馬巧梅

（寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，寶雞721016）

基于52單片機(jī)智能嬰兒床的設(shè)計(jì)*

馬巧梅

（寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，寶雞721016）

鑒于父母有在室內(nèi)可以遠(yuǎn)離嬰兒并照看嬰兒，又須確保嬰兒舒適度的需求，設(shè)計(jì)一款可通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嬰兒床周圍智能信息處理的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)以52單片機(jī)為核心控制器，通過WIFI技術(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送采集的視頻信息到Android手機(jī)客戶端，通過手機(jī)端可以查看嬰兒床周圍的溫度和濕度信息。同時(shí)在嬰兒床上內(nèi)置一個(gè)GPS定位系統(tǒng)和超聲波距離檢測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)嬰兒床與父母之間的距離和室外嬰兒床的實(shí)時(shí)位置信息。該智能系統(tǒng)可以使父母在室內(nèi)一定范圍內(nèi)，通過手機(jī)察看嬰兒的一舉一動(dòng)，同時(shí)還可以觀看嬰兒身邊的溫濕度信息，從而幫助父母消除必須守護(hù)在嬰兒旁邊的困惑。

智能嬰兒床；傳感器；單片機(jī)；WIFI技術(shù)；GPS定位

1 引言

為了給新生兒和父母帶來方便，某些城市嬰兒床已經(jīng)達(dá)到70%的使用率，醫(yī)學(xué)界的專家和家庭都深刻認(rèn)識(shí)到新生兒早期看管的重要性，新生兒及其父母對(duì)智能嬰兒床的需求會(huì)逐步增多[1]。為嬰兒創(chuàng)造一個(gè)安全、良好的生長(zhǎng)環(huán)境，是每一個(gè)家庭應(yīng)該盡到的責(zé)任和義務(wù)。但是在現(xiàn)實(shí)生活中總會(huì)有各種不可避免的意外情況，影響著嬰兒的健康。比如，嬰兒成長(zhǎng)的環(huán)境溫度和濕度，或者其它環(huán)境因素的細(xì)微變化，都可能會(huì)使嬰兒生病，這就需要家長(zhǎng)時(shí)刻去關(guān)注孩子的身邊環(huán)境是否過熱，是否又太冷，房間內(nèi)的濕度是否能夠達(dá)到要求，這些都是家長(zhǎng)會(huì)關(guān)心的問題。

該設(shè)計(jì)就智能嬰兒床周圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)[2]，通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒身邊環(huán)境的監(jiān)控。為了給嬰兒一個(gè)相對(duì)放心的生長(zhǎng)環(huán)境，使用智能嬰兒床是必要的趨勢(shì)[3]，無論在城市還是鄉(xiāng)村都會(huì)有一定的市場(chǎng)需求。因此對(duì)智能嬰兒床的研究和發(fā)展是一個(gè)很有必要的現(xiàn)實(shí)課題[4]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工作原理

GPS工作原理[5]：GPS硬件電路和單片機(jī)的串口進(jìn)行連接，通過串口和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，GPS通過自動(dòng)衛(wèi)星搜索，確定當(dāng)前的衛(wèi)星數(shù)量。鎖定當(dāng)前提供服務(wù)的工作衛(wèi)星后，發(fā)送請(qǐng)求命令獲取衛(wèi)星提供的GPS設(shè)備和衛(wèi)星之間的距離，通過若干個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行準(zhǔn)確定位，由GPS內(nèi)部的芯片內(nèi)置算法進(jìn)行距離計(jì)算便可以得到一連串帶有當(dāng)前位置信息和時(shí)間信息的數(shù)據(jù)。GPS通過串口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)這些信息進(jìn)行解析，取出本次設(shè)計(jì)需要的有用信息，然后便可以顯示在嬰兒床內(nèi)置的液晶屏幕上了。

超聲波[6]工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)IO口輸出超聲波換能器所需的40kHz方波信號(hào),利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。通過計(jì)算發(fā)送一束超聲波并且記錄此刻的發(fā)送時(shí)間，然后接收返回的這一束波，記錄接收時(shí)間，通過兩者時(shí)間差值來計(jì)算距離，通過單片機(jī)來進(jìn)行計(jì)算和顯示。

