（安徽工程大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

隨著科技的不斷發(fā)展，家長們對嬰兒車的要求也在不斷地提高。現(xiàn)階段市面上的嬰兒車大多以嬰兒的舒適性為主，國內(nèi)多偏向于避震和便攜功能的開發(fā)，忽視了對其安全性能的研究［1］。

智能嬰兒車利用低功耗藍牙技術(shù)的傳輸速度快、成本低、功耗低、穩(wěn)定性高等特點，與設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸，并將藍牙RSSI測距技術(shù)與Android 手機端相結(jié)合，可以測得相對精準的嬰兒車距離，實現(xiàn)防丟報警功能。利用溫濕度傳感器對車內(nèi)溫度、嬰兒體溫、車內(nèi)濕度、尿不濕濕度進行實時檢測，通過藍牙進行數(shù)據(jù)傳輸，并通過手機端報警，以達到對嬰兒體征的實時了解，防止意外的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1 為系統(tǒng)設(shè)計框圖，智能嬰兒車設(shè)計硬件主要包括以STM32F103C8T6芯片為主控系統(tǒng)的單片機、iBeaon 設(shè)備、DS18B20 數(shù)字溫度傳感器、MLX90614 紅外傳感溫度計、DHT11 濕度傳感器、Android 手機端。其中，STM32F103C8T6 芯片是以ARM Cortex-M為內(nèi)核的STM32系列微控制器，它的總線寬度是32 位，頻率是72 MHz，程序存儲器容量是64 kB，需要的供電電壓為2 V～3.6 V，工作溫度為-40 ℃～85 ℃。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 智能嬰兒車防丟裝置

嬰兒車防丟裝置可以防止家長在外出時因大意而使嬰兒車被其他人推走，或因嬰兒車未使用剎車使嬰兒車超出家長看管范圍的情況出現(xiàn)。當嬰兒車超出報警閥值時，家長的Android 手機端就會發(fā)出報警，使家長注意到嬰兒車的狀況，及時做出反應(yīng)措施；同時，嬰兒車也會發(fā)出報警，便于引起周圍人的注意并給推走嬰兒車的人施加心理壓力，方便家長找到嬰兒車。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

當嬰兒車距離Android 手機端超過3 m 時，嬰兒車報警器和Android 手機端就會發(fā)出警報。該裝置是在廣播模式下利用藍牙RSSI測距原理設(shè)計的，即RSSI值與Android手機端和嬰兒車之間的距離呈正相關(guān)，利用式（1）運算轉(zhuǎn)化，可以由RSSI 的值反推出與接收設(shè)備間的距離（iBeacon技術(shù)）。

計算公式為

式中，d為計算所得距離；RSSI為信號接收強度（負值）；A為發(fā)射端和接收端相隔1 m 時的信號強度；n為環(huán)境衰減因子。

iBeacon［2］設(shè)備的主要功能如下：

1）運行并維護藍牙低功耗協(xié)議；

2）周期廣播設(shè)備信息。

Android手機端的主要功能如下：

1）檢測并連接匹配低功耗藍牙設(shè)備；

2）尋找并綁定相應(yīng)的iBeacon設(shè)備；

3）對RSSI信號強度進行校準；

4）設(shè)置設(shè)備需要的相關(guān)數(shù)據(jù)；

5）計算Android手機端與嬰兒車的距離d；

6）將計算所得數(shù)據(jù)d通過藍牙傳輸給嬰兒車主控系統(tǒng)；

7）設(shè)置報警閥值；

8）當數(shù)據(jù)d超過3 m時，Android手機端報警。

圖2 為設(shè)備初始化及計算距離d的流程。當iBeacon 設(shè)備發(fā)出周期廣播信號（UUID 等）時［2］，Android手機端將會檢測到該信號并與之進行匹配綁定，然后對RSSI 信號強度進行校準。校準之后設(shè)定嬰兒車需要的參數(shù)，在手機端藍牙設(shè)備上接收到來自嬰兒車的廣播設(shè)備信號并采集RSSI信號值后，就可以計算出當前iBeacon 設(shè)備與手機的大致距離，實時將嬰兒車的狀態(tài)告知用戶。

圖2 設(shè)備初始化及計算距離d的流程

嬰兒車和Android 手機端都設(shè)有超過報警閥值的報警器。在嬰兒車的主控制系統(tǒng)上裝有蜂鳴報警器，利用單片機設(shè)置相關(guān)的內(nèi)部報警程序，使其可以實現(xiàn)嬰兒車報警。報警流程如圖3所示，當Android 手機端采集RSSI 并計算出嬰兒車與Android 手機端之間的距離超過3 m 時，An‐droid 手機端發(fā)出報警并將數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸給嬰兒車的主控制器，嬰兒車發(fā)出報警；如果沒有超出報警閥值，Android 手機端和嬰兒車不會發(fā)出報警，家長可以通過手機實時監(jiān)測嬰兒車的距離。

2.2 溫度檢測功能

溫度檢測主要包括車外環(huán)境溫度檢測（如嬰兒室等外部環(huán)境）與體溫檢測?；趯m用場所、成本及實際應(yīng)用等因素的考慮，本文選擇的溫度傳感器為DS18B20 數(shù)字溫度傳感器與MLX90614 紅外傳感溫度計。當所測溫度超過或低于預(yù)先設(shè)定的溫度值時，Android手機端自動發(fā)出報警。

