環(huán)保智能嬰兒床的項目研究

韓黨驍，李琦，袁昊，唐賢宣，李萍，張祎康

（青海民族大學(xué)，青海西寧，810000）

在現(xiàn)如今20世紀(jì)末，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,人民生活水平的提高,全面二胎政策也開放,越來越多家庭擁有了自己的小生命。在興奮激動的同時,他們也面領(lǐng)著一些問題,其中比較頭疼的就是寶寶剛出生的時候,“不抱不搖，不睡覺” ,父母在工作一天之后還要忙于自己的事業(yè)還要照顧自己的家人,一天兩天可以這樣堅持一下，但隨著日程增加和每天的負擔(dān)增加，照顧家人這種活會讓正在上班的年輕父母長時間感到些許不適。在日常生活中年輕父母不僅要照看嬰幼兒還要照顧家里的老人，一下子多了許多壓力。由于我國現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計起步晚，發(fā)展時間較短，對嬰兒產(chǎn)品設(shè)計研究不足，研究進展十分困難。在嬰兒產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域缺乏相關(guān)的理論研究，比如人機工程等缺乏精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。雖然市面上嬰兒產(chǎn)品種類繁雜，但是設(shè)計和創(chuàng)新方面，它們能力欠缺，比如說設(shè)計方法落后，缺乏系統(tǒng)、優(yōu)秀的設(shè)計，其中大部分嬰兒產(chǎn)品設(shè)計角度來自成人，沒有挖掘嬰兒深層次的需求，只滿足最基本的功能需求，所以我們需要設(shè)計一款可以兼具環(huán)保同時搖晃，模擬父母的懷抱，同時能播放搖籃曲的智能嬰兒床，此床可以讓父母晚上睡得放心，能讓寶寶睡得安心、舒適。我們的設(shè)計理念是：讓每一個睡在嬰兒床的孩子，猶如睡在媽媽的懷抱里面。在進入下一個全新世紀(jì)這一關(guān)頭，不僅要做到更加真實的的人體仿真工程還要更加注重環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展，在滿足人類科技飛速發(fā)展的同時還要將綠色環(huán)保深入人心，以便于在未來人們可以更長遠的探索智能、環(huán)保的科技產(chǎn)品。

1 環(huán)保智能嬰兒床研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)70年代國外就已經(jīng)開始對智能家居的研究，目標(biāo)是使科技更加親近于人類幫助人類改善生活。在國外，智能嬰兒床伴有強大的人工算法以及更舒適的材料工藝，會對嬰兒的一舉一動進行實時監(jiān)測。但由于國內(nèi)工業(yè)和科技起步晚于國外，導(dǎo)致我國現(xiàn)在有些技術(shù)被國外封鎖，想要獲取更多的數(shù)據(jù)就要投入大量資金購買，無法實現(xiàn)完全自主量產(chǎn)和控制。目前我國的智能嬰兒床大多數(shù)是基于自動化而被研發(fā)出現(xiàn)，采用半自動化控制，家長要一邊照顧嬰兒一邊要進行床體搖籃開關(guān)操作，并且沒有實時檢測系統(tǒng)當(dāng)家長不在嬰兒旁邊時無法準(zhǔn)確識別嬰兒的各種狀態(tài)以及哭鬧原因，且無大數(shù)據(jù)參考。而少數(shù)更高級的智能床為國外進口，價格高昂，并且大數(shù)據(jù)全是根據(jù)國外嬰幼兒體質(zhì)制定的，并不完全符合我國嬰幼兒，讓不少普通老百姓家庭望而止步，原地觀望。

我國市場上目前售賣的智能嬰兒床不僅在價格上不適用于普通家庭而且在床體、電機、床墊材料上并未從嬰幼兒的角度進行研發(fā)，例如床體發(fā)出刺鼻的氣味等…這也同時造成了環(huán)保上的一大難題，要控制成本的同時還要注重環(huán)保材料的回收和運用。

2 系統(tǒng)總體方案及設(shè)計

■2.1 電路設(shè)計

2.1.1 時鐘電路

因為單片機是時序電路其內(nèi)部沒有所謂的時間單位，無法計時，故此設(shè)計出相應(yīng)的外部時鐘電路為其供應(yīng)一路計時單位。外部時鐘電路的構(gòu)成為一顆11.0592MHz～12MHz不等的晶振，但通常為了方便計算延時函數(shù)和外部中斷時序程序我們采用12MHz的兩針腳無源晶振，12MHz的無源晶振由于沒有正負極之分，所以兩端可隨意接入單片機的XTAL1、XTAL2端，而XTAL1、XTAL2端分別是單片機的時鐘電路連接晶振的反相輸入端和輸出端。晶振的另外兩端連接到兩顆瓷片電容兩端，此電容的作用為負載電容，它可以決定晶振的頻率。

