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）

0 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。