环保智能婴儿床的项目研究

2022-01-20韩党骁李琦袁昊唐贤宣李萍张祎康

电子制作 2021年24期

韩党骁，李琦，袁昊，唐贤宣，李萍，张祎康

（青海民族大学，青海西宁，810000）

在现如今20世纪末，随着我国经济的发展,人民生活水平的提高,全面二胎政策也开放,越来越多家庭拥有了自己的小生命。在兴奋激动的同时,他们也面领着一些问题,其中比较头疼的就是宝宝刚出生的时候,“不抱不摇，不睡觉” ,父母在工作一天之后还要忙于自己的事业还要照顾自己的家人,一天两天可以这样坚持一下，但随着日程增加和每天的负担增加，照顾家人这种活会让正在上班的年轻父母长时间感到些许不适。在日常生活中年轻父母不仅要照看婴幼儿还要照顾家里的老人，一下子多了许多压力。由于我国现代工业设计起步晚，发展时间较短，对婴儿产品设计研究不足，研究进展十分困难。在婴儿产品设计领域缺乏相关的理论研究，比如人机工程等缺乏精准的数据支撑。虽然市面上婴儿产品种类繁杂，但是设计和创新方面，它们能力欠缺，比如说设计方法落后，缺乏系统、优秀的设计，其中大部分婴儿产品设计角度来自成人，没有挖掘婴儿深层次的需求，只满足最基本的功能需求，所以我们需要设计一款可以兼具环保同时摇晃，模拟父母的怀抱，同时能播放摇篮曲的智能婴儿床，此床可以让父母晚上睡得放心，能让宝宝睡得安心、舒适。我们的设计理念是：让每一个睡在婴儿床的孩子，犹如睡在妈妈的怀抱里面。在进入下一个全新世纪这一关头，不仅要做到更加真实的的人体仿真工程还要更加注重环保与可持续发展，在满足人类科技飞速发展的同时还要将绿色环保深入人心，以便于在未来人们可以更长远的探索智能、环保的科技产品。

1 环保智能婴儿床研究现状

在20世纪70年代国外就已经开始对智能家居的研究，目标是使科技更加亲近于人类帮助人类改善生活。在国外，智能婴儿床伴有强大的人工算法以及更舒适的材料工艺，会对婴儿的一举一动进行实时监测。但由于国内工业和科技起步晚于国外，导致我国现在有些技术被国外封锁，想要获取更多的数据就要投入大量资金购买，无法实现完全自主量产和控制。目前我国的智能婴儿床大多数是基于自动化而被研发出现，采用半自动化控制，家长要一边照顾婴儿一边要进行床体摇篮开关操作，并且没有实时检测系统当家长不在婴儿旁边时无法准确识别婴儿的各种状态以及哭闹原因，且无大数据参考。而少数更高级的智能床为国外进口，价格高昂，并且大数据全是根据国外婴幼儿体质制定的，并不完全符合我国婴幼儿，让不少普通老百姓家庭望而止步，原地观望。

我国市场上目前售卖的智能婴儿床不仅在价格上不适用于普通家庭而且在床体、电机、床垫材料上并未从婴幼儿的角度进行研发，例如床体发出刺鼻的气味等…这也同时造成了环保上的一大难题，要控制成本的同时还要注重环保材料的回收和运用。

2 系统总体方案及设计

■2.1 电路设计

2.1.1 时钟电路

因为单片机是时序电路其内部没有所谓的时间单位，无法计时，故此设计出相应的外部时钟电路为其供应一路计时单位。外部时钟电路的构成为一颗11.0592MHz～12MHz不等的晶振，但通常为了方便计算延时函数和外部中断时序程序我们采用12MHz的两针脚无源晶振，12MHz的无源晶振由于没有正负极之分，所以两端可随意接入单片机的XTAL1、XTAL2端，而XTAL1、XTAL2端分别是单片机的时钟电路连接晶振的反相输入端和输出端。晶振的另外两端连接到两颗瓷片电容两端，此电容的作用为负载电容，它可以决定晶振的频率。