2.1.2 復(fù)位電路

在單片機中由于程序會很復(fù)雜，而我們又要在實際運用中做到不能只用斷電這種方式來中斷單片機的程序運行以此來重啟程序，故此我們需要設(shè)計一款不斷掉單片機電源為前提下的一種復(fù)位電路，此電路利用按鍵開關(guān)和電容模擬充放電的一種過程，在電容充電期間由于電信號不穩(wěn)定，所以給單片機一種復(fù)位的信號，待電容電量充滿之后電信號穩(wěn)定復(fù)位信號消失，此過程為復(fù)位電路工作過程。

2.1.3 整體電路圖設(shè)計

在設(shè)備接好直流5V電源之后，中央核心處理器處于待機狀態(tài)，當(dāng)嬰兒啼哭時，聲音采集模塊可將聲音作為模擬信號傳遞給中央處理器，中央處理器將采集到的模擬信號在內(nèi)部通過已寫好的程序轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，隨后會判斷此次采集到的信號值是否超過提前設(shè)定好的閾值。無論是否會超過閾值，處理器會一直從I/O口傳輸高電平信號給ESP32CAM攝像部分，ESP32CAM在接收到高電平信號后判斷當(dāng)前環(huán)境是否需要補光燈進行補光，若突然從需要補光到無需補光環(huán)境，ESP32CAM內(nèi)部具有中斷開關(guān)，此開關(guān)通過程序?qū)懭氲闹袛喑绦騺碇袛嘌a光燈程序的運行，跳至正常攝像程序。當(dāng)超過提前設(shè)定好的閾值，中央處理器會通過I/O口分別輸出兩組高電平輸送給直流電機和MP3樂曲播放器模組，在直流電機將要帶動嬰兒床搖動前一刻，有一組由處理器子程序發(fā)出的高電平信號會傳遞給床體內(nèi)部的安全帶束縛功能，安全帶會束縛至最高限緊位，以防嬰兒跌落至床底從而造成安全隱患。直流電機會通過中央處理器發(fā)出的高電平信號，在主程序調(diào)試好的時間內(nèi)進行延時程序運行，通過單片機時鐘電路發(fā)出的時間訊號，電機做出角度不超過45°的搖晃。MP3樂曲播放器在接收到處理器發(fā)出的高電平信號后，于直流電機同步展開工作，MP3播放器會播放事先準(zhǔn)備好的搖籃曲哄嬰兒入睡。在嬰兒入睡后，處理器會將發(fā)送給直流電機的高電平信號通過I/O口轉(zhuǎn)化為低電平，直流電機會在定好的時間內(nèi)進行延時搖晃一段時間，與此同時處理器會將發(fā)送給MP3播放器的高電平信號轉(zhuǎn)化為低電平，MP3播放器停止播放搖籃曲以確保嬰兒睡眠質(zhì)量。待嬰兒熟睡后，處理器會通過另一個I/O口輸出一組持久高電平讓DHT11溫濕度檢測模塊上線工作，DHT11會在嬰兒熟睡之后實時監(jiān)測嬰兒體溫以及是否尿床，若體溫或濕度超過設(shè)定閾值，則會給處理器反饋一組高電平，此時處理器內(nèi)部進行中斷程序，運行針對DHT11內(nèi)部的子程序，其程序會將實時檢測出的溫度通過模擬信號在處理器內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過處理器的I/O口發(fā)送給下位機ESP32的WIFI模塊，ESP32將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號發(fā)送給WIFI模塊，最終通過WIFI上傳到云端或藍牙終端，發(fā)送至家長手機。

圖1

■2.2 床體設(shè)計

在結(jié)構(gòu)方面：從大體結(jié)構(gòu)上著手，例如：智能嬰兒床床體的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)深弧形，保障嬰兒在床里容易保持平衡。另外在整體結(jié)構(gòu)上采用三腳支撐式結(jié)構(gòu)，在布置電機較重的一方采用了兩根支撐住，另一端采用了一根獨立的支撐柱，在節(jié)省材料方面的同時考慮到結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性時又結(jié)合了穩(wěn)定性考慮。在兩根承重柱放置的時候，考慮到首先要保護嬰兒頭部，其次考慮電機放置的位置，在電機放置時候盡量極大限度避免工作時的噪音吵到嬰兒。在架置電機的絕緣棍設(shè)計之初凸出了兩根較長的一側(cè)以便以后晾曬嬰兒相關(guān)的衣物和隨身物品。在嬰兒床后方的單支撐柱在設(shè)計初足夠支撐后半部分的重量，整個床采用最結(jié)實最環(huán)保的橡木制造，不會對嬰兒產(chǎn)生任何影響。在傳動部分我們將以前有著易損，易堵的舵機換成了永磁無刷電機，此電機可以有效避免噪音干擾嬰兒被哄睡的過程，而且為防止平常的聲音對床的晃動開關(guān)影響，采用了先進的閾值技術(shù)，讓嬰兒能及時睡著的同時，不會額外打擾到嬰兒或者造成電力資源浪費。節(jié)省了空間的同時，達到了提倡環(huán)保的設(shè)計理念。

