基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能嬰兒床設(shè)計(jì)

王雪琦 楊巧合 何月順

摘 ?要：近年來，由于國際育兒理念的進(jìn)一步傳播以及國家二胎政策的頒布，人們對嬰兒家居內(nèi)涵的需求也在不斷豐富，例如更好地保障嬰兒的睡眠質(zhì)量、減輕父母需要時(shí)刻在嬰兒床邊照顧嬰兒的負(fù)擔(dān)等。針對上述迫切需求，文章以STM32F103為核心，采用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了嬰兒哭聲聲紋分析、防跌落報(bào)警、智能音樂播放、尿床檢測和發(fā)燒檢測等功能。經(jīng)初步測試，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)功能，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：多功能嬰兒床;STM32F103;聲紋識別;防跌落報(bào)警

中圖分類號：TN929.5;TP391.44;TP302.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：2096-4706（2020）21-0166-03

Design of Multifunctional Baby Bed Based on Internet of Things

WANG Xueqi，YANG Qiaohe，HE Yueshun

（School of Software，East China University of Technology，Nanchang ?330013，China）

Abstract：In recent years，due to the further dissemination of the international parenting concept and the promulgation of the national second-child policy，peoples demand for the connotation of infant home is also constantly enriched. For example，to better guarantee the babys sleep quality，reduce the burden of parents who need to take care of their baby by the bed at all times，and so on. Aiming at this kind of urgent need，this paper takes STM32F103 as the core and uses related technologies of the internet of things to realize functions such as baby crying voiceprint analysis，anti-drop alarm，intelligent music playback，bedwetting detection and fever detection. After preliminary testing，the device can achieve the target function and has high practical value.

Keywords：multifunctional baby bed;STM32F103;voiceprint recognition;anti-drop alarm

0 ?引 ?言

隨著人們生活水平的不斷提高、對國際先進(jìn)育兒理念的進(jìn)一步吸取以及國內(nèi)二胎政策的放開，中國嬰兒智能家具作為一種新的需求在中國市場逐步發(fā)展起來。近年來，我國對多功能嬰兒床的創(chuàng)新設(shè)計(jì)愈來愈多，但是要想真正達(dá)到人性化和智能化的要求，嬰兒床相關(guān)產(chǎn)品還需要經(jīng)過不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，并經(jīng)過市場檢驗(yàn)，最終才能得到受眾的認(rèn)可。但是就目前市場形式來看，我國嬰兒家具尚處在發(fā)展不成熟的階段。在產(chǎn)品領(lǐng)域也沒有形成符合用戶需求的設(shè)計(jì)理念和符合時(shí)代要求的指導(dǎo)思想。傳統(tǒng)的嬰兒床功能單一，目前市場上較為常見的是手動(dòng)搖晃，可折疊，可拼接大床的功能，但從使用舒適度來看很難從根本上保證嬰兒的睡眠質(zhì)量。當(dāng)大人不在身邊時(shí)也無法保證嬰兒的安全。本文對傳統(tǒng)的嬰兒床功能進(jìn)行了更人性化的改進(jìn)設(shè)計(jì)，在保證舒適的同時(shí)，還加入了嬰兒哭聲聲紋識別分析，防跌落報(bào)警功能，播放音樂、故事功能，尿床檢測功能，發(fā)燒檢測功能。旨在為嬰兒營造一個(gè)更加舒適安全的睡眠環(huán)境，從而可以更好地保證嬰兒的睡眠質(zhì)量和安全性，幫助父母更好的照顧嬰兒，同時(shí)能夠減輕父母的負(fù)擔(dān)，本文是基于物聯(lián)網(wǎng)無線通信課程的研究結(jié)果。

1 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本作品是一款功能強(qiáng)大的多功能嬰兒床。圖1為系統(tǒng)功能示意圖。

在為嬰兒創(chuàng)造舒適睡眠環(huán)境的同時(shí)能夠減輕父母的負(fù)擔(dān)首先，嬰兒床上安裝有電子觸摸屏，可以在觸摸屏幕上手動(dòng)選擇，實(shí)現(xiàn)播放、關(guān)閉、暫停、切換早教兒歌和啟蒙故事、調(diào)節(jié)音量大小、查看電量的功能。