2.1.2 复位电路

在单片机中由于程序会很复杂，而我们又要在实际运用中做到不能只用断电这种方式来中断单片机的程序运行以此来重启程序，故此我们需要设计一款不断掉单片机电源为前提下的一种复位电路，此电路利用按键开关和电容模拟充放电的一种过程，在电容充电期间由于电信号不稳定，所以给单片机一种复位的信号，待电容电量充满之后电信号稳定复位信号消失，此过程为复位电路工作过程。

2.1.3 整体电路图设计

在设备接好直流5V电源之后，中央核心处理器处于待机状态，当婴儿啼哭时，声音采集模块可将声音作为模拟信号传递给中央处理器，中央处理器将采集到的模拟信号在内部通过已写好的程序转化成数字信号，随后会判断此次采集到的信号值是否超过提前设定好的阈值。无论是否会超过阈值，处理器会一直从I/O口传输高电平信号给ESP32CAM摄像部分，ESP32CAM在接收到高电平信号后判断当前环境是否需要补光灯进行补光，若突然从需要补光到无需补光环境，ESP32CAM内部具有中断开关，此开关通过程序写入的中断程序来中断补光灯程序的运行，跳至正常摄像程序。当超过提前设定好的阈值，中央处理器会通过I/O口分别输出两组高电平输送给直流电机和MP3乐曲播放器模组，在直流电机将要带动婴儿床摇动前一刻，有一组由处理器子程序发出的高电平信号会传递给床体内部的安全带束缚功能，安全带会束缚至最高限紧位，以防婴儿跌落至床底从而造成安全隐患。直流电机会通过中央处理器发出的高电平信号，在主程序调试好的时间内进行延时程序运行，通过单片机时钟电路发出的时间讯号，电机做出角度不超过45°的摇晃。MP3乐曲播放器在接收到处理器发出的高电平信号后，于直流电机同步展开工作，MP3播放器会播放事先准备好的摇篮曲哄婴儿入睡。在婴儿入睡后，处理器会将发送给直流电机的高电平信号通过I/O口转化为低电平，直流电机会在定好的时间内进行延时摇晃一段时间，与此同时处理器会将发送给MP3播放器的高电平信号转化为低电平，MP3播放器停止播放摇篮曲以确保婴儿睡眠质量。待婴儿熟睡后，处理器会通过另一个I/O口输出一组持久高电平让DHT11温湿度检测模块上线工作，DHT11会在婴儿熟睡之后实时监测婴儿体温以及是否尿床，若体温或湿度超过设定阈值，则会给处理器反馈一组高电平，此时处理器内部进行中断程序，运行针对DHT11内部的子程序，其程序会将实时检测出的温度通过模拟信号在处理器内部转换为数字信号通过处理器的I/O口发送给下位机ESP32的WIFI模块，ESP32将数字信号转换成模拟信号发送给WIFI模块，最终通过WIFI上传到云端或蓝牙终端，发送至家长手机。

图1

■2.2 床体设计

在结构方面：从大体结构上着手，例如：智能婴儿床床体的结构呈现深弧形，保障婴儿在床里容易保持平衡。另外在整体结构上采用三脚支撑式结构，在布置电机较重的一方采用了两根支撑住，另一端采用了一根独立的支撑柱，在节省材料方面的同时考虑到结构创新性时又结合了稳定性考虑。在两根承重柱放置的时候，考虑到首先要保护婴儿头部，其次考虑电机放置的位置，在电机放置时候尽量极大限度避免工作时的噪音吵到婴儿。在架置电机的绝缘棍设计之初凸出了两根较长的一侧以便以后晾晒婴儿相关的衣物和随身物品。在婴儿床后方的单支撑柱在设计初足够支撑后半部分的重量，整个床采用最结实最环保的橡木制造，不会对婴儿产生任何影响。在传动部分我们将以前有着易损，易堵的舵机换成了永磁无刷电机，此电机可以有效避免噪音干扰婴儿被哄睡的过程，而且为防止平常的声音对床的晃动开关影响，采用了先进的阈值技术，让婴儿能及时睡着的同时，不会额外打扰到婴儿或者造成电力资源浪费。节省了空间的同时，达到了提倡环保的设计理念。

