DIY智能搖床，實(shí)現(xiàn)嬰兒健康監(jiān)護(hù)，提供設(shè)計(jì)方案、軟硬件架構(gòu)

一、項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目摘要

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

1.2 項(xiàng)目背景

睡眠對(duì)于嬰兒的成長(zhǎng)發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。事實(shí)上，1歲前的嬰幼兒每天至少有16小時(shí)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(duì)腦組織的成熟及各器官的生長(zhǎng)發(fā)育都是不利的。一個(gè)良好的睡眠環(huán)境是睡眠質(zhì)量的保證,傳統(tǒng)的搖床只是提供一個(gè)睡眠地方，并未對(duì)監(jiān)測(cè)和改善嬰兒的睡眠環(huán)境，它至少存在以下缺陷：

1. 當(dāng)今社會(huì)的競(jìng)爭(zhēng)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(yán)重影響了他們的休息。如何既能減輕父母的負(fù)擔(dān)，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(zhǎng)去外面買菜或臨時(shí)出門做點(diǎn)事，這時(shí)寶寶突然醒來家長(zhǎng)卻不知道，寶寶有可能出現(xiàn)各種危險(xiǎn)。

3. 嬰兒的大腦是脆弱的，當(dāng)有如手機(jī)，無線對(duì)講機(jī)等大功率設(shè)備在嬰兒旁邊工作時(shí)其產(chǎn)生的輻射必然會(huì)對(duì)大腦的發(fā)育產(chǎn)生影響。如何在發(fā)現(xiàn)輻射時(shí)通知家長(zhǎng)保障嬰兒的睡眠質(zhì)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(zhì)量的重要因素。如果能夠根據(jù)嬰兒的睡眠情況自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)，使其到達(dá)一個(gè)理想的睡眠環(huán)境，將會(huì)使嬰兒發(fā)育更加良好。

針對(duì)以上這些問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了本“嬰兒安睡寶”，旨在為嬰兒提供一個(gè)舒適、健康的睡眠環(huán)境，同時(shí)解決家長(zhǎng)帶寶寶的經(jīng)驗(yàn)基本為零，且工作節(jié)奏快，時(shí)間少，缺乏嬰幼兒護(hù)理方面的相關(guān)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)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(mèng)中醒來后，必定會(huì)翻轉(zhuǎn)晃動(dòng)，陀螺儀，加速度計(jì)通過搖床晃動(dòng)幅度和加速度判斷嬰兒是否醒來，然后通過GPRS通知家長(zhǎng)，同時(shí)電機(jī)控制搖床搖動(dòng)，播放兒歌或講故事，使得寶寶再次安靜入睡。

2. 當(dāng)手機(jī)或大功率電器靠近搖床，電磁輻射物對(duì)必然對(duì)地磁產(chǎn)生影響，地磁力計(jì)通過檢測(cè)地磁的變化達(dá)到對(duì)輻射的監(jiān)測(cè)。然后發(fā)出警報(bào)，避免輻射源靠近。

3. 壓力和溫度傳感器對(duì)環(huán)境氣壓、溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，超出適宜的溫度、壓力值時(shí)將提醒家長(zhǎng)，并立刻調(diào)節(jié)空調(diào)的輸出，重新讓嬰兒感到舒適。

4. 聲音傳感器監(jiān)測(cè)嬰兒的哭聲，當(dāng)哭聲超過一定限度，或持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)通知家長(zhǎng)。

5. 根據(jù)嬰兒的睡眠習(xí)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(dòng)調(diào)節(jié)適合不同寶寶的 搖床晃動(dòng)頻率、睡眠溫度等。

2.2 性能標(biāo)準(zhǔn)

整個(gè)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(duì)寶寶睡眠環(huán)境和睡眠質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在出現(xiàn)異常情況時(shí)，本系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)并通知家長(zhǎng)。

同時(shí)，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(shí)自動(dòng)記錄本次睡眠的各種數(shù)據(jù)：如進(jìn)入睡眠的時(shí)間，當(dāng)前溫度，搖床晃動(dòng)頻率，角度等。通過多次的測(cè)量和數(shù)據(jù)的積累，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)找到不同寶寶喜愛的睡眠環(huán)境，適應(yīng)不同寶寶的需要。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

GPRS：即是通用無線分組業(yè)務(wù)。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(dǎo)體的電阻值對(duì)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(duì)水分子的吸附能力或?qū)λ肿赢a(chǎn)生物理效應(yīng)的方法測(cè)量濕度。

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

氣壓傳感器：通過測(cè)量壓敏電阻的阻值，一電壓信號(hào)的方式檢測(cè)。

加速度傳感器：將加速度這一物理信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于測(cè)量的電信號(hào)。

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(hào)相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)，使膜片與不動(dòng)的后極板之間的極距改變，導(dǎo)致該電容器電容量的相應(yīng)變化。因此，電容式傳聲器是一極距變化型的電容傳感器。運(yùn)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(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。人們根據(jù)這個(gè)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(shí)要給它一個(gè)力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長(zhǎng)時(shí)間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)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(hào)。

電機(jī)：通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力作用，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

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(kuò)音樂播放模塊，電機(jī)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(jī)控制模塊：通過STM32F103內(nèi)置的PWM TIMER配合外部電機(jī)控制板進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速

的控制。

GPRS模塊：該模塊與STEVAL-MKI062V2開發(fā)套件的擴(kuò)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(gòu)

軟件架構(gòu)圖

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

共分為五大功能塊：

1.根據(jù)嬰兒睡眠習(xí)慣，在不同時(shí)間調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，空調(diào)溫度，音樂播放曲目和音量。模糊控制模塊還會(huì)不斷學(xué)習(xí)，更智能化的為嬰兒調(diào)整睡眠環(huán)境。

2.檢測(cè)嬰兒是否醒來，并采取措施，通知家長(zhǎng)。

3.檢測(cè)地磁變化，并通知家長(zhǎng)。

4.檢測(cè)氣壓及濕度值，并通知家長(zhǎng)。

5.檢測(cè)溫度值，并適當(dāng)調(diào)節(jié)。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

軟件架構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件流程：

首先啟動(dòng)RT-Thread操作系統(tǒng)，然后初始化各器件。

1.根據(jù)模糊庫(kù)，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)進(jìn)入下一階段，中斷產(chǎn)生，調(diào)整空調(diào)溫度，搖床晃動(dòng)幅度，音曲及音量。

2.搖床在低速、無規(guī)律晃動(dòng)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(jī)低速搖晃，播放兒歌，同時(shí)發(fā)送信息報(bào)告家長(zhǎng)嬰兒的狀態(tài)。

3地磁場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化超出預(yù)定范圍，中斷產(chǎn)生，發(fā)送短信告知家長(zhǎng)，輻射源靠近。

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

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