（天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384）

0 引言

據(jù)醫(yī)療衛(wèi)生部門的報告顯示，每年在產(chǎn)科病房嬰兒錯抱和被盜事件估計為2萬次[1]，而這僅僅只是關(guān)于在醫(yī)院丟失嬰兒的估計，對于在其他場合下嬰兒被盜的情況更是數(shù)不勝數(shù)。針對嬰兒被盜的問題，有人研制出了基于RFID射頻識別技術(shù)的嬰兒智能防盜系統(tǒng)用于嬰兒防盜[2,3]，但這個系統(tǒng)的針對性太強(qiáng)，只適合于醫(yī)院和家庭等固定場所使用，而且受到監(jiān)控距離的限制。而為了解決這個問題，我們設(shè)計了一款不受地點及距離限制的智能嬰兒防盜搖床。

1 整體方案設(shè)計

當(dāng)開啟安全開關(guān)后，若嬰兒被人抱起，則懸臂梁稱重傳感器檢測不到嬰兒的體重，搖床就會立刻發(fā)出警報，并通過撥打監(jiān)護(hù)人的電話進(jìn)行求救。若有人試圖連嬰兒帶搖床一起抬走，則超聲波模塊會以每3秒鐘一次的頻率自動檢測搖床與地面間的距離是否超過“安全距離”，而搖床在搬動過程中勢必會被抬起，因此必然會觸發(fā)“警報”，其“警報”包括蜂鳴器響和撥打監(jiān)護(hù)人的電話。這款防盜嬰兒搖床便是以此來實現(xiàn)嬰兒防盜及其嬰兒床防盜的目的。同時為了區(qū)分報警原因，DS12864的液晶顯示屏?xí)缶蝻@示出來。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 稱重傳感機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計

該裝置的局部機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 整體思路流程圖

圖2 稱重傳感機(jī)構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)

如圖2所示，通過使用緊固螺絲將懸臂梁稱重傳感器[4]的左端固定在中碳鋼[5]鋼構(gòu)底座上，而右端同樣使用緊固螺絲將斗拱機(jī)構(gòu)固定在懸臂梁稱重傳感器上，其中鋼構(gòu)底座和斗拱機(jī)構(gòu)與懸臂梁稱重傳感器接觸的部分均采用硬度較大的淬火中碳鋼[5]以防止其在受力的過程中產(chǎn)生形變，而影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

如圖3所示，圖為稱重裝置的整體結(jié)構(gòu)圖，與局部機(jī)械結(jié)構(gòu)圖相對應(yīng)，整體結(jié)構(gòu)從上往下依次為負(fù)荷頂層、斗拱機(jī)構(gòu)、懸臂梁稱重傳感器、鋼構(gòu)底座及其階基層。其中懸臂梁稱重傳感器的型號為AMI-50，其測量范圍是0～50kg，精度可以達(dá)到5g。

圖3 稱重傳感機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 懸臂梁稱重傳感器工作原理

由于稱重傳感器中電阻應(yīng)變式壓力傳感器穩(wěn)定性較好，精度和靈敏度較高，壽命較長，對測量環(huán)境要求不太嚴(yán)格，因此我們選用電阻應(yīng)變式傳感器作為電子稱傳感器。利用電阻應(yīng)變片搭建兩路橋式電路，當(dāng)傳感器的外形受力變化時，電阻應(yīng)變片阻值便會發(fā)生相應(yīng)的變化，通過的電流變化發(fā)生相應(yīng)的變化，利用HX711 24路高精度AD芯片將阻值變化采集，并將該數(shù)值顯示在顯示器12864上。將得到的數(shù)據(jù)利用MATLAB進(jìn)行函數(shù)耦合，最終可將寶寶體重準(zhǔn)確的顯示在12864上。

2.1.2 懸臂梁稱重傳感器測量原理

當(dāng)垂直正壓力P作用于梁上時，梁產(chǎn)生形變，電阻應(yīng)變片Rd、Rb受壓彎拉伸，阻值增加；Ra、Rc受壓縮，阻值減小。電橋失去平衡，產(chǎn)生不平衡電壓，不平衡電壓與作用在傳感器上的載菏P成正比，從而將非電量轉(zhuǎn)化成電量輸出。