該嬰兒床還可以連接無線網(wǎng)絡(luò)，播放器內(nèi)的歌曲和故事也可以實(shí)時(shí)更新。嬰兒床左右兩邊的護(hù)欄上還安裝有高靈敏度的握力傳感器，用來檢測嬰兒是否在攀爬護(hù)桿，如果握力傳感器檢測到的數(shù)據(jù)超過一定的安全值，表明嬰兒很有可能在攀爬護(hù)欄，家長的手機(jī)就會立刻收到警報(bào)信息。床上安裝的DHT11溫濕度傳感器可以檢測嬰兒是否有尿床、蹬被子或者發(fā)燒的情況。通過收錄嬰兒的哭聲，然后經(jīng)過聲紋分析以此來判斷嬰兒哭聲的含義，家長可以根據(jù)聲紋識別后的分析結(jié)果來采取行動(dòng)，該功能是本文的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，但前提是要經(jīng)過大量的哭聲收錄和聲紋分析才能實(shí)現(xiàn)該功能。

2 ?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的硬件系統(tǒng)分為主控模塊、聲紋分析模塊、傳感器模塊、GSM無線通信模塊、觸摸屏顯示模塊和電源模塊六個(gè)部分。

2.1 ?主控模塊

控制各個(gè)模塊的主控模塊以STM32F103為核心。主控模塊連接著DHT11溫濕度傳感器、握力傳感器、GSM無線通信模塊和觸摸屏顯示模塊。之所以使用STM32F103，是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)的核心是高性能的ARM Cortex-M3，并具有32位的RISC內(nèi)核。STM32F103程序是模塊化的，接口相對簡單，工作速度較快，同時(shí)它也具有高能效、高實(shí)時(shí)性、低功率、工作電壓低等特點(diǎn)。STM32F103工作在72 MHz的頻率下，它包含了高速存儲器以及UART、USART等先進(jìn)的通信接口，3個(gè)通用16位定時(shí)器、2個(gè)12位的ADC和1個(gè)PWM定時(shí)器。STM32F103工作于2.0 V～3.6 V的電壓范圍之間，其省電模式可以滿足低功耗應(yīng)用的要求，同時(shí)該器件還具有豐富多樣的外設(shè)接口配置，使得它能夠在多種場合中發(fā)揮作用。

2.2 ?聲紋分析模塊

用于聲音處理的聲紋分析模塊采用一個(gè)小型的TZ-2KA聲音傳感器來進(jìn)行收錄和分析。聲音傳感器就相當(dāng)于一個(gè)話筒，可以用來接收嬰兒的哭聲聲波，能顯示聲音強(qiáng)度大小，也能研究聲音的波形。聲波使得傳感器內(nèi)的駐極體薄膜振動(dòng)，電容產(chǎn)生變化形成微小的電壓，這一電壓經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換之后被數(shù)字信號采集器接收，并傳給主控模塊。該技術(shù)支持嵌入式離線應(yīng)用，可以在復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行語音識別。當(dāng)嬰兒啼哭時(shí)，該模塊會收錄嬰兒的哭聲并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換形成聲紋形式，再將聲紋形式錄入后臺數(shù)據(jù)庫。通過與數(shù)據(jù)庫中原有聲紋比對，并對嬰兒的哭聲進(jìn)行進(jìn)一步處理分析，進(jìn)而得到嬰兒啼哭的原因，最后該原因通過無線通信技術(shù)，以信息的形式發(fā)送到父母手機(jī)上，讓嬰兒的父母得知孩子正在啼哭并且能夠迅速了解到嬰兒啼哭的原因，從而能采取相應(yīng)的解決措施，該功能可以有效地解決家長不理解嬰兒哭聲意圖而手足無措的難題。

2.3 ?傳感器模塊

2.3.1 ?DHT11溫濕度傳感器

本作品采用DHT11溫濕度傳感器來檢測嬰兒是否有尿床、蹬被子或發(fā)燒的情況。

DHT11溫濕度傳感器是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它使用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保測量的數(shù)據(jù)具有極高的可靠性與輸出的長期穩(wěn)定性。該產(chǎn)品具有響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。其具有超小體積、極低功耗的同時(shí)，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為多功能嬰兒床的最佳選擇。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 ℃，可以在電子觸摸屏上以數(shù)字的形式顯示。DHT11溫濕度傳感器的原理圖如圖2所示。

