基于無線傳感網與人機交互管控的智能嬰兒車

李明歡，彭 劍，譚健楓，陳永楷，張曉娜，唐 瑾

（韶關學院 信息工程學院，廣東 韶關 512005）

0 引 言

隨著5G技術的不斷成熟，物聯(lián)網技術的應用不斷走進千家萬戶。然而，在嬰兒車的智能化方面，通過市場調查發(fā)現(xiàn)，沒有成型的智能嬰兒車商品，人們使用傳統(tǒng)嬰兒車仍存在各種不便。因此，本文順應物聯(lián)網技術的發(fā)展和國家新出臺的“三孩”政策，設計出一款功能實用、具有創(chuàng)新性、能夠提高人們生活效率的智能嬰兒車。

1 系統(tǒng)總體設計概述

本系統(tǒng)的總體設計分為硬件系統(tǒng)、軟件終端系統(tǒng)以及OneNET云平臺三部分，如圖1所示。硬件系統(tǒng)的具體形式是各類傳感器和電子設備，軟件終端系統(tǒng)則是手機APP與微信小程序。在實現(xiàn)嬰兒車智能化的過程中，軟件終端系統(tǒng)充當著系統(tǒng)的“大腦”，智能控制嬰兒車；硬件系統(tǒng)則充當著系統(tǒng)的“手腳”，對嬰兒車周邊環(huán)境的數據進行采集以及響應終端的命令；OneNET云平臺則具有數據和命令中轉的功能。三個部分相互聯(lián)系，將數據和命令有組織性、有規(guī)劃性地進行傳輸和控制。在此基礎上，設計出嬰兒車的智能化功能模塊，全方位實現(xiàn)嬰兒車智能化。

圖1 系統(tǒng)總體設計結構

2 硬件系統(tǒng)設計

如圖2所示，本系統(tǒng)的硬件設計是基于ARM體系架構的Cortex-M4內核STM32F407微控制器，該控制器擁有主頻168 MHz的處理速度和多種外設接口，可以用來驅動各種傳感器模塊。本設計采用了超聲波傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器、語音識別模塊、攝像頭等傳感器模塊實現(xiàn)嬰兒車環(huán)境信息的獲取，同時應用了嵌入式微控制、GPS定位、自動跟隨、GSM全球通信等技術來全面控制LED燈、小風扇、供暖設備、語音播放模塊、音樂播放器等相關設備。在此系統(tǒng)中，可視化模塊設計成硬件系統(tǒng)的終端，STM32F4微控制器作為硬件系統(tǒng)的邏輯控制部分，而其他硬件模塊則作為硬件系統(tǒng)的功能子模塊，可視化終端以人機交互的方式控制相應的功能子模塊。

圖2 硬件設計結構

2.1 夜晚照明模塊設計

夜晚照明模塊主要采用了光敏傳感器對嬰兒車周邊環(huán)境的光強度進行檢測。當檢測環(huán)境光線過暗時，微控制器自動打開LED小燈照明；環(huán)境光線適宜時，自動關閉小燈。夜晚照明功能代碼如下：

2.2 智能調溫模塊設計

智能調溫模塊采用了DHT11溫濕度傳感器、小風扇、供暖設備。系統(tǒng)預先設定一個適合嬰兒健康的溫度閾值區(qū)間，通過溫濕度傳感器獲取環(huán)境溫度。當溫度超過這個閾值區(qū)間的最大值時，微控制器自動打開小風扇進行降溫；低于區(qū)間的最小值時，自動打開供暖設備進行升溫。這兩種處理的目的是讓嬰兒車的溫度最終達到預先設定區(qū)間的中間值，此時微控制器則自動關閉小風扇和供暖設備。

