基于ATmega328P單片機(jī)的智能嬰兒床系統(tǒng)設(shè)計

吳冬雨

(福州軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能產(chǎn)業(yè)學(xué)院,福建福州 350003)

1 智能嬰兒床的整體設(shè)計

本文介紹的智能嬰兒床系統(tǒng)采用ATmega328P單片機(jī)作為主控芯片基于Arduino IDE設(shè)計搖籃電機(jī)、溫濕度采集、哭聲檢測、遮陽板控制、紅外電子圍欄、助眠音樂播放、通風(fēng)加熱及輔助照明等系統(tǒng)的控制程序。基于App Inventor平臺設(shè)計智能嬰兒床手機(jī)App上位機(jī)系統(tǒng)。嬰兒床能夠接收手機(jī)App上位機(jī)下發(fā)的控制指令,對嬰兒床的工作模式、搖晃頻率、助眠音樂等進(jìn)行控制,并能夠接收和顯示嬰兒床實時回傳的溫濕度數(shù)據(jù),同時根據(jù)環(huán)境溫濕度自動控制風(fēng)扇調(diào)速及加熱墊溫度為嬰兒提供舒適的休息環(huán)境。

2 智能嬰兒床的硬件設(shè)計

智能嬰兒床由采用ATmega328P單片機(jī)的Arduino NANO控制板作為核心控制器。采用12V電壓為電機(jī)及加熱系統(tǒng)供電,集成5V穩(wěn)壓電路為控制系統(tǒng)供電[1]。嬰兒床由9大電路子系統(tǒng)組成,能夠?qū)崿F(xiàn)對嬰兒床的實時監(jiān)控和智能化控制(如圖1所示)。

圖1 總體系統(tǒng)框圖Fig.1 Overall system diagram

(1)藍(lán)牙通信系統(tǒng)。采用串口通信的方式,由JDY-31藍(lán)牙模塊接收手機(jī)App下發(fā)的控制指令,通過串口TXD信號線傳輸指令到單片機(jī)的RXD接收端口。單片機(jī)根據(jù)指令,控制嬰兒床的工作模式。

(2)MP3助眠系統(tǒng)。由5路單片機(jī)I/O控制信號進(jìn)行控制,用戶可將自行錄制或在互聯(lián)網(wǎng)上下載的MP3格式助眠音頻文件使用MICRO USB數(shù)據(jù)線連接MY-2480 MP3模塊進(jìn)行存儲。由單片機(jī)控制播放音量及曲目。

(3)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。采用內(nèi)置AD采樣控制器的DHT11溫濕度傳感器對嬰兒床內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測。通過數(shù)據(jù)總線方式將測得的溫濕度數(shù)據(jù)回傳給單片機(jī)處理。單片機(jī)能夠根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫濕度智能調(diào)節(jié)散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及加熱墊功率。

(4)LED照明系統(tǒng)。采用3W LED照明燈,由繼電器進(jìn)行控制,用戶可通過手機(jī)App控制照明燈的開光。照明系統(tǒng)搭載有柔光燈罩,能夠在給嬰兒喂食或查看嬰兒狀態(tài)時提供溫和的環(huán)境補(bǔ)光。

(5)電機(jī)控制系統(tǒng)。采用TB6612電機(jī)驅(qū)動模塊獨立驅(qū)動調(diào)速風(fēng)扇電機(jī)及搖籃搖擺電機(jī)。通過4路單片機(jī)電平變化信號控制搖籃左右搖擺及調(diào)速風(fēng)扇的工作模式。單片機(jī)通過定時器產(chǎn)生PWM(脈寬調(diào)制)信號,根據(jù)正脈寬的占空比控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速[2]。

(6)加熱墊控制系統(tǒng)。嬰兒床的加熱墊由MOS管驅(qū)動,通過分布在嬰兒床底部的電熱絲均勻加熱。同時搭載有NTC熱敏電阻,能夠?qū)訜釁^(qū)域的溫度進(jìn)行實時采樣監(jiān)控,溫度超過設(shè)定閾值時單片機(jī)將控制加熱回路自動斷電。

(7)遮陽板控制系統(tǒng)。由MG90舵機(jī)控制遮陽板的轉(zhuǎn)角,用戶可在手機(jī)App上滑動遮陽板角度調(diào)節(jié)滑塊在0-180°區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)無極調(diào)控。通過發(fā)送周期為20ms的脈沖信號控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角,20ms內(nèi)高電平占空比越高,舵機(jī)轉(zhuǎn)角度數(shù)越大。

