基于STM32的數(shù)據(jù)通信智能安全嬰兒車設計

劉斌琨，劉海濤

（合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 236000）

隨著二胎政策的開放，新生兒數(shù)量逐年增多，使得新生兒在家庭中處于更重要的位置，安全問題也日益嚴峻。傳統(tǒng)的嬰兒車只是一個出行代步工具，并不能為嬰兒提供較全面的安全保障，即嬰兒被人帶走時嬰兒車無法做出任何相關反應。當今時代控制技術的發(fā)展日新月異，各種設備都走上了智能化道路，嬰兒車也應走向智能。但是智能嬰兒車在國外的發(fā)展傾向于對嬰兒生命體征的監(jiān)測，比如血壓、體溫、身高、體重等方面，國內(nèi)的智能嬰兒車則傾向于避震便攜等方面。智能安全防護領域依舊是一片空白，因此，人們對一款能提供一系列安全措施的智能嬰兒車的渴望越來越急切。

圖1 整體設計的框圖

1 系統(tǒng)整體設計

1.1 系統(tǒng)硬件設計

智能嬰兒車采用嵌入式設計，可以實現(xiàn)包括溫濕度檢測、位置定位、誤抱抓拍、越界檢測和報警等功能。用戶可通過手機軟件遠程監(jiān)控或控制某些功能的開啟和關閉。當系統(tǒng)檢測到嬰兒被非監(jiān)護人抱走時，系統(tǒng)會啟動攝像頭對其抓拍，同時發(fā)出警報，手機會接收到抓拍的照片并振動彈出提示框“嬰兒被抱走”。當嬰兒車與監(jiān)護人之間的距離超出一定范圍時，嬰兒車自身會報警，并且手機也會收到報警訊息，除非通過手機軟件關閉報警或者嬰兒車與監(jiān)護人之間的距離恢復到安全值，否則嬰兒車會一直報警。當監(jiān)護人把嬰兒交給不會使用手機的長輩看管時，可暫時關閉距離報警功能，同時能在手機軟件界面上實時查看嬰兒車的位置。

智能安全嬰兒車的供電電源是只需提供5 V電壓，并且能驅(qū)動兩片單片機，因此，電源體積小、質(zhì)量輕，不會造成額外的質(zhì)量負擔，保證了嬰兒車的便攜性。且整個電路裝置用金屬屏蔽網(wǎng)包裹，減少了電磁輻射，避免對嬰兒身體健康發(fā)育造成影響。

整體設計如圖1所示。

1.1.1 溫濕度采集

溫濕度傳感器選型為DHT11，可檢測溫度和濕度。將傳感器貼于嬰兒車底部，用于檢測車內(nèi)溫度和濕度，并實時地將數(shù)據(jù)傳送給STM32（2），當STM32（1）收到來自手機的溫度命令字時，STM32（1）通過串口1向STM32（2）發(fā)送請求，STM32（2）則將讀取到的溫濕度值回傳給STM32（1）。STM32（1）將接收到的溫濕度通過WIFI模塊發(fā)送給手機。

1.1.2 壓力檢測

壓力傳感器選型為HX711，其單個壓力傳感器測量上限設置為25 kg。三個壓力傳感器呈三角形擺放在嬰兒車底部，目的是更可靠地采集車內(nèi)質(zhì)量，防止嬰兒翻身等活動造成單個壓力傳感器測量值不準確。根據(jù)物理學原理，STM32（2）將三個壓力傳感器檢測到的數(shù)值相加得出最終的結果。當檢測質(zhì)量超過4 kg時，單片機程序中的標志變量Flag1置1，認為此時嬰兒位于車內(nèi)；當檢測質(zhì)量低于1.5 kg時，認為嬰兒此時不在車內(nèi)，此時判斷Flag1是否為1，如果為1，則說明嬰兒之前位于車內(nèi)，現(xiàn)在嬰兒被人抱走，嬰兒車發(fā)出警報并拍照，標志變量Flag1清零，否則繼續(xù)檢測。

1.1.3 指紋識別

指紋模塊選型為AS608。單片機程序內(nèi)標志變量Flag2默認值為0，當監(jiān)護人想要抱起嬰兒時，可先進行指紋識別，單片機會對Flag2的值進行判斷，F(xiàn)lag2為1時拒絕進行指紋識別，F(xiàn)lag2為0時允許進行指紋識別，識別成功后Flag2置1，這段邏輯是為了防止多次識別。指紋識別成功后系統(tǒng)動作為關閉報警功能，壓力傳感器則正常工作，當壓力傳感器檢測的數(shù)值驟降時即嬰兒被抱起，報警系統(tǒng)不響應，F(xiàn)lag2置0，最后報警功能恢復正常。AS608可存儲300枚指紋，響應時間小于0.3 s，認假率小于0.001%，性能足以滿足嬰兒車的需求。

