一种婴儿床辅助睡眠装置

摘要：婴儿的睡眠质量对其健康和发育至关重要。研究表明，婴儿在睡眠过程中经历多个阶段，包括入睡、浅睡眠、深睡眠和快速眼动期（REM）睡眠。对于婴儿来说，良好的睡眠对于身体和大脑的发育至关重要。然而，由于各种原因，如不适应新环境、生理需求、焦虑或不适感，婴儿的入睡和睡眠维持可能会受到干扰。传统上，父母通常采用包括抚摸、摇篮、安抚哄睡和使用安抚玩具来使婴儿入睡。然而，这些方法对于一部分婴儿所起的作用可能收效甚微。因此，设计一种婴儿床辅助睡眠装置，包括温度检测、声光报警、摇篮、尿失禁检测，音乐播放器等功能，能顺利解决婴儿睡眠情况差、父母育儿压力大等问题。

关键词：睡眠；报警；摇篮；监测

1婴幼儿睡眠环境现状和背景

随着国家鼓励生育政策的提出，我国婴幼儿出生率得到提高。然而如何保证婴幼儿有一个安全舒适的睡眠环境［1］和最大程度提高婴幼儿的睡眠质量，是每个父母都关注的问题。很多父母在辅助婴儿睡眠时会遇到很多困难，通常，父母采用包括安抚、摇篮、清唱儿歌等方式来使婴儿入睡。而对于刚刚步入职场的年轻夫妇，每天背负巨大的工作压力，晚上很难有精力再去安抚婴幼儿入睡，解放双手成为年轻夫妇最大的愿望。

f1090de0bf50cc3d100bbe3fc4cc7f2ec38e0eb109bfa1e32570d207dc76f515普通的婴儿床需要手动摇动如图1所示，存在睡眠依赖性、运动不可持续性、安全性差等缺点，不能适用于所有婴儿。因此，需要一种婴儿床辅助睡眠机器人，既能提高婴幼儿的睡眠质量、检测婴幼儿的睡眠状态，同时也能解放父母双手，缓解育儿压力。

2产品原理及功能

婴儿床辅助睡眠机器人是一个基于AT89C51微控制器的智能设备，具备多种功能，其包括体温检测、摇篮、尿失禁智能监护、音乐播放器等模块，旨在提供安全和舒适的睡眠环境（如图2所示）。

2.1体温检测

婴儿床辅助睡眠机器人使用红外线测温［2］模块来感知婴儿在床上的温度。当机器人监测到婴儿温度超过设定的上限或低于设定的下限时，它会立即触发报警，发出声音、闪烁灯光或发送警报通知到父母。父母收到警报后，可以及时前往婴儿床边，检查婴幼儿是否发烧，以确保婴儿的舒适（如图3所示）。

2.2摇篮

婴儿床辅助睡眠机器人具备摇篮功能，通过内置的电动机和传动装置来模拟轻轻摇晃的动作，如图4—图5所示。父母可以通过按钮或电脑软件控制机器人的电动机，启动或关闭传动装置，实现舒适的摇篮动作。摇篮功能旨在模拟父母的温柔摇晃［3］，以促进婴儿的安稳入眠。这种轻柔的摇晃运动可以帮助婴儿放松身体和心灵，安抚他们的情绪，缓解不适感，促进入眠和良好的睡眠质量。对于那些难以入睡的婴儿来说，这个功能可以起到有效的辅助作用。

2.3尿失禁智能监护

机器人配备湿度传感器，定时检测婴儿尿布的湿度。当湿度高于设定值且pH值低于设定值时，机器人将触发与声光报警中不同的报警音效，以提示父母尿布可能需要更换，结合湿度和pH值的信息，旨在提供更加准确和可靠的尿失禁监测，帮助父母更好地照料婴儿，保持他们的干燥与健康。

2.4音乐播放器

音乐选择功能为父母提供了一个丰富多样的歌曲库［4］，内含许多温馨动听的音乐。音乐播放器的设计、通过优美的歌声和音乐，为婴儿创造轻松愉悦的睡眠氛围，促进他们入睡和进入良好的睡眠周期。

2.5液晶显示

机器人配备液晶显示屏，用于显示相关信息，如图6所示。温度显示部分通过将红外线测温模块获取的温度数值进行实时显示，父母可以清晰地了解婴儿的温度状态。机器人状态显示部分通过显示电机的转动状态以及摇篮功能的开启或关闭状态，父母可以通过液晶显示屏了解机器人当前的工作状态和摇篮功能的运行情况。

