韓黨驍，李琦，袁昊，唐賢宣，李萍，張祎康

（青海民族大學(xué)，青海西寧，810000）

在現(xiàn)如今20世紀(jì)末，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民生活水平的提高,全面二胎政策也開放,越來越多家庭擁有了自己的小生命。在興奮激動(dòng)的同時(shí),他們也面領(lǐng)著一些問題,其中比較頭疼的就是寶寶剛出生的時(shí)候,“不抱不搖，不睡覺” ,父母在工作一天之后還要忙于自己的事業(yè)還要照顧自己的家人,一天兩天可以這樣堅(jiān)持一下，但隨著日程增加和每天的負(fù)擔(dān)增加，照顧家人這種活會(huì)讓正在上班的年輕父母長時(shí)間感到些許不適。在日常生活中年輕父母不僅要照看嬰幼兒還要照顧家里的老人，一下子多了許多壓力。由于我國現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)起步晚，發(fā)展時(shí)間較短，對嬰兒產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究不足，研究進(jìn)展十分困難。在嬰兒產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域缺乏相關(guān)的理論研究，比如人機(jī)工程等缺乏精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。雖然市面上嬰兒產(chǎn)品種類繁雜，但是設(shè)計(jì)和創(chuàng)新方面，它們能力欠缺，比如說設(shè)計(jì)方法落后，缺乏系統(tǒng)、優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，其中大部分嬰兒產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度來自成人，沒有挖掘嬰兒深層次的需求，只滿足最基本的功能需求，所以我們需要設(shè)計(jì)一款可以兼具環(huán)保同時(shí)搖晃，模擬父母的懷抱，同時(shí)能播放搖籃曲的智能嬰兒床，此床可以讓父母晚上睡得放心，能讓寶寶睡得安心、舒適。我們的設(shè)計(jì)理念是：讓每一個(gè)睡在嬰兒床的孩子，猶如睡在媽媽的懷抱里面。在進(jìn)入下一個(gè)全新世紀(jì)這一關(guān)頭，不僅要做到更加真實(shí)的的人體仿真工程還要更加注重環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展，在滿足人類科技飛速發(fā)展的同時(shí)還要將綠色環(huán)保深入人心，以便于在未來人們可以更長遠(yuǎn)的探索智能、環(huán)保的科技產(chǎn)品。

1 環(huán)保智能嬰兒床研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)70年代國外就已經(jīng)開始對智能家居的研究，目標(biāo)是使科技更加親近于人類幫助人類改善生活。在國外，智能嬰兒床伴有強(qiáng)大的人工算法以及更舒適的材料工藝，會(huì)對嬰兒的一舉一動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。但由于國內(nèi)工業(yè)和科技起步晚于國外，導(dǎo)致我國現(xiàn)在有些技術(shù)被國外封鎖，想要獲取更多的數(shù)據(jù)就要投入大量資金購買，無法實(shí)現(xiàn)完全自主量產(chǎn)和控制。目前我國的智能嬰兒床大多數(shù)是基于自動(dòng)化而被研發(fā)出現(xiàn)，采用半自動(dòng)化控制，家長要一邊照顧嬰兒一邊要進(jìn)行床體搖籃開關(guān)操作，并且沒有實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)當(dāng)家長不在嬰兒旁邊時(shí)無法準(zhǔn)確識別嬰兒的各種狀態(tài)以及哭鬧原因，且無大數(shù)據(jù)參考。而少數(shù)更高級的智能床為國外進(jìn)口，價(jià)格高昂，并且大數(shù)據(jù)全是根據(jù)國外嬰幼兒體質(zhì)制定的，并不完全符合我國嬰幼兒，讓不少普通老百姓家庭望而止步，原地觀望。

我國市場上目前售賣的智能嬰兒床不僅在價(jià)格上不適用于普通家庭而且在床體、電機(jī)、床墊材料上并未從嬰幼兒的角度進(jìn)行研發(fā)，例如床體發(fā)出刺鼻的氣味等…這也同時(shí)造成了環(huán)保上的一大難題，要控制成本的同時(shí)還要注重環(huán)保材料的回收和運(yùn)用。

