DIY智能摇床，实现婴儿健康监护，提供设计方案、软硬件架构

一、项目概述

1.1 项目摘要

婴儿安睡宝是基于STEVAL-MK1062V2开发套件的一个智能摇床。它通过利用开发板上的传感器，增加电机，GPRS，音乐播放和声音传感器来对婴儿睡眠环境进行监测并控制，使婴儿在一个温暖舒适的环境成长。

1.2 项目背景

睡眠对于婴儿的成长发育起着至关重要的作用。事实上，1岁前的婴幼儿每天至少有16小时是在睡觉中度过的，这是由于他们的脑部还没有完全发育成熟，很容易疲劳入睡。而且只有充足的睡眠，才能保证各组织器官的发育和成熟。否则，对脑组织的成熟及各器官的生长发育都是不利的。一个良好的睡眠环境是睡眠质量的保证,传统的摇床只是提供一个睡眠地方，并未对监测和改善婴儿的睡眠环境，它至少存在以下缺陷：

1.  当今社会的竞争越来越激烈，年轻的父母白天要工作晚上还要照顾宝宝睡觉，这已经严重影响了他们的休息。如何既能减轻父母的负担，又能够照顾好宝宝休息成为亟待解决的问题。

2.   宝宝在家睡觉，家长去外面买菜或临时出门做点事，这时宝宝突然醒来家长却不知道，宝宝有可能出现各种危险。

3.   婴儿的大脑是脆弱的，当有如手机，无线对讲机等大功率设备在婴儿旁边工作时其产生的辐射必然会对大脑的发育产生影响。如何在发现辐射时通知家长保障婴儿的睡眠质量是需要考虑的问题。

4.  温度、湿度等天气条件也是影响宝宝睡眠质量的重要因素。如果能够根据婴儿的睡眠情况自动调节空调，使其到达一个理想的睡眠环境，将会使婴儿发育更加良好。

针对以上这些问题，我们设计了本“婴儿安睡宝”，旨在为婴儿提供一个舒适、健康的睡眠环境，同时解决家长带宝宝的经验基本为零，且工作节奏快，时间少，缺乏婴幼儿护理方面的相关知识和经验等问题。

二、需求分析

2.1 功能要求

本婴儿安睡宝的功能为：

1.     宝宝从睡梦中醒来后，必定会翻转晃动，陀螺仪，加速度计通过摇床晃动幅度和加速度判断婴儿是否醒来，然后通过GPRS通知家长，同时电机控制摇床摇动，播放儿歌或讲故事，使得宝宝再次安静入睡。

2.    当手机或大功率电器靠近摇床，电磁辐射物对必然对地磁产生影响，地磁力计通过检测地磁的变化达到对辐射的监测。然后发出警报，避免辐射源靠近。

3.    压力和温度传感器对环境气压、温度等进行实时监控，超出适宜的温度、压力值时将提醒家长，并立刻调节空调的输出，重新让婴儿感到舒适。

4.  声音传感器监测婴儿的哭声，当哭声超过一定限度，或持续一定时间时，系统将会通知家长。 

5.  根据婴儿的睡眠习惯，本安睡宝能够记录下多次睡眠的数据，通过模糊算法和内置小型专家系统，自动调节适合不同宝宝的 摇床晃动频率、睡眠温度等。

2.2 性能标准

整个系统的核心采用STM32来完成。通过温度传感器、湿度传感器、地磁传感器、加速传感器、陀螺仪以及声音传感器对宝宝睡眠环境和睡眠质量进行监测。在出现异常情况时，本系统能够自动调节并通知家长。

同时，本系统内置了模糊算法和小型的专家系统，在每次宝宝入睡时自动记录本次睡眠的各种数据：如进入睡眠的时间，当前温度，摇床晃动频率，角度等。通过多次的测量和数据的积累，系统将会自动调节找到不同宝宝喜爱的睡眠环境，适应不同宝宝的需要。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

                

                                                                           系统结构示意图

                

                                                

系统硬件结构框图

GPRS：即是通用无线分组业务。它采用分组交换方式传输数据。

温度传感器：基于金属导体的电阻值对温度的变化而改变，通过读取电阻值电阻的大小得到温度。

湿度传感器：利用湿敏材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度。

地磁传感器：采用法拉第电磁感应定律，即线圈切割地磁场磁力线产生感应电动势的原理，多应用于飞行器，船舶等主要用途是感应姿态的变化。

气压传感器：通过测量压敏电阻的阻值，一电压信号的方式检测。

加速度传感器：将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号。

声传感器：张紧的膜片与其靠得很近的后极板组成一电容器。在声压的作用下，膜片产生与声波信号相对应的振动，使膜片与不动的后极板之间的极距改变，导致该电容器电容量的相应变化。因此，电容式传声器是一极距变化型的电容传感器。运用直流极化电路输出一交变电压，此输出电压的大小和波形由作用膜片上的声压所决定。

陀螺仪：一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

音乐播放芯片：通过内部的振荡电路，再外接小量分立元件，就能产生各种音乐信号。

电机：通电导体在磁场中受到电磁力作用，产生运动。

3.2 硬件资源配置

由于板卡上已经包含了加速传感器、陀螺仪、地磁传感器、温度传感器和压力传感器，所以本系统需要外扩音乐播放模块，电机控制模块，GPRS模块以及声音传感器模块。

音乐模块：此模块采用VS1003B作为MP3音频解码芯片，MP3文件存放在

STEVAL-MKI062V2开发套件的MICRO SD中，通过J8的SPI口VS1003模块与开

发套件连接，传送数据。

电机控制模块：通过STM32F103内置的PWM TIMER配合外部电机控制板进行电机转速

的控制。

GPRS模块：该模块与STEVAL-MKI062V2开发套件的扩展口UART2相连，通过半串

        口开发套件控制GPRS模块发送短信。

声音传感器模块：通过开发套件中的普通GPIO上高低电平的变化获得声音传感器模块

 的输出。

3.3系统软件架构

             

                                                                           软件架构图

本作品以RT-Thread为操作系统，各模块相互协调作用。

共分为五大功能块：

1.根据婴儿睡眠习惯，在不同时间调整电机转速，空调温度，音乐播放曲目和音量。模糊控制模块还会不断学习，更智能化的为婴儿调整睡眠环境。

2.检测婴儿是否醒来，并采取措施，通知家长。

3.检测地磁变化，并通知家长。

4.检测气压及湿度值，并通知家长。

5.检测温度值，并适当调节。

3.4 系统软件流程

                     

软件架构图

系统软件流程：

首先启动RT-Thread操作系统，然后初始化各器件。

1. 根据模糊库，定时器开始计时，当进入下一阶段，中断产生，调整空调温度，摇床晃动幅度，音曲及音量。

2. 摇床在低速、无规律晃动且声音传感器接收到哭声，则表明婴儿醒了，产生中断，电机低速摇晃，播放儿歌，同时发送信息报告家长婴儿的状态。

3 地磁场强发生变化超出预定范围，中断产生，发送短信告知家长，辐射源靠近。

4.气压值，湿度值超出预订范围，中断产生，发送短信告知家长，提示开窗透气。

5. 温度值超出预订范围，中断产生，发送短信告知家长，并控制空调调整温度。