2.6电脑软件控制与显示

婴儿床辅助睡眠机器人支持与电脑软件的交互控制。通过Python开发上位机控制，可以在电脑上控制机器人的各种功能［56］。同时，机器人的状态也可以通过电脑软件进行显示。这个软件使用了Pyside框架，提供了一个可视化界面，使得操作更加直观。父母可以在电脑上看到当前机器人的状态和相关信息如温度、摇篮功能的开启状态、设定的温度上下限等重要信息。

3产品软件组件

3.1嵌入式固件

嵌入式固件是安装在婴儿床辅助睡眠机器人的嵌入式控制器上的软件程序［7］，它具有独立运行的特性，并负责控制硬件模块和处理相关的数据。嵌入式固件在婴儿床辅助睡眠机器人中的主要任务是控制硬件模块的操作和协调机器人的功能。它通过与机器人的各个部件和传感器进行交互，监测和控制其状态。例如，嵌入式固件可以控制电动机来实现床的摇晃运动，控制LED灯来提供柔和的照明，控制音频模块来播放安抚的声音等。

3.2上位机控制软件

上位机控制软件是一种运行在计算机上的应用程序，通过与婴儿床辅助睡眠机器人建立蓝牙通信，提供远程控制和监控功能。这种软件通常采用Python编程语言开发，并提供直观的可视化界面，使用户能够轻松地与机器人进行交互，如图7所示。

上位机控制软件通过蓝牙连接与机器人进行通信。它使用蓝牙协议与机器人建立连接，并发送和接收指令、数据以实现远程控制和监控。通过这种方式，用户可以在计算机上通过软件与机器人进行交互，而不需要直接接触机器人或操作其硬件控制面板。

通过上位机控制软件，用户可以方便地远程控制和监控婴儿床辅助睡眠机器人。用户可以通过计算机与机器人进行交互，调整机器人的设置和参数，监测温度和机器人状态，并根据需要进行相应的操作。这种软件的设计和开发旨在提供更好的用户体验和操作便利性。

3.3通信协议

使用范围表示多个连续的数据包开头。如表2所示，0x00—0x05表示从0x00到0x05的六个连续数值，表示单片机接收的数据包开头［8］。同样地，0x80—0x85表示从0x80到0x85的六个连续数值，表示响应的数据包开头。

（1）如表3所示，在单片机启动的时候会发出0x00、0x00、0x00、0xFF。

（2）如表4所示，当单片机接收到0x00—0xFF，那么会发出0x80、0x00、0x00、0xFF来表明当前串口连接成功。

4系统构架的流程

4.1硬件初始化流程

首先，摇篮装置初始化。该装置用于调节婴儿床的高度和角度，以提供适宜的睡眠环境。通过初始化，确保电动机和传动装置能够平稳运行，并且能够按需调整床的位置。接下来是红外线测温模块将被初始化。通过初始化，确保该模块能够正常工作并准确地获取体温数据。其次，声光报警器也需要进行初始化。该报警器用于在检测到异常情况时提醒父母或监护人。通过初始化，确保报警器能够发出清晰的声音和明亮的光线，有效吸引注意力。再次，音乐播放器初始化。通过初始化，确保播放器处于待机状态，随时根据需要播放儿歌，并保证在婴幼儿处于睡眠状态时自动关闭声音，确保不会影响睡眠。从次，是尿失禁检测装置初始化。通过初始化，保证装置可以在一天中任意时刻都能检查婴幼儿状态，如果发现异常则会连接报警装置，启动报警。最后，液晶显示屏的初始化。该显示屏用于显示婴儿的体温数据、报警信息以及其他相关信息。通过初始化，确保显示屏能够正常工作，并能够清晰地显示各种信息。如流程图8所示。

4.2软件控制流程

（1）电脑上的上位机控制软件与婴儿床辅助睡眠机器人建立蓝牙连接。上位机控制软件在电脑上运行，并与婴儿床辅助睡眠机器人建立蓝牙连接。这种无线连接允许软件与机器人进行通信和数据传输。

（2）父母通过上位机控制软件设置温度报警的上下限值和控制摇篮功能的开关。通过上位机控制软件，父母可以轻松设置温度报警的上下限值。他们可以根据婴儿的需求和医生的建议，设定适当的温度范围，以确保婴儿在舒适和安全的环境中睡眠。此外，软件还允许父母通过开关控制摇篮功能的启用或禁用，根据需要进行调整。

