河南科技
Henan Science and Technology 信息技术
总778期第八期
2022年4月
张开心张梦瑶刘梦然林加希方裕滨防辐射内裤
（江西科技师范大学通信与电子学院，江西南昌330000）
摘要：随着科技水平的提升和物联网技术的发展，智能家居不断融入普通家庭的生活中，人们对
智能婴儿床的关注度也与日俱增。由于近几年市场上的婴儿床产品功能不多，基于此，本研究将 在婴儿床的基础上，使用嵌入式控制技术、物联网技术，设计出具有自动摇床、情绪安抚、尿床检
测、空气质量检测、温湿度检测及危险报警等功能的智能婴儿床。相对于目前简单的数字处理方
式而言，本研究所采用的单片机处理方式更加方便快捷、安全稳定，同时功耗较低，更适应于对婴
儿的监控护理。
关键词：智能；温湿度检测；监控护理；嵌入式平台；物联网技术
中图分类号：TS665.1；TP368.1；TP212文献标志码：A文章编号：1003-5168（2022）8-0025-04
DOI:10.ki.hnkj.1003-5168.2022.08.005
Intelligent Cot Design and Implementation Based on Embedded
Platform
ZHANG Kaixin ZHANG Mengyao LIU Mengran LIN Jiaxi FANG Yubin (School of Communication and Electronics,Jiangxi Normal University of Science and Technology,Nanchang
330000,China)
Abstract:With the improvement of scientific and technological level and the continuous development of internet of things technology,smart home continues to go deep into the lives of ordinary families,a
nd people pay more and more attention to smart cribs.Due to the limited functions of crib products in recent years,so this study will be based on the crib,use embedded control technology and Internet of things technology to design a multifunctional intelligent crib with the functions of automatic shaking,emotional comfort,bed wetting detection,air quality detection,temperature and humidity detection and danger alarm. Compared with the current simple digital processing method,the single chip microcomputer processing method used in this work is more convenient,fast,safe and stable,low power consumption,and more suit⁃able for the monitoring and nursing of infants.
Keywords:intelligent;temperature and humidity detection;monitoring nursing;embedded platform;inter⁃net of things technology
收稿日期：2022-03-24
基金项目：江西科技师范大学大学生创新训练计划项目“基于嵌入式平台的智能婴儿床”（S202111318061）。
作者简介：张开心（2002—），男，本科生，研究方向：嵌入式系统、应用电子；张梦瑶（2001—），女，本科生，研究方向：嵌入式系统、应用电子；刘梦然（2001—），女，本科生，研究方向：嵌入式系统、应用电子；林加希（2001—），男，本科生，研究方向：嵌入式系统、应用电子；
方裕滨（2001—），男，本科生，研究方向：嵌入式系统、应用电子。
1
研究背景
如今，随着我国经济的快速发展、人民生活水平的不断提高，在国家开放生育政策的引导下，越来越多的家庭有了新生命。新生命在带来喜悦的同时，也带来了一些问题，其中比较头疼的就是宝宝出生后的一段时间里睡觉不踏实，父母在工作之余还要照顾家人，短时间可以坚持，但随着时间的推移，会让年轻父母感到些许不适。在日常生活中，年轻父母不仅要照看婴幼儿，还要照顾家里的老人，所以需要一款可以模拟父母怀抱，同时还能播放摇篮曲的智能婴儿床［1］
