侯麗紅*

（鄭州工業(yè)應用技術學院，河南 鄭州）

引言

在當代社會，許多年輕父母由于工作繁忙，常常無法給予嬰兒足夠的關注和照顧。因此，他們需要一種能夠自動監(jiān)測嬰兒狀態(tài)并采取相應措施的智能嬰兒床。而基于STM32 的智能嬰兒床系統(tǒng)正是這樣一款創(chuàng)新產(chǎn)品，它能夠?qū)崟r檢測嬰兒的哭聲、尿液等信息，并根據(jù)這些信息自動執(zhí)行相應的操作，例如播放音樂、搖動床鋪等，從而幫助父母減輕壓力，更好地照顧他們的嬰兒[1]。

1 系統(tǒng)整體設計方案

本系統(tǒng)的核心部分是STM32F103C8T6 單片機，它與聲音采集電路、尿液檢測電路、按鍵電路、ULN2003 驅(qū)動電路、LED 指示燈控制電路、LCD1602液晶屏顯示電路以及WT588D 語音播報電路相互配合，共同實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的功能。整個系統(tǒng)通過STM32F103C8T6 單片機進行控制和管理，它可以接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)預設的規(guī)則和算法做出相應的響應[2]。本系統(tǒng)具有兩種工作模式，即自動模式和手動模式。在自動模式下，如果聲音采集電路采集到嬰兒哭鬧的信號，可以通過ULN2003 驅(qū)動步進電機進行左右旋轉(zhuǎn)，有效地模擬搖床的動作[3]。同時，系統(tǒng)還會播放適合嬰兒的音樂，幫助安撫嬰兒。音樂播放結(jié)束后，系統(tǒng)會自動停止運行。如果嬰兒再次開始哭鬧，系統(tǒng)會重新啟動搖床和播放音樂的過程。在手動模式下，家長可以根據(jù)需要通過按鍵來開啟或關閉步進電機。系統(tǒng)整體設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體設計框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 聲音采集電路設計

聲音采集電路主要由聲音傳感器和LM393 雙電壓比較器構(gòu)成，用于檢測嬰兒是否在哭鬧。聲音傳感器能夠?qū)雰旱目蘼曓D(zhuǎn)換成電信號，并將其輸入到LM393 中。LM393 會將輸入信號與預設的參考電壓進行比較。當輸入信號高于參考電壓時，LM393 會輸出高電平信號；反之，輸出低電平信號。聲音采集電路原理如圖2 所示。

圖2 聲音采集電路原理

2.2 模擬搖床電路設計

本系統(tǒng)以步進電機的左右旋轉(zhuǎn)來模擬搖床動作[4]，選用的步進電機型號為28BYJ-48 型，它是一種四相八拍電機，工作電壓為5 V。然而，由于STM32 單片機的輸出口電流較小，無法直接驅(qū)動步進電機工作，因此，需要連接一個ULN2003 驅(qū)動芯片來實現(xiàn)電流放大的功能。ULN2003 是一種常見的步進電機驅(qū)動芯片，可用于驅(qū)動4 相、5 線和6 線步進電機。模擬搖床電路原理如圖3 所示。

圖3 模擬搖床電路原理

2.3 尿液檢測電路設計

尿液檢測電路主要是由水位傳感器和LM393 雙電壓比較器構(gòu)成，用來檢測嬰兒是否尿床。尿液檢測電路原理如圖4 所示，首先，水位傳感器檢測嬰兒是否尿床；然后，將采集到的信號通過輸出引腳DO 傳送給LM393 的輸入引腳3 進行處理；最后，LM393 的輸出引腳OUT 將信號傳送給STM32 單片機的引腳PB12 進行處理。當尿液浸入水位傳感器時，水位上升，使得DO 值增大，而LM393 的引腳3 接收到DO值的變化后，輸出一個電平信號，這個電平信號可以被后續(xù)電路所讀取并進行處理。

圖4 尿液檢測電路原理

2.4 獨立按鍵電路設計

本系統(tǒng)中用到了3 個獨立按鍵，分別為K1、K2、K3。按鍵K1 用于模式的切換；按鍵K2 用于手動模式下開啟步進電機左右旋轉(zhuǎn)；按鍵K3 用于手動模式下關閉步進電機左右旋轉(zhuǎn)。獨立按鍵電路原理如圖5 所示。

圖5 獨立按鍵電路原理

2.5 顯示模塊電路設計

本系統(tǒng)中顯示模塊選用的是LCD1602 液晶顯示屏，它可以同時顯示32 個字符[5]。它不僅可以顯示當前系統(tǒng)是自動模式還是手動模式，而且可以顯示搖床是開啟狀態(tài)還是關閉狀態(tài)，方便用戶進行操作和設置。顯示模塊電路原理如圖6 所示。