由嬰兒床采集嬰兒附近的環(huán)境信息，例如溫度和濕度，然后通過單片機(jī)[7]進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷。將傳感器采集的溫度和濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，通過單片機(jī)串口TTL電平和WIFI模塊進(jìn)行通信。WIFI模塊把采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地的RAM內(nèi)[8]，使其它連接上WIFI信號(hào)的設(shè)備對(duì)本地設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。當(dāng)Android設(shè)備連接上WIFI信號(hào)時(shí)，將本地資料通過socket通信讀取到Android設(shè)備上進(jìn)行顯示。同時(shí)WIFI模塊連接上攝像頭，實(shí)時(shí)將嬰兒床內(nèi)的視頻信息通過socket將數(shù)據(jù)以幀的形式發(fā)送給Android設(shè)備，快速刷新起來就可以看到連續(xù)的視頻信息。

當(dāng)嬰兒床接收到WIFI信號(hào)調(diào)整工作模式，進(jìn)行壁障時(shí)，嬰兒床便可以按照接收的信號(hào)進(jìn)行工作，然后啟動(dòng)前方的壁障模塊進(jìn)行壁障，即工作在壁障模式或者接收到命令啟動(dòng)尋跡模式，下方的尋跡模塊來進(jìn)行尋跡，即工作在尋跡模式。嬰兒床所有的工作模式以及狀態(tài)均可通過上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

3 硬件及傳感器介紹

3.1 單片機(jī)選型

STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程的Flash內(nèi)存。做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行速度快、功耗小，有超強(qiáng)的抗干擾能力，指令代碼也完全兼容傳統(tǒng)的單片機(jī)。所以該系統(tǒng)選擇STC89C52RC作為系統(tǒng)的單片機(jī)控制器。其原理如圖1所示。

圖1 單片機(jī)工作原理

3.2 數(shù)字溫濕度傳感器選型

數(shù)字溫濕度傳感器DHT11是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。數(shù)字溫濕度傳感器DHT11有很高的技術(shù)含量，特別是對(duì)于數(shù)字模塊的采集和溫濕度的感知方面。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕組件和一個(gè)NTC測(cè)溫組件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。具有性能好、價(jià)格低、質(zhì)量高、感知速度快、抗干擾性好等特點(diǎn)，所以DHT11有很廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，其實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 DHT11實(shí)物圖

3.3 WIFI實(shí)現(xiàn)原理

WIFI在無線電技術(shù)中是Wireless Fidelity（無線保真度）的縮寫，是一種短距離無線電技術(shù)的代名詞。

WIFI傳輸數(shù)據(jù)的原理：在有線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過無線集線器、無線網(wǎng)橋天線和網(wǎng)卡等設(shè)備便可實(shí)現(xiàn)無線方式上網(wǎng)。它是將用戶發(fā)出的信息分組（包），然后轉(zhuǎn)換為微波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)的各種功能。

WIFI模塊采用TL-WR703N的AR9331 MIPS24kc SoC的片上系統(tǒng)，對(duì)片上系統(tǒng)燒入對(duì)應(yīng)的固件，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的WIFI路由功能。通過TPlink的無線網(wǎng)絡(luò)連接到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的上位機(jī)控制。

WIFI模塊內(nèi)部刷入了開源的OpenWrt系統(tǒng)，使之成為一個(gè)運(yùn)行Linux系統(tǒng)的小計(jì)算機(jī)。OpenWrt系統(tǒng)的軟件包管理提供了一個(gè)完全可寫的文件系統(tǒng)，并允許自定義，以適應(yīng)任何應(yīng)用程序使用該軟件包。

4 主要電路設(shè)計(jì)

4.1 電源電路的設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的智能嬰兒床系統(tǒng)中需要供電的部分包括：基礎(chǔ)系統(tǒng)模塊、開發(fā)板、WIFI模塊、GPS模塊及超聲波模塊等。這些電源的獲取可以直接通過兩個(gè)USB直流5.0V直接供電，供電性能穩(wěn)定可靠，電源電路圖如圖3所示：

