智能安全嬰兒車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬 濤，馮俊森，陳 錦，劉 鵬，張龍祥

（華東交通大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引 言

由于大部分父母白天忙于工作，晚上需要休息，因此對嬰兒的照顧不周。嬰兒車作為一種傳統(tǒng)的嬰兒用品，在現(xiàn)代社會(huì)中有著廣泛的市場需求。雖然傳統(tǒng)嬰兒車種類繁多，但功能較為單一，無法滿足父母的多樣化需求。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的今天，以“嬰兒車”智能化為出發(fā)點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)一款針對嬰兒發(fā)燒、尿床、啼哭等生理行為以及周圍環(huán)境變化做出決策的智能嬰兒車。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)了一款能夠幫助監(jiān)護(hù)人更高效、更靈活照顧嬰兒群體，有助于減輕父母壓力的嬰兒車，該車分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。嬰兒車硬件部分以STM32F103ZET6單片機(jī)為主控板，L298N作為智能安全嬰兒車控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)芯片，搭載DHT11溫濕度傳感器、紅外非接觸式溫度傳感器MLX90614和聲音傳感器，以實(shí)時(shí)檢測嬰兒床單溫濕度、嬰兒體溫、嬰兒啼哭等信息；使用MP3 音樂播放模塊播放兒歌；使用HX711壓力傳感器監(jiān)測嬰兒是否在嬰兒車內(nèi)；使用單收單發(fā)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨；使用HC-05 藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)嬰兒車與手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸；使用F5 紅外傳感器實(shí)現(xiàn)避障功能。監(jiān)護(hù)人可在手機(jī)APP上實(shí)時(shí)查看嬰兒信息。軟件APP可以通過藍(lán)牙通信對嬰兒車進(jìn)行控制。本系統(tǒng)的具體功能模塊包括：

（1）環(huán)境溫度檢測功能。將 DHT11 溫濕度傳感器嵌入嬰兒的睡墊上，若溫濕度出現(xiàn)大幅變化，如溫度低于15 ℃，或者濕度高于90%RH，可判斷被單滑落導(dǎo)致床上溫度下降或者嬰兒出現(xiàn)尿床情況。

（2）體溫檢測功能。通過紅外非接觸式溫度傳感器MLX90614精確測量體膚溫度，當(dāng)體溫超過38 ℃時(shí)，判斷嬰兒有發(fā)燒的情況出現(xiàn)，觸發(fā)報(bào)警。

（3）啼哭檢測功能。使用聲音傳感器檢測嬰兒是否啼哭，同時(shí)可以用來判斷嬰兒所在環(huán)境是否噪音過大。如果檢測到傳感器一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)返回高電平，則表示嬰兒啼哭或環(huán)境噪音過大。

（4）防丟失功能。在嬰兒車上安裝壓力傳感器，可檢測嬰兒是否在嬰兒車內(nèi)。開啟防丟失功能后，若嬰兒被抱起，壓力傳感器檢測數(shù)據(jù)低于3 kg，數(shù)據(jù)異常，觸發(fā)報(bào)警。同時(shí)，手機(jī)藍(lán)牙可連接?jì)雰很?，?dāng)嬰兒車距離太遠(yuǎn)導(dǎo)致藍(lán)牙斷開時(shí)，觸發(fā)報(bào)警。

（5）自動(dòng)安撫功能。在嬰兒車上安裝MP3音樂播放模塊。通過聲音傳感器檢測嬰兒是否啼哭，若檢測到嬰兒啼哭，則可利用MP3模塊播放音樂，音樂播放一段時(shí)間后自動(dòng)停止。同時(shí)，嬰兒車還具備搖床功能，搖床功能可通過脈沖寬度調(diào)制 PWM控制，改變嬰兒車輪子的轉(zhuǎn)速。嬰兒車可以在一個(gè)區(qū)域內(nèi)來回移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿人搖床。

（6）自動(dòng)跟隨功能。在嬰兒車前方各安裝2個(gè)單收超聲波傳感器模塊，監(jiān)護(hù)人手持單發(fā)超聲波模塊。當(dāng)嬰兒車開啟自動(dòng)跟隨模式后，超聲波模塊開始工作，接收發(fā)送的信息，得到監(jiān)護(hù)人相對于嬰兒車的方位和距離。單片機(jī)通過控制嬰兒車進(jìn)退與轉(zhuǎn)向，使方位和距離數(shù)據(jù)保持在正常范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)嬰兒車的自動(dòng)跟隨。

（7）藍(lán)牙通信功能。用戶可以通過手機(jī)藍(lán)牙連接?jì)雰很?，通過手機(jī) APP 查看從單片機(jī)發(fā)送的環(huán)境溫濕度等信息，手機(jī) APP 可對嬰兒車進(jìn)行一些簡單控制。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路包括STM32F103ZET6單片機(jī)、L298N、DHT11、MLX90614、HX711、F5紅外、MP3音樂播放器、HC-05藍(lán)牙以及其他電子元件。智能安全嬰兒車控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 L298N 驅(qū)動(dòng)模塊

