基于STM32單片機(jī)的智能嬰兒床設(shè)計(jì)*

潘銘志，陳嘉欣，劉慧玲

(晉中學(xué)院 機(jī)械系，山西 晉中 030619)

0 引言

近幾年來，智能家居發(fā)展迅速，不論冰箱、空調(diào)還是門鎖、窗簾，全都朝著智能化方向發(fā)展。其目的都是為了節(jié)省人力，而對(duì)于照顧嬰兒這項(xiàng)工作，智能化產(chǎn)品在節(jié)省時(shí)間、減少精力耗費(fèi)方面起到了關(guān)鍵作用。

本文主要介紹一種智能化的嬰兒床，該產(chǎn)品以STM32單片機(jī)作為核心控制器，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)、嵌入式開發(fā)技術(shù)，結(jié)合聲音傳感器、溫濕度傳感器以及步進(jìn)電機(jī)，將傳統(tǒng)嬰兒床進(jìn)行綜合升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了互連互通、以人為本的全新設(shè)計(jì)，并且配備安卓軟件，保障育兒生活更加安全省心、智能便利。通過手機(jī)端可以控制嬰兒床搖晃、調(diào)整嬰兒床的姿勢(shì)、檢測嬰兒是否小便，以及可以開啟無需實(shí)時(shí)照看的睡眠模式。

1 總體設(shè)計(jì)

該智能嬰兒床由機(jī)械部分和電路部分組成，主要以STM32F1單片機(jī)作為核心控制器，連接溫濕度傳感器和聲音傳感器，將數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行處理，并通過Wi-Fi模塊發(fā)送至手機(jī)端，可檢測嬰兒小便、具有睡眠模式、能及時(shí)提醒監(jiān)護(hù)人并反饋嬰兒的一些實(shí)時(shí)狀況。該嬰兒床整體結(jié)構(gòu)簡單，采用步進(jìn)電機(jī)、減速齒輪箱、傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)搖籃功能，并且在已有嬰兒床的基礎(chǔ)上降低了床體重心和嬰兒床的擺幅、增加了護(hù)欄高度、將床板邊緣或者床板上空氣流通口的邊緣進(jìn)行了光滑處理，在可搖擺、可通風(fēng)的基礎(chǔ)上增加了美觀、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。智能嬰兒床的總體框圖如圖1所示。

圖1 智能嬰兒床的總體框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為電源模塊、搖籃模塊、調(diào)整座椅模塊、檢測模塊、睡眠模塊和小風(fēng)扇等幾個(gè)部分。

2.1 電源模塊

電源模塊采用LM2596可調(diào)電源模塊，外接12 V鋰電池。該模塊可將電源轉(zhuǎn)換為12 V以內(nèi)的任意電壓，STM32F1單片機(jī)連接5 V電源，溫濕度傳感器DHT11、聲音傳感器LM386連接5 V電源，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器TB6600連接12 V電源。該模塊裝有4個(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，可對(duì)過熱、過流進(jìn)行保護(hù)，且具有自動(dòng)恢復(fù)的功能。此外還帶有電源指示燈，若燈滅，說明負(fù)載有短路，可提醒及時(shí)拔掉電源。

2.2 搖籃模塊

42步進(jìn)電機(jī)與齒輪組中的主動(dòng)輪連接進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，從動(dòng)輪與傳動(dòng)軸連接，由傳動(dòng)軸連接床體。首先在單片機(jī)中設(shè)置好步進(jìn)電機(jī)步數(shù)后，收到指令，步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)齒輪組運(yùn)動(dòng)，齒輪組帶動(dòng)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，最后由傳動(dòng)軸帶動(dòng)床體進(jìn)行單方向、小角度、低速度的搖擺。嬰兒床兩側(cè)的傳動(dòng)軸與前、后兩端床體中的軸承連接，增加了傳動(dòng)的穩(wěn)定性。齒輪組為減速齒輪，傳動(dòng)比為0.8，過快的速度搖擺影響嬰兒的身體健康，會(huì)造成不適感。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用TB6600，該驅(qū)動(dòng)器可用撥碼開關(guān)選擇8擋電流，具有過熱、過流短路保護(hù)功能，能夠小噪聲、低震動(dòng)、高速地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

在單片機(jī)中已設(shè)置好多種搖籃模式，根據(jù)調(diào)查，將單側(cè)搖擺角度設(shè)置為13°，搖擺周期為3 s，是最適合2周歲以下的嬰兒，不會(huì)對(duì)嬰兒造成危害。監(jiān)護(hù)人可以通過手機(jī)端并根據(jù)嬰兒年齡的不同選擇合適的模式。此處采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別與驅(qū)動(dòng)器1和驅(qū)動(dòng)器2連接，搖籃模塊電路如圖2所示。

圖2 搖籃模塊電路

2.3 調(diào)整座椅模塊

該嬰兒床的床位分為三部分，中間部分固定于床架，前、后兩部分分別與一個(gè)轉(zhuǎn)軸連接。使用聯(lián)軸器將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸連接，轉(zhuǎn)軸與床板連接，在另一側(cè)轉(zhuǎn)軸與軸承連接。利用單片機(jī)設(shè)置好步進(jìn)電機(jī)步數(shù)，收到指令后，步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，使床板開始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)可以通過手機(jī)端將床板固定在任意傾斜狀態(tài)，由此完成從睡姿到坐姿的轉(zhuǎn)換，同理，也可在休息時(shí)將床板恢復(fù)到水平狀態(tài)。

