智能嬰兒防盜搖床

（天津農學院 工程技術學院，天津 300384）

0 引言

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

1 整體方案設計

當開啟安全開關后，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，搖床就會立刻發出警報，并通過撥打監護人的電話進行求救。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“警報”，其“警報”包括蜂鳴器響和撥打監護人的電話。這款防盜嬰兒搖床便是以此來實現嬰兒防盜及其嬰兒床防盜的目的。同時為了區分報警原因，DS12864的液晶顯示屏會將報警原因顯示出來。

2 關鍵部件設計

2.1 稱重傳感機構的機械設計

該裝置的局部機械結構圖如圖2所示。

圖1 整體思路流程圖

圖2 稱重傳感機構的局部結構

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]鋼構底座上，而右端同樣使用緊固螺絲將斗拱機構固定在懸臂梁稱重傳感器上，其中鋼構底座和斗拱機構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生形變，而影響測量數據的準確性。

如圖3所示，圖為稱重裝置的整體結構圖，與局部機械結構圖相對應，整體結構從上往下依次為負荷頂層、斗拱機構、懸臂梁稱重傳感器、鋼構底座及其階基層。其中懸臂梁稱重傳感器的型號為AMI-50，其測量范圍是0～50kg，精度可以達到5g。

圖3 稱重傳感機構的整體結構圖

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變式壓力傳感器穩定性較好，精度和靈敏度較高，壽命較長，對測量環境要求不太嚴格，因此我們選用電阻應變式傳感器作為電子稱傳感器。利用電阻應變片搭建兩路橋式電路，當傳感器的外形受力變化時，電阻應變片阻值便會發生相應的變化，通過的電流變化發生相應的變化，利用HX711 24路高精度AD芯片將阻值變化采集，并將該數值顯示在顯示器12864上。將得到的數據利用MATLAB進行函數耦合，最終可將寶寶體重準確的顯示在12864上。

2.1.2 懸臂梁稱重傳感器測量原理

當垂直正壓力P作用于梁上時，梁產生形變，電阻應變片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，從而將非電量轉化成電量輸出。

圖4 電阻應變式傳感器測量原理

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

圖5 橋式電路

2.2 秤重數模轉換芯片HX711

HX711使用內部時鐘振蕩器（XI=0），輸出數據速率（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接單片機的P3^0口，PD_SCK接P3^1口。

圖6 稱重傳感器電路設計

2.3 超聲波模塊

2.3.1 工作原理

如圖7所示，超生波測距是發射器發射出長約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，接收頭實質上是一種壓電效應的換能器。它接收到信號后產生mV級的微弱電壓信號。設超聲波脈沖由傳感器發出到接收所經歷的時間為

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

2.3.2 超聲波電路設計

HC_SR04的VCC接5V電源，GND為地線，Tring觸發控制信號輸入接單片機的P1^0口，Echo回響信號輸出接單片機的P3^2口。Tring首先發射至少10um的高脈沖到單片機，單片機自動發送8個40kHz的方波，經過PNP的放大并由MAX232轉換傳遞給發射器，自動檢測是否有信號返回，若有信號返回，接收器接受信號經過TL047運算放大器將信號傳遞給單片機，Echo輸出高電平回響信號。通過發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 手機報警模塊

2.4.1 工作原理

手機報警模塊由GSM模塊、MAX232芯片、SIM卡、HX711芯片等組成。通過單片機控制報警過程，MAX232芯片用于信號傳輸中的電平轉換，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換為數字量，并傳送給單片機，由單片機對該數據進行處理，然后將數據傳遞到GSM模塊，利用GSM模塊中的GPRS網絡與手機通信，以達到及時撥打電話報警的目的。

2.4.2 手機報警模塊電路設計

如圖9所示為GSM模塊電路，我們選用GSM模塊中的DIM900A與單片機的串口相連，由于電平不一致，單片機的數據發送串口TXD通過MAX232芯片經過電平轉換與GSM模塊的RXD相連，數據接收串口RXD通過MAX232芯片經過電平轉換與GSM模塊的TXD相連，并且共地，這樣就可以進行通信。當嬰兒及嬰兒床發生被盜時，單片機會立刻把信號傳遞給GSM模塊，通過GPRS網絡撥打監護人電話報警，從而實現防盜功能。

圖9 GSM模塊電路

3 性能實驗

3.1 稱重傳感機構測試

在稱重傳感機構的機械安裝結束之后，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構平放在試驗臺上，取三整盒標定砝碼，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據，我們以第一次測得的0.05kg為基準數值，以0.15kg為最小樣本進行系統抽樣。經過統計擬合得到如下標定數據表及擬合曲線。

圖10 壓力傳感器擬合曲線

由圖10稱重傳感機構其精確性的擬合曲線可以看出：該稱重傳感機構的精確性很高，在砝碼標定值0.05kg～1.25kg的范圍內呈線性變化。盡管該傳感機構自身的重量達到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，因此依照實驗結果來看，該機構的測量精度很高，十分靈敏。

表1 標定數據表

3.2 嬰兒防盜性能測試

在完成機械組裝及其程序調試后，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）到監護人接到“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為實驗數據。

表2 防盜性能數據

由嬰兒防盜性能測試的實驗結果我們可以看出：從嬰兒被盜（被抱起）到監護人接到“報警”電話，平均時長7.01s，其標準差值沒有超過0.5s。在這9組實驗數據中最大時長為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良。

3.3 嬰兒搖床防盜性能測試

開啟安全開關，設定搖床與地面間的“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次得到如下數據。

如下為實驗數據及其平均值、方差、標準差。

表3 搖床防盜性能數據

由嬰兒搖床防盜性能測試的實驗結果得到：從嬰兒搖床被抬起到蜂鳴器響，平均時長1.62s，標準差值0.53s，實驗數據中最大時長為1.98s，最短時長為1.32s，證明該系統十分靈敏；而監護人接到“報警”電話，平均時長7.90s，其標準差值沒有超過1.2s。實驗數據中最大時長為8.54s，最短時長為7.30s，與嬰兒被抱起到監護人接到“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良。

4 結論

防盜嬰兒搖床的研發設計涉及到電子、機械以及自動控制等多個領域，是一個綜合性的應用研究課題。我們著重以確保嬰兒安全為前提，設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：從嬰兒被盜到監護人接到報警電話，中間時長不超過8秒。其結果證明本款智能防盜嬰兒搖床具有較高的可靠性，防盜性能優良。而且該搖床的防盜系統由我們自主研發設計成本較低，易于維護和擴展，并且可擴展至其他領域，其前景廣闊，具有產品化意義。