L298N驅(qū)動(dòng)模塊控制嬰兒車行駛的速度和方向。L298N外接7～35 V電源，可以為單片機(jī)提供 5 V電壓。在該芯片上，左右電機(jī)可分別由2個(gè)使能端控制，通過改變使能端的電壓占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)速，控制嬰兒車的運(yùn)動(dòng)。在本系統(tǒng)中，嬰兒車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)共有前進(jìn)、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)4種情況。

2.2 DHT11環(huán)境溫濕度檢測模塊

DHT11溫濕度傳感器可以檢測床單的溫濕度情況，通過判斷床單的溫濕度是否突然發(fā)生變化以判斷是否有尿床的情況出現(xiàn)。該傳感器采用的數(shù)據(jù)格式為單總線，即輸入和輸出的雙向傳輸通過單引腳端口實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)包由 5 字節(jié)（40位）組成。DHT11 的數(shù)據(jù)格式為：8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗(yàn)和。

2.3 MLX90614體溫檢測模塊設(shè)計(jì)

MLX90614模塊能更準(zhǔn)確地以非接觸的方式測量數(shù)據(jù)，該傳感器使用專用信號(hào)處理芯片和傳感器輸出信號(hào)，使用紅外熱電堆探測器測量溫度。MLX90614 紅外溫度傳感器原理如圖3所示。

圖3 MLX90614紅外溫度傳感器電路

MLX90614通過SMBus模式輸出物體吻合和環(huán)境濕度結(jié)果。SCL時(shí)鐘線輸出低電平300 ns后，可以改變 SDA 數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)，然后在SCL的上升沿捕獲傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，由主機(jī)發(fā)送起始和終止信號(hào)。l6位數(shù)據(jù)每次傳輸一個(gè)字節(jié)，分2次傳輸。每個(gè)字節(jié)采用先傳輸高位，后傳輸?shù)臀坏男问健?/p>

2.4 HX711壓力檢測模塊

壓力傳感器模塊連接藍(lán)牙后，監(jiān)護(hù)人與嬰兒車距離超出指定范圍會(huì)觸發(fā)防丟失報(bào)警。HX711 模塊與同類型芯片相比，具有集成度高、響應(yīng)速度較快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。HX711與單片機(jī)可借助引腳SCK和Dout進(jìn)行串行通信。當(dāng)引腳Dout從高電平跳變成低電平后，SCK引腳輸入25個(gè)脈沖信號(hào)，將24位模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)。HX711壓力傳感器原理如圖4所示。

圖4 HX711 壓力傳感器電路

2.5 自動(dòng)跟隨模塊

自動(dòng)跟隨采用單收單發(fā)超聲波實(shí)現(xiàn)。手機(jī) APP開啟自動(dòng)跟隨功能后，打開單發(fā)超聲波模塊遙控器，嬰兒車上的單收超聲波模塊接收數(shù)據(jù)。在接收到左右距離后，計(jì)算監(jiān)護(hù)人與嬰兒車的方位和距離，通過監(jiān)護(hù)人的大概位置控制嬰兒車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。單發(fā)超聲波模塊電路如圖5所示。

圖5 單發(fā)超聲波模塊電路

2.6 自動(dòng)安撫模塊設(shè)計(jì)

自動(dòng)安撫功能指當(dāng)聲音傳感器檢測到啼哭聲時(shí)，觸發(fā)MP3播放模塊和仿人搖床對嬰兒進(jìn)行安撫。MP3采用DYSV5W 語音播報(bào)模塊。

仿人搖床通過PWM脈沖調(diào)制技術(shù)改變嬰兒車的車輪轉(zhuǎn)速，利用定時(shí)器設(shè)置自動(dòng)安撫的時(shí)間。通過計(jì)數(shù)器循環(huán)改變車輪的轉(zhuǎn)向，使嬰兒車能在固定區(qū)域內(nèi)緩慢來回移動(dòng)。

2.7 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的藍(lán)牙模塊是HC-05，共有6個(gè)引腳。使用的4個(gè)引腳分別為VCC、GND、RXD和TXD引腳。電源正極與VCC引腳相連，電源負(fù)極與GND 引腳相連，這2個(gè)引腳是藍(lán)牙模塊供電引腳。藍(lán)牙的RXD接收端引腳與STM32單片機(jī)的TXD發(fā)送端引腳連接；藍(lán)牙的TXD發(fā)送端引腳與STM32單片機(jī)的RXD端引腳連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

