基于STM32的智能看護嬰兒床

孫濤 王春柳

摘? 要：隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展和智能家居的逐步實現(xiàn)，傳統(tǒng)嬰兒床難以滿足市場的需求，為了減輕年輕父母照看嬰兒的負擔，保障嬰兒的睡眠質量，文章采用STM32F103為核心控制器，采集各類傳感器的數(shù)據(jù)后進行分析處理，結合藍牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸至手機APP，實現(xiàn)了嬰兒周圍環(huán)境的檢測、啼哭報警、踢被報警、體重測量、智能音樂播放等功能。實物操作簡單，與傳統(tǒng)嬰兒床相結合實現(xiàn)智能化看護，解決可能出現(xiàn)的實際問題，并且性價比高，使用價值強。

關鍵詞：STM32;智能嬰兒床;傳感器;藍牙模式

中圖分類號：TB472;TP368.1? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）24-0174-04

Intelligent Care Baby Crib Based on STM32

SUN Tao，WANG Chunliu

（Nanjing Normal University Zhongbei College，Zhenjiang? 210046，China）

Abstract：With the continuous development of the internet of things technology and the gradual realization of smart home，traditional baby cribs are hard to meet the needs of the market. In order to lighten the burden of young parents to take care of their babies，and to ensure the quality of their babiessleep，the paper uses STM32F103 as the core controller，collects data from various sensors and then analyzes and processes the collected data，and combines the Bluetooth module to transmit the data to mobile APP to realize a series of functions，such as detecting of the babys surrounding environment，crying alarm，quilt kicking alarm，and weight measurement，smart music playing etc. The physical operation is simple，on the basis of combining with the traditional baby crib，it realizes intelligent care，solves the actual problems that may occur，and has high performance-price ratio and strong use value.

Keywords：STM32;intelligent baby crib;sensor;Bluetooth mode

0? 引? 言

隨著我國全面放開二胎政策，越來越多的家庭開始承受較重的育兒壓力，智能嬰兒床可以給嬰兒更好的照顧，同時減輕父母育兒負擔，提高生活質量。因此課題組通過調研父母需求以及結合市場需求設計了一款基于STM32F103的智能看護嬰兒床，該裝置可以有效地與傳統(tǒng)嬰兒床相結合，實現(xiàn)嬰兒床的智能化看護。本次設計的智能嬰兒床加入了溫濕度傳感器、聲音傳感器來實時監(jiān)測嬰兒的狀態(tài)，還加入了智能踢被檢測、體重檢測、音樂播放功能來預測嬰兒健康情況，提供相關娛樂場景，最后該裝置可以通過藍牙與手機APP進行連接，實現(xiàn)對家長的異常提醒和播放嬰兒喜歡的音樂。整個系統(tǒng)目前已完成相關硬件電路的設計和軟件開發(fā)，相關的硬件具體將結合傳統(tǒng)嬰兒床的結構，安裝在相應位置。本文設計的嬰兒床可用于看護剛出生或較小的嬰兒，這樣也可減輕新手媽媽的擔憂和不安?，F(xiàn)場測試表明，該嬰兒床運行安全、方便、可靠，檢測精度高，具有廣闊的使用前景。

1? 總體設計方案

本文設計的智能看護嬰兒車含有多個傳感器和多個模塊，如核心控制器 、踢被檢測模塊、壓力傳感模塊、音樂播放模塊、環(huán)境檢測模塊、通信模塊、終端顯示模塊、啼哭監(jiān)測模塊等，將各個部分結合起來，構成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

為滿足對嬰兒的悉心照料，又能讓父母節(jié)省時間和精力。首先，將系統(tǒng)的相關檢測模塊安裝在傳統(tǒng)嬰兒床的相應位置。嬰兒房間內的溫度在夏季應保持在26 ℃左右，在冬季保持在20 ℃左右，春秋兩季不需要特別調整，濕度要達到45%～70%，濕度對嬰兒的呼吸道健康非常重要。通過對嬰兒周圍環(huán)境的溫濕度進行檢測，判斷環(huán)境是否為嬰兒適宜溫濕度，并在異常時通過APP進行提醒;啼哭監(jiān)測模塊可檢測嬰兒啼哭情況，方便父母不在嬰兒身邊時及時了解嬰兒狀態(tài);新生嬰兒發(fā)育快，體重增長迅速，為了確保父母對其營養(yǎng)攝入的把控，增加壓力傳感器，用于對嬰兒的體重進行檢測，讓父母觀察到嬰兒的成長。音樂播放模塊可以在嬰兒情緒煩躁時，父母通過手機APP發(fā)送相應指令，實現(xiàn)播放音樂的功能。睡眠對嬰兒的成長尤為重要，但嬰兒活潑好動，在睡眠過程中容易踢被而使自己生病，所以踢被檢測模塊作為嬰兒看護裝置中一個重要的組成部分，將多個溫度傳感器嵌入到嬰兒睡眠的被子，檢測嬰兒被子內外差異，主要實現(xiàn)的功能是，判斷出嬰兒是否踢掉被子，在嬰兒踢被后及時通過手機APP提醒父母為其蓋好被子。