，给婴儿创造一个相对
稳定的睡眠环境。现如今，市面上的婴儿床很难满足上述需求，且婴儿用的摇篮功能较少。婴儿在成长过程中，周围的温湿度以及其他因素的细微变化，都有可能会影响到婴儿的睡眠和健康［2］。为了减轻年轻父母看护婴儿的压力，保障婴儿的睡眠质量，为婴儿的成长提供一个科学、健康、舒适的环境，为监护人提供智能化的辅助功能，在此背景下，本研究设计出一种具有多种功能的智能婴儿床，通过加入各种传感器，全方位监测婴儿的状态，通过手机端实现对婴儿身边环境的远程监测［3］ ，对婴儿
的行为及时做出智能判断，提醒监护人。市面上的智能婴儿床少有安全措施，为此本研究设计的婴儿床添加了安全措施，如遇危险情况便立即采取断电等措施，从而保障婴儿的安全。
miankongqu2
系统整体设计
本研究设计的智能婴儿床主要由控制电路和机械部分组成［4］
。机械部分包括万向节、舵机、拉杆，万向节主要起到支撑整个床体、在摇晃时保持平衡转向等作用，舵机则控制婴儿床的晃动，上面附着的拉杆连接着床体，也有着一定的支撑作用（见图1）。
婴儿床整体分为上下两部分，如图2所示。其中，上部分是主要床体，给婴儿提供良好的睡眠环
境；下部分主要是给整个床体提供支撑、安放舵机万向节以及控制核心。
床体部分由木棍、木板、木条组成，采用上下分离的方式，一方面，下面可以作为底座支撑起整个床体，保证安全；另一方面，保证整体上部分床体的摇晃。中间部分加入万向节、舵机的拉杆等连接装置。将主控制电路安装在床架的下方，主控制电路由传感器、转向器和单片机组成，通过驻极体麦克风来感知婴儿的哭声。当检测到婴儿哭声时，主控制电路会自动摇动床体；为了防止婴儿受到惊吓，同时会播放声音逐渐增大的舒缓音乐。婴儿对周围环境有很高的要求，可以使用各种传感器来监测周围环境的空气质量指数、温度和湿度。将这些数据进行处理，通过通信模块发送到手机移动终端，及时提醒监护人［4］。
3
系统硬件设计
本研究设计的婴儿床能实现5个功能：温湿度测量、空气质量检测、安抚婴儿情绪、自动摇床、远程查看，系统功能框图如图3所示。
3.1
温湿度测量及尿床检测
对婴儿床体周围的湿度、温度进行检测，从而保证能给婴儿提供一个良好的环境，婴儿尿床也能及时通知监护人，并进行更换。当婴儿床周围温湿度超出规定范围时，单片机向移动端发出报警信号，起到及时告知的作用。本研究使用的是DHT11数字温湿度传感器，该传感器包括一个NTC 温度测量元件和一个电阻式湿度传感元件，它们与一个高性能的8位单片机相连。DHT11数字温湿度传感器具有响应速度快、性价比高、抗干扰能力强的优点，而且采用单线制串行接口，使体积变得更小、结构更简易、功耗更低。将此传感器安置在上部分床体的下面，通过检测上部分床体周围空气的温湿度
状况，从而判断婴儿是否尿床。
3.2
声音传感模块
声音传感器相当于一个话筒
（如驻极体传感
图1智能婴儿床机械模型
图2床体构造模型
木条
木板
器），该传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。婴儿的哭声使话筒内的驻极体薄膜振动，从而使电容发生变化，并产生与之对应变化的微小电压。随后将微小电压不失真地放大到0～5V ，经过A/D 转换后被数据采集器接收，并传送给单片机进行分析处理。婴儿的哭声频率大致为400～1200Hz ，婴儿的哭声通过声音传感器，然后将采集到的声音转化后经过单片机处理，随后让舵机平稳工作，使床体摇晃起来，从而实现对婴儿的安抚，同时该模块具有报警功能。
3.3
空气质量检测模块
一次性奶茶杯由于婴儿身体和智力的发育，新陈代谢快，身体免疫系统不够完善，空气中的污染物对婴儿健康的影响要远超成年人。所以，良好的空气环境对婴儿的发育起着至关重要的作用。通过检测空气中PM2.5颗粒浓度来判断空气质量，本研究采用MQ135空气质量传感器进行测量。由于测量机制的限制，该传感器不能输出特定数据来定量描述目
标气体的浓度，只能够给出一个定性分析，但其仍能够用于仅需要定性结果的应用，如某个数值达到所设定的阈值时，模块检测出来的数据经过单片机简单的处理发送给移动端。
3.4
舵机及摇床模块舵机的控制信号是一个周期为20ms 的脉宽调制（PWM ）信号。其中，脉冲宽度范围为0.5～2.5ms ，相应舵盘的位置为0°～180°，呈线性变化。一般来说，如果向转向器提供一定的脉冲宽度，其输出轴将在相应的角度保持不变。无论外部扭矩如何变化，它都不会将输出角度改变到相应位置，直到向转向机提供不同于先前宽度的脉冲信号。婴儿床的摇床要由缓到快，所以对摇床的频率和振幅有一定的要求。当婴儿睡着之后，床体的摇晃也
要根据实际情况调整。通过对舵机的简单驱动，让舵机带动上部分床体摇晃，同时舵机也起到了一定的支撑作用，防止婴儿在床上乱动时导致床体倾斜，保证了床体的稳定性，也对婴儿起到了一定的保护作用。
3.5
ESP8266WiFi 模块
ESP8266系列模组是安信可（Ai-thinker ）公司
开发的一系列基于乐鑫ESP8266EX 的低功耗
