、SR505人體紅外傳感器、5516光敏電阻傳感器、HC-SR04超聲波傳感器、LD3320語音識別模塊、OLED顯示屏、ULB2003步進電機驅動板、28BYJ48步進電機、MR6287語音播報模塊、獨立按鍵等，系統技術架構如圖2所示。

4.1.2電路原理和PCB設計

系統板的設計包括電路原理圖和PCB印刷電路板設計圖。本設計使用C語言編寫，并將Keil uVision5作為開發環境。使用立創EDA專業版繪制系統的電路原理圖如圖3所示。將電路原理圖導入PCB后根據原理圖中的線路連接進行布局布線，得到PCB設計圖如4所示。

4.2 單片機電路設計

" 系統選擇STM32F103C8T6單片機作為智能桌椅系統的主控制器，它擁有高達72MHz的時鐘運行頻率、128K的閃存、20K的SRAM、豐富的外設資源等功能，足以滿足智能桌椅系統的需求。單片機最小系統電路如5所示。

4.2.1 ESP8266電路設計

系統使用ESP8266 WIFI模塊作為通信模塊，通過MQTT協議將采集的數據傳輸到云平臺，使用手機APP獲取云平臺的數據進行顯示和反向控制，ESP8266是一款非常經典的WIFI芯片，只需要連接家里的路由器就可以長時間的工作，它具有傳輸速度快、體積小、集成度高、信號穩定等優點。ESP8266使用串口與STM32單片機通信來實現網絡數據傳輸。[1]ESP8266模塊電路原理如圖6所示。

4.2.2溫濕度電路設計

" 智能桌椅系統具有溫濕度檢測功能。DHT11溫濕度傳感器能夠檢測的濕度范圍為20%-90%RH，能夠檢測的溫度范圍為0℃-50℃，基本覆蓋了正常生活中的溫濕度范圍，電路如圖7所示。

4.2.3人體紅外電路設計

" 智能桌椅系統需要實現檢測是否有人的功能。SR505人體紅外傳感器使用菲尼爾透鏡，可以360度檢測紅外熱釋電信號，在夜晚也有著很好的效果，不容易被干擾、誤觸。當檢測到有人的時候模塊會輸出高電平，沒人的時候輸出低電平。電路原理圖如圖8所示。

4.2.4光敏電阻電路設計

" 智能桌椅系統可以實現自動燈光控制功能。本設計使用亮度傳感器來檢測環境的亮度，光敏電阻的阻值隨著亮度的變化而變化，從而導致電壓發生變化，根據電壓值可以通過單片機的ADC檢測計算出當前的亮度。電路原理圖如圖9所示。

4.2.5超聲波電路設計

" 智能桌椅系統中可以實現坐姿檢查。本設計使用HC-SR04超聲波傳感器的測距功能來檢測坐姿是否正確。[2]電路原理如圖10如所示。

4.2.6語音識別電路設計

" 智能桌椅系統可以通過語音識別來控制燈和風扇的開關、桌椅的升降，使用經典的LD3320語音識別模塊，路連接原理圖如圖11所示。

4.2.7 OLED顯示電路設計

" 系統需要顯示屏顯示信息。OLED顯示屏顯示的內容多，顯示數據清晰，控制方式多，容易上手，且成本較低、功耗低、可長時間持續顯示，內置驅動芯片，無需在單獨設計驅動電路，所以選擇0.96寸的OLED顯示屏作為智能桌椅的顯示模塊。控制方式一般分為IIC和SPI，智能桌椅系統中使用IIC的方式來驅動，電路原理圖如圖12所示。

4.2.8步進電機電路設計

" 智能桌椅需要步進電機轉動來實現桌子的上升和下降。28BYJ48步進電機和ULN2003步進電機驅動板是配套的四相五線步進電機控制模塊，這種模塊具有功耗小、扭矩大、成本低、控制簡單等優點，電壓為5V時可正常工作，模塊自帶保護電路，可承受瞬時50V的直流電壓，不易損壞。因此，選擇ULN2003步進電機驅動板和28BYJ48步進電機作為智能桌椅的控制系統。本設計通過四個單片機的普通IO來實現控制步進電機的正轉、反轉、停止等操作，步進電機驅動電路原理圖如圖13所示。

4.2.9 LED和風扇驅動電路設計

" 智能桌椅系統可以實現自動亮度、溫度調節功能。使用PWM控制技術控制MOS管，控制燈的亮度和風扇的轉速實現不同檔位的切換，MOS模塊可以承受最大30V、161A的電流，兼容5V和3.3V信號接口，設計中LED和燈都使用5V電源，STM32信號電平為3.3V，電路原理圖如圖14所示。