2 系統(tǒng)總體方案及設(shè)計(jì)

■2.1 電路設(shè)計(jì)

2.1.1 時(shí)鐘電路

因?yàn)閱纹瑱C(jī)是時(shí)序電路其內(nèi)部沒有所謂的時(shí)間單位，無法計(jì)時(shí)，故此設(shè)計(jì)出相應(yīng)的外部時(shí)鐘電路為其供應(yīng)一路計(jì)時(shí)單位。外部時(shí)鐘電路的構(gòu)成為一顆11.0592MHz～12MHz不等的晶振，但通常為了方便計(jì)算延時(shí)函數(shù)和外部中斷時(shí)序程序我們采用12MHz的兩針腳無源晶振，12MHz的無源晶振由于沒有正負(fù)極之分，所以兩端可隨意接入單片機(jī)的XTAL1、XTAL2端，而XTAL1、XTAL2端分別是單片機(jī)的時(shí)鐘電路連接晶振的反相輸入端和輸出端。晶振的另外兩端連接到兩顆瓷片電容兩端，此電容的作用為負(fù)載電容，它可以決定晶振的頻率。

2.1.2 復(fù)位電路

在單片機(jī)中由于程序會(huì)很復(fù)雜，而我們又要在實(shí)際運(yùn)用中做到不能只用斷電這種方式來中斷單片機(jī)的程序運(yùn)行以此來重啟程序，故此我們需要設(shè)計(jì)一款不斷掉單片機(jī)電源為前提下的一種復(fù)位電路，此電路利用按鍵開關(guān)和電容模擬充放電的一種過程，在電容充電期間由于電信號不穩(wěn)定，所以給單片機(jī)一種復(fù)位的信號，待電容電量充滿之后電信號穩(wěn)定復(fù)位信號消失，此過程為復(fù)位電路工作過程。

2.1.3 整體電路圖設(shè)計(jì)

在設(shè)備接好直流5V電源之后，中央核心處理器處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)嬰兒啼哭時(shí)，聲音采集模塊可將聲音作為模擬信號傳遞給中央處理器，中央處理器將采集到的模擬信號在內(nèi)部通過已寫好的程序轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，隨后會(huì)判斷此次采集到的信號值是否超過提前設(shè)定好的閾值。無論是否會(huì)超過閾值，處理器會(huì)一直從I/O口傳輸高電平信號給ESP32CAM攝像部分，ESP32CAM在接收到高電平信號后判斷當(dāng)前環(huán)境是否需要補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光，若突然從需要補(bǔ)光到無需補(bǔ)光環(huán)境，ESP32CAM內(nèi)部具有中斷開關(guān)，此開關(guān)通過程序?qū)懭氲闹袛喑绦騺碇袛嘌a(bǔ)光燈程序的運(yùn)行，跳至正常攝像程序。當(dāng)超過提前設(shè)定好的閾值，中央處理器會(huì)通過I/O口分別輸出兩組高電平輸送給直流電機(jī)和MP3樂曲播放器模組，在直流電機(jī)將要帶動(dòng)?jì)雰捍矒u動(dòng)前一刻，有一組由處理器子程序發(fā)出的高電平信號會(huì)傳遞給床體內(nèi)部的安全帶束縛功能，安全帶會(huì)束縛至最高限緊位，以防嬰兒跌落至床底從而造成安全隱患。直流電機(jī)會(huì)通過中央處理器發(fā)出的高電平信號，在主程序調(diào)試好的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行延時(shí)程序運(yùn)行，通過單片機(jī)時(shí)鐘電路發(fā)出的時(shí)間訊號，電機(jī)做出角度不超過45°的搖晃。MP3樂曲播放器在接收到處理器發(fā)出的高電平信號后，于直流電機(jī)同步展開工作，MP3播放器會(huì)播放事先準(zhǔn)備好的搖籃曲哄嬰兒入睡。在嬰兒入睡后，處理器會(huì)將發(fā)送給直流電機(jī)的高電平信號通過I/O口轉(zhuǎn)化為低電平，直流電機(jī)會(huì)在定好的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行延時(shí)搖晃一段時(shí)間，與此同時(shí)處理器會(huì)將發(fā)送給MP3播放器的高電平信號轉(zhuǎn)化為低電平，MP3播放器停止播放搖籃曲以確保嬰兒睡眠質(zhì)量。待嬰兒熟睡后，處理器會(huì)通過另一個(gè)I/O口輸出一組持久高電平讓DHT11溫濕度檢測模塊上線工作，DHT11會(huì)在嬰兒熟睡之后實(shí)時(shí)監(jiān)測嬰兒體溫以及是否尿床，若體溫或濕度超過設(shè)定閾值，則會(huì)給處理器反饋一組高電平，此時(shí)處理器內(nèi)部進(jìn)行中斷程序，運(yùn)行針對DHT11內(nèi)部的子程序，其程序會(huì)將實(shí)時(shí)檢測出的溫度通過模擬信號在處理器內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過處理器的I/O口發(fā)送給下位機(jī)ESP32的WIFI模塊，ESP32將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號發(fā)送給WIFI模塊，最終通過WIFI上傳到云端或藍(lán)牙終端，發(fā)送至家長手機(jī)。