圖3 Android手機端和嬰兒車報警系統(tǒng)流程

2.2.1 車外環(huán)境溫度檢測設(shè)計

考慮到當嬰兒被抱出嬰兒車前，需要對外部環(huán)境有所了解，以及外部環(huán)境對嬰兒可能造成的影響，設(shè)置車外環(huán)境溫度監(jiān)測，如對出行環(huán)境進行溫度監(jiān)測?；谲囃猸h(huán)境溫度一般變化不大的情況，可以選擇DS18B20 數(shù)字溫度傳感器。DS18B20 的結(jié)構(gòu)較為簡單，擁有獨特的單線連接模式，可以實現(xiàn)雙向通訊功能，并且可以由用戶設(shè)置其報警閥值。DS18B20 的工作環(huán)境溫度一般為-55 ℃～125 ℃，而在-10 ℃～85 ℃時，它的精度為±0.5 ℃，且具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高等特點［3］。DS18B20封裝如圖4所示。

車外溫度檢測方案設(shè)計：DS18B20數(shù)字溫度傳感器被放置于嬰兒車外壁，與車外環(huán)境相接觸，通過設(shè)備自身傳感，將長時間連續(xù)地采集溫度信息并發(fā)送給主控制器，與藍牙模塊建立聯(lián)系，通過BLE技術(shù)將處理后的數(shù)據(jù)實時傳輸給手機端，進而實現(xiàn)對車外溫度的實時監(jiān)測，且在手機端設(shè)定相應(yīng)的報警值，超過時手機端報警［4］。

圖4 DS18B20封裝

2.2.2 體溫檢測設(shè)計

基于嬰兒體溫波動較大，且其較為敏感的生理情況，本設(shè)計采用非接觸式紅外傳感器。出于對嬰兒車的實際情況的考慮，溫度傳感器采用MLX90614 紅外傳感溫度計，其具有體積小、成本低等特點，工作范圍在0 ℃～50 ℃，精度可達到±0.5 ℃，測量辨析度可達到0.02 ℃；同時，還具有醫(yī)療應(yīng)用精度與節(jié)能模式，常應(yīng)用于高精度無接觸測量、體溫測量等多個領(lǐng)域。其與微控制器的連接如圖5所示。

圖5 MLX90614工作原理

體溫檢測方案設(shè)計：將MLX90614 紅外傳感溫度計裝配在嬰兒車內(nèi)壁靠近嬰兒裸露的皮膚附近，采集相關(guān)生理數(shù)據(jù)，發(fā)送給主控制器，再由藍牙模塊將處理后的數(shù)據(jù)上傳到手機終端，從而達到實時檢測嬰兒體溫的功能，同時在手機上顯示數(shù)據(jù)，若超過設(shè)定值則報警。

2.3 濕度檢測功能

通過對嬰兒車內(nèi)的濕度檢測，判斷嬰兒車內(nèi)濕度狀況是否符合嬰兒活動的最佳環(huán)境，以及嬰兒是否有尿床情況。首先，采用濕度傳感器測定多組嬰兒活動時和尿不濕尿液最多時的濕度數(shù)據(jù)；然后，確定出嬰兒活動最佳環(huán)境的濕度范圍和尿布濕的最大濕度數(shù)值。

采用DHT11 濕度傳感器檢測嬰兒車內(nèi)的濕度，其具有體積小、低功耗、簡易快捷、性價比高、極高的可靠性與長期穩(wěn)定性等特點。DHT11 的分辨率、精度濕度和量程濕度分別為0.1%RH、±5%RH 和20%RH～90%RH，其工作原理如 圖6所示。

圖6 DHT11濕度傳感器原理

DHT11濕度傳感器采集嬰兒車內(nèi)濕度數(shù)據(jù)，利用單片機與手機藍牙模塊建立連接，將傳感器所測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C終端，實現(xiàn)信息交互。DHT11濕度傳感器放置于嬰兒車內(nèi)以及尿不濕處，測定周圍濕度，將所采集到的濕度數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)化為電信號，然后傳送至主機STM32F103C8T6 單片機中，再經(jīng)主機藍牙模塊傳輸?shù)绞謾C藍牙模塊中，最后轉(zhuǎn)化為濕度數(shù)據(jù)并顯示在手機APP 上［5］。家長可以通過手機APP及時掌握嬰兒活動的環(huán)境濕度，并進行調(diào)控，讓嬰兒一直處于適宜的濕度環(huán)境中。將車外的濕度數(shù)據(jù)與原先設(shè)定的環(huán)境最佳濕度范圍和尿不濕的濕度最值分別進行比較，當測定的濕度數(shù)據(jù)超過原先設(shè)定的范圍值時，手機報警系統(tǒng)自動報警，從而提醒家長調(diào)整嬰兒車內(nèi)以及周圍的濕度環(huán)境，或者更換嬰兒的尿不濕。溫濕度信息實時傳輸流程如圖7所示。

圖7 溫濕度信息實時傳輸流程

3 結(jié)語

本文所設(shè)計的智能嬰兒車運用低功耗藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，在嬰兒車與Android 手機端之間建立連接，實時傳輸傳感器所測定的數(shù)據(jù)，讓家長實時了解有關(guān)嬰兒的相關(guān)信息，提高了嬰兒在嬰兒車里的安全系數(shù)，也給嬰兒提供了更加舒適的環(huán)境。智能嬰兒車的設(shè)計運用藍牙RSSI 測距原理，當測出的距離超過報警閥值時，Android 手機端和嬰兒車會自動報警，避免因大人的一時疏忽而出現(xiàn)意外；同時，在嬰兒車內(nèi)安裝溫濕度傳感器，通過藍牙模塊與Android 手機端建立連接，將傳感器所測數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C終端，當所測數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的范圍值時，報警系統(tǒng)會提醒家長調(diào)解嬰兒車內(nèi)的溫濕度。智能嬰兒車的設(shè)計提高了嬰兒車外出的安全系數(shù)，給嬰兒提供更加安全的生活環(huán)境。