2.3 智能哄睡及啟蒙播音模塊設計

智能哄睡及啟蒙播音模塊主要由電機、MP3模塊和聲音傳感器構成，如圖3所示。聲音傳感器對噪聲靈敏度較高，可以很靈敏地檢測到嬰兒的哭鬧聲。為了避免干擾，考慮到嬰兒的哭鬧聲一般是持續(xù)性的，系統(tǒng)先設定一個變量來存儲嬰兒哭鬧聲的時間，用來判斷嬰兒是否真實哭鬧。當哭鬧的時間值超過了設定值，微控制器控制MP3模塊自動播放娛樂音頻，同時啟動電機使車身輕輕搖晃，緩解嬰兒哭鬧的情緒。嬰兒需要啟蒙時，用戶可提前給存儲器存取相關的文件，通過終端控制MP3模塊打開啟蒙音樂、詩詞以及成語等啟蒙播音功能。

圖3 智能哄睡及啟蒙播音模塊設計

2.4 智能測重模塊設計

智能測重模塊采用了壓力傳感器對嬰兒體重進行測量，使用HX711模塊將體重A/D轉換成數值，將該數值傳輸到微控制器，進而傳送到終端，以可視化的方式展現(xiàn)給用戶。用戶可通過終端下傳指令，獲取嬰兒的體重信息。此模塊還可檢測嬰兒是否在嬰兒車里面，判斷嬰兒是否被抱走等情況。

2.5 遇障提醒模塊設計

遇障提醒模塊由超聲波測距和蜂鳴器報警兩部分構成。測距時，微控制器先發(fā)送一個大于10 μs的高電平信號來驅動超聲波模塊，之后超聲波模塊自動發(fā)送40 kHz的方波并檢測是否有信號返回，如果有信號返回，Echo引腳發(fā)送一個高電平給微控制器。高電平持續(xù)的時間是超聲波從發(fā)射到返回的時間，通過該時間可計算出嬰兒車與障礙物的距離。在此之前，系統(tǒng)先設計合適的距離閾值，當嬰兒車接近障礙物的距離小于這個閾值時，微控制器則自動打開蜂鳴器報警，提醒用戶周圍有障礙物，注意危險。遇障提醒功能代碼如下：

2.6 上坡助力和下坡減速模塊設計

上坡助力和下坡減速模塊主要由MPU6050三維角度傳感器模塊和電機組成，如圖4所示。在嬰兒車底部安裝電機輪子，通過輪子的正反轉實現(xiàn)上坡助力和下坡減速功能。在此模塊中，MPU6050內部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并且含有一個第二IC接口，可用于連接外部磁力傳感器；并利用自帶的DMP數字運動處理器硬件加速引擎，通過主IC接口，向應用端輸出完整的9軸融合演算數據。有了DMP后，通過使用InvenSense公司提供的運動處理資料庫，實現(xiàn)姿態(tài)解算，從而計算出嬰兒車與平面的角度。上坡時，當嬰兒車與平面的角度超過系統(tǒng)設定的閾值，微控制器則控制電機正轉，實現(xiàn)上坡助力，節(jié)省人力；下坡時，微控制器控制電機反轉，實現(xiàn)下坡減速，防止嬰兒車溜車過快造成危險。

圖4 上坡助力和下坡減速模塊設計

2.7 攝像頭監(jiān)控和拍照模塊設計

攝像頭監(jiān)控和拍照模塊采用了OV5640攝像頭模塊，支持輸出最大值為500萬像素的圖像，支持使用VGA時序輸出圖像數據，輸出圖像的數據格式支持YUV（422/420）、YCbCr422、RGB565以及JPEG格式，若直接輸出JPEG格式的圖像時可大大減少數據量，方便網絡傳輸。在此設計中，攝像頭作為圖像采集器，實時采集嬰兒的畫面數據，系統(tǒng)將采集到的數據通過微控制器上傳到終端顯示。終端可下發(fā)指令控制OV5640攝像頭，完成對嬰兒進行拍照和有關畫面的監(jiān)控。

2.8 指紋安全認證模塊設計

指紋安全認證的模塊主要采用了AS608指紋識別模塊和電磁鎖模塊。AS608指紋模塊有豐富的系統(tǒng)資源，可以儲存、比對用戶的指紋信息。此模塊的設計思路：首先在系統(tǒng)錄入監(jiān)護人的指紋信息，當需要鎖定嬰兒車時，用戶可通過終端鎖定，除開鎖外的其余功能無法使用，同時微控制器控制電磁鎖鎖住車罩。解鎖時，系統(tǒng)需要監(jiān)護人的指紋認證信息，指紋通過認證方可解鎖，否則不解鎖，解鎖失敗超過3次則遠程通知監(jiān)護人嬰兒車周圍可能存在危險。指紋安全認證流程如圖5所示。