圖4 電阻應(yīng)變式傳感器測量原理

電阻Ra、Rb、Rc和Rd組成惠更斯電橋，將兩對電阻應(yīng)變片的阻值變化轉(zhuǎn)變成輸出電壓，其工作原理如圖5所示。

圖5 橋式電路

2.2 秤重數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片HX711

HX711使用內(nèi)部時鐘振蕩器（XI=0），輸出數(shù)據(jù)速率（RATE=0）10Hz。電源直接取用與MCU芯片相同的供電電源。通道A與傳感器相連，通道B通過片外分壓電阻與電池相連，用于檢測電池電壓。輸出腳D_OUT接單片機(jī)的P3^0口，PD_SCK接P3^1口。

圖6 稱重傳感器電路設(shè)計

2.3 超聲波模塊

2.3.1 工作原理

如圖7所示，超生波測距是發(fā)射器發(fā)射出長約6mm，頻率為40kHz的超聲波信號。此信號被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。它接收到信號后產(chǎn)生mV級的微弱電壓信號。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時間為

T，超聲波在空氣中的傳播速度為C，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離D可用下式求出：

2.3.2 超聲波電路設(shè)計

HC_SR04的VCC接5V電源，GND為地線，Tring觸發(fā)控制信號輸入接單片機(jī)的P1^0口，Echo回響信號輸出接單片機(jī)的P3^2口。Tring首先發(fā)射至少10um的高脈沖到單片機(jī)，單片機(jī)自動發(fā)送8個40kHz的方波，經(jīng)過PNP的放大并由MAX232轉(zhuǎn)換傳遞給發(fā)射器，自動檢測是否有信號返回，若有信號返回，接收器接受信號經(jīng)過TL047運算放大器將信號傳遞給單片機(jī)，Echo輸出高電平回響信號。通過發(fā)射信號到收到回響信號時間間隔可以計算距離。

圖8 超聲波測距電路圖

2.4 手機(jī)報警模塊

2.4.1 工作原理

手機(jī)報警模塊由GSM模塊、MAX232芯片、SIM卡、HX711芯片等組成。通過單片機(jī)控制報警過程，MAX232芯片用于信號傳輸中的電平轉(zhuǎn)換，HX711芯片用于將嬰兒被盜后，懸臂梁稱重傳感器上的電平變化模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)傳遞到GSM模塊，利用GSM模塊中的GPRS網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)通信，以達(dá)到及時撥打電話報警的目的。

2.4.2 手機(jī)報警模塊電路設(shè)計

如圖9所示為GSM模塊電路，我們選用GSM模塊中的DIM900A與單片機(jī)的串口相連，由于電平不一致，單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送串口TXD通過MAX232芯片經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換與GSM模塊的RXD相連，數(shù)據(jù)接收串口RXD通過MAX232芯片經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換與GSM模塊的TXD相連，并且共地，這樣就可以進(jìn)行通信。當(dāng)嬰兒及嬰兒床發(fā)生被盜時，單片機(jī)會立刻把信號傳遞給GSM模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)撥打監(jiān)護(hù)人電話報警，從而實現(xiàn)防盜功能。

圖9 GSM模塊電路

3 性能實驗

3.1 稱重傳感機(jī)構(gòu)測試

在稱重傳感機(jī)構(gòu)的機(jī)械安裝結(jié)束之后，為了檢測其測量的精確性，做了如下實驗：

將安裝完成的稱重傳感機(jī)構(gòu)平放在試驗臺上，取三整盒標(biāo)定砝碼，砝碼最小值為0.05kg，每次以0.05kg為增量，直至增加到1.25kg。為減少不必要的實驗數(shù)據(jù)，我們以第一次測得的0.05kg為基準(zhǔn)數(shù)值，以0.15kg為最小樣本進(jìn)行系統(tǒng)抽樣。經(jīng)過統(tǒng)計擬合得到如下標(biāo)定數(shù)據(jù)表及擬合曲線。

