（安徽工程大學(xué) 機(jī)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(duì)嬰兒車的要求也在不斷地提高?，F(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(duì)其安全性能的研究［1］。

智能嬰兒車?yán)玫凸乃{(lán)牙技術(shù)的傳輸速度快、成本低、功耗低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并將藍(lán)牙RSSI測距技術(shù)與Android 手機(jī)端相結(jié)合，可以測得相對(duì)精準(zhǔn)的嬰兒車距離，實(shí)現(xiàn)防丟報(bào)警功能。利用溫濕度傳感器對(duì)車內(nèi)溫度、嬰兒體溫、車內(nèi)濕度、尿不濕濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并通過手機(jī)端報(bào)警，以達(dá)到對(duì)嬰兒體征的實(shí)時(shí)了解，防止意外的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，智能嬰兒車設(shè)計(jì)硬件主要包括以STM32F103C8T6芯片為主控系統(tǒng)的單片機(jī)、iBeaon 設(shè)備、DS18B20 數(shù)字溫度傳感器、MLX90614 紅外傳感溫度計(jì)、DHT11 濕度傳感器、Android 手機(jī)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(chǔ)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(jì)

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(shí)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(dāng)嬰兒車超出報(bào)警閥值時(shí)，家長的Android 手機(jī)端就會(huì)發(fā)出報(bào)警，使家長注意到嬰兒車的狀況，及時(shí)做出反應(yīng)措施；同時(shí)，嬰兒車也會(huì)發(fā)出報(bào)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(jì)

當(dāng)嬰兒車距離Android 手機(jī)端超過3 m 時(shí)，嬰兒車報(bào)警器和Android 手機(jī)端就會(huì)發(fā)出警報(bào)。該裝置是在廣播模式下利用藍(lán)牙RSSI測距原理設(shè)計(jì)的，即RSSI值與Android手機(jī)端和嬰兒車之間的距離呈正相關(guān)，利用式（1）運(yùn)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(jì)算公式為

式中，d為計(jì)算所得距離；RSSI為信號(hào)接收強(qiáng)度（負(fù)值）；A為發(fā)射端和接收端相隔1 m 時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度；n為環(huán)境衰減因子。

iBeacon［2］設(shè)備的主要功能如下：

1）運(yùn)行并維護(hù)藍(lán)牙低功耗協(xié)議；

2）周期廣播設(shè)備信息。

Android手機(jī)端的主要功能如下：

1）檢測并連接匹配低功耗藍(lán)牙設(shè)備；

2）尋找并綁定相應(yīng)的iBeacon設(shè)備；

3）對(duì)RSSI信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)；

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

5）計(jì)算Android手機(jī)端與嬰兒車的距離d；

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

7）設(shè)置報(bào)警閥值；

8）當(dāng)數(shù)據(jù)d超過3 m時(shí)，Android手機(jī)端報(bào)警。

圖2 為設(shè)備初始化及計(jì)算距離d的流程。當(dāng)iBeacon 設(shè)備發(fā)出周期廣播信號(hào)（UUID 等）時(shí)［2］，Android手機(jī)端將會(huì)檢測到該信號(hào)并與之進(jìn)行匹配綁定，然后對(duì)RSSI 信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)之后設(shè)定嬰兒車需要的參數(shù)，在手機(jī)端藍(lán)牙設(shè)備上接收到來自嬰兒車的廣播設(shè)備信號(hào)并采集RSSI信號(hào)值后，就可以計(jì)算出當(dāng)前iBeacon 設(shè)備與手機(jī)的大致距離，實(shí)時(shí)將嬰兒車的狀態(tài)告知用戶。

圖2 設(shè)備初始化及計(jì)算距離d的流程

嬰兒車和Android 手機(jī)端都設(shè)有超過報(bào)警閥值的報(bào)警器。在嬰兒車的主控制系統(tǒng)上裝有蜂鳴報(bào)警器，利用單片機(jī)設(shè)置相關(guān)的內(nèi)部報(bào)警程序，使其可以實(shí)現(xiàn)嬰兒車報(bào)警。報(bào)警流程如圖3所示，當(dāng)Android 手機(jī)端采集RSSI 并計(jì)算出嬰兒車與Android 手機(jī)端之間的距離超過3 m 時(shí)，An‐droid 手機(jī)端發(fā)出報(bào)警并將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸給嬰兒車的主控制器，嬰兒車發(fā)出報(bào)警；如果沒有超出報(bào)警閥值，Android 手機(jī)端和嬰兒車不會(huì)發(fā)出報(bào)警，家長可以通過手機(jī)實(shí)時(shí)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。基于對(duì)適用場所、成本及實(shí)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(jì)。當(dāng)所測溫度超過或低于預(yù)先設(shè)定的溫度值時(shí)，Android手機(jī)端自動(dòng)發(fā)出報(bào)警。