圖3 電源電路圖

4.2 GPS液晶顯示電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用2864液晶顯示，它只說明類屏的一個(gè)特征，就是128×64個(gè)點(diǎn)構(gòu)成。字符顯示是通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)寫入內(nèi)容的不同，可分別在液晶屏上顯示CGROM（中文字庫）、HCGROM（ASCII碼字庫）及CGRAM（自定義字形）的內(nèi)容。其顯示電路如圖4所示。

圖4 GPS液晶顯示

4.3 串口通信電路設(shè)計(jì)

串口通訊對(duì)單片機(jī)而言非常重要，不但可以實(shí)現(xiàn)將單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端，而且也能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)單片機(jī)的控制。由于其所需電纜線少，接線簡(jiǎn)單，所以在較遠(yuǎn)距離傳輸中，得到了廣泛的運(yùn)用。該系統(tǒng)采用了兩種晶振頻率給單片機(jī)系統(tǒng)提供振蕩源：

（1）11.0592MHz：GPS的串口通信。因?yàn)閱纹瑱C(jī)要和GPS模塊進(jìn)行串口通信，所以采用11.0592MHz的晶振來給GPS模塊提供時(shí)鐘頻率源。采用11.0592MHz晶振提供振蕩源，串口的波特率發(fā)生器提供的晶振頻率非常精確，不存在通信誤差。

（2）12MHz：超聲波傳感器。由超聲波的工作原理可知，它的工作需要一個(gè)40KHz的載波發(fā)生一束超聲波進(jìn)行測(cè)距，當(dāng)系統(tǒng)采用12MHz時(shí)，單片機(jī)的機(jī)器周期是1μs，這樣單片機(jī)計(jì)數(shù)產(chǎn)生40kHz的超聲波就比較準(zhǔn)確。

5 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

首先通過嬰兒床的WIFI路由得到對(duì)應(yīng)的WIFI信號(hào)，通過上位機(jī)WIFI建立連接，打開上位機(jī)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作。系統(tǒng)采用的WIFI轉(zhuǎn)串口模塊，需要對(duì)WIFI模塊進(jìn)行配置。從控制的距離可以分為：局域網(wǎng)控制和廣域網(wǎng)控制，該系統(tǒng)僅設(shè)計(jì)了局域網(wǎng)的控制。

WIFI模塊工作在AP模式，智能終端（手機(jī)、平板）直接接入WIFI模塊提供的網(wǎng)絡(luò)，在同一個(gè)熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線控制。

WIFI模塊工作在STA模式，智能終端和WIFI模塊工作在無線路由器提供的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。

5.1.1 視頻采集

該系統(tǒng)采用HJ720P高清攝像頭，像素高、靈敏度強(qiáng)、幀率快。接口采用USB2.0高速接口，配合方案的高幀率視頻顯示，可以保障畫面的流暢度，具有降噪功能。支持Windows7/XP/Linux等系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的兼容性，并且不需要安裝驅(qū)動(dòng)。該攝像頭配有USB連接線，集成了畫面?zhèn)鬏攩涡诺溃恍鑼SB接口插到WIFI模塊上的USB接口上即可。

視頻采集通過http協(xié)議發(fā)送請(qǐng)求，WIFI模塊響應(yīng)請(qǐng)求，圖片以幀的形式發(fā)給上位機(jī)，通過程序內(nèi)部設(shè)置視覺暫留時(shí)間就可以看到嬰兒床攝像頭傳送回來的視頻信息。

攝像頭的作用是采集智能嬰兒床前方的圖像，傳送到WIFI模塊，由WIFI模塊將接收到的信息通過WIFI信號(hào)回饋到上位機(jī)即手機(jī)，最后在手機(jī)屏幕上顯示出所采集到的圖像。

5.1.2 溫濕度的數(shù)據(jù)采集

通過單片機(jī)的串口發(fā)送給WIFI模塊數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件編寫的溫度和濕度在終端上顯示，使得嬰兒的父母能夠在連接本地局域網(wǎng)時(shí)，看到嬰兒床周圍的溫度和濕度信息的變化情況。