DHT11傳感器采集嬰兒車床單溫濕度信息，MLX90614傳感器檢測嬰兒體溫，HX711傳感器檢測嬰兒是否在嬰兒車內(nèi)，聲音傳感器檢測嬰兒是否啼哭。STM32單片機(jī)收集傳感器采集的信息，對出現(xiàn)的異常情況做出判斷。當(dāng)溫濕度和嬰兒體溫超過設(shè)定閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)聲音傳感器檢測到嬰兒啼哭時(shí)，自動(dòng)播放音樂并啟動(dòng)仿人搖床功能。手機(jī)APP端連接藍(lán)牙后，可以實(shí)時(shí)查看嬰兒車狀態(tài)。在APP中開啟防丟失模式后，若壓力傳感器檢測到嬰兒車內(nèi)質(zhì)量低于閾值時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)監(jiān)護(hù)人手持手機(jī)離嬰兒車太遠(yuǎn)導(dǎo)致藍(lán)牙斷開時(shí)，觸發(fā)報(bào)警。手機(jī)APP可以控制開啟自動(dòng)跟隨功能，監(jiān)護(hù)人手持超聲波發(fā)射控制器，對準(zhǔn)嬰兒車即可啟動(dòng)自動(dòng)跟隨功能。

3.2 溫濕度檢測模塊程序設(shè)計(jì)

DHT11模塊主要用于采集嬰兒車床單的溫濕度。DHT11共4個(gè)引腳，其中VCC和GND分別接電源的正極和負(fù)極，NC端懸空，DATA端為傳輸數(shù)據(jù)端，采集的信息通過該引腳傳輸給單片機(jī)。硬件正確連接并且初始化完成后，可以獲取溫濕度數(shù)據(jù)。環(huán)境溫濕度模塊工作流程如圖6所示。

圖6 環(huán)境溫濕度模塊工作流程

3.3 體溫檢測模塊程序設(shè)計(jì)

嬰兒體溫檢測模塊主要用于實(shí)時(shí)檢測嬰兒的體溫是否正常。MLX90614模塊連接成功并初始化完成后，可以采集溫度值，并傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。在體溫檢測模塊程序設(shè)計(jì)過程中，通過IC總線獲取數(shù)據(jù)。

3.4 自動(dòng)安撫模塊程序設(shè)計(jì)

聲音傳感器檢測到嬰兒啼哭時(shí)，觸發(fā)嬰兒車自動(dòng)安撫功能。DY-SV5W模塊使用串口控制，單片機(jī)通過串口發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)據(jù)“AA 02 00 AC”播放音樂，發(fā)送“AA 03 00 AD”暫停音樂。播放音樂的同時(shí)開啟仿人搖床功能，利用定時(shí)器TIM2控制仿人搖床功能的開啟和關(guān)閉。開始播放音樂時(shí)，使能定時(shí)器TIM2中斷，進(jìn)入中斷后，開啟仿人搖床功能。利用PWM技術(shù)改變車輪轉(zhuǎn)速，同時(shí)程序控制車輪的轉(zhuǎn)向，前進(jìn)一秒，停止一秒，后退一秒，停止一秒，如此循環(huán)。自動(dòng)安撫模塊的工作流程如圖7所示。

圖7 自動(dòng)安撫模塊工作流程

3.5 防丟失模塊程序設(shè)計(jì)

防丟失功能通過壓力傳感器HX711判斷嬰兒是否在嬰兒車內(nèi)。手機(jī)APP連接?jì)雰很?，根?jù)藍(lán)牙是否正常連接判斷嬰兒車是否在監(jiān)護(hù)人的正常監(jiān)護(hù)范圍內(nèi)。該功能通過手機(jī)APP開啟，開啟后如果嬰兒車質(zhì)量小于設(shè)定值，或者監(jiān)護(hù)人與嬰兒車距離太遠(yuǎn)導(dǎo)致藍(lán)牙斷開，則觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。防丟失模塊工作流程如圖8所示。

圖8 防丟失模塊工作流程

3.6 自動(dòng)跟隨模塊程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)跟隨模塊可以實(shí)現(xiàn)嬰兒車跟隨特定監(jiān)護(hù)人行進(jìn)的功能。采用單收單發(fā)超聲波模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨，手機(jī)APP開啟自動(dòng)跟隨功能后，監(jiān)護(hù)人手持超聲波發(fā)射模塊，此時(shí)監(jiān)護(hù)人與2個(gè)接收超聲波模塊構(gòu)成一個(gè)三角形，因此通過計(jì)算可以知曉監(jiān)護(hù)人與嬰兒車的距離和相對于嬰兒車的偏差，單片機(jī)通過判斷距離和偏差的大小后，控制嬰兒車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，使距離和偏差保持在正常范圍內(nèi)。接收超聲波位置與監(jiān)護(hù)人位置如圖9所示。自動(dòng)跟隨模塊的工作流程如圖10所示。