圖1

■2.2 床體設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)方面：從大體結(jié)構(gòu)上著手，例如：智能嬰兒床床體的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)深弧形，保障嬰兒在床里容易保持平衡。另外在整體結(jié)構(gòu)上采用三腳支撐式結(jié)構(gòu)，在布置電機(jī)較重的一方采用了兩根支撐住，另一端采用了一根獨(dú)立的支撐柱，在節(jié)省材料方面的同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性時(shí)又結(jié)合了穩(wěn)定性考慮。在兩根承重柱放置的時(shí)候，考慮到首先要保護(hù)嬰兒頭部，其次考慮電機(jī)放置的位置，在電機(jī)放置時(shí)候盡量極大限度避免工作時(shí)的噪音吵到嬰兒。在架置電機(jī)的絕緣棍設(shè)計(jì)之初凸出了兩根較長的一側(cè)以便以后晾曬嬰兒相關(guān)的衣物和隨身物品。在嬰兒床后方的單支撐柱在設(shè)計(jì)初足夠支撐后半部分的重量，整個(gè)床采用最結(jié)實(shí)最環(huán)保的橡木制造，不會(huì)對嬰兒產(chǎn)生任何影響。在傳動(dòng)部分我們將以前有著易損，易堵的舵機(jī)換成了永磁無刷電機(jī)，此電機(jī)可以有效避免噪音干擾嬰兒被哄睡的過程，而且為防止平常的聲音對床的晃動(dòng)開關(guān)影響，采用了先進(jìn)的閾值技術(shù)，讓嬰兒能及時(shí)睡著的同時(shí)，不會(huì)額外打擾到嬰兒或者造成電力資源浪費(fèi)。節(jié)省了空間的同時(shí)，達(dá)到了提倡環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。

圖2

■2.3 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

當(dāng)嬰兒在父母不知情的情況下被吵醒或者突然驚醒，床頭靠近嬰兒的微型聲音傳感器能及時(shí)采錄嬰兒的啼哭聲，并能迅速交給中央處理芯片進(jìn)行處理，當(dāng)嬰兒哭聲超出了一定的閾值，床一邊的步進(jìn)電機(jī)能做出讓床左右搖擺的動(dòng)作，模擬嬰兒被父母抱入懷中哄睡的整個(gè)過程，而此時(shí)一旁的MP3也會(huì)發(fā)出舒適的童謠當(dāng)嬰兒進(jìn)入睡眠時(shí)，啼哭聲消失，但整個(gè)系統(tǒng)仍在工作并延遲關(guān)閉，以免突然驚醒剛?cè)胨膵雰?，能讓嬰兒安心睡著，父母也不必過度操勞。在控件方面加裝了采用ESP32旗下的WIFI+藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)推送的CAM遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測技術(shù)，采用微型攝像頭讓父母進(jìn)行隨時(shí)隨地的對嬰兒進(jìn)行遠(yuǎn)程互動(dòng)，為了照顧晚上燈光昏暗父母不易看清嬰兒的狀態(tài)及其問題，才微型攝像頭附近添加了一顆LED照明燈珠，此燈珠僅會(huì)在晚上或燈光昏暗的條件下自動(dòng)開啟，在攝像頭與LED燈珠之間采用斜面夾角原理，讓LED燈珠在滿足照明補(bǔ)光的同時(shí)，最大程度上降低LED補(bǔ)光燈珠對嬰兒眼睛的危害，保護(hù)嬰兒晚上睡覺時(shí)的氛圍，也同時(shí)能讓父母在視頻互動(dòng)設(shè)備上能看清楚當(dāng)前嬰兒的狀態(tài)。

