多功能智能婴儿床的设计

第35卷 第5期 福 建 电 脑 Vol. 35 No.52019年5月Journal of Fujian ComputerMay 2019———————————————本文得到福建省中青年教师教育科研项目（No.JAT170650）、福建省大学生创新创业训练计划项目（No.201810398025）资助。

王杰华，男，1998年生，本科在读，电子信息工程。

E-mail:1917997861@ 。

刘晓彬，男，1998年生，本科在读，电子信息工程。

洪丽芳，女， 1999年生，本科在读，电子信息工程。

杨烈君，男，1980年生，讲师，研究方向为嵌入式系统。

多功能智能婴儿床的设计王杰华 刘晓彬 洪丽芳 杨烈君(宁德师范学院信息与机电工程学院 福建 宁德 352100)摘 要 随着科技及生活水平的不断提升，智能家居不断深入普通家庭，人们对于智能婴儿床的关注也与日俱增。

针对传统的婴儿床功能单一，由于父母与婴儿之间存在生物钟不一致等问题，本文将自动化检测及控制技术应用于婴儿床上，设计一款具有监测温度、湿度、空气质量指数、睡眠质量、自动摇摆的多功能新型智能婴儿床，为婴儿提供一个健康、科学、快乐的睡眠环境。

关键词 多功能；智能婴儿床；自动化检测；远程监控；睡眠质量 中图法分类号 TP27 DOI:10.16707/ki.fjpc.2019.05.045Design of Multi-functional Smart CribWANG Jiehua, LIU Xiaobin, HONG Lifang, YANG Liejun(College of Information and Mechanical & Electrical Engineering, Ningde Normal University, Ningde, China, 352100)1 引言近年来，国际上有许多企业研发出各类多功能的新婴儿床，在减少婴儿对父母的依赖下，给父母们省去不少时间。

给婴儿创造一个相对稳定的睡眠条件，使用智能婴儿床是未来的趋势。

传统的婴儿床可分固定式和手动式两类，仅能够为婴儿睡眠提供一个基本环境，但婴儿成长的周边温湿度以及其它因素的细微变化，都可能会影响到婴儿睡眠健康。

这需要家长时刻去关注婴儿的身边环境是否合适、环境是否舒适，这些都是婴儿成长过程中家长关心的问题[1]。

本文主要介绍一种以STM32芯片为主要控制核心的多功能智能婴儿床系统，通过使用STM32单片机开发的智能婴儿床，可以通过测试环境声音信息及婴儿啼哭声实现婴儿睡眠环境的调整。

特别针对智能婴儿床周围的环境监测，通过手机端实现对婴儿身边环境的远程监测及控制。

本设计将多种传感控制技术及机械应用到一起，构建一款功能多元化的智能婴儿床。

2 总体设计多功能智能婴儿床的设计主要由机械部分和控制电路部分组成。

机械部分的床架四脚处安装小轮方便移动，在床架上安装小吊床，将吊床的两端与传动杆相连接，摆杆跟传动轴连接。

从动杆要跟吊床的另外一端连接，在转轴上连接固定好从动杆，而在床架上固定好转轴与吊床相连接。

在床架上安装好电路控制部分，该控制部分主要由传感器和电机组成。

通过带滤波器的驻极体话筒准确感应婴儿哭声，当检测到婴儿哭闹时能够自动进行摇动吊床；为防止惊吓婴儿，音乐安抚声将由小到大播放。

多功能智能婴儿床能够对语音进行识别，分辨出是大人还是小孩的声音，从而做出是否需要摇床的判断，并且按照婴儿啼哭程度调整对吊床的晃动速度。

由于婴儿对环境的要求较高，利用各个感应器可以监测到周围的温度、湿度、空气质量指数，这些数据经过处理在婴儿床旁边的显示屏上显示，同时数据通过通信模块发送到远程移动端及时提醒父母[2]。