UART-WiFi 模块的模组，可以方便地进行二次开
发，并且非常适合做小量数据的无线传输。ESP8266WiFi 模块有两种工作模式，分别是Soft Ap 模式和Airlink 模式，本研究采用的是Airlink 模式配置入网。
本研究采用的机智云根据硬件的使用方案，能够自动生成MCU 开发中所需的必要代码，从而加快应用程序的开发流程，并且机智云平台可根据已定义产品的数据点，生成相应的设备端代码，自动实现通信协议的解析与封包，也可封装成简单的API 。当ESP8266模块检测到WiFi 连接成功后，设置初始数据并更新定时器，定时检测环境温湿度，如果WiFi 没有连接，也可以连接计算机，通过串口查看检测数据；如果WiFi 连接成功，则可以将检测数据上传至机智云服务器，并通过移动终端查看。
4
系统软件设计
本研究使用STM32F103作为主控制器，keil5软件作为编译软件，智能婴儿床系统主要包括传感器检测、电机驱动、蜂鸣器驱动、oled 显示等功能模块，其软件流程如图4所示。
主程序代码如下：
HAL_Init （）；//初始化HAL 库
Stm32_Clock_Init （RCC_PLL_MUL9）；//设置时
图3系统功能框图
手机App
控制摇床
ESP8266发送DHT11
数据
嵌入式平台
舵机
空气质量
婴儿哭声
环境温湿度
DHT11数据传输
MQ135转变成电信号
麦克风转变成电信号
钟，72MHz
delay_init （72）；//初始化延时函数uart_init （115200）；//初始化串口LED_Init （）；//初始化LED KEY_Init （）；//初始化按键
植物油运输车TIM3_PWM_Init （2000-1，720-1）；//72MHz/72
=1MHz 的计数频率，自动重装载为500，那么PWM 频率为1MHz/500=2kHz
flag=DHT11_Init （）；MY_ADC_Init （）；//报警功能部分代码if （（float ）adcx1*（3.3/4096）>0.5）//遇到危险舵
机和蜂鸣器停止工作
｛
printf （“stop\r\n ”）；mode=0；//修改比较值，修改占空比设置pb4｝//舵机
if （mode==1&&t==0）｛TIM_SetTIM3Compare2（1850）；//修改比较值，
修改占空比，设置pb4
delay_ms （1000）；t=1；
｝else if （mode==1&&t==1）｛TIM_SetTIM3Compare2（1900）；delay_ms （1000）；t=0；
｝else if （mode==0）｛TIM_SetTIM3Compare2（1900）；
｝
//通道21950舵机转为0°//每减少25，舵机转动45°adcx2=Get_Adc （ADC_CHANNEL_2）；//获取通道2的转换值
printf （“adcx2%d\r\n ”，adcx2）；if （（float ）adcx2*（3.3/4096）>1.5）//检测到哭声
打开蜂鸣器
｛
printf （“open\r\n ”）；HAL_GPIO_WritePin （GPIOB ，GPIO_PIN_8，GPIO_PIN_SET ）；
//蜂鸣器对应引脚GPIOB8拉低，
｝5
系统测试
本研究设计完成一款基于嵌入式平台的智能婴儿床设计，为满足设计需求，笔者在系统设计中使用STM32处理器作为主控制器，实现传感器信号采集、电机控制、数据发送等功能。无线通信模块使用ESP8266WiFi 模组，使用机智云平台作为数据服务接口，完成数据的远程传输和存储。
6
夹网布结语
婴儿床不仅为孩子提供了睡眠休息的环境，也应在育儿工作中发挥其实用性，根据育儿过程中的痛点问题提出对应的解决方案［5］。本研究结合舵机、声音传感器、空气质量传感器、温湿度传感器等
功能装置，用单片机来实现自动摇床、温湿度检测、情绪安抚、尿床检测、空气质量检测等功能，解决了育儿过程中的一部分问题，为婴儿提供一个健康、舒适的成长环境。在实际搭建过程中，对其进行了一些调整，以便能够更好地实现功能。
参考文献：
［1］王杰华，刘晓彬，洪丽芳，等.多功能智能婴儿床的设计［J ］.福建电脑，2019（5）：133-135.
［2］潘铭志，陈嘉欣，刘慧玲.基于STM32单片机的智能婴儿床设计［J ］.机械工程与自动化，2021（5）：161-163.
［3］沈航驰，陈蕾，杨俊胜，等.基于嵌入式开发的智能婴儿床［J ］.电脑知识与技术，2019（34）：228-230.
［4］孙涛，王春柳.基于STM32的智能看护婴儿床［J ］.现代信息科技，2020（24）：174-177.
［5］刘明昊.多功能婴儿床设计［D ］.长沙：中南林业科技大学，2021.
图4系统软件流程图
系统初始化传感器驱动
循环检测是否啼哭是否尿床是
是否有异味
开始摇床
是
否否
否
开启报警信号并提醒监护人培训台
是
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