4.2.10語音播報電路設計

" 智能桌椅系統可以實現定時提醒休息和坐姿提醒功能。其使用一款串口通信語音播報模塊MR628。[3]電路原理圖如圖15所示。

4.3 系統軟件設計

" 智能桌椅系統運行成功，需要編寫程序來通過單片機將各個模塊控制起來，單片機就相當于人的大腦，其他模塊就相當于人的各個部位，分工合作才能實現最終功能。單片機開發軟件使用的是Keil5，在開發過程中還使用到了串口調試助手，來進行程序的調試。

4.3.1主程序設計

" 智能桌椅主程序流程圖如圖16所示，通電后系統初始化，然后連接網絡，網絡連接成功后，通過超聲波測距來調節桌子高度達到適宜位置。然后調用傳感器采集程序來獲取傳感器數據，將數據顯示在OLED顯示屏上并通過Wi-Fi將數據傳輸到云平臺。接著進行模式判斷，如果當前是自動模式，則根據傳感器的值來控制燈和風扇這些執行器；如果當前為手動模式，則進行按鍵、語音等的檢測，根據檢測到的按鍵或語音指令來控制執行器的開關，最后進行坐姿和久坐檢測；如果滿足條件則進行語音播報后結束這一輪程序，否則直接結束這一輪程序，返回重新執行下一輪。

4.3.2 ESP8266子程序設計

" ESP8266作為通信模塊，通過串口和單片機來進行通信，ESP8266程序流程圖如圖17所示，首先初始化ESP8266通信的串口，然后連接Wi-Fi網絡，連接成功后在連接OneNET云平臺，云平臺連接成功后就可以上傳和下發數據。

4.3.3溫濕度子程序設計

" 溫濕度傳感器采集子程序是通過單總線協議來實現的，采集流程圖如圖18所示。首先對傳感器連接的IO口初始化，初始化完成后發送采集溫濕度數據的命令，讀取采集到的數據并進行解析，最后將數據進行輸出。

4.3.4人體紅外子程序設計

" 紅外對射子程序如圖19所示。首先初始化紅外對射引腳將其設置為上拉輸入，如果當檢測到紅外對射被觸發（紅外對射引腳變成低電平），延時10ms消抖（防止誤觸），10ms后如果依舊檢測到為低電平就認為檢測有效，否則認為是誤觸。

4.3.5光敏電阻子程序設計

" 光敏電阻傳感器子程序流程圖如圖20所示。首先對光敏電阻傳感器連接的單片機ADC引腳進行初始化，配置好采集模式以及采集通道，然后啟動ADC采集，采集完成后進行轉換，將電壓值轉換為亮度數據后，最后將結果進行輸出。

4.3.6超聲波子程序設計

" 超聲波測距流程圖如圖21所示。首先初始化傳感器，發送測距信號，打開定時器開始計時，當接收到返回的聲波信號后，關閉對應定時器，然后通過時間差和聲速計算出距離。

4.3.7語音識別子程序設計

" 語音識別流程圖如圖22所示。首先模塊連接引腳初始化，等待接收語音指令，接收到指令后將指令進行濾波處理，處理后與程序中存儲的指令進行比較，根據比較結果來進行相應的操作。

4.3.8步進電機驅動子程序設計

步進電機驅動原理是，將步進電機的4線中的3線逐次拉高循環推動步進電機的轉動，（A↑-B↑-C↑-D↓A↓-B↑-C↑-D↑A↑-B↓-C↑-D↑A↑-B↑-C↓-D↑A↑-B↑-C↑-D↓），步進電機驅動子程序如圖23所示。首先初始化步進電機的控制IO口，然后設置轉動方向，設置轉動距離，最后啟動步進電機。

4.3.9 LED和風扇子程序設計

LED和風扇是通過PWM控制MOS管導通的電流來實現檔位的控制調節，LED和風扇控制流程圖如圖24所示。首先對PWM進行初始化，然后設置需要實現的目標值，根據設置的目標值調整PWM占空比，最后更新PWM輸出即可實現LED和風扇檔位的控制。

4.3.10語音播報子程序設計

" 語音播報使用的是串口通信，語音播報流程圖如圖25所示。第一步對語音播報模塊連接的串口進行初始化，然后設置需要播報的內容，開始播報。

4.3.11按鍵子程序設計

" 按鍵檢測子程序如圖26所示。首先初始化按鍵引腳將其設置為上拉輸入，如果當檢測到按鍵按下，讓程序等待10ms，10ms后如果依舊檢測到為低電平就認為按鍵有效，否則認為是誤觸。

5云平臺設計

" 云平臺系統的接入可以讓設備快速地上線實現遠程監控功能。智能桌椅系統使用的是中國移動的OneNET云平臺，只需要注冊云平臺后，在云平臺創建產品，創建設備，獲取到相應的參數，然后在單片機開發中填入對應的參數就可以實現數據上云，并且云平臺提供了獲取數據和下發命令的API接口，[4]這樣制作手機APP也是較為方便。

