杜健寧 王夢嬌 孟祥雨 司嘯辰 盧東生*

奶品是嬰幼兒獲得營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源，喂奶的溫度尤為重要[1]。奶溫過高會燙傷嬰幼兒的口腔及食道黏膜，引起發(fā)炎或感染，奶溫過低會增加嬰幼兒的腸蠕動，導(dǎo)致腹瀉。傳統(tǒng)衡量奶溫的方法是家長先行品嘗或是倒在手上感知溫度，家長先行品嘗可能會傳染細菌甚至疾病給嬰幼兒，倒在手上感知溫度亦不保證奶溫的準(zhǔn)確。奶瓶溫度監(jiān)測裝置可以有效輔助家長控制飲用奶的溫度，從而在溫度方面保障了嬰幼兒飲用奶的質(zhì)量[2]。

近年來，各類嬰幼兒產(chǎn)品的需求量有所增加，國內(nèi)有關(guān)奶瓶溫度監(jiān)測裝置的設(shè)計層出不窮，報警方式主要是蜂鳴或是液晶屏顯示[3-4]。為此，本研究設(shè)計一款奶瓶溫度監(jiān)測裝置，其創(chuàng)新之處在于在傳統(tǒng)奶瓶溫度監(jiān)測裝置功能的基礎(chǔ)上，借助Blinker物聯(lián)網(wǎng)接入平臺實現(xiàn)在手機上進行奶溫監(jiān)測，從而避免因看手機分散注意力而導(dǎo)致錯過飲用奶的適宜溫度。

1 奶瓶溫度監(jiān)測裝置設(shè)計

1.1 硬件功能實現(xiàn)

基于奶瓶監(jiān)測裝置的聯(lián)網(wǎng)需求，設(shè)計選取WeMos D1物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板作為硬件平臺；選擇DS18B20溫度傳感器模塊測量奶瓶溫度；選用有源蜂鳴模塊作為聲音報警裝置；通過有機發(fā)光二極管(organic lightemitting diode，OLED)顯示屏實時顯示奶瓶溫度。

1.1.1 WeMos D1開發(fā)板

Arduino開發(fā)板為一款具有方便上手、靈活簡潔特點的開源電子平臺，其中包含各種型號的Arduino開發(fā)板硬件和開放源代碼Arduino的集成開發(fā)環(huán)境(integrated development environment，IDE)(Arduino IDE)軟件兩部分。Arduino開發(fā)板可以接收來自各種傳感器的數(shù)據(jù)，并通過控制聲音、燈光等作用于環(huán)境[5]。通過Arduino IDE編程并將程序燒錄到Arduino開發(fā)板的微控制器，即可得到電路板需要執(zhí)行的功能；ESP-8266是一種WiFi串口模塊，即用于從串口接收數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送或通過WiFi接收數(shù)據(jù)后用串口輸出[6]。WeMos D1是一款基于ESP-8266 WiFi模塊的開發(fā)板，并且兼容Arduino，可使用Arduino IDE進行編程來實現(xiàn)所需功能。WeMos D1配有11個I/O引腳，1個輸入范圍為0～3.3 V的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)引腳，支持空中下載技術(shù)(over the air，OTA)，板載5 V 1A開關(guān)電源。

本研究設(shè)計中WeMos D1通過I/O引腳控制DS18B20溫度傳感器模塊接收溫度，控制有源蜂鳴模塊的啟停和OLED顯示屏顯示實時溫度。WeMos D1為DS18B20溫度傳感器模塊、有源蜂鳴模塊和OLED顯示屏提供3.3 V工作電壓。

1.1.2 DS18B20溫度傳感器模塊

采用DS18B20(美國Dallas半導(dǎo)體公司)數(shù)字化溫度傳感器模塊，因其運用一線總線驅(qū)動技術(shù)且成本低廉的特點而被廣泛使用。DS18B20有較廣的測溫范圍(-55～125 ℃)，精度為±0.5 ℃(-10～85 ℃)，工作電壓為3.3～5 V。DS18B20溫度傳感器模塊將DS18B20的引腳引出，更加便于使用和儲存[7-8]。DS18B20通過GPIO14引腳向WeMos D1發(fā)送瞬時接收到的溫度數(shù)據(jù)。

