DIY智能搖床，實現(xiàn)嬰兒健康監(jiān)護，提供設計方案、軟硬件架構

一、項目概述

1.1 項目摘要

嬰兒安睡寶是基于STEVAL-MK1062V2開發(fā)套件的一個智能搖床。它通過利用開發(fā)板上的傳感器，增加電機，GPRS，音樂播放和聲音傳感器來對嬰兒睡眠環(huán)境進行監(jiān)測并控制，使嬰兒在一個溫暖舒適的環(huán)境成長。

1.2 項目背景

睡眠對于嬰兒的成長發(fā)育起著至關重要的作用。事實上，1歲前的嬰幼兒每天至少有16小時是在睡覺中度過的，這是由于他們的腦部還沒有完全發(fā)育成熟，很容易疲勞入睡。而且只有充足的睡眠，才能保證各組織器官的發(fā)育和成熟。否則，對腦組織的成熟及各器官的生長發(fā)育都是不利的。一個良好的睡眠環(huán)境是睡眠質量的保證,傳統(tǒng)的搖床只是提供一個睡眠地方，并未對監(jiān)測和改善嬰兒的睡眠環(huán)境，它至少存在以下缺陷：

1. 當今社會的競爭越來越激烈，年輕的父母白天要工作晚上還要照顧寶寶睡覺，這已經(jīng)嚴重影響了他們的休息。如何既能減輕父母的負擔，又能夠照顧好寶寶休息成為亟待解決的問題。

2. 寶寶在家睡覺，家長去外面買菜或臨時出門做點事，這時寶寶突然醒來家長卻不知道，寶寶有可能出現(xiàn)各種危險。

3. 嬰兒的大腦是脆弱的，當有如手機，無線對講機等大功率設備在嬰兒旁邊工作時其產(chǎn)生的輻射必然會對大腦的發(fā)育產(chǎn)生影響。如何在發(fā)現(xiàn)輻射時通知家長保障嬰兒的睡眠質量是需要考慮的問題。

4. 溫度、濕度等天氣條件也是影響寶寶睡眠質量的重要因素。如果能夠根據(jù)嬰兒的睡眠情況自動調節(jié)空調，使其到達一個理想的睡眠環(huán)境，將會使嬰兒發(fā)育更加良好。

針對以上這些問題，我們設計了本“嬰兒安睡寶”，旨在為嬰兒提供一個舒適、健康的睡眠環(huán)境，同時解決家長帶寶寶的經(jīng)驗基本為零，且工作節(jié)奏快，時間少，缺乏嬰幼兒護理方面的相關知識和經(jīng)驗等問題。

二、需求分析

2.1 功能要求

本嬰兒安睡寶的功能為：

1. 寶寶從睡夢中醒來后，必定會翻轉晃動，陀螺儀，加速度計通過搖床晃動幅度和加速度判斷嬰兒是否醒來，然后通過GPRS通知家長，同時電機控制搖床搖動，播放兒歌或講故事，使得寶寶再次安靜入睡。

2. 當手機或大功率電器靠近搖床，電磁輻射物對必然對地磁產(chǎn)生影響，地磁力計通過檢測地磁的變化達到對輻射的監(jiān)測。然后發(fā)出警報，避免輻射源靠近。

3. 壓力和溫度傳感器對環(huán)境氣壓、溫度等進行實時監(jiān)控，超出適宜的溫度、壓力值時將提醒家長，并立刻調節(jié)空調的輸出，重新讓嬰兒感到舒適。

4. 聲音傳感器監(jiān)測嬰兒的哭聲，當哭聲超過一定限度，或持續(xù)一定時間時，系統(tǒng)將會通知家長。

5. 根據(jù)嬰兒的睡眠習慣，本安睡寶能夠記錄下多次睡眠的數(shù)據(jù)，通過模糊算法和內(nèi)置小型專家系統(tǒng)，自動調節(jié)適合不同寶寶的 搖床晃動頻率、睡眠溫度等。

2.2 性能標準

整個系統(tǒng)的核心采用STM32來完成。通過溫度傳感器、濕度傳感器、地磁傳感器、加速傳感器、陀螺儀以及聲音傳感器對寶寶睡眠環(huán)境和睡眠質量進行監(jiān)測。在出現(xiàn)異常情況時，本系統(tǒng)能夠自動調節(jié)并通知家長。

