基于嵌入式技术的智能婴儿床设计.pdf

2023年/第12期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application1070 引 言随着时代的发展以及社会的变化，我国人口结构也在不断发生变化。根据第七次全国人口普查数据显示，2020 年中国总和生育率仅为 1.3，相较于历次全国人口普查呈下降趋势1。而随着中国总和生育率的降低，国家为了应对持续变化的人口结构与形式，也相应调整了我国早期所实施的计划生育政策，继而全面提出并实施了“二孩”“三孩”等生育政策，为维持我国生育率保持正常水平保驾护航。当代社会，年轻人普遍存在早出晚归以及加班等现象，这种现象早已不是单独某一个行业存在的问题2，已影响了育龄妇女以及其所在家庭对生育成本的考量。本设计基于当前社会现状，设计了一款基于嵌入式技术的智能婴儿床系统。1 系统硬件电路设计1.1 设计思路为实现对婴儿尿床状况、哭闹状况的实时监控并在出现异常时自动告警以及自动化哄睡婴儿，文中设计了一套智能系统装置。利用 STM32F767 系列单片机，结合声音传感器、温湿度传感器、电机驱动模块等设备，达到实时监测婴儿状况的目的，同时还需将婴儿状况进行可视化处理，方便父母查看。1.2 系统硬件架构智能婴儿床的结构如图 1 所示。婴儿床以 STM32F767系列单片机为控制核心。设备共分为四部分：主机控制端、传感器端、电机驱动端、信息呼叫端。图 1 智能婴儿床结构主机控制端为系统的控制枢纽及核心，需完成系统的逻辑运算、逻辑判断等操作；控制电机驱动端运行、接收传感器端实时传输的数据、控制信息呼叫端发送警报3-4。主机控制端下方为智能婴儿床的人机交互显示装置，由RGB 电容触摸液晶显示屏、SD 卡组成。其中，RGB 电容触摸液晶显示屏用于检测触摸交互以及显示相应的图片、文字信息，方便父母观察婴儿的状况，并控制智能婴儿床的运行；SD 存储卡主要用于存储液晶显示屏所需显示的图片以及显示文字所需的字库5。图中主机控制端上方为传感器端，传感器端由温湿度传感器、声音传感器组成，主要负责监测婴儿尿床、婴儿哭闹等状况，并将相关数据传输至主机控制端，由主机控制端进行处理与逻辑判断。主机控制端左侧为电机驱动端，包括电机驱动模块和直流减速电机。电机驱动端的主要功能是对电机进行驱动，实现摇晃床体哄睡婴儿的目的。该模块由主机控制端所产生的PWM 波控制直流减速电机的转速6。主机控制端右侧为信息呼叫端，由通信模块、WiFi 模块基于嵌入式技术的智能婴儿床设计单宾宾，梁宸睿，李森森，焦泽栋，张苏南，薛 清（江苏海洋大学 理学院，江苏 连云港 222005）摘 要：本设计采用 STM32F767IGT6 芯片作为控制核心，利用温湿度传感器 DHT11 实时监测婴儿的尿床状况，利用声音传感器 YL-56 实时监测婴儿的哭闹状况，实现全天候对婴儿异常状况的监测；利用通信模块 SIM900A 实现通信功能，当婴儿出现异常状况时及时通知父母前来安抚婴儿；通过 WiFi 模组 ESP8266 将传感器数据实时上传至机智云平台，从而实现传感器数据的实时更新；通过电机驱动模块 L298N 驱动直流减速电机，实现婴儿床自动摇晃功能，哄睡婴儿；利用手机 APP 实时观察婴儿的状况、控制系统运行，同时也可以使用婴儿床上的触摸显示屏进行观察与控制。本系统实现了对婴儿哭闹、尿床状况的实时监测，以及婴儿状况可视化、婴儿异常状况自动告警、音乐播放、自动摇晃婴儿床哄睡婴儿等功能。关键词：物联网；STM32；无线传输；婴儿床；实时监测；可视化中图分类号：TP39；R197.324；TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）12-0107-02DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.12.028收稿日期：2023-01-06 修回日期：2023-02-24物联网技术 2023年/第12期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application108组成，主要将婴儿的异常状况通过电话及时通知父母，并通过 WiFi 模块将婴儿相关信息上传至云端，与手机 APP 同步。2 系统软件设计智能婴儿床主程序流程如图 2 所示。流程图只展现了程序的大致运行过程，更多细节将在系统实现章节阐述。当程序开始运行时，首先初始化系统（需要初始化的外设及模块为 L298N 电机驱动模块、ATK-ESP8266 无线传输模块、RGB 电容触摸液晶显示屏、DHT11 数字温湿度传感器、YL-56 声音传感器、SD 卡；需要初始化的系统内部资源为FLASH、SDRAM、定时器、时钟、中断、串口、内存池）。接着，传感器端运行并实时监测婴儿的各项数据：当检测到婴儿尿床或哭闹时，系统通过呼叫端呼叫父母前来处理，之后将数据上传至云平台与手机 APP 同步，同时，触摸屏上显示相应的内容并检测触摸；当检测到用户开启哄睡模式时，电机端按照设定的挡位运行，持续监测数据，开启逻辑判断。图 2 智能婴儿床主程序流程3 分析和论证3.1 婴儿状况的判断与处理用于判断婴儿尿床状况的数据来源于 DHT11 数字温湿度传感器，将传感器放置在婴儿床垫下，系统通过判断传感器所检测的床垫下湿度是否大于阈值（系统阈值设置为92%RH）从而确定婴儿的尿床情况。当婴儿尿床时，床垫下的湿度会发生变化，并超过系统设定的阈值，因此系统可以根据床垫下的湿度精确判断婴儿的尿床情况。当检测到婴儿尿床时，系统会向父母手机发送电话通知，并将婴儿尿床状况显示在显示屏上7-8。3.2 婴儿哭闹状况的判断与处理用于判断婴儿哭闹状况的数据来源于 YL-56 声音传感器，将传感器放置在婴儿床周围，系统通过判断传感器所检测到的周围环境声音是否大于阈值（阈值由传感器上的电位器调节），从而确定婴儿的哭闹状况。