1.1.3 有源蜂鳴模塊

有源蜂鳴器是一種電子訊響器，采用直流電壓供電，被廣泛用于玩具、計算機、報警器等電子產(chǎn)品中作為發(fā)聲器件。本研究設(shè)計的蜂鳴模塊采用低電平觸發(fā)模式，即I/O口輸入低電平時蜂鳴器發(fā)聲，I/O口輸入高電平時蜂鳴器停止，其工作電壓為3.3～5 V。WeMos D1通過GPIO12引腳觸發(fā)有源蜂鳴模塊。

1.1.4 OLED顯示屏

OLED顯示屏是用有機電自發(fā)光二極管制造的顯示屏，具有對比度高、不需背光源、反應(yīng)速度快、適用溫度范圍廣等優(yōu)點。設(shè)計采用0.96寸四針內(nèi)部集成電路(inter integrated circuit，IIC)接口的OLED顯示監(jiān)測到的奶瓶溫度，其工作電壓為3.3～5 V。WeMos D1通過GPIO4和GPIO5引腳控制OLED顯示屏顯示溫度。系統(tǒng)各硬件連接見圖1。

圖1 系統(tǒng)各硬件連接示意圖

1.2 軟件功能實現(xiàn)

軟件部分分為硬件控制程序的編寫和Blinker應(yīng)用程序(application program，APP)界面設(shè)計。在集成開發(fā)環(huán)境Arduino IDE上進行編程，并通過串口燒錄到WeMos D1開發(fā)板中以實現(xiàn)控制硬件的功能；在Blinker APP上設(shè)計奶瓶溫度監(jiān)測裝置的手機端界面，以簡潔直觀地顯示奶瓶實時溫度并給出對應(yīng)溫度的文字提示。

1.2.1 監(jiān)測裝置工作流程

奶瓶溫度監(jiān)測裝置軟件部分的流程設(shè)計：①為奶瓶溫度監(jiān)測裝置提供5 V直流電壓，電池或通用串行總線(universal serial bus，USB)接口，連接WeMos D1開發(fā)板使系統(tǒng)上電；②綁定預(yù)熱好的奶瓶溫度(＞38 ℃)，傳感器隨即發(fā)送奶瓶溫度，通過OLED顯示屏顯示奶瓶溫度，此時手機Blinker APP顯示當(dāng)前的溫度及“過熱”提示；③隨著奶溫下降到適宜嬰幼兒飲用的溫度范圍(≥36 ℃且≤38 ℃)時，溫度監(jiān)測裝置蜂鳴模塊提示音響起，手機Blinker APP顯示當(dāng)前的溫度及“適宜”提示，此時應(yīng)將奶瓶與溫度監(jiān)測裝置解除綁定，隨即將奶瓶中已經(jīng)達到適宜溫度的奶提供給嬰幼兒飲用；④若奶瓶溫度繼續(xù)下降至適宜溫度以下(＜36 ℃)后溫度監(jiān)測裝置蜂鳴模塊提示音停止，手機Blinker APP顯示的當(dāng)前溫度及“過涼”提示，隨后完成奶溫監(jiān)測過程。奶瓶溫度監(jiān)測裝置工作流程見圖2。

圖2 奶瓶溫度監(jiān)測裝置工作流程示意圖

1.2.2 Blinker APP

Blinker是一套跨硬件、跨平臺的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，提供設(shè)備端、服務(wù)器端及APP端的支持，通過公有云數(shù)據(jù)服務(wù)進行數(shù)據(jù)傳輸[9]。Blinker可以用于數(shù)據(jù)監(jiān)測、智能家居等領(lǐng)域，具有支持藍牙及WiFi等多種連接方式、支持多種開發(fā)平臺以及提供豐富的附加功能等優(yōu)勢。Blinker APP作為奶瓶溫度監(jiān)測裝置在手機端的載體具有顯示界面友好直觀、用戶操作簡便等特點。Blinker APP界面設(shè)計見圖3。

