基于物联网的多功能婴儿床设计

王雪琦 杨巧合 何月顺

摘  要：近年来，由于国际育儿理念的进一步传播以及国家二胎政策的颁布，人们对婴儿家居内涵的需求也在不断丰富，例如更好地保障婴儿的睡眠质量、减轻父母需要时刻在婴儿床边照顾婴儿的负担等。针对上述迫切需求，文章以STM32F103为核心，采用物联网相关技术，实现了婴儿哭声声纹分析、防跌落报警、智能音乐播放、尿床检测和发烧检测等功能。经初步测试，该设备能够实现目标功能，具有较高的实用价值。

关键词：多功能婴儿床;STM32F103;声纹识别;防跌落报警

中图分类号：TN929.5;TP391.44;TP302.1        文献标识码：A       文章编号：2096-4706（2020）21-0166-03

Design of Multifunctional Baby Bed Based on Internet of Things

WANG Xueqi，YANG Qiaohe，HE Yueshun

（School of Software，East China University of Technology，Nanchang  330013，China）

Abstract：In recent years，due to the further dissemination of the international parenting concept and the promulgation of the national second-child policy，peoples demand for the connotation of infant home is also constantly enriched. For example，to better guarantee the babys sleep quality，reduce the burden of parents who need to take care of their baby by the bed at all times，and so on. Aiming at this kind of urgent need，this paper takes STM32F103 as the core and uses related technologies of the internet of things to realize functions such as baby crying voiceprint analysis，anti-drop alarm，intelligent music playback，bedwetting detection and fever detection. After preliminary testing，the device can achieve the target function and has high practical value.

Keywords：multifunctional baby bed;STM32F103;voiceprint recognition;anti-drop alarm

0  引  言

随着人们生活水平的不断提高、对国际先进育儿理念的进一步吸取以及国内二胎政策的放开，中国婴儿智能家具作为一种新的需求在中国市场逐步发展起来。近年来，我国对多功能婴儿床的创新设计愈来愈多，但是要想真正达到人性化和智能化的要求，婴儿床相关产品还需要经过不断地改进和优化，并经过市场检验，最终才能得到受众的认可。但是就目前市场形式来看，我国婴儿家具尚处在发展不成熟的阶段。在产品领域也没有形成符合用户需求的设计理念和符合时代要求的指导思想。传统的婴儿床功能单一，目前市场上较为常见的是手动摇晃，可折叠，可拼接大床的功能，但从使用舒适度来看很难从根本上保证婴儿的睡眠质量。当大人不在身边时也无法保证婴儿的安全。本文对传统的婴儿床功能进行了更人性化的改进设计，在保证舒适的同时，还加入了婴儿哭声声纹识别分析，防跌落报警功能，播放音乐、故事功能，尿床检测功能，发烧检测功能。旨在为婴儿营造一个更加舒适安全的睡眠环境，从而可以更好地保证婴儿的睡眠质量和安全性，帮助父母更好的照顾婴儿，同时能够减轻父母的负担，本文是基于物联网无线通信课程的研究结果。

1  系统整体结构设计

本作品是一款功能强大的多功能婴儿床。图1为系统功能示意图。

在为婴儿创造舒适睡眠环境的同时能够减轻父母的负担首先，婴儿床上安装有电子触摸屏，可以在触摸屏幕上手动选择，实现播放、关闭、暂停、切换早教儿歌和启蒙故事、调节音量大小、查看电量的功能。

该婴儿床还可以连接无线网络，播放器内的歌曲和故事也可以实时更新。婴儿床左右两边的护栏上还安装有高灵敏度的握力传感器，用来检测婴儿是否在攀爬护杆，如果握力传感器检测到的数据超过一定的安全值，表明婴儿很有可能在攀爬护栏，家长的手机就会立刻收到警报信息。床上安装的DHT11温湿度传感器可以检测婴儿是否有尿床、蹬被子或者发烧的情况。通过收錄婴儿的哭声，然后经过声纹分析以此来判断婴儿哭声的含义，家长可以根据声纹识别后的分析结果来采取行动，该功能是本文的一个创新点，但前提是要经过大量的哭声收录和声纹分析才能实现该功能。

2  硬件系统设计

本文所设计的产品的硬件系统分为主控模块、声纹分析模块、传感器模块、GSM无线通信模块、触摸屏显示模块和电源模块六个部分。

2.1  主控模块

控制各个模块的主控模块以STM32F103为核心。主控模块连接着DHT11温湿度传感器、握力传感器、GSM无线通信模块和触摸屏显示模块。之所以使用STM32F103，是因为该单片机的核心是高性能的ARM Cortex-M3，并具有32位的RISC内核。STM32F103程序是模块化的，接口相对简单，工作速度较快，同时它也具有高能效、高实时性、低功率、工作电压低等特点。STM32F103工作在72 MHz的频率下，它包含了高速存储器以及UART、USART等先进的通信接口，3个通用16位定时器、2个12位的ADC和1个PWM定时器。STM32F103工作于2.0 V～3.6 V的电压范围之间，其省电模式可以满足低功耗应用的要求，同时该器件还具有丰富多样的外设接口配置，使得它能够在多种场合中发挥作用。