1.1.4 距離報警

距離報警通過檢測藍牙是否連接來實現(xiàn)，藍牙選型為HC05。HC05在空曠地帶的理論通訊距離為10 m，但經(jīng)檢測一般情況下其通訊距離在5 m左右。手機和單片機都在監(jiān)測藍牙連接狀態(tài)，當嬰兒車與監(jiān)護人的距離超過5 m時，藍牙連接就會斷開，手機和單片機同時報警，且單片機的警報只有當接收到來自手機發(fā)送的警報解除信號或者藍牙重新連接上時才會解除。其目的在于有人推走嬰兒車后，嬰兒車會一直警報，引起監(jiān)護人和其他路人的注意，能夠及時發(fā)現(xiàn)嬰兒車被推走。在推走距離不是很遠時，可通過警報聲追蹤嫌疑人。

1.1.5 位置定位

位置定位通過S1216北斗+GPS雙定位模塊來實現(xiàn)，其天線放置在嬰兒車的把手上。S1216與單片機STM32之間通過串口3交換數(shù)據(jù)，串口3的波特率設置為38 400，刷新頻率為5 Hz。北斗+GPS具有更高的精度，其定位精度為2.5 mCEP。當監(jiān)護人想要查看嬰兒車位置時可通過手機軟件將命令字中GPS位置1發(fā)送給單片機，STM（1）接收到命令字完成解析后，將經(jīng)緯坐標通過WIFI模塊回傳給手機。因為傳送字長的關系，手機軟件上顯示小數(shù)點后四位，這已經(jīng)能滿足基本需求。

1.1.6 數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)通信依賴于WIFI模塊ESP8266來實現(xiàn)。單片機與手機之間的數(shù)據(jù)傳輸都必須通過ESP8266完成。ES8266接收到6位手機命令字后，通過串口2傳送給STM32（1），STM32（1）對6位命令字進行解析，不同的位對應不同的功能，根據(jù)不同的命令字執(zhí)行不同的功能。ESP8266設置的波特率為115 200，傳輸速率約為8.5 KB/S，在數(shù)據(jù)量不大時，可以實現(xiàn)實時傳輸。

1.1.7 報警系統(tǒng)

報警系統(tǒng)由蜂鳴器和攝像頭組成，攝像頭選用OV2640。其像素為200萬，經(jīng)實驗驗證，抓拍的照片可以分辨人的面貌特征，抓拍反應時間小于1 s，能夠在較短的時間內(nèi)對壓力警報做出反應。報警系統(tǒng)被壓力傳感器觸發(fā)時蜂鳴器動作，OV2640抓拍抱起人員，手機軟件彈出“嬰兒被抱起”的窗口并持續(xù)振動。抓拍照片存放在STM32（2）攜帶的內(nèi)存卡里，同時STM32（2）通過STM32（1）發(fā)送到手機。報警系統(tǒng)被藍牙觸發(fā)時蜂鳴器動作，手機軟件彈出“嬰兒超出距離”的窗口并持續(xù)振動。 STM32（1）流程圖和STM32（2）流程圖如圖2和圖3所示。

圖2 STM32（1）流程圖

圖3 STM32（2）流程圖

1.2 系統(tǒng)軟件設計

軟件通過發(fā)送命令字控制系統(tǒng)，命令字一共6位。功能如下。對應指示表如表1所示。

表1 對應指示表

第0位：控制GPS，為0時手機軟件不接收經(jīng)緯坐標，為1時接收經(jīng)緯坐標。

第1位：控制DHT11，為0時手機軟件不接收溫濕度值，為1時接收溫濕度值。

第2位：控制指紋模塊，為0時指紋模塊正常工作，為1時指紋模塊禁用。

第3位：控制藍牙，為0時禁用距離報警，為1時開啟距離報警并且啟動手機藍牙。

第4位：控制壓力傳感器，為0時壓力傳感器正常工作，為1時壓力傳感器禁用。

第5位：解除警報，默認為0，允許單片機發(fā)出警報，手機收到警報時置1關閉系統(tǒng)警報。

軟件識別區(qū)分來自單片機回傳的數(shù)據(jù)依賴于回傳數(shù)據(jù)前的標識符，比如“TEM|”表示溫度，“"HUM|”表示濕度，“"BJ|”則表示警報，“WD|N”表示北緯，“JD|E”表示東經(jīng)。

圖4 軟件主界面

圖5 軟件功能界面

軟件主界面如圖4所示，軟件功能界面如圖5所示。

2 結束語

本款基于STM32的智能安全嬰兒車可以較全面地為嬰兒提供防護，各功能通過軟件開啟或關閉，更加人性化。該設計的不足之處在于利用ESP8266進行數(shù)據(jù)通信必須有可供連接的WIFI，這就極大地限制了這款智能安全嬰兒車的應用，以及抓拍時不能連拍，一旦照片模糊，就無法識別嫌疑人，后期發(fā)展方向則是采用物聯(lián)網(wǎng)的新一代標準NB-Iot進行數(shù)據(jù)傳輸，從而擺脫對WIFI無線網(wǎng)絡的依賴，加快數(shù)據(jù)傳送速率，優(yōu)化算法，提高攝像頭反應速度的同時，使攝像頭能夠完成連拍多張照片的任務。