2.3.2 ?握力傳感器

本產(chǎn)品采用HU-807握力傳感器。當(dāng)嬰兒有攀爬護(hù)欄的行為時(shí)，安置在護(hù)欄上的握力傳感器檢測到的數(shù)據(jù)超過安全值時(shí)，就會向主控中心發(fā)送數(shù)據(jù)，主控中心控制的GSM無線通信模塊會立即向家長的手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，家長可以立即趕來查看情況，避免嬰兒發(fā)生意外。

2.4 ?GSM無線通信模塊

GSM無線通信模塊采用Air720H芯片，其工作范圍為5 V～18 V，方便與本作品的其他模塊單元相連接。GSM無線通信模塊的抗干擾能力很強(qiáng)，為了對抗干擾其在空中接口采用數(shù)字技術(shù)來代替模擬技術(shù)，所以GSM無線通信模塊可以在較惡劣的環(huán)境中保存較完好的無線通信信號。除了抗干擾能力強(qiáng)，GSM無線通信模塊還具有靈活性強(qiáng)、易于配置、多頻段工作等特點(diǎn)。該模塊還具有撥打電話，發(fā)送和接受信息的功能，當(dāng)嬰兒床檢測到嬰兒有尿床、攀爬護(hù)欄、蹬被子或發(fā)燒的情況時(shí)，就會立即向家長的手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，讓家長及時(shí)了解到嬰兒此時(shí)的狀態(tài)并采取相應(yīng)措施，避免嬰兒處于潮濕或危險(xiǎn)的環(huán)境中。

2.5 ?觸摸屏顯示模塊

電子觸摸屏采用尺寸為6.53英寸，分辨率為2 440×1 080像素的LCD材質(zhì)屏幕?？梢哉{(diào)節(jié)播放音量、查看電量，同時(shí)也可以通過手動(dòng)操作來播放、暫停、切換和關(guān)閉音樂庫中的早教歌曲和幼兒故事，使父母不在身邊時(shí)也可以有效地對嬰兒進(jìn)行早教啟蒙。

2.6 ?電源模塊

電源模塊通過變壓器將220 V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V交流電壓，交流電壓再通過由4個(gè)相同二極管組成的橋式整流電路整流之后，得到12 V直流電壓，接著經(jīng)過電容并通過三端穩(wěn)壓器提高電壓的穩(wěn)定性，最后通過電容濾波，得到平滑且穩(wěn)定的直流電壓供STM32F103和傳感器使用。

3 ?軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能嬰兒床開啟之后，開始執(zhí)行系統(tǒng)初始化，初始化完成后，各模塊開始運(yùn)轉(zhuǎn)。STM32F103讀取溫濕度傳感器和握力傳感器檢測到的值，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過安全閾值，通信模塊將向家長手機(jī)發(fā)送警報(bào)信息。TZ-2KA聲音傳感器收錄嬰兒哭聲，記錄哭聲聲紋信息，并將其傳到后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析。通過觸摸屏可以操作嬰兒床的播放器，用來播放英語和故事。多功能嬰兒床主程序流程圖如圖3所示。

4 ?結(jié) ?論

本文中所設(shè)計(jì)的多功能嬰兒床以STM32F103為主控模塊，配合聲紋分析模塊、傳感器模塊、GSM無線通信模塊、電子觸摸屏、電源模塊和軟件系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了一款使嬰兒能夠舒適睡眠的智能嬰兒床。該嬰兒床可以收錄嬰兒哭聲，并將哭聲錄音傳到后臺數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行聲紋比對，從而幫助家長知曉嬰兒啼哭的原因，化解因父母不理解嬰兒哭聲含義而手足無措的困境;通過操控觸摸屏，可以播放、關(guān)閉、暫停、切換早教兒歌和童話故事，并可通過觸摸屏調(diào)節(jié)音量、查看電量;DHT11溫濕度傳感器和握力傳感器用來監(jiān)測嬰兒是否出現(xiàn)尿床、蹬被子、發(fā)燒和攀爬護(hù)欄等情況。該產(chǎn)品能解決一些父母照顧嬰兒的關(guān)鍵痛點(diǎn)、操作方便、穩(wěn)定可靠同時(shí)具備較低的功耗，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場需求。

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作者簡介：王雪琦（1997—），女，漢族，安徽合肥人，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);楊巧合（1981—），男，漢族，河南信陽人，講師，博士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);何月順（1971—），男，漢族，湖南永州人，中共黨員，教授，博士，主要研究方向：無線傳感網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析與智能信息處理、軟件工程與理論。