5.1.3 超聲波資料的采集

傳感器安裝在嬰兒床的正前方，這樣父母可以在合適的距離內(nèi)對(duì)嬰兒進(jìn)行看護(hù)，過遠(yuǎn)的嬰兒看護(hù)可能會(huì)造成看護(hù)嬰兒不到位。所以需要加裝這個(gè)超聲波測(cè)距模塊對(duì)父母和嬰兒床之間的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

當(dāng)嬰兒床距父母比較遠(yuǎn)，或者不在父母的安全監(jiān)管范圍之內(nèi)，超聲波便可以檢測(cè)出這個(gè)距離和設(shè)定距離之間的差值，如果這個(gè)距離大于超聲波的設(shè)定距離，便對(duì)父母發(fā)出警報(bào)。

5.2 上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)

通過上位機(jī)發(fā)送指令到WIFI模塊，然后通過WIFI模塊的轉(zhuǎn)換，把指令傳給單片機(jī)，從而讓嬰兒床執(zhí)行操作者想要實(shí)現(xiàn)的指令，同時(shí)上位機(jī)向路由發(fā)送一個(gè)視頻請(qǐng)求，路由端的視頻處理程序把獲取的USB攝像頭視頻傳回上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行譯碼并顯示。

5.2.1 Android客戶端的實(shí)現(xiàn)

視頻傳輸通過http協(xié)議，上位機(jī)編寫http請(qǐng)求從WIFI模塊獲取數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)幀，將視頻信息獲取到終端的客戶端上，進(jìn)行實(shí)時(shí)的視頻采集。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)界面如圖5所示：

5.2.2 安卓手機(jī)的上位機(jī)接口連接

通過客戶端的應(yīng)用程序，可以實(shí)時(shí)的查看當(dāng)前嬰兒床附近的溫度和濕度值，以便通過人為的方法給嬰兒創(chuàng)造一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境。

也可以通過BluetoothSocket申請(qǐng)與遠(yuǎn)程藍(lán)牙設(shè)備的連接訪問設(shè)備名稱、地址、綁定狀態(tài)等。溫濕度數(shù)據(jù)采集接口如圖6所示：

圖5 手機(jī)上位機(jī)軟件界面

圖6 溫度濕度數(shù)據(jù)采集接口

該接口與藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在Android手機(jī)客戶端上顯示當(dāng)前的溫度和濕度值，以便用戶能夠及時(shí)看到當(dāng)前的溫濕度值。

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)在功能單一的嬰兒床進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，該智能系統(tǒng)視頻傳輸穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)，GPS定位準(zhǔn)確，室內(nèi)超聲波測(cè)量精準(zhǔn)，對(duì)看護(hù)嬰兒的父母具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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Design of Smart Crib Based on 52 Single Chip Microcomputer

Ma Qiaomei
（College of Computer,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721016,China）

Given that parents can stay away from infants and care for infants indoors,they need to be sure that the baby's comfort is well.This intelligent system in paper can realize the intelligent information processing around the crib.The 52 single-chip microcomputer is considered as the core controller in this system,which sent video information via WiFi real-time to the Android client.The mobile terminals can monitor temperature and humidity information around the crib.In addition,a GPS and ultrasonic distance detection system is built into the crib to monitor the distance between the crib and parents,which also monitor the location of the crib.The intelligent system allows parents to stay indoors,and see the baby's every move through the mobile phone,as well as the temperature and humidity information around the crib,so as to help parents to solve the confusion of nursing.

Smart crib;Sensor;Single chip microcomputer;Wireless Fidelity;Global position system

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.019

TP277.2

B

1002-2279-（2017）05-0073-04

國(guó)家青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61402015)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（15jk1022,15JK1022）；陜西省寶雞市科技計(jì)劃項(xiàng)目（16RKX1-3）；寶雞文理學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目（ZK2017011）

馬巧梅(1983—)，女，陜西省榆林市人，碩士，講師，主研方向：物聯(lián)網(wǎng)工程，網(wǎng)絡(luò)與信息安全。