基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化嬰兒車設(shè)計(jì)與研究

胡 習(xí)

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232000）

0 引 言

現(xiàn)如今中國(guó)步入后工業(yè)化時(shí)代，人們?cè)谙硎苌鐣?huì)發(fā)展成果的同時(shí)，也開始深刻認(rèn)識(shí)到環(huán)境污染所造成的嚴(yán)重后果。日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題（尤其是頻頻發(fā)生的霧霾天氣）已經(jīng)引起了公眾對(duì)空氣污染的恐懼，也在很大程度上促進(jìn)了各種類型空氣凈化器的發(fā)展?，F(xiàn)如今車載空氣凈化器非常流行，車載空氣凈化器在很大程度上改善了私家車內(nèi)部的環(huán)境。目前，也有一些大型商家推出嬰兒房空氣凈化器，如三星、松下等，但市面上還沒(méi)有適合嬰幼兒外出時(shí)的嬰兒車。實(shí)際上，嬰兒車是最需要安裝空氣凈化器的，空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，PM2.5等污染物會(huì)集聚在空氣流動(dòng)性差、距地面1.0 m以下高度的區(qū)域，而嬰兒車的高度正處于PM2.5濃度最高的區(qū)域[1]，因此在嬰兒車內(nèi)的嬰孩比成年人更容易受到空氣的污染。面對(duì)這一嚴(yán)峻問(wèn)題，雖然沒(méi)法從根本上解決問(wèn)題，但可以在嬰兒車上安裝一款新型空氣凈化器，用以減輕孩子外出時(shí)所受到的外界惡劣環(huán)境的影響。

本次設(shè)計(jì)采用微控制器STM32系列單片機(jī)作為嬰兒車的控制核心，采用溫濕度傳感器、光照度傳感器、PM2.5檢測(cè)儀來(lái)檢測(cè)嬰兒車附近的環(huán)境信息以及空氣質(zhì)量，之后將采集的數(shù)據(jù)上傳至微控制器，進(jìn)而控制遮陽(yáng)棚和智能凈化器。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)由傳感器模塊、電源模塊、凈化模塊、通信模塊、顯示模塊五個(gè)模塊構(gòu)成，總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本次設(shè)計(jì)選用的微控制器是STM32F103單片機(jī)，此微控制器是智能嬰兒車的核心控制器件。STM32F103單片機(jī)采用的內(nèi)核為RM Cortex-M3，其特點(diǎn)是成本較低、集成度較高、功耗較低等，時(shí)鐘頻率可以達(dá)到72 MHz，內(nèi)置512 KB內(nèi)存，能夠存放程序和閃存的存儲(chǔ)器。該控制器滿足高性能、低功耗、低成本于一體的要求，保持了高度的集成性能和簡(jiǎn)易的開發(fā)性能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

（1）溫濕度傳感器：本次設(shè)計(jì)檢測(cè)嬰兒車溫濕度的是DHT11溫濕度傳感器。此傳感器輸出的溫濕度是已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)采用數(shù)字模塊采集技術(shù)、溫濕度傳感技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。DHT11濕度傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精確度高、工作原理比較簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高、體積小、功耗低。DHT11溫濕度傳感器主要通過(guò)檢測(cè)嬰兒車周圍環(huán)境的溫濕度值來(lái)改變電阻值，獲得相應(yīng)大小的電流，然后由顯示屏顯示，便于家長(zhǎng)實(shí)時(shí)掌握孩子所處環(huán)境的溫濕度信息。電路圖如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器模塊

（2）PM2.5傳感器：本系統(tǒng)選用的是ZPH01-PM2.5粉塵傳感器。ZPH01-PM2.5粉塵傳感器具有靈敏