圖2

■2.3 人機交互設(shè)計

當(dāng)嬰兒在父母不知情的情況下被吵醒或者突然驚醒，床頭靠近嬰兒的微型聲音傳感器能及時采錄嬰兒的啼哭聲，并能迅速交給中央處理芯片進行處理，當(dāng)嬰兒哭聲超出了一定的閾值，床一邊的步進電機能做出讓床左右搖擺的動作，模擬嬰兒被父母抱入懷中哄睡的整個過程，而此時一旁的MP3也會發(fā)出舒適的童謠當(dāng)嬰兒進入睡眠時，啼哭聲消失，但整個系統(tǒng)仍在工作并延遲關(guān)閉，以免突然驚醒剛?cè)胨膵雰海茏寢雰喊残乃?，父母也不必過度操勞。在控件方面加裝了采用ESP32旗下的WIFI+藍牙模塊實時推送的CAM遠程可視化監(jiān)測技術(shù)，采用微型攝像頭讓父母進行隨時隨地的對嬰兒進行遠程互動，為了照顧晚上燈光昏暗父母不易看清嬰兒的狀態(tài)及其問題，才微型攝像頭附近添加了一顆LED照明燈珠，此燈珠僅會在晚上或燈光昏暗的條件下自動開啟，在攝像頭與LED燈珠之間采用斜面夾角原理，讓LED燈珠在滿足照明補光的同時，最大程度上降低LED補光燈珠對嬰兒眼睛的危害，保護嬰兒晚上睡覺時的氛圍，也同時能讓父母在視頻互動設(shè)備上能看清楚當(dāng)前嬰兒的狀態(tài)。

圖3 人機交互控制系統(tǒng)

■2.4 物聯(lián)網(wǎng)及云服務(wù)設(shè)計

為了使人機交互系統(tǒng)更加可靠，故此采用WIFI+藍牙模塊進行無線傳輸，當(dāng)無網(wǎng)絡(luò)且距離較近時家長可采用手機連接藍牙進行對嬰兒的行為實時監(jiān)測。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適宜且距離較遠時可采用網(wǎng)絡(luò)連接攝像頭進行監(jiān)測嬰兒的實時行為。針對市面上眾多攝像頭以及WIFI+藍牙模塊對比，我們采用ESP-32CAM模塊進行制作物聯(lián)網(wǎng)部分，新版ESP-32基帶主板可兼容多種規(guī)格攝像頭，我們在節(jié)約用電和降低成本方面考慮采用了640×480分辨率的攝像頭。

圖4 ESP32—CAM

CAM將采集到的視頻信息通過云端傳輸發(fā)送至云端，家長可在些許延遲后通過手機接入云端下載相關(guān)直播畫面數(shù)據(jù)進行實時查看。

■2.5 材料回收備案

智能嬰兒床床體雖然可以定制且能夠滿足1至5歲不同年齡段各個階段嬰幼兒使用，但當(dāng)嬰幼兒一天天長大，智能嬰兒床也完成了自己的使命。為響應(yīng)我國現(xiàn)階段和未來環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展的號召，在設(shè)計床體、枕頭墊、床墊時采用可回收可降解的材料進行制作，在滿足嬰兒舒適的前提下，推動我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。床體采用環(huán)保耐用的橡木制成，后期可將其改造為供小朋友吃飯的小桌板或者是學(xué)習(xí)桌。枕頭芯和床墊采用環(huán)保型材料，利用天然植物材料提取制成，在日后回收時可將其變?yōu)榛室约霸偕堥L原材料進行反復(fù)回收利用。這樣一來不僅能讓嬰兒享受舒適的同時也能兼顧對國家環(huán)保事業(yè)的支持。隨著科技與智能時代的來臨，我們要積極響應(yīng)國家“可持續(xù)發(fā)展”政策，在創(chuàng)造的同時盡可能減少對大自然的破壞，做到有害材料做到無害處理，力求在生產(chǎn)和使用時做到環(huán)保，“綠水青山就是金山銀山”這句話不僅僅是對我們所說，更是要求我們要對后來的人們負責(zé)，為他們開創(chuàng)一片綠色適宜居住的環(huán)境。

3 結(jié)束語

本文對環(huán)保智能嬰兒床進行了研究，包括時鐘電路、復(fù)位電路、總體電路、人機交互、物聯(lián)網(wǎng)以及云服務(wù)設(shè)計方面，構(gòu)造了一套完整的可視化可遠程化操作系統(tǒng)，通過可視化以及遠程操作化可方便父母實時監(jiān)測嬰兒的狀態(tài)報證嬰兒的健康和家庭的幸福。

本文的主要創(chuàng)新點在于新一代全自動化嬰兒床采用了遠程可視化、云端操作系統(tǒng)及采用大數(shù)據(jù)的人機交互設(shè)計，這些創(chuàng)新點令此項目得到更智能且更符合本國家庭當(dāng)前的大環(huán)境。