圖5 指紋安全認證流程

2.9 GPS定位模塊設計

GPS定位模塊采用了ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊，該模塊是一款高性能 GPS/北斗雙模定位模塊。ATKS1216F8-BD GPS/北斗模塊采用UART（串口）方式與外部設備通信，輸出的GPS/北斗定位數據采用NMEA-0183協(xié)議，控制協(xié)議為SkyTraq協(xié)議。定位模塊將嬰兒車的位置信息發(fā)送到終端，用戶可實時了解嬰兒車的地圖位置，保障嬰兒的安全和防止嬰兒車被盜。ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊接線圖如圖6所示。

圖6 ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊接線圖

2.10 智慧通知突發(fā)狀況模塊設計

智慧通知突發(fā)狀況模塊主要采用GSM SIM800A無線通信模塊。SIM800A是SIMCOM公司的模組方案，可通過串口傳輸標準的AT命令對模塊進行控制，可以提供語音通話、短信廣播/彩信、GPRS數據通信等多種功能，同時支持HTTP、TCP/IP等多種協(xié)議。當出現(xiàn)嬰兒尿床、嬰兒車被盜現(xiàn)象或超出監(jiān)管范圍等突發(fā)狀況時，微控制器則控制SIM800A模塊及時自動發(fā)送信息提醒監(jiān)護人，幫助監(jiān)護人實時了解嬰兒的情況和保證嬰兒的安全。

2.11 可視化人機交互模塊設計

可視化人機交互模塊主要借助STEMWIN庫和TFTLCD液晶屏來實現(xiàn)。TFTLCD液晶顯示屏用于顯示功能界面，同時利用電容觸摸屏給監(jiān)護人提供控制嬰兒車的相關子功能。設計流程為：首先，初始化TFTLCD液晶顯示界面，通過位圖顯示界面的背景以及各個功能圖標；然后，創(chuàng)建父窗口以及子窗口，父窗口主要是顯示背景圖和功能圖標以及接收點擊圖標的位置信息，而子窗口設有開關兩個按鈕，用戶點擊觸摸屏，觸摸屏將點擊位置傳送到父窗口，父窗口接收到信息后便進入子窗口，按下開關按鈕，子窗口接收信息并控制嬰兒車的相關開啟或關閉子功能，同時子窗口設有退出功能，方便用戶同時控制多個子功能的開關。人機交互設計流程如圖7所示。

圖7 人機交互設計流程

2.12 嬰兒車智慧跟隨模塊設計

嬰兒車智慧跟隨模塊主要由舵機和攝像頭構成。系統(tǒng)通過攝像頭將指定監(jiān)護人的圖像信息錄入OpenMV模塊的內置FLASH中。功能開啟后，系統(tǒng)采用了視覺測距原理會自動測出監(jiān)護人相對于攝像頭的距離，當距離超過預先設定的閾值時，微控制器則會控制安裝在車輪的舵機帶動車輪轉動，實現(xiàn)嬰兒車跟隨監(jiān)護人前行的功能，小于閾值時舵機自動停止，嬰兒車停止前行。

2.13 嬰兒車智慧應答模塊設計

嬰兒車智慧應答模塊主要由語音識別模塊、語音播報模塊構成。實現(xiàn)功能前，先將系統(tǒng)需要應答的話語用語音合成技術軟件合成音頻文件，系統(tǒng)提前設計好驅動各個功能的相關指令。此功能模塊中，語音識別模塊獲取監(jiān)護人的聲音，識別聲音是否為系統(tǒng)的指令，如果是系統(tǒng)的指令，系統(tǒng)則會控制相關功能的開啟，同時播放相應的音頻文件作為應答信號，如不是系統(tǒng)的指令則不執(zhí)行任何功能，實現(xiàn)語音AI控制嬰兒車。