（3）上位机控制软件发送命令和参数给嵌入式控制器。一旦父母设置好参数，上位机控制软件会将相应的命令和参数发送给嵌入式控制器。这些命令和参数包括温度报警的上下限值以及摇篮功能的开关状态。

（4）嵌入式控制器接收并执行命令。嵌入式控制器接收到来自上位机控制软件的命令和参数后，开始执行相应的操作。它会根据父母设置的温度报警上下限值进行温度监测和报警，并根据摇篮功能的开关状态控制电动机和传动装置进行摇篮运动。

5本项目的创新

（1）装置的报警功能［9］。装置在遇到异常情况启动报警后，报警不仅可以通过报警器发出声音报警，同时婴儿床外壳内壁两侧串联的LED灯也会配合报警装置一起闪烁，起到良好的报警效果。

（2）装置的风扇功能。装置内部除了红外探测仪和尿失禁检测仪以外，内壁上侧还配备了小型电风扇，便于在室内气温过热时，给予婴幼儿舒适的睡眠环境。

（3）装置的节能减排思想。装置内壳外壁装有两个太阳能板，在白天婴幼儿活动时间可放置于太阳下进行充电，将所储太阳能良好地转化为电能，便于为晚上电风扇的使用提供电能，以达到节能减排的环保思想。

6项目总结与展望

6.1总结

婴儿床辅助睡眠机器人是一项创新的技术产品，旨在为婴儿提供安全、舒适的睡眠环境，并为父母带来便利和放心。在目前的设计中，红外线测温模块用于实时监测床上的温度，声光报警器在温度异常时触发报警，电动机和摇篮装置模拟摇篮的舒适感，液晶显示屏显示关键数据，电脑软件提供远程控制和监控。这些功能相互配合，为婴儿的睡眠提供了全方位的关怀和安全保障。

6.2展望

婴儿床辅助睡眠机器人可以进一步改进和完善，以下是一些可能的改进方向：

（1）多功能扩展。除了温度监测和摇篮功能，可以考虑添加其他功能，如心率、呼吸监测等，以满足不同家庭的需求。

（2）人工智能应用。引入人工智能技术，通过学习和分析婴儿的睡眠模式，提供个性化的睡眠建议和优化的调控策略。

（3）智能连接与互联。与智能家居系统集成，通过与其他设备的互联，实现更智能化、自动化的控制和监测，为家长带来更大的便利。

（4）数据分析和健康监测。利用收集到的数据进行分析和统计，为家长提供婴儿睡眠的健康状况评估和监测报告，帮助他们更好地了解婴儿的睡眠情况。

婴儿床辅助睡眠机器人的出现为家长们带来了更多的选择和便利，为婴儿的睡眠提供了更好的关怀和保护。随着技术的不断发展和创新，相信这个领域将迎来更多的进步和突破，为家庭提供更加智能化和人性化的婴儿睡眠解决方案。

参考文献：

［1］张兴利.营造温馨、安全的婴幼儿睡眠环境［J］.早期教育（教育教学），2020（05）：2325.

［2］赵小兰，胡征，马国欣，等.便携式红外线人体测温仪的设计［J］.电子测试，2013（22）：12.

［3］蒋昌跃，彭熙，马秀月，等.智慧摇篮的设计与实现［J］.电子世界，2020（08）：174175.

［4］InventecAppliances;PatentIssuedforWirelessMusicPlayingMethod，WirelessMusicPlayingSystemandWirelessMusicPlayer（USPTO9553908）［J］.TelecommunicationsWeekly，2017：930.

［5］LuJ.ApplicationofComputerNetworkDataCommunicationTechnologyinProductionandLife［J］.JournalofPhysics：ConferenceSeries，2021，2074（1）：012029.

［6］MaZ，ZhangG，WeiD.ApplicationofComputerTechnologyinLifeundertheBackgroundofBigData［J］.JournalofPhysics：ConferenceSeries，2021，1881（3）：032068（8pp）.

［7］张浩，申珊靛，刘鹏，等.嵌入式设备固件仿真器综述［J］.计算机研究与发展，2023，60（10）：22552270.

［8］温洪昌，张信禹.基于单片机串口通信的CRC校验仿真研究［J］.计量与测试技术，2022，49（08）：1518.

［9］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）：214215+217.

作者简介：胡晨骁（2002—），男，江苏扬州人，学生，研究方向：机械设计制造及其自动化。