2.2  声纹分析模块

用于声音处理的声纹分析模块采用一个小型的TZ-2KA声音传感器来进行收录和分析。声音传感器就相当于一个话筒，可以用来接收婴儿的哭声声波，能显示声音强度大小，也能研究声音的波形。声波使得传感器内的驻极体薄膜振动，电容产生变化形成微小的电压，这一电压经过放大和模数转换之后被数字信号采集器接收，并传给主控模块。该技术支持嵌入式离线应用，可以在复杂的环境中进行语音识别。当婴儿啼哭时，该模块会收录婴儿的哭声并进行模数转换形成声纹形式，再将声纹形式录入后台数据库。通过与数据库中原有声纹比对，并对婴儿的哭声进行进一步处理分析，进而得到婴儿啼哭的原因，最后该原因通过无线通信技术，以信息的形式发送到父母手机上，让婴儿的父母得知孩子正在啼哭并且能够迅速了解到婴儿啼哭的原因，从而能采取相应的解决措施，该功能可以有效地解决家长不理解婴儿哭声意图而手足无措的难题。

2.3  传感器模块

2.3.1  DHT11温湿度传感器

本作品采用DHT11温湿度传感器来检测婴儿是否有尿床、蹬被子或发烧的情况。

DHT11温湿度传感器是一款有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它使用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保测量的数据具有极高的可靠性与输出的长期稳定性。该产品具有响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。其具有超小体积、极低功耗的同时，信号传输距离可达20米以上，使其成为多功能婴儿床的最佳选择。DHT11温湿度传感器的湿度检测范围为20 %RH～95 %RH，温度测量范围为0 ℃～50 ℃，可以在电子触摸屏上以数字的形式显示。DHT11温湿度传感器的原理图如图2所示。

2.3.2  握力传感器

本产品采用HU-807握力传感器。当婴儿有攀爬护栏的行为时，安置在护栏上的握力传感器检测到的数据超过安全值时，就会向主控中心发送数据，主控中心控制的GSM无线通信模块会立即向家长的手机发送报警信息，家长可以立即赶来查看情况，避免婴儿发生意外。

2.4  GSM无线通信模块

GSM无线通信模块采用Air720H芯片，其工作范围为5 V～18 V，方便与本作品的其他模块单元相连接。GSM无线通信模块的抗干扰能力很强，为了对抗干扰其在空中接口采用数字技术来代替模拟技术，所以GSM无线通信模块可以在较恶劣的环境中保存较完好的无线通信信号。除了抗干扰能力强，GSM无线通信模块还具有灵活性强、易于配置、多频段工作等特点。该模块还具有拨打电话，发送和接受信息的功能，当婴儿床检测到婴儿有尿床、攀爬护栏、蹬被子或发烧的情况时，就会立即向家长的手机发送报警信息，让家长及时了解到婴儿此时的状态并采取相应措施，避免婴儿处于潮湿或危险的环境中。

2.5  触摸屏显示模块

电子触摸屏采用尺寸为6.53英寸，分辨率为2 440×1 080像素的LCD材质屏幕。可以调节播放音量、查看电量，同时也可以通过手动操作来播放、暂停、切换和关闭音乐库中的早教歌曲和幼儿故事，使父母不在身边时也可以有效地对婴儿进行早教启蒙。

2.6  电源模块

电源模块通过变压器将220 V交流电压转变为12 V交流电压，交流电压再通过由4个相同二极管组成的桥式整流电路整流之后，得到12 V直流电压，接着经过电容并通过三端稳压器提高电压的稳定性，最后通过电容滤波，得到平滑且稳定的直流电压供STM32F103和传感器使用。

3  软件系统设计

多功能婴儿床开启之后，开始执行系统初始化，初始化完成后，各模块开始运转。STM32F103读取温湿度传感器和握力传感器检测到的值，当采集到的数据超过安全阈值，通信模块将向家长手机发送警报信息。TZ-2KA声音传感器收录婴儿哭声，记录哭声声纹信息，并将其传到后台数据库進行分析。通过触摸屏可以操作婴儿床的播放器，用来播放英语和故事。多功能婴儿床主程序流程图如图3所示。

4  结  论

本文中所设计的多功能婴儿床以STM32F103为主控模块，配合声纹分析模块、传感器模块、GSM无线通信模块、电子触摸屏、电源模块和软件系统。实现了一款使婴儿能够舒适睡眠的智能婴儿床。该婴儿床可以收录婴儿哭声，并将哭声录音传到后台数据库中进行声纹比对，从而帮助家长知晓婴儿啼哭的原因，化解因父母不理解婴儿哭声含义而手足无措的困境;通过操控触摸屏，可以播放、关闭、暂停、切换早教儿歌和童话故事，并可通过触摸屏调节音量、查看电量;DHT11温湿度传感器和握力传感器用来监测婴儿是否出现尿床、蹬被子、发烧和攀爬护栏等情况。该产品能解决一些父母照顾婴儿的关键痛点、操作方便、稳定可靠同时具备较低的功耗，具有广阔的应用前景和市场需求。

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作者简介：王雪琦（1997—），女，汉族，安徽合肥人，本科，研究方向：物联网技术;杨巧合（1981—），男，汉族，河南信阳人，讲师，博士，研究方向：物联网技术;何月顺（1971—），男，汉族，湖南永州人，中共党员，教授，博士，主要研究方向：无线传感网络与物联网技术、大数据分析与智能信息处理、软件工程与理论。