圖3 人機(jī)交互控制系統(tǒng)

■2.4 物聯(lián)網(wǎng)及云服務(wù)設(shè)計(jì)

為了使人機(jī)交互系統(tǒng)更加可靠，故此采用WIFI+藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線傳輸，當(dāng)無網(wǎng)絡(luò)且距離較近時(shí)家長可采用手機(jī)連接藍(lán)牙進(jìn)行對嬰兒的行為實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適宜且距離較遠(yuǎn)時(shí)可采用網(wǎng)絡(luò)連接攝像頭進(jìn)行監(jiān)測嬰兒的實(shí)時(shí)行為。針對市面上眾多攝像頭以及WIFI+藍(lán)牙模塊對比，我們采用ESP-32CAM模塊進(jìn)行制作物聯(lián)網(wǎng)部分，新版ESP-32基帶主板可兼容多種規(guī)格攝像頭，我們在節(jié)約用電和降低成本方面考慮采用了640×480分辨率的攝像頭。

圖4 ESP32—CAM

CAM將采集到的視頻信息通過云端傳輸發(fā)送至云端，家長可在些許延遲后通過手機(jī)接入云端下載相關(guān)直播畫面數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。

■2.5 材料回收備案

智能嬰兒床床體雖然可以定制且能夠滿足1至5歲不同年齡段各個(gè)階段嬰幼兒使用，但當(dāng)嬰幼兒一天天長大，智能嬰兒床也完成了自己的使命。為響應(yīng)我國現(xiàn)階段和未來環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展的號召，在設(shè)計(jì)床體、枕頭墊、床墊時(shí)采用可回收可降解的材料進(jìn)行制作，在滿足嬰兒舒適的前提下，推動(dòng)我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。床體采用環(huán)保耐用的橡木制成，后期可將其改造為供小朋友吃飯的小桌板或者是學(xué)習(xí)桌。枕頭芯和床墊采用環(huán)保型材料，利用天然植物材料提取制成，在日后回收時(shí)可將其變?yōu)榛室约霸偕堥L原材料進(jìn)行反復(fù)回收利用。這樣一來不僅能讓嬰兒享受舒適的同時(shí)也能兼顧對國家環(huán)保事業(yè)的支持。隨著科技與智能時(shí)代的來臨，我們要積極響應(yīng)國家“可持續(xù)發(fā)展”政策，在創(chuàng)造的同時(shí)盡可能減少對大自然的破壞，做到有害材料做到無害處理，力求在生產(chǎn)和使用時(shí)做到環(huán)保，“綠水青山就是金山銀山”這句話不僅僅是對我們所說，更是要求我們要對后來的人們負(fù)責(zé)，為他們開創(chuàng)一片綠色適宜居住的環(huán)境。

3 結(jié)束語

本文對環(huán)保智能嬰兒床進(jìn)行了研究，包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、總體電路、人機(jī)交互、物聯(lián)網(wǎng)以及云服務(wù)設(shè)計(jì)方面，構(gòu)造了一套完整的可視化可遠(yuǎn)程化操作系統(tǒng)，通過可視化以及遠(yuǎn)程操作化可方便父母實(shí)時(shí)監(jiān)測嬰兒的狀態(tài)報(bào)證嬰兒的健康和家庭的幸福。

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于新一代全自動(dòng)化嬰兒床采用了遠(yuǎn)程可視化、云端操作系統(tǒng)及采用大數(shù)據(jù)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，這些創(chuàng)新點(diǎn)令此項(xiàng)目得到更智能且更符合本國家庭當(dāng)前的大環(huán)境。