低功耗蓝牙及其在智能婴儿车上的应用

（安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000）

随着科技的不断发展，家长们对婴儿车的要求也在不断地提高。现阶段市面上的婴儿车大多以婴儿的舒适性为主，国内多偏向于避震和便携功能的开发，忽视了对其安全性能的研究［1］。

智能婴儿车利用低功耗蓝牙技术的传输速度快、成本低、功耗低、稳定性高等特点，与设备进行数据传输，并将蓝牙RSSI测距技术与Android 手机端相结合，可以测得相对精准的婴儿车距离，实现防丢报警功能。利用温湿度传感器对车内温度、婴儿体温、车内湿度、尿不湿湿度进行实时检测，通过蓝牙进行数据传输，并通过手机端报警，以达到对婴儿体征的实时了解，防止意外的发生。

1 系统总体设计

图1 为系统设计框图，智能婴儿车设计硬件主要包括以STM32F103C8T6芯片为主控系统的单片机、iBeaon 设备、DS18B20 数字温度传感器、MLX90614 红外传感温度计、DHT11 湿度传感器、Android 手机端。其中，STM32F103C8T6 芯片是以ARM Cortex-M为内核的STM32系列微控制器，它的总线宽度是32 位，频率是72 MHz，程序存储器容量是64 kB，需要的供电电压为2 V～3.6 V，工作温度为-40 ℃～85 ℃。

2 系统功能设计

2.1 智能婴儿车防丢装置

婴儿车防丢装置可以防止家长在外出时因大意而使婴儿车被其他人推走，或因婴儿车未使用刹车使婴儿车超出家长看管范围的情况出现。当婴儿车超出报警阀值时，家长的Android 手机端就会发出报警，使家长注意到婴儿车的状况，及时做出反应措施；同时，婴儿车也会发出报警，便于引起周围人的注意并给推走婴儿车的人施加心理压力，方便家长找到婴儿车。

图1 系统总体设计

当婴儿车距离Android 手机端超过3 m 时，婴儿车报警器和Android 手机端就会发出警报。该装置是在广播模式下利用蓝牙RSSI测距原理设计的，即RSSI值与Android手机端和婴儿车之间的距离呈正相关，利用式（1）运算转化，可以由RSSI 的值反推出与接收设备间的距离（iBeacon技术）。

计算公式为

式中，d为计算所得距离；RSSI为信号接收强度（负值）；A为发射端和接收端相隔1 m 时的信号强度；n为环境衰减因子。

iBeacon［2］设备的主要功能如下：

1）运行并维护蓝牙低功耗协议；

2）周期广播设备信息。

Android手机端的主要功能如下：

1）检测并连接匹配低功耗蓝牙设备；

2）寻找并绑定相应的iBeacon设备；

3）对RSSI信号强度进行校准；

4）设置设备需要的相关数据；

5）计算Android手机端与婴儿车的距离d；

6）将计算所得数据d通过蓝牙传输给婴儿车主控系统；

7）设置报警阀值；

8）当数据d超过3 m时，Android手机端报警。

图2 为设备初始化及计算距离d的流程。当iBeacon 设备发出周期广播信号（UUID 等）时［2］，Android手机端将会检测到该信号并与之进行匹配绑定，然后对RSSI 信号强度进行校准。校准之后设定婴儿车需要的参数，在手机端蓝牙设备上接收到来自婴儿车的广播设备信号并采集RSSI信号值后，就可以计算出当前iBeacon 设备与手机的大致距离，实时将婴儿车的状态告知用户。

图2 设备初始化及计算距离d的流程

婴儿车和Android 手机端都设有超过报警阀值的报警器。在婴儿车的主控制系统上装有蜂鸣报警器，利用单片机设置相关的内部报警程序，使其可以实现婴儿车报警。报警流程如图3所示，当Android 手机端采集RSSI 并计算出婴儿车与Android 手机端之间的距离超过3 m 时，An‐droid 手机端发出报警并将数据通过蓝牙传输给婴儿车的主控制器，婴儿车发出报警；如果没有超出报警阀值，Android 手机端和婴儿车不会发出报警，家长可以通过手机实时监测婴儿车的距离。

2.2 温度检测功能

温度检测主要包括车外环境温度检测（如婴儿室等外部环境）与体温检测。基于对适用场所、成本及实际应用等因素的考虑，本文选择的温度传感器为DS18B20 数字温度传感器与MLX90614 红外传感温度计。当所测温度超过或低于预先设定的温度值时，Android手机端自动发出报警。