当婴儿哭闹声音超过所设定的阈值时，传感器输出低电平。系统通过检测与传感器相连的 GPIO 口电平以及电平的持续时间，从而准确判断婴儿是否正在哭闹。当检测到婴儿哭闹时，系统向父母手机发送电话通知，并将婴儿哭闹状况显示在显示屏上，同时还会自动摇晃床体9。3.3 脉宽调制技术的应用PWM 脉宽调制技术是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，通过改变 GPIO 口所输出方波的占空比，改变输出的有效电压，实现对电机转速的有效控制10。本系统中电机转速挡位共设置三档，分别为：低挡、中档、高档，对应的 PWM 占空比为：70%、80%、90%；选择该占空比的原因是为了避免电机转速过低或过快从而影响婴儿床的正常工作，同时预留一部分空间，对婴儿床的动作起到限制作用11-12。4 结 语对所采用的方案进行了多次研究、对比，最后选择使用ATK-ESP8266 无线传输模块与机智云平台搭配，以保证智能婴儿床系统所采集的传感器数据及婴儿状况能够实时上传，并能够在机智云提供的手机 APP 程序上查看或控制。对于自动哄睡婴儿功能的实现，选择了由厂家提供的直流减速电机与机械结构相结合的直线往复电机，同时配合 PWM 脉宽调制技术对输出电压进行控制，进而带动婴儿床摇晃。调整电机的转速挡位，控制婴儿床的晃动程度。通过对系统内各部件、传感器及程序进行不断调整与测试。最终结果表明，系统能够长时间稳定运行，数据采集传输无误，确保了系统的可靠性，达到了系统所设定的预期效果。注：本文通讯作者为薛清。参考文献1 王红茹.出生率降低、老龄化加剧 中国要不要全面放开生育？J.中国经济周刊，2022，29（5）：126-128.2 高建东.论隐性加班及其法律规制 J.中国劳动关系学院学报，2022，36（2）：64-74.3 苏炳南.影响我国生育率变化的经济社会因素及其应对 J.社会科学动态，2022，45（2）：21-6.4 梁坚.试论基于用户体验的智能化母婴产品设计 J.科技与创新，2019，6（8）：138-139.5 何宇，丁伟.基于模块化的婴儿床产品设计研究 J.中华手工，2021，18（1）：77-78.6 潘子淇，付若冲，刘启航，等.基于 STM32 的智能婴儿床设计 J.电脑知识与技术，2020，16（23）：214-215.（下转第111页）2023年/第12期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application111工作在 Station+AP 混合模式下；连接室内路由器，通过物联网连接新浪云服务器，当手机端与 WiFi 模块建立连接后，手机端发送数据，单片机串口进入中断函数接收数据，通过判断数据格式内容控制系统相应模块。无线 WiFi 程序流程如图 7 所示。图 7 无线 WiFi 程序流程4 结 语该文针对宠物饲养过程中的投喂需求进行深入研究，以STC89C52RC 单片机为主控芯片，设计了一款实用型宠物智能投喂系统，以满足用户随时给宠物喂食的需要。同时，对宠物生存环境进行了实时监视和远程调节。设计过程中采用温度传感器、红外传感器和无线模块 ESP8266 等电子元件，并根据实际需求进行软硬件设计，最终实现了宠物智能投喂系统。宠物智能投喂系统操作简单、安全稳定、价格实惠并且功耗低，使用方便。随着现代人们饲养宠物意识的增强以及科学技术的快速发展，相信该宠物智能投喂系统必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。注：本文通讯作者为李帅东。参考文献1 王伸，常奇，程鹏，等.基于物联网的宠物智能饲喂系统设计 J.无线互联科技，2022，19（16）：99-101.2 宫占霞，杨泽锋，黄闯，等.智能宠物投食器设计 J.电子世界，2021，43（11）：122-124.3 叶军，华旭奋，孙晓艳.基于用户体验的互联网+宠物管理系统设计与实现 J.科技创新与应用，2020，10（31）：87-89.4 陈智锐.智能化的家养宠物喂食器设计研究 D.广州：广州大学，2018.5 刘惠惠.基于共生理论的智能宠物喂食器设计研究 D.西安：西安工程大学，2018.6 张安东，王家琪，李典航，等.宠物智能投喂器 J.中外企业家，2018，35（27）：110.7 陈金谊，李泳清，邱广萍.机智云技术在宠物管理系统中的应用J.物联网技术，2019，9（9）：87-89.8 牛仲阳.基于物联网技术的宠物管理系统设计 J.电子技术与软件工程，2013，20（21）：36.9 胡正练，王桥，陈旭，等.可清理残食的自动宠物喂食系统 J.物联网技术，2018，8（8）：92-93.10 段续峰.基于物联网技术的生猪精准投饲系统设计与应用 J.饲料研究，2022，45（5）：123-127.7 潘铭志，陈嘉欣，刘慧玲.基于 STM32 单片机的智能婴儿床设计J.机械工程与自动化，2021，50（5）：161-163.8 SHAHADI H I，MUHSEN D H，HAIDER H T，et al.Design and implementation of a smart baby crib J.IOP conference series：materials science and engineering，2020，671.9 SACHIT K A，MANHAL H S，K.A N，et al.Smart management system for monitoring and control of infant baby bed J.International 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