图2

■2.3 人机交互设计

当婴儿在父母不知情的情况下被吵醒或者突然惊醒，床头靠近婴儿的微型声音传感器能及时采录婴儿的啼哭声，并能迅速交给中央处理芯片进行处理，当婴儿哭声超出了一定的阈值，床一边的步进电机能做出让床左右摇摆的动作，模拟婴儿被父母抱入怀中哄睡的整个过程，而此时一旁的MP3也会发出舒适的童谣当婴儿进入睡眠时，啼哭声消失，但整个系统仍在工作并延迟关闭，以免突然惊醒刚入睡的婴儿，能让婴儿安心睡着，父母也不必过度操劳。在控件方面加装了采用ESP32旗下的WIFI+蓝牙模块实时推送的CAM远程可视化监测技术，采用微型摄像头让父母进行随时随地的对婴儿进行远程互动，为了照顾晚上灯光昏暗父母不易看清婴儿的状态及其问题，才微型摄像头附近添加了一颗LED照明灯珠，此灯珠仅会在晚上或灯光昏暗的条件下自动开启，在摄像头与LED灯珠之间采用斜面夹角原理，让LED灯珠在满足照明补光的同时，最大程度上降低LED补光灯珠对婴儿眼睛的危害，保护婴儿晚上睡觉时的氛围，也同时能让父母在视频互动设备上能看清楚当前婴儿的状态。

图3 人机交互控制系统

■2.4 物联网及云服务设计

为了使人机交互系统更加可靠，故此采用WIFI+蓝牙模块进行无线传输，当无网络且距离较近时家长可采用手机连接蓝牙进行对婴儿的行为实时监测。当网络环境适宜且距离较远时可采用网络连接摄像头进行监测婴儿的实时行为。针对市面上众多摄像头以及WIFI+蓝牙模块对比，我们采用ESP-32CAM模块进行制作物联网部分，新版ESP-32基带主板可兼容多种规格摄像头，我们在节约用电和降低成本方面考虑采用了640×480分辨率的摄像头。

图4 ESP32—CAM

CAM将采集到的视频信息通过云端传输发送至云端，家长可在些许延迟后通过手机接入云端下载相关直播画面数据进行实时查看。

■2.5 材料回收备案

智能婴儿床床体虽然可以定制且能够满足1至5岁不同年龄段各个阶段婴幼儿使用，但当婴幼儿一天天长大，智能婴儿床也完成了自己的使命。为响应我国现阶段和未来环保以及可持续发展的号召，在设计床体、枕头垫、床垫时采用可回收可降解的材料进行制作，在满足婴儿舒适的前提下，推动我国环保事业的发展。床体采用环保耐用的橡木制成，后期可将其改造为供小朋友吃饭的小桌板或者是学习桌。枕头芯和床垫采用环保型材料，利用天然植物材料提取制成，在日后回收时可将其变为化肥以及再生纸长原材料进行反复回收利用。这样一来不仅能让婴儿享受舒适的同时也能兼顾对国家环保事业的支持。随着科技与智能时代的来临，我们要积极响应国家“可持续发展”政策，在创造的同时尽可能减少对大自然的破坏，做到有害材料做到无害处理，力求在生产和使用时做到环保，“绿水青山就是金山银山”这句话不仅仅是对我们所说，更是要求我们要对后来的人们负责，为他们开创一片绿色适宜居住的环境。