2? 硬件系統(tǒng)設計

整個硬件系統(tǒng)主要由八個部分組成：核心控制器、踢被檢測模塊、壓力傳感模塊、音樂播放模塊、環(huán)境檢測模塊、通信模塊、終端顯示模塊、啼哭監(jiān)測模塊。

2.1? 核心控制器

本系統(tǒng)采用STM32F103芯片為核心控制器對各模塊進行控制。采用STM32F103芯片是因為它有著極高的性價比、簡單易用的庫開發(fā)方式，其是一款基于ARM Cortex-M內核STM32系列32位微控制器，其主頻可達72 MHz，可進行復雜的計算和控制。DHT11溫濕度傳感器、HX711壓力傳感器、LM386聲音傳感器以及LM75A溫度傳感器，掛載于STM32F103的IO口上用于監(jiān)控環(huán)境和嬰兒的生理狀況并處理傳感器傳回的數(shù)據(jù)。它包含了高速存儲器以及UART、USART等先進的通信接口，通過與HC-08藍牙模塊連接，實現(xiàn)信息傳輸。用戶通過手機端接收信息并發(fā)送相應指令使核心控制器控制音樂模塊的工作。核心控制器如圖2所示。

2.2? 踢被檢測模塊

嬰兒由于體質弱、抵抗力差，如果睡眠時著涼可能會引起生病，因此本設計提供一種踢被提醒的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)，能夠對嬰兒的踢被狀態(tài)進行監(jiān)測并及時提醒監(jiān)控者。核心控制器采用多個溫度傳感器嵌入被子里感知被子內和外界的溫度并進行比較，判斷嬰兒的踢被狀態(tài)，核心控制器通過通信模塊向APP發(fā)送信息，及時提醒家長為嬰兒蓋好被子。溫度傳感器選擇的是LM75A，其是一款高速I2C接口的溫度傳感器，LM75A的時鐘線SCL接單片機的PB^6口，數(shù)據(jù)線SDA接PB^7口，單片機通過軟件I2C與溫度模塊進行數(shù)據(jù)采集。地址寄存器中A7～A4為固定地址，進行數(shù)據(jù)傳輸、采集實時溫度;A3～A1可選地址，對應LM75A的三個地址引腳;A0為讀/寫功能位，1為讀取，0為寫入，在對每個模塊進行地址設置后，一條總線上最多可使用8個LM75A，同時它是低功耗設計，工作電流典型值為250.0 μA，掉電模式為3.5 μA，能提供良好的溫度精度（0.125 ℃），保證踢被檢測的準確性。同時該模塊無須再進行AD轉換，能夠直接提供環(huán)境溫度對應的數(shù)字信息，直接表示溫度。其電路圖如圖3所示。

2.3? 壓力傳感模塊

壓力傳感模塊是由HX711和稱重傳感器組成。HX711芯片內提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內部的A/D轉換器提供電源。滿量程輸出電壓=激勵電壓×1.0 mV/V，HX711模塊A通道帶有128倍信號增益，可以將5 mV的電壓放大128倍然后采樣輸出24 bit AD轉換的值，單片機的PB^0口接時鐘引腳SCK，PB^1口接數(shù)據(jù)傳送引腳，通過指定時序將24 bit數(shù)據(jù)處理并在屏幕上進行顯示。新生嬰兒發(fā)育快、體重增長迅速，父母可以通過體重檢測來了解嬰兒的生長，把控其營養(yǎng)攝入的需求。

2.4? 音樂播放模塊

當嬰兒煩躁、焦慮時，父母可以通過手機APP啟動系統(tǒng)的音樂播放功能幫助嬰兒舒緩情緒。音樂播放采用ISD1820，因為該模塊可以進行高質量、自然的語音還原，還可用作喊話器模塊。同時它的PLAYE端與單片機的PA^4口相連，在通過按鍵分別進行循環(huán)播放、點動播放、錄音的同時，再結合藍牙傳輸模塊，通過手機端控制音樂的播放。