圖3 Blinker APP界面設(shè)計圖

表1 預(yù)熱后隨時間變化奶瓶溫度數(shù)據(jù)(℃)

在給奶瓶溫度監(jiān)測裝置上電前打開“點燈·Blinker”APP，在“所有設(shè)備”中找到Arduino設(shè)備；裝置上電后WeMos D1開發(fā)板的ESP-8266模塊自動完成APP連接，隨即在APP界面頂端顯示“在線”。APP界面的3個組件分別為兩個溫度顯示組件與1個溫度手動刷新組件，兩個溫度顯示組件可以直觀反映奶瓶溫度并提供“過熱”“適宜”和“過涼”3種文字提示，而溫度手動刷新組件可供用戶手動刷新當(dāng)前奶瓶溫度。

2 奶瓶溫度監(jiān)測裝置驗證

通過模擬日常嬰幼兒喂奶情景，對研究設(shè)計的奶瓶溫度監(jiān)測裝置有效性進行驗證：①室溫調(diào)節(jié)為25 ℃，將裝有100 ml沖好奶粉的玻璃奶瓶預(yù)熱至50～60 ℃；②打開手機端“點燈·Blinker”APP，裝置上電并綁定奶瓶；③通過OLED顯示屏或“點燈·Blinker”APP觀測奶瓶溫度下降隨時間變化的數(shù)據(jù)，并進行記錄，每4 min進行一次數(shù)據(jù)記錄，0～32 min共記錄9組數(shù)據(jù)；④重復(fù)①～③步驟4次，共記錄5組奶瓶溫度下降隨時間變化的數(shù)據(jù)。預(yù)熱后奶瓶溫度(℃)隨時間(min)變化的數(shù)據(jù)見表1。

在奶瓶溫度監(jiān)測裝置的有效性驗證過程中，裝置均在奶溫下降到適宜嬰幼兒飲用的溫度范圍(≥36 ℃且≤38 ℃)時通過蜂鳴和Blinker APP給出了及時而正確的提示，表明裝置的有效性。通過驗證亦表明室溫下100 ml沖好的奶粉玻璃瓶從50～60 ℃下降至適宜嬰幼兒飲用的溫度需要30 min左右，可為沖調(diào)奶粉提供經(jīng)驗。奶瓶溫度監(jiān)測裝置實物效果見圖4。

圖4 奶瓶溫度監(jiān)測裝置實物效果圖

3 結(jié)論

本研究基于WeMos D1開發(fā)板設(shè)計奶瓶溫度監(jiān)測裝置，利用溫度傳感器感知奶瓶溫度，OLED顯示屏顯示溫度，并通過蜂鳴模塊和Blinker APP兩種方式告知家長奶的最佳溫度以提供給嬰幼兒飲用，有效地輔助家長控制奶溫。因其不直接與奶接觸以及使用5 V電壓即可供電，保證其對嬰幼兒無毒害并無用電方面的危險。奶瓶溫度監(jiān)測裝置硬件成本低廉，軟件方面用戶只需免費注冊“點燈·Blinker”APP即可使用，如有額外需要可以通過Arduino IDE更改奶瓶最適溫度的提示區(qū)間。對本裝置加以改進可制成成品，如可加裝保溫容器盛放奶瓶等，使其更加便于使用；若需要增加本裝置的精度或靈敏度可以更換性能更加優(yōu)秀的溫度傳感器，如更換燃太TN901紅外溫度傳感模塊[10]。由于“點燈·Blinker”APP中“心跳包”數(shù)據(jù)發(fā)送頻率的限制(30～60 s/次)，當(dāng)前配合APP界面“刷新”組件才能更加及時地反映當(dāng)前溫度。若需要APP端溫度更新速度更快，可以改用企業(yè)版本的“點燈·Blinker”APP。