6 APP設計

" 智能桌椅系統中使用APP Inventor制作了一款APP來調用云平臺提供的API接口實現數據的顯示與控制，APP界面圖如圖27所示。

" 本款APP實現了對于系統實時數據的顯示和控制命令的下發。由于智能桌椅系統中APP主要負責顯示傳感器的數據與控制窗戶的開關，所以界面使用到了TextView、Button、EditText幾種控件。完成界面設計后編寫函數實現相應的功能，顯示傳感器數據需要用到網絡通信函數，通過“HTTP”協議“get”請求讀取OneNET云平臺數據庫中的數據，通過數據處理函數將數據進行處理，最后通過顯示函數將數據實時顯示在APP的界面上；下發控制命令需要用到網絡通信函數，通過HTTP協議“post”請求實現將數據下發到設備端實現反向控制。[5]

7系統測試

7.1硬件連接測試

" 硬件調試首先根據原理圖來進行焊接，焊接完成后，使用萬用表蜂鳴器檔測量電源部分是否短路，測量其它引腳是否連接正確。之后，進行通電測試，使用萬用表電壓檔位測量各個模塊供電是否正常，一切都正常則此次硬件調試初步完成。最后通電使用萬用表測量各個器件電壓是否正常，一切正常硬件測試完成。最終焊接完成實物如圖28所示。

7.2 軟件運行測試

智能桌椅系統制作完成后，分別對智能桌椅的自動控制、手動控制、語音控制、APP控制、網絡連接、亮度檢測、溫濕度檢測、人體紅外檢測、坐姿檢測、OLED顯示、語音播報、桌椅調節、LED和風扇的控制等功能進行了測試，均能達到預期目標。

7.3 功能穩定性測試

" 軟硬件調試完后，對系統功能進行了一一測試，測試數據如表1所示。

在自動模式下，將光敏電阻傳感器擋住后，LED亮起，將溫度通過加熱后風扇打開，當距離桌子太近時，語音播報提醒注意坐姿，然后切換到手動模式下，通過按鍵、語音、APP控制執行器，執行器都能被正常控制，至此系統測試完成，系統功能達到預期目標。

8結語

本設計在研究前期查閱了大量資料，經過反復對比測試，最終選取STM32單片機、DHT11溫濕度傳感器、5516光敏電阻傳感器、SR505人體紅外傳感器、HC-SR04超聲波傳感器、LD3320語音識別模塊、獨立按鍵、OLED顯示屏、MR628語音播報模塊、大功率MOS管模塊、ESP8266、ULN2003步進電機驅動板和28BYJ48步進電機來實現系統的功能。本設計通過各種傳感器的智能化采集控制實現了桌椅的自動化控制、按鍵控制、語音控制以及遠程控制，給兒童學習帶來了十分突出的便利。隨著AI、大數據、VR/AR等新一代信息技術向教育領域的不斷滲透，智能兒童桌椅的智能化功能將不斷凸顯。今后在設計中還將更多地集成智能元素，以提升使用的便捷性和科技感。同時，也會更加注重環保材料的應用，注重人體工程學設計等，在幫助孩子更好地管理學習時間，提高學習效率的同時，減少環境給孩子學習造成的負擔并保障兒童身體的健康。

參考文獻：

[1]" 邱宏斌.一種基于ESP8266模塊的物聯網設計思路[J].電子世界，2017，39（07）：157.

[2]" 苑潔.基于STM32單片機的高精度超聲波測距系統的設計[D].華北電力大學，2012.

[3]" 朱樂樂，李康，陳慶，等.基于單片機的語音播報器的研究[J].電腦知識與技術，2021，17（16）：209-210，219.

[4]" 張晶，譚筠梅.基于OneNET的農業環境信息遠程監測系統設計[J].環境工程，2023，41（02）：290.

[5]" 付大榮，常玲，紀昕洋，等.基于App Inventor的農業應用軟件的設計[J].電腦知識與技術，2019，15（16）：39-40.

Design and Implementation of Intelligent Children's Desk and

Chair Based on STM32

LIU Tao， ZHOU Jianyun，WANG Bing

（Puer University，Pu′er 665000，Yunnan，China）

Abstract： In current family life， smart homes have become an essential part of people's lives. Learning desks and chairs are crucial for children's growth. However， traditional learning desks and chairs have single functions and basic fixed structures， which cannot provide a good learning environment and learning experience. This article designs and implements an intelligent children's desk， chair， and control system based on STM32 microcontroller. Design to obtain relevant environmental data through sensors， achieve functions such as table height adjustment， sitting posture correction， long-term learning reminders， and voice recognition control. Equipped with automatic control， manual control， voice control， and remote control functions， manual control uses independent buttons to control the switch of lights and fans， and adjust the height of the table; The voice control function can control the on/off of lights， fans， and height adjustment of tables through voice recognition; Remote control can be achieved through a mobile app， allowing for remote viewing and control of lights， fans， and height adjustment of tables and chairs. The entire design has made children's desks and chairs intelligent， enhancing the user experience.

Keywords： smart home; tables and chairs; STM32