2.5? 環(huán)境檢測模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊主要功能是感知外界溫度和濕度，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機。DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，通過微控制器接口與該模塊連接達到溫度和濕度數(shù)字輸出。該產品具有響應迅速、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。其具有超小體積、極低功耗的同時，測量精確度高，工作原理也較為簡單，溫濕度傳感器的使能端與單片機PB^12連接，實時檢測嬰兒床周圍溫濕度。同時DHT11溫濕度傳感器的濕度檢測范圍為20 %RH～95 %RH，溫度測量范圍為0 ℃～50 ℃，使其可以準確測量嬰兒床的環(huán)境。然后在液晶顯示屏上實時顯示。其電路圖如圖4所示。

2.6? 通信模塊

藍牙是一種標準的無線通信協(xié)議，它以收發(fā)芯片為基礎，具有成本低、功耗低的特點。HC-08藍牙模塊是Bluetooth Specification V4.0 BLE藍牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。無線工作頻段為2.4 GHz ISM，調制方式是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4 dBm，可以實現(xiàn)80米的超遠距離通信。主從機一體同時可以通過AT指令進行切換。STM32F103有三個串口，HC-08模塊與單片機連接使用的是USART3，主要連接方式是HC-08的RXD接單片機的PB^10口，TXD接PB^11口。工作流程如圖5所示。

2.7? 終端顯示模塊

終端顯示模塊采用0.96寸的OLED屏12 864液晶顯示屏模塊。正常顯示功耗為21 mA～28 mA。該模塊使用I2C與單片機連接，單片機的PB^9口接液晶顯示屏的時鐘線SCL，PB^8接數(shù)據(jù)線SDA。該屏幕上顯示實時溫濕度、實時時間及嬰兒體重，讓父母更為直觀地了解到嬰兒床的周圍環(huán)境和嬰兒的成長。同時在播放音樂時顯示對應的圖標。

2.8? 啼哭監(jiān)測模塊

啼哭檢測模塊由LM386聲音傳感器組成。該模塊采用LM386對音頻信號進行200倍放大，可調節(jié)靈敏度，LM386有數(shù)字量輸出和模擬量輸出，由于要判斷嬰兒是否啼哭，本設計通過單片機采集該模塊的模擬量輸出，由單片機的PA^0口接該模塊的AOUT，將采集的信號進行AD轉換后判斷是否為嬰兒啼哭并進行提醒。嬰兒若發(fā)生長時間啼哭，說明嬰兒可能有意外狀況發(fā)生，及時提醒父母以幫助嬰兒解決。

3? 軟件系統(tǒng)設計

智能嬰兒裝置開啟后，首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，初始化完成后，各模塊開始運轉。核心控制器讀取溫濕度傳感器、聲音傳感器和壓力傳感器檢測到的值，當溫濕度數(shù)據(jù)和聲音信號超過設定的安全閾值后，通信模塊將向父母手機發(fā)送提醒信息，在開始踢被監(jiān)測功能后，在嬰兒踢被時，系統(tǒng)將通過手機APP及時提醒使父母及時幫助嬰兒蓋上被子。同時父母可以通過手機APP發(fā)送相關指令操作裝置上的音樂播放模塊播放音樂。主程序程流程圖如圖6所示。

4? 結? 論

本文中所設計的智能看護嬰兒床以STM32F103為核心控制器，結合傳感模塊、通信模塊、終端顯示模塊、音樂播放模塊和軟件控制，最終實現(xiàn)了智能看護的要求。根據(jù)嬰幼兒實際需要，解決幫助父母保護和呵護嬰兒的成長的需求，為嬰兒創(chuàng)造一個良好舒適的培育環(huán)境。經過論證，系統(tǒng)能達到設計所需的要求，具有一定的便攜性，可以與傳統(tǒng)嬰兒床相結合，具有一定的使用價值。整個設計過程中最大的特點是能夠在嬰兒踢被后及時通過手機APP進行提醒。溫濕度檢測、體重檢測數(shù)據(jù)在屏幕實時顯示，啼哭報警系統(tǒng)正常，可以通過APP控制音樂播放模塊播放音樂，系統(tǒng)容錯率較高。本設計創(chuàng)新點在于看護裝置實現(xiàn)的踢被提醒和體重檢測功能。本文設計的智能看護嬰兒床系統(tǒng)還有不足之處，還需繼續(xù)完善，如：還可添加收集嬰兒的成長數(shù)據(jù)的功能，以便父母更加直觀地了解嬰兒的成長，后期也會進一步的改善。

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作者簡介：孫濤（1998.08 --），男，漢族，江蘇淮安人，本科在讀，研究方向：信息科學與技術;王春柳（1989.01—），女，漢族，江蘇鎮(zhèn)江人，講師，碩士，研究方向：嵌入式與智能控制。