圖10 壓力傳感器擬合曲線

由圖10稱重傳感機(jī)構(gòu)其精確性的擬合曲線可以看出：該稱重傳感機(jī)構(gòu)的精確性很高，在砝碼標(biāo)定值0.05kg～1.25kg的范圍內(nèi)呈線性變化。盡管該傳感機(jī)構(gòu)自身的重量達(dá)到10kg，但是我們選用的懸臂梁稱重傳感器其可測范圍是0～50kg，即使除去自身重量，依然有0～40kg的測量能力，而本款搖床適用于0～12個月的嬰兒[6]，12個月大的嬰兒體重一般不會超過20kg，因此依照實驗結(jié)果來看，該機(jī)構(gòu)的測量精度很高，十分靈敏。

表1 標(biāo)定數(shù)據(jù)表

3.2 嬰兒防盜性能測試

在完成機(jī)械組裝及其程序調(diào)試后，用一個8個月大的嬰兒[6]模型，模擬嬰兒被盜的情景，同時用秒表計時，測量從嬰兒被盜（被抱起）到監(jiān)護(hù)人接到“報警”電話之間的時長，以此來檢測該嬰兒防盜搖床的防盜性能。

表2為實驗數(shù)據(jù)。

表2 防盜性能數(shù)據(jù)

由嬰兒防盜性能測試的實驗結(jié)果我們可以看出：從嬰兒被盜（被抱起）到監(jiān)護(hù)人接到“報警”電話，平均時長7.01s，其標(biāo)準(zhǔn)差值沒有超過0.5s。在這9組實驗數(shù)據(jù)中最大時長為7.85s，最短時長為6.04s，與我們平時撥打電話到接到電話的時長相近，因此證明該搖床的嬰兒防盜性能優(yōu)良。

3.3 嬰兒搖床防盜性能測試

開啟安全開關(guān)，設(shè)定搖床與地面間的“安全距離”為8cm，由兩個人將搖床抬起，并由第三個人記錄從搖床抬起到蜂鳴器響之間的時長t1和從搖床抬起到接到報警電話之間的時長t2，共測量9次得到如下數(shù)據(jù)。

如下為實驗數(shù)據(jù)及其平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差。

表3 搖床防盜性能數(shù)據(jù)

由嬰兒搖床防盜性能測試的實驗結(jié)果得到：從嬰兒搖床被抬起到蜂鳴器響，平均時長1.62s，標(biāo)準(zhǔn)差值0.53s，實驗數(shù)據(jù)中最大時長為1.98s，最短時長為1.32s，證明該系統(tǒng)十分靈敏；而監(jiān)護(hù)人接到“報警”電話，平均時長7.90s，其標(biāo)準(zhǔn)差值沒有超過1.2s。實驗數(shù)據(jù)中最大時長為8.54s，最短時長為7.30s，與嬰兒被抱起到監(jiān)護(hù)人接到“報警”電話時長差值不超過1.5s，仍舊與我們平時撥打電話到接到電話的時長相近，因此證明該搖床的防盜性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

防盜嬰兒搖床的研發(fā)設(shè)計涉及到電子、機(jī)械以及自動控制等多個領(lǐng)域，是一個綜合性的應(yīng)用研究課題。我們著重以確保嬰兒安全為前提，設(shè)計了具有防盜功能的嬰兒搖床，通過具有針對性的實驗測試：從嬰兒被盜到監(jiān)護(hù)人接到報警電話，中間時長不超過8秒。其結(jié)果證明本款智能防盜嬰兒搖床具有較高的可靠性，防盜性能優(yōu)良。而且該搖床的防盜系統(tǒng)由我們自主研發(fā)設(shè)計成本較低，易于維護(hù)和擴(kuò)展，并且可擴(kuò)展至其他領(lǐng)域，其前景廣闊，具有產(chǎn)品化意義。