图3 Android手机端和婴儿车报警系统流程

2.2.1 车外环境温度检测设计

考虑到当婴儿被抱出婴儿车前，需要对外部环境有所了解，以及外部环境对婴儿可能造成的影响，设置车外环境温度监测，如对出行环境进行温度监测。基于车外环境温度一般变化不大的情况，可以选择DS18B20 数字温度传感器。DS18B20 的结构较为简单，拥有独特的单线连接模式，可以实现双向通讯功能，并且可以由用户设置其报警阀值。DS18B20 的工作环境温度一般为-55 ℃～125 ℃，而在-10 ℃～85 ℃时，它的精度为±0.5 ℃，且具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高等特点［3］。DS18B20封装如图4所示。

车外温度检测方案设计：DS18B20数字温度传感器被放置于婴儿车外壁，与车外环境相接触，通过设备自身传感，将长时间连续地采集温度信息并发送给主控制器，与蓝牙模块建立联系，通过BLE技术将处理后的数据实时传输给手机端，进而实现对车外温度的实时监测，且在手机端设定相应的报警值，超过时手机端报警［4］。

图4 DS18B20封装

2.2.2 体温检测设计

基于婴儿体温波动较大，且其较为敏感的生理情况，本设计采用非接触式红外传感器。出于对婴儿车的实际情况的考虑，温度传感器采用MLX90614 红外传感温度计，其具有体积小、成本低等特点，工作范围在0 ℃～50 ℃，精度可达到±0.5 ℃，测量辨析度可达到0.02 ℃；同时，还具有医疗应用精度与节能模式，常应用于高精度无接触测量、体温测量等多个领域。其与微控制器的连接如图5所示。

图5 MLX90614工作原理

体温检测方案设计：将MLX90614 红外传感温度计装配在婴儿车内壁靠近婴儿裸露的皮肤附近，采集相关生理数据，发送给主控制器，再由蓝牙模块将处理后的数据上传到手机终端，从而达到实时检测婴儿体温的功能，同时在手机上显示数据，若超过设定值则报警。

2.3 湿度检测功能

通过对婴儿车内的湿度检测，判断婴儿车内湿度状况是否符合婴儿活动的最佳环境，以及婴儿是否有尿床情况。首先，采用湿度传感器测定多组婴儿活动时和尿不湿尿液最多时的湿度数据；然后，确定出婴儿活动最佳环境的湿度范围和尿布湿的最大湿度数值。

采用DHT11 湿度传感器检测婴儿车内的湿度，其具有体积小、低功耗、简易快捷、性价比高、极高的可靠性与长期稳定性等特点。DHT11 的分辨率、精度湿度和量程湿度分别为0.1%RH、±5%RH 和20%RH～90%RH，其工作原理如 图6所示。

图6 DHT11湿度传感器原理

DHT11湿度传感器采集婴儿车内湿度数据，利用单片机与手机蓝牙模块建立连接，将传感器所测的数据传输到手机终端，实现信息交互。DHT11湿度传感器放置于婴儿车内以及尿不湿处，测定周围湿度，将所采集到的湿度数据自动转化为电信号，然后传送至主机STM32F103C8T6 单片机中，再经主机蓝牙模块传输到手机蓝牙模块中，最后转化为湿度数据并显示在手机APP 上［5］。家长可以通过手机APP及时掌握婴儿活动的环境湿度，并进行调控，让婴儿一直处于适宜的湿度环境中。将车外的湿度数据与原先设定的环境最佳湿度范围和尿不湿的湿度最值分别进行比较，当测定的湿度数据超过原先设定的范围值时，手机报警系统自动报警，从而提醒家长调整婴儿车内以及周围的湿度环境，或者更换婴儿的尿不湿。温湿度信息实时传输流程如图7所示。

图7 温湿度信息实时传输流程

3 结语

本文所设计的智能婴儿车运用低功耗蓝牙技术数据传输的功能，在婴儿车与Android 手机端之间建立连接，实时传输传感器所测定的数据，让家长实时了解有关婴儿的相关信息，提高了婴儿在婴儿车里的安全系数，也给婴儿提供了更加舒适的环境。智能婴儿车的设计运用蓝牙RSSI 测距原理，当测出的距离超过报警阀值时，Android 手机端和婴儿车会自动报警，避免因大人的一时疏忽而出现意外；同时，在婴儿车内安装温湿度传感器，通过蓝牙模块与Android 手机端建立连接，将传感器所测数据传输到手机终端，当所测数据超出预设的范围值时，报警系统会提醒家长调解婴儿车内的温湿度。智能婴儿车的设计提高了婴儿车外出的安全系数，给婴儿提供更加安全的生活环境。