3 軟件終端設計

3.1 微信小程序UI界面設計

微信小程序具有開發(fā)成本低、用戶認同感好、留存率高的特點，加上框架和組件設計的相對完善，能夠實現(xiàn)蘋果和安卓的跨平臺使用，因此作為智能嬰兒車的軟件終端特別合適。OneNET云平臺能夠與嬰兒車的ESP8266硬件模塊互相通信，微信小程序與OneNET相通后，便能控制嬰兒車了。小程序可通過MQTT協(xié)議訪問OneNET平臺并與之通信，接收向云平臺發(fā)送的硬件數據流和發(fā)送命令經云平臺中轉進而控制硬件。微信小程序登錄界面如圖8所示。

圖8 微信小程序登錄界面

小程序需要特定的賬號和密碼才能登錄使用，登錄成功后顯示的是環(huán)境信息頁面，界面如圖9所示；同時可以跳轉到管理控制界面、寶寶信息界面。如圖10所示，管理頁面有控制嬰兒車LED燈、小風扇、供暖設備、攝像頭等功能，每一個功能的開關都是單獨的數據來源，根據數據為“TRUE”還是“FALSE”來判斷打開或關閉，而每一個開關變量的值是全局變量，則可使每個頁面都可以調用該開關的值，再通過該值來判斷當前顯示的狀態(tài)，每一次跳轉頁面在頁面加載時重新賦值，從而使信息發(fā)生變化。后臺可通過管理控制的狀態(tài)來接收當前狀態(tài)的信息并進行分析，提出最適合嬰兒當前情況的建議，讓嬰兒環(huán)境更加舒適。

圖9 環(huán)境信息界面

圖10 管理控制界面

3.2 手機APP設計

考慮到用戶使用軟件的多樣性，主流手機APP應用的開發(fā)也應當考慮。手機APP開發(fā)的功能與微信小程序大體相同。在開發(fā)的功能界面中，可提供用戶登錄、管理嬰兒車的設備、遠程監(jiān)控嬰兒車等功能，手機APP通過OneNET云平臺中轉控制硬件模塊以及獲取硬件模塊采集的數據。具體設計步驟如下：（1）設計用戶登錄界面、管理設備、遠程監(jiān)控界面；（2）采用HTTP協(xié)議連接OneNET云平臺；（3）設計控制硬件的指令和獲取數據流的對象；（4）采用Get方法獲取硬件模塊向OneNET云平臺發(fā)送的數據流，利用Post方法發(fā)送指令，通過OneNET中轉傳到STM32F407微控制器控制硬件；（5）測試。

4 OneNET云平臺管控設計

OneNET云平臺是中國移動打造的PaaS物聯(lián)網開放平臺。平臺能夠幫助開發(fā)者輕松實現(xiàn)設備接入與設備連接，快速完成產品開發(fā)部署，為智能硬件、智能家居產品提供完善的物聯(lián)網解決方案。對于智能嬰兒車云端管理設計，OneNET云平臺能夠很好地支持嬰兒車的云端開發(fā)。由于OneNET云平臺支持HTTP、EDP、TCP、MQTT等多種協(xié)議接入硬件設備，在嬰兒車的云端管控設計中微控制器則采用ESP8266模塊使用MQTT協(xié)議連接OneNET云平臺，在云平臺設計好功能界面后便可全面管控嬰兒車。功能界面具體設計步驟如下：（1）前往OneNET控制臺采用MQTT協(xié)議添加嬰兒車產品與設備；（2）硬件ESP8266模塊接入OneNET；（3）設計嬰兒車應用管理界面；（4）測試硬件上傳的數據流和OneNET的下發(fā)命令。OneNET平臺硬件在線顯示、數據流、應用管理界面分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 OneNET硬件在線顯示界面

圖12 OneNET數據流

圖13 應用管理界面

5 結 語

目前，嬰兒車主要是實現(xiàn)防震抖動、輕便可折疊、智能剎車等功能，并沒有將嬰兒車與物聯(lián)網技術真正地結合起來。此次設計致力于開發(fā)一款與現(xiàn)今先進技術相結合的智能嬰兒車，將傳統(tǒng)嬰兒車結合無線傳感網和計算機技術，打造一款硬件終端、軟件終端、云端可全面管控的智能嬰兒車。