此處采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別與驅(qū)動(dòng)器3和驅(qū)動(dòng)器4連接。調(diào)整座椅模塊電路如圖3所示。

圖3 調(diào)整座椅模塊電路

2.4 檢測模塊

將溫濕度傳感器DHT11與單片機(jī)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測嬰兒是否尿床，并進(jìn)行判斷。將溫濕度傳感器置于床板上，提前對(duì)其設(shè)置適當(dāng)閾值，當(dāng)嬰兒尿床時(shí)，溫度濕度超出傳感器閾值，傳感器會(huì)反饋到單片機(jī)，從而提醒監(jiān)護(hù)人及時(shí)處理。

該數(shù)字溫濕度傳感器功耗極低，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上，具有體積小、響應(yīng)速度快、控制簡單等特點(diǎn)。與單片機(jī)連接后，一直讀取外界溫濕度數(shù)據(jù)，若超過閾值，發(fā)生中斷，將提示發(fā)送至手機(jī)端。溫濕度傳感器DHT11電路原理圖如圖4所示。

圖4 DHT11電路原理圖

2.5 睡眠模塊

監(jiān)護(hù)人可在嬰兒入睡后開啟睡眠模式，聲音傳感器LM386將監(jiān)測嬰兒睡醒后是否哭泣或拍打床體。聲音傳感器放置于床頭，提前對(duì)其設(shè)置適當(dāng)閾值，當(dāng)嬰幼兒睡醒后，若發(fā)出的聲音超過傳感器閾值，傳感器會(huì)反饋到單片機(jī)，從而將提醒發(fā)送至手機(jī)端，防止嬰兒在沒有人監(jiān)管的情況下發(fā)生危險(xiǎn)。同時(shí)，監(jiān)護(hù)人可提前設(shè)置好哭泣后是否自動(dòng)開啟搖籃模式，若檢測到哭聲，提醒監(jiān)護(hù)人的同時(shí)也會(huì)開始搖晃嬰兒床。

該聲音傳感器功耗低、諧波失真小，可檢測的頻段為50 Hz～20 kHz。嬰兒的哭聲可達(dá)到600 Hz～1 200 Hz左右，而環(huán)境中的噪聲頻率小于200 Hz，因此需在傳感器前連接一個(gè)低頻濾波器，防止環(huán)境噪聲干擾聲音傳感器的正常工作，阻斷400 Hz以下的聲音。LM386的DATA接單片機(jī)的PB6引腳，該引腳為TIM4_CH1，利用中斷對(duì)外界聲音進(jìn)行捕獲，若產(chǎn)生一次上升沿，即捕獲了一次外界高于400 Hz的聲音。LM386的電路原理圖如圖5所示。

圖5 LM386電路原理圖

2.6 小風(fēng)扇

使用電機(jī)馬達(dá)帶動(dòng)兩個(gè)小風(fēng)扇，內(nèi)置于嬰兒床護(hù)欄的一側(cè)，解決夏季炎熱的問題，提升嬰兒的舒適感，并且安裝了風(fēng)扇保護(hù)罩，避免對(duì)嬰兒造成危險(xiǎn)。電機(jī)使用L9110驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器為兩通道推挽式功率放大器件，TTL/CMOS輸出電平兼容，可直接連CPU，并且利用PWM脈沖調(diào)制對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速?？赏ㄟ^手機(jī)端對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，控制風(fēng)力的強(qiáng)弱，滿足不同年齡段嬰兒的需要。小風(fēng)扇模塊電路如圖6所示。

圖6 小風(fēng)扇模塊電路

2.7 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊采用ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊，該模塊所發(fā)送的信號(hào)覆蓋范圍可達(dá)30 m。首先使用手機(jī)端發(fā)送指令給ESP8266，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，并對(duì)比指令內(nèi)容，執(zhí)行相應(yīng)操作，或發(fā)送數(shù)據(jù)給手機(jī)端。ESP8266電路原理圖如圖7所示。

圖7 ESP8266電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

bool ESP8266_Link_Server(ENUM_NetPro_TypeDef enumE,char * ip,char * ComNum,ENUM_ID_NO_TypeDef id)

{

char cStr [100] ={ 0 },cCmd [120];

switch (enumE )

{

case enumTCP:

sprintf (cStr,"”%s”,”%s”,%s","TCP",ip,ComNum );

break;

case enumUDP:

sprintf (cStr,"”%s”,”%s”,%s","UDP",ip,ComNum );

break;

default:

break;

}

if (id <5 )

sprintf (cCmd,"AT+CIPSTART=%d,%s",id,cStr);

else

sprintf (cCmd,"AT+CIPSTART=%s",cStr );

return ESP8266_Send_AT_Cmd (cCmd,"OK","ALREAY CONNECT",4000 );

}

該模塊最高傳輸速率可達(dá)72.2 Mb/s，能夠滿足手機(jī)端的傳輸要求。手機(jī)端為用戶提供了4個(gè)模塊的功能，界面如圖8所示。

圖8 手機(jī)端界面

指令中控制位不同，代表著不同的指令?？刂莆粚?duì)應(yīng)的功能如表1所示。

表1 控制位對(duì)應(yīng)的功能

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款多功能嬰兒床，在滿足嬰兒基本生活需求的同時(shí)，更多地減輕了監(jiān)護(hù)人照顧嬰兒時(shí)的工作量。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，獲取外界信息能力強(qiáng)，監(jiān)護(hù)人操作簡單，符合未來嬰兒床的發(fā)展趨勢(shì)。