智能婴儿床总体结构所示图1所示。

134 王杰华等：多功能智能婴儿床的设计第5期图1 系统总体框图3 系统设计的主要原则3.1 传感器的准确性使用驻极体麦克风可以灵敏的感知到婴儿哭声。

由于婴儿的哭声频率大致在400~1200Hz范围内，一般生活周边的干扰声源都在100Hz左右，与婴儿啼哭相比频率较低。

为此，需要在驻极体麦克风增加一个滤波器，将带通滤波器设计在一个下限频率为400Hz、上限频率为1200Hz来滤除干扰信号。

运算放大器采用的是LM358，设计制造一个带宽为800Hz的驻极体话筒带通滤波器[3]。

驻极体麦克风采集到声音后，将检测到的音频输入滤波器进行滤波处理，使婴儿啼哭的频率通过，最后送入单片机进行处理。

3.2 摇动模块的舒适性婴儿睡在床上不能只是简单的机械摇摆，要摇摆自然才能满足婴儿睡眠需求，因此对床体摇动的频率及幅度的大小要求严格。

刚开始要由缓而快的摇，播放的音乐要逐步增大，以防惊吓婴儿，犹如荡秋千那样的摇摆。

当婴儿在音乐中即使不再啼哭也不能立刻停止音乐，入睡后床体摆摇多长时间要进行设计。

3.3 系统的稳定性和便利性多功能智能婴儿床的设计考虑到系统的稳定性和便利性。

步进电机安装在摇篮与主床之间，保证婴儿睡眠，不受外界影响。

一旦婴儿睡着了，把步进电机电位调到零，这样婴儿床就不会动了。

对于婴儿床整体结构设计要做到美观、简单、易学，需要空间灵活性。

该系统对市场上现有的婴儿床具有一定的参考价值。

4 局部模块设计4.1 温湿度检测模块对床体周边环境的温度、湿度采用DHT11传感器进行检测。

由于婴儿对环境比较敏感，采用此传感器能够保证数据可靠性和长期稳定性[4]。

温湿度检测模块实时进行监测并把数据传送到客户端，当温湿度检测不在设定范围值内时，会立刻向APP 发送提示信息。

时序所示图2。

图2 DHT11时序图4.2 空气质量一般而言，空气质量普遍检测空气中的PM2.5的颗粒浓度。

因此传感器使用SDS011传感器，测得空气中浮颗粒物。

检测原理是一束平行单色光射入到被测空气中，光线会受到空气中粒子周围吸收和散射，原先的光照强度会衰减。

当激光通过空气中的颗粒物时，会产生一个细微的光散射，通过传感器监测到的散射值和粒子浓度进行公式转换再返回传入单片机进行处理，可以得到实时数据，并上传到手机端，当超过设定上限时发送提示信息。

4.3 睡眠质量采用枕头法进行睡眠检测，虽然睡眠质量不会受到影响，但由于枕头位置的限制，只能测量呼吸信号，不足以检测睡眠质量[5]。

采用压电式传感器最主要的优点是既能够测量大的压力变化，也可以测量微小的压力变化，当婴儿转身时是一种细微压力变化，可以更加精准地监测到婴儿睡眠情况。

应用压电和压阻薄膜获得的压力值大小，利用不同位置的压力变化，可以相应的测量呼吸情况、心脏跳动、人体活动等外界信号变化[6]。

首先判断是否有人体，当检测到人体存在时，经过单片机分析与实际情况，提取得到婴儿的心率、呼吸、体动等生理状态，传感器算法模拟人体睡眠状态来判别睡眠质量并对一段时间的数据分析进行睡眠评分，睡眠质量分析以曲线的形式显示在APP上，图3所示为睡眠质量一般分析过程。

2019年福建电脑135传感器数据生理信号提取睡眠质量分析心率睡眠分析人体感应睡眠评分呼吸体动图3 睡眠质量分析过程4.4 音乐播放系统的音乐播放器既能播放系统原始自带的音乐，也可以自行下载到婴儿床。

音乐播放采用AU6850芯片。

该芯片结构简单，可以直接读取外部设备音乐文件，音质细腻，对于婴儿的耳朵比较稚嫩，采用该芯片作为音乐解码，可以对婴儿的耳朵起到很好的保护。

4.5 声音检测当驻极体话筒经滤波器滤波后，由于环境声源杂乱，增加带通滤波电路，婴儿的哭声频率通常保持在一定范围，音频在一定频段区间，并连续监测到一段时间，当驻极体话筒通过滤波电路确定婴儿在啼哭时，两端的电压也会随着啼哭声变化而改变，经放大的电压值通过ADC0804转换后，数据返回主控制芯片进行相应处理。

当感应到哭声时通过APP提示消息，床体开始摇摆并播放音乐。

4.6 电机传动婴儿床的摇动部分是用42步进电机42BYGH 47-401A带动传动部分让婴儿床摇动，步进电机的驱动芯片选用的TB6560AHQ是一个低功耗混合式步进电机驱动芯片，电机工作原理简单方便，兼容性强，配合外围电路就可驱动电机转动。

当驻极体话筒检测到婴儿连续哭声时，床体开始自动摇摆，识别到的分贝值大小可以灵活控制床体摇动的幅度，直到哭声结束一段时间后，婴儿床才会停止摇摆。

床体的摇摆可以用手按动设置在婴儿床旁边的按键，或者通过手机端远程控制操作，可设置摇摆时间和频率。

婴儿床采用软驱动方式可以使摇摆更加柔和，摇动的频率和幅度缓和，不会产生振动和噪声。

5 软件设计首先程序初始化屏幕显示、各传感器、各联网部分和无线传输部分，然后检查是否有来自网络的控制指令并接收，同时检查是否有语言控制的指令和屏幕触控的指令。

随后便将数据更新显示在屏幕上，最后检查是否有需要执行的指令，若是则执行相应的指令，否则将跳过此步，将检测到的数据经过处理分析上传到网络服务器。

图4所示为客户端流程图。

程序初始化是否有需要执行开始获取传感器数据接收来自网络的控制指令接收来自语言和屏幕指令在屏幕上更新数据执行对应的指令将数据上传到云服务器否是图4 移动端一般流程6 结束语多功能智能婴儿床系统是一门涉及多个领域的综合性研发课题，集机械、自动控制等领域于一体。

本文着重以模拟父母照顾婴儿的方式为前提，设计一款具有多功能的智能婴儿床。

实验证明该系统能提高婴儿的舒适度，减轻照看婴儿的时间和负担，系统安全性较高、实用性强、易于维护和扩展开发，具有产品化意义。

参考文献[1] 张可,王哲.智能婴儿摇摇床的设计.电子制作,2018(07):31-32[2] 梁森,欧阳三泰,王侃夫.自动检测技术及应用.北京:机械工业出版社,2006[3] 张飞,伍小保.广义多相滤波及其应用.雷达科学与技术,2014(03):262-266[4] 黎晓贞.基于DS1420智能体温计的设计.电子科技,2008(9):31-34[5] 王琛磊.基于DSP的睡眠监测系统设计与实现[硕士学位论文].华南理工大学,广州,2013[6] 郑慧君.微动敏感床垫式睡眠监测系统相关生理参数提取[硕士学位论文].山东大学,济南,2010。