同時，本系統(tǒng)內(nèi)置了模糊算法和小型的專家系統(tǒng)，在每次寶寶入睡時自動記錄本次睡眠的各種數(shù)據(jù)：如進入睡眠的時間，當前溫度，搖床晃動頻率，角度等。通過多次的測量和數(shù)據(jù)的積累，系統(tǒng)將會自動調節(jié)找到不同寶寶喜愛的睡眠環(huán)境，適應不同寶寶的需要。

三、方案設計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

系統(tǒng)結構示意圖

系統(tǒng)硬件結構框圖

GPRS：即是通用無線分組業(yè)務。它采用分組交換方式傳輸數(shù)據(jù)。

溫度傳感器：基于金屬導體的電阻值對溫度的變化而改變，通過讀取電阻值電阻的大小得到溫度。

濕度傳感器：利用濕敏材料對水分子的吸附能力或對水分子產(chǎn)生物理效應的方法測量濕度。

地磁傳感器：采用法拉第電磁感應定律，即線圈切割地磁場磁力線產(chǎn)生感應電動勢的原理，多應用于飛行器，船舶等主要用途是感應姿態(tài)的變化。

氣壓傳感器：通過測量壓敏電阻的阻值，一電壓信號的方式檢測。

加速度傳感器：將加速度這一物理信號轉變成便于測量的電信號。

聲傳感器：張緊的膜片與其靠得很近的后極板組成一電容器。在聲壓的作用下，膜片產(chǎn)生與聲波信號相對應的振動，使膜片與不動的后極板之間的極距改變，導致該電容器電容量的相應變化。因此，電容式傳聲器是一極距變化型的電容傳感器。運用直流極化電路輸出一交變電壓，此輸出電壓的大小和波形由作用膜片上的聲壓所決定。

陀螺儀：一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據(jù)這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。

音樂播放芯片：通過內(nèi)部的振蕩電路，再外接小量分立元件，就能產(chǎn)生各種音樂信號。

電機：通電導體在磁場中受到電磁力作用，產(chǎn)生運動。

3.2 硬件資源配置

由于板卡上已經(jīng)包含了加速傳感器、陀螺儀、地磁傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，所以本系統(tǒng)需要外擴音樂播放模塊，電機控制模塊，GPRS模塊以及聲音傳感器模塊。

音樂模塊：此模塊采用VS1003B作為MP3音頻解碼芯片，MP3文件存放在

STEVAL-MKI062V2開發(fā)套件的MICRO SD中，通過J8的SPI口VS1003模塊與開

發(fā)套件連接，傳送數(shù)據(jù)。

電機控制模塊：通過STM32F103內(nèi)置的PWM TIMER配合外部電機控制板進行電機轉速

的控制。

GPRS模塊：該模塊與STEVAL-MKI062V2開發(fā)套件的擴展口UART2相連，通過半串

口開發(fā)套件控制GPRS模塊發(fā)送短信。

聲音傳感器模塊：通過開發(fā)套件中的普通GPIO上高低電平的變化獲得聲音傳感器模塊

的輸出。

3.3系統(tǒng)軟件架構

軟件架構圖

本作品以RT-Thread為操作系統(tǒng)，各模塊相互協(xié)調作用。

共分為五大功能塊：

1.根據(jù)嬰兒睡眠習慣，在不同時間調整電機轉速，空調溫度，音樂播放曲目和音量。模糊控制模塊還會不斷學習，更智能化的為嬰兒調整睡眠環(huán)境。

2.檢測嬰兒是否醒來，并采取措施，通知家長。

3.檢測地磁變化，并通知家長。

4.檢測氣壓及濕度值，并通知家長。

5.檢測溫度值，并適當調節(jié)。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

軟件架構圖

系統(tǒng)軟件流程：

首先啟動RT-Thread操作系統(tǒng)，然后初始化各器件。

1.根據(jù)模糊庫，定時器開始計時，當進入下一階段，中斷產(chǎn)生，調整空調溫度，搖床晃動幅度，音曲及音量。

2.搖床在低速、無規(guī)律晃動且聲音傳感器接收到哭聲，則表明嬰兒醒了，產(chǎn)生中斷，電機低速搖晃，播放兒歌，同時發(fā)送信息報告家長嬰兒的狀態(tài)。

3地磁場強發(fā)生變化超出預定范圍，中斷產(chǎn)生，發(fā)送短信告知家長，輻射源靠近。

4.氣壓值，濕度值超出預訂范圍，中斷產(chǎn)生，發(fā)送短信告知家長，提示開窗透氣。

5.溫度值超出預訂范圍，中斷產(chǎn)生，發(fā)送短信告知家長，并控制空調調整溫度。