圖6 顯示模塊電路原理

2.6 語音播報電路設計

語音播報電路主要由WT588D 語音芯片和揚聲器構(gòu)成。WT588D 語音芯片是一款高品質(zhì)語音控制芯片，通過外掛存儲器將編譯好的語音工程燒寫到存儲器中，即可控制語音的播放。揚聲器則是用于將電信號轉(zhuǎn)換為聲音的設備，在智能嬰兒床系統(tǒng)設計中，揚聲器的質(zhì)量對整體聲音效果至關重要。語音播報電路原理如圖7 所示，圖中STM32 單片機通過引腳PB9與WT588D 語音芯片連接建立通信，向WT588D 語音芯片發(fā)送控制指令和語音數(shù)據(jù)，而WT588D 語音芯片接收到控制命令和語音數(shù)據(jù)后，會進行解碼并播放。如果水位傳感器檢測到嬰兒尿床，將會進行語音播報。

圖7 語音播報電路原理

2.7 LED 指示燈控制電路設計

如果水位傳感器檢測到嬰兒尿床，LED 指示燈亮，發(fā)出紅色的光，提醒家長及時更換尿不濕，保證嬰兒的健康和舒適度。LED 指示燈控制電路原理如圖8所示，只需STM32 單片機發(fā)送高電平信號便可觸發(fā)LED 指示燈亮。

圖8 LED 指示燈控制電路原理

3 系統(tǒng)軟件設計

程序開始運行時，首先對系統(tǒng)進行初始化，初始化的內(nèi)容包括延時函數(shù)、按鍵、LED 指示燈、語音播報模塊、電機等GPIO 的初始化。同時，初始化LCD1602液晶顯示屏，顯示當前狀態(tài)和模式。在主程序的主循環(huán)中，通過keyscan()函數(shù)檢測按鍵輸入，實現(xiàn)自動模式和手動模式的切換。當處于自動模式時，通過變量Voice 檢測哭聲是否持續(xù)，如果持續(xù)時間超過20 ms,則設置DJ_TIME 為60 ms, 表示電機開啟時間為1 min，并將openFlag 設置為1,表示電機開啟，同時播放歌曲。當處于手動模式時，可以通過KEY2 和KEY3按鍵控制電機的開啟和關閉。TIM2 定時器每隔1 ms產(chǎn)生一次中斷，用于檢測DJ_TIME 是否減少到0。當DJ_TIME 減少到0 時，表示電機開啟時間已到，關閉電機。同時，更新LCD1602 顯示屏上的狀態(tài)信息。通過檢測濕度值(變量ShiDu),當濕度超過一定閾值時，點亮LED 燈并播報提示音。當openFlag 為1 時，表示電機開啟，通過motoRotate()函數(shù)控制電機的旋轉(zhuǎn)。當openFlag 為0 時，表示電機關閉，調(diào)用MotorStop()函數(shù)停止電機。

4 系統(tǒng)測試

本研究在智能嬰兒床系統(tǒng)硬件和軟件完成的基礎上對智能嬰兒床系統(tǒng)進行了功能測試，測試過程為：

（1） 給系統(tǒng)上電，按下自鎖開關SWITCH 進行復位，此時系統(tǒng)處于自動模式，步進電機處于關閉狀態(tài)。當系統(tǒng)處于自動模式時，測試人員對著系統(tǒng)假裝哭鬧，如果聲音傳感器檢測到哭鬧聲，則會觸發(fā)步進電機控制模塊，使步進電機進行左右旋轉(zhuǎn)，模擬搖床。同時，啟動語音播報模塊播放音樂“小星星”。當音樂播放結(jié)束后，停止步進電機和音樂播放，等待下一次聲音檢測。如果再次檢測到哭鬧聲，重復上述過程。

（2） 待音樂播放結(jié)束，按下按鍵K1,此時系統(tǒng)處于手動模式，步進電機處于關閉狀態(tài)。當系統(tǒng)處于手動模式時，按下按鍵K2 可以啟動步進電機左右旋轉(zhuǎn)；按下按鍵K3 可以關閉步進電機左右旋轉(zhuǎn)。家長可以根據(jù)實際情況需要調(diào)整系統(tǒng)的工作模式。

（3） 系統(tǒng)無論是處于自動模式還是手動模式，都可以檢測嬰兒是否尿床。當水位傳感器檢測到嬰兒尿床時，系統(tǒng)中的LED 指示燈亮，并啟動語音播報模塊，提醒家長“請注意：寶貝需要更換尿不濕”。

測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可以滿足年輕父母的需求。

結(jié)束語

本研究設計的智能嬰兒床系統(tǒng)通過模擬搖床的功能，可以幫助嬰兒更快地入睡，提高睡眠質(zhì)量。同時，在自動模式下播放音樂，有助于嬰兒放松心情，更容易進入深度睡眠。除此之外，該系統(tǒng)還具有智能化管理和可擴展性的特點，有助于提高嬰兒和家長的生活質(zhì)量和便利性。因此，本設計的研究可以為未來智能家居的發(fā)展提供有益的參考價值和借鑒。