圖3 Android手機(jī)端和嬰兒車報(bào)警系統(tǒng)流程

2.2.1 車外環(huán)境溫度檢測設(shè)計(jì)

考慮到當(dāng)嬰兒被抱出嬰兒車前，需要對(duì)外部環(huán)境有所了解，以及外部環(huán)境對(duì)嬰兒可能造成的影響，設(shè)置車外環(huán)境溫度監(jiān)測，如對(duì)出行環(huán)境進(jìn)行溫度監(jiān)測。基于車外環(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(dú)特的單線連接模式，可以實(shí)現(xiàn)雙向通訊功能，并且可以由用戶設(shè)置其報(bào)警閥值。DS18B20 的工作環(huán)境溫度一般為-55 ℃～125 ℃，而在-10 ℃～85 ℃時(shí)，它的精度為±0.5 ℃，且具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)［3］。DS18B20封裝如圖4所示。

車外溫度檢測方案設(shè)計(jì)：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(shí)間連續(xù)地采集溫度信息并發(fā)送給主控制器，與藍(lán)牙模塊建立聯(lián)系，通過BLE技術(shù)將處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給手機(jī)端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車外溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，且在手機(jī)端設(shè)定相應(yīng)的報(bào)警值，超過時(shí)手機(jī)端報(bào)警［4］。

圖4 DS18B20封裝

2.2.2 體溫檢測設(shè)計(jì)

基于嬰兒體溫波動(dòng)較大，且其較為敏感的生理情況，本設(shè)計(jì)采用非接觸式紅外傳感器。出于對(duì)嬰兒車的實(shí)際情況的考慮，溫度傳感器采用MLX90614 紅外傳感溫度計(jì)，其具有體積小、成本低等特點(diǎn)，工作范圍在0 ℃～50 ℃，精度可達(dá)到±0.5 ℃，測量辨析度可達(dá)到0.02 ℃；同時(shí)，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(gè)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(jì)：將MLX90614 紅外傳感溫度計(jì)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(lán)牙模塊將處理后的數(shù)據(jù)上傳到手機(jī)終端，從而達(dá)到實(shí)時(shí)檢測嬰兒體溫的功能，同時(shí)在手機(jī)上顯示數(shù)據(jù)，若超過設(shè)定值則報(bào)警。

2.3 濕度檢測功能

通過對(duì)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(dòng)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(dòng)時(shí)和尿不濕尿液最多時(shí)的濕度數(shù)據(jù)；然后，確定出嬰兒活動(dòng)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(jià)比高、極高的可靠性與長期穩(wěn)定性等特點(diǎn)。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(jī)與手機(jī)藍(lán)牙模塊建立連接，將傳感器所測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)終端，實(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后傳送至主機(jī)STM32F103C8T6 單片機(jī)中，再經(jīng)主機(jī)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)藍(lán)牙模塊中，最后轉(zhuǎn)化為濕度數(shù)據(jù)并顯示在手機(jī)APP 上［5］。家長可以通過手機(jī)APP及時(shí)掌握嬰兒活動(dòng)的環(huán)境濕度，并進(jìn)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(jìn)行比較，當(dāng)測定的濕度數(shù)據(jù)超過原先設(shè)定的范圍值時(shí)，手機(jī)報(bào)警系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)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(shí)時(shí)傳輸流程如圖7所示。

圖7 溫濕度信息實(shí)時(shí)傳輸流程

3 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的智能嬰兒車運(yùn)用低功耗藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽趮雰很嚺cAndroid 手機(jī)端之間建立連接，實(shí)時(shí)傳輸傳感器所測定的數(shù)據(jù)，讓家長實(shí)時(shí)了解有關(guān)嬰兒的相關(guān)信息，提高了嬰兒在嬰兒車?yán)锏陌踩禂?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(jì)運(yùn)用藍(lán)牙RSSI 測距原理，當(dāng)測出的距離超過報(bào)警閥值時(shí)，Android 手機(jī)端和嬰兒車會(huì)自動(dòng)報(bào)警，避免因大人的一時(shí)疏忽而出現(xiàn)意外；同時(shí)，在嬰兒車內(nèi)安裝溫濕度傳感器，通過藍(lán)牙模塊與Android 手機(jī)端建立連接，將傳感器所測數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)終端，當(dāng)所測數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的范圍值時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)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(jì)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。