圖9 接收超聲波位置與監(jiān)護(hù)人位置

圖10 自動(dòng)跟隨模塊的工作流程

3.7 藍(lán)牙通信模塊程序設(shè)計(jì)

藍(lán)牙無線通信：可以實(shí)現(xiàn)嬰兒車與手機(jī)APP的通信，傳感器采集到各項(xiàng)數(shù)據(jù)后，由單片機(jī)通過串口發(fā)送給APP進(jìn)行顯示。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通過名稱/值的JSON格式發(fā)送，有利于Android進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。接收數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)串口的接收標(biāo)志位判斷是否接收到數(shù)據(jù)，若已接收到，那么會(huì)將所接收的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)于串口接收數(shù)組中。

3.8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用L298N芯片對2個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過控制單片機(jī)和L298N驅(qū)動(dòng)連接引腳電平的高低控制嬰兒車的運(yùn)動(dòng)。在本系統(tǒng)中，嬰兒車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)共有前進(jìn)、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)4種。

通過控制L298N驅(qū)動(dòng)的IN1（IN3），IN2（IN4）電平高低來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。調(diào)整PWM波的函數(shù)以設(shè)置左、右輪子的PWM值，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4 系統(tǒng)測試

4.1 溫濕度檢測功能

溫濕度檢測功能包括嬰兒車床單溫濕度檢測和嬰兒體溫檢測。通過 DHT11傳感器可以檢測嬰兒床的溫濕度，MLX90614傳感器可以檢測嬰兒體溫。

測試過程中，用濕巾模仿尿床，紅外溫濕度傳感器對準(zhǔn)人體?？梢杂^察到環(huán)境濕度從59%RH變到91%RH，手的檢測溫度為26.7 ℃，為正常值。監(jiān)控模塊測試效果如圖11所示。

圖11 監(jiān)控模塊測試效果

4.2 自動(dòng)安撫功能

自動(dòng)安撫主要通過聲音傳感器檢測是否有嬰兒啼哭，若檢測到啼哭，觸發(fā)中斷，自動(dòng)播放兒歌和進(jìn)行仿人搖床。測試中用手機(jī)播放嬰兒啼哭音效，可觀察到聲音傳感器檢測指示燈從熄滅變?yōu)槌Ａ?。啼哭檢測效果如圖12所示。

圖12 啼哭檢測效果

4.3 自動(dòng)跟隨功能

在嬰兒車前方安裝2個(gè)單收超聲波模塊，監(jiān)護(hù)人手持單發(fā)超聲波模塊，當(dāng)手機(jī)APP開啟自動(dòng)跟隨功能后，監(jiān)護(hù)人將單發(fā)超聲波模塊對準(zhǔn)嬰兒車即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨。測試步驟：嬰兒車上電后，模塊成功初始化，連接藍(lán)牙開啟自動(dòng)跟隨功能。此時(shí)，嬰兒車上的單收超聲波模塊的指示燈閃爍，模塊正常工作。

4.4 防丟失功能

通過HX711傳感器和藍(lán)牙共同完成防丟失功能。測試步驟：將嬰兒模擬物放于嬰兒車上，打開嬰兒車監(jiān)控平臺(tái)APP，通過藍(lán)牙連接智能安全嬰兒車。連接成功后，通過APP開啟嬰兒車“防丟失”功能，當(dāng)把嬰兒模擬物抱起時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。重新放好嬰兒模擬物，蜂鳴器停止報(bào)警，此時(shí)斷開藍(lán)牙，蜂鳴器再次報(bào)警。關(guān)閉防丟失功能可以解除報(bào)警。

4.5 藍(lán)牙通信功能

藍(lán)牙通信模塊可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)人與嬰兒車的信息交互。測試步驟：對嬰兒車上電后，打開手機(jī)APP，連接藍(lán)牙，觀察是否能成功連接；成功連接藍(lán)牙后，當(dāng)傳感器模塊初始化并采集到信息時(shí)，觀察APP中能否顯示信息。藍(lán)牙連接成功后，指示燈緩慢閃爍，表明藍(lán)牙已經(jīng)配對成功。藍(lán)牙測試效果如圖13所示，APP測試效果如圖14所示。

圖13 藍(lán)牙模塊測試效果

圖14 APP測試效果

5 結(jié) 語

本文以嬰兒車的智能化為背景，基于STM32F103ZET6單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款智能化嬰兒車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)衍生出的智能嬰兒車可用性強(qiáng)，能對嬰兒的一些常見行為進(jìn)行監(jiān)控，具備的自動(dòng)安撫功能也能代替父母進(jìn)行人工安撫，大大減輕了父母的負(fù)擔(dān)。智能嬰兒車在嬰兒用品市場中有著十分廣闊的應(yīng)用前景，值得深入研究。