(8)哭聲檢測系統(tǒng)。采用電容式麥克風(fēng)采集環(huán)境聲音,當(dāng)檢測到尖銳且高分貝的嬰兒哭聲時,會向單片機(jī)的D8 I/O口輸出一個低電平信號。單片機(jī)接收并處理收到的預(yù)警信號,通過手機(jī)App向用戶彈窗預(yù)警。用戶亦可在App上設(shè)置“自動帶娃”模式,當(dāng)檢測到哭聲時自動播放催眠音樂并啟動搖籃電機(jī)搖晃搖籃。

(9)紅外電子圍欄。在嬰兒床的圍欄區(qū)域安裝紅外傳感器,當(dāng)開啟紅外預(yù)警功能時,系統(tǒng)能夠檢測嬰兒床上的嬰兒是否有嘗試翻越“圍欄”的異常動態(tài),并發(fā)出提示音,同時手機(jī)App發(fā)送彈框提醒。

3 智能嬰兒床軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要包括ATmega328P單片機(jī)的控制程序和智能嬰兒床手機(jī)App上位機(jī)程序。

ATmega328P單片機(jī)的控制程序是在Arduino IDE集成開發(fā)環(huán)境下設(shè)計完成的。當(dāng)智能嬰兒床通電時,系統(tǒng)將等待對硬件系統(tǒng)的初始化。初始化完成,進(jìn)入正常工作模式后,單片機(jī)的2個線程將輪詢執(zhí)行實時溫濕度數(shù)據(jù)采集及藍(lán)牙串口數(shù)據(jù)掃描。當(dāng)掃描到藍(lán)牙串口有控制指令傳入時,將接收到的控制指令傳入buff[]數(shù)組臨時存儲。并根據(jù)buff數(shù)組調(diào)度對應(yīng)的子程序工作?？刂萍安杉映绦蛑饕?

(1)藍(lán)牙串口接收子程序:通過Arduino的串口緩存區(qū)掃描指令Serial.available()掃描串口緩存區(qū)是否接收到控制指令字符串,若接收到字符串且字符串的長度等于4,則調(diào)用Serial.read()函數(shù)接收串口數(shù)據(jù),并將串口接收到的數(shù)據(jù)依次存入buff[]字符串?dāng)?shù)組。手機(jī)App下達(dá)的控制指令由“單字節(jié)控制指令+三字節(jié)控制參數(shù)”字符串組成。例如:控制調(diào)速風(fēng)扇全速工作,則手機(jī)App將發(fā)送字符串控制指令“F255”。

(2)溫濕度采集子程序:DHT11溫濕度傳感器與單片機(jī)采用“單總線”方式通信,采集數(shù)據(jù)時首先由單片機(jī)I/O口在輸出模式下發(fā)送40ms的拉低信號和30us的高電平信號,告知傳感器可以開始回傳數(shù)據(jù)。信號發(fā)送完成后立即將單片機(jī)I/O口切換至輸入模式,等待接收DHT11傳感器回傳的溫濕度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸部分由“濕度高字節(jié)”、“濕度低字節(jié)”、“溫度高字節(jié)”、“溫度低字節(jié)”及“校正位”組成,共計40位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)“0”由54us低電平和一個68-74us的高電平組成。單片機(jī)將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換后傳輸至手機(jī)App顯示。

(3)搖籃電機(jī)控制子程序:搖籃電機(jī)的控制是由單片機(jī)的3個I/O口發(fā)送控制信號給TB6612電機(jī)驅(qū)動模塊。在電機(jī)運動方向的控制上由D2、D3兩個I/O組合控制。當(dāng)D2輸出高電平,D3輸出低電平時,搖籃電機(jī)向左側(cè)運動;當(dāng)D2輸出低電平,D3輸出高電平時,搖籃電機(jī)向右運動;D2、D3均輸出低電平時電機(jī)停止運轉(zhuǎn)。電機(jī)的速度控制是由單片機(jī)的D11 I/O口通過調(diào)用analogWrite( )函數(shù)以490Hz的頻率輸出PWM控制信號進(jìn)行控制。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動模塊接收到高電平信號時使能電機(jī)工作,接收到低電平信號時終止電機(jī)工作。

(4)助眠音樂播放子程序:智能嬰兒床的助眠功能是由MY-2480 MP3模塊播放助眠音頻輔助嬰兒進(jìn)入睡眠。MP3模塊由單片機(jī)的A0-A4 I/O口控制。當(dāng)A0、A2輸出高電平,A1、A3、A4輸出低電平時控制播放音量增加;當(dāng)A0-A4全部輸出低電平時,控制播放音量減小[3]。

(5)加熱及溫控子程序:溫控系統(tǒng)由10KRT NTC熱敏電阻實時監(jiān)測加熱墊表面溫度。利用ADC對溫控回路進(jìn)行模擬量采樣,并將采樣電壓數(shù)據(jù)換算為熱敏電阻阻值,并根據(jù)公式Rt=R*EXP(B*(1/T1-1/T2))計算當(dāng)前加熱墊表面溫度。其中Rt為當(dāng)前溫度下測得的熱敏電阻阻值,R是熱敏電阻在T2常溫下的標(biāo)稱阻值,由于選用的是10KRT的熱敏電阻,R為常量10k,B值為熱敏電阻的固有參數(shù),依數(shù)據(jù)手冊查詢,本設(shè)計中采用的熱敏電阻B值為3470,T2為常溫溫度即25℃下的開爾文溫度273.15+25。嬰兒床的加熱絲則是由MOS管控制,用戶可通過手機(jī)App設(shè)置自動加熱模式,當(dāng)檢測到環(huán)境溫度低于15攝氏度且加熱墊表面溫度低于25℃時,單片機(jī)的D9口輸出高電平時驅(qū)動加熱絲工作;當(dāng)加熱墊表面溫度高于37.5℃時,D9口輸出低電平加熱絲停止工作[4]。

在手機(jī)App上位機(jī)的設(shè)計上采用App Inventor平臺進(jìn)行軟件設(shè)計(如圖2所示)。在手機(jī)App上位機(jī)的設(shè)計上分為“用戶界面”設(shè)計及“邏輯設(shè)計”兩大板塊?！坝脩艚缑妗痹O(shè)計上通過添加“列表選擇框”控件實現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的選擇與連接;添加“按鈕”控件實現(xiàn)嬰兒床的助眠音樂播放、加熱功能、風(fēng)扇功能、紅外電子圍欄等功能的啟動;添加“標(biāo)簽”控件實現(xiàn)對實時回傳的溫濕度數(shù)據(jù)的顯示;添加“滑動條”控件實現(xiàn)對搖籃電機(jī)轉(zhuǎn)速及風(fēng)扇速度的控制;添加“對話框”控件實現(xiàn)紅外電子圍欄的預(yù)警提示功能?！斑壿嬙O(shè)計上”通過創(chuàng)建藍(lán)牙客戶端實現(xiàn)與嬰兒床的JDY-31藍(lán)牙模塊通信,當(dāng)功能按鍵被按下時通過手機(jī)藍(lán)牙向嬰兒床發(fā)送對應(yīng)控制指令。通過建立定時器控件,以每秒200次的掃描頻率掃描藍(lán)牙客戶端是否有數(shù)據(jù)傳入,若有數(shù)據(jù)傳入則對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包和解析,并在用戶界面的溫濕度顯示區(qū)域顯示接收到的數(shù)據(jù)。

圖2 App用戶界面Fig.2 App user interface

由單片機(jī)向手機(jī)App上位機(jī)發(fā)送的每幀數(shù)據(jù)包由12個字符的字符串組成。數(shù)據(jù)包的第1位、第4位、第9位、第11位為固定標(biāo)識符,當(dāng)App獲取到數(shù)據(jù)包時會先對標(biāo)識符進(jìn)行校驗,若標(biāo)識符不符,則認(rèn)為這一幀數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)。App接收到有效數(shù)據(jù)包時,將對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包處理。數(shù)據(jù)包的第2～3位為濕度參數(shù)、第5～8位為溫度參數(shù)。第10位和第12位為哭聲檢測報警狀態(tài)位及紅外電子圍欄報警狀態(tài)位,當(dāng)參數(shù)為0時代表沒有檢測到異常,參數(shù)為1為觸發(fā)報警。例如:當(dāng)前溫度是30.1℃,濕度為68%RH,此時紅外電子圍欄檢測到異常報警,但沒有檢測到嬰兒哭聲,則這幀數(shù)據(jù)包為“H68T30.1K0B1”。

4 結(jié)語

智能嬰兒床系統(tǒng),引入了智能化控制的理念,改變了傳統(tǒng)功能單一的嬰兒床。通過傳感器檢測嬰兒床的環(huán)境參數(shù),并能夠通過單片機(jī)控制嬰兒床的通風(fēng)及加熱,為小寶寶提供冬暖夏涼的舒適體驗,用戶僅需通過手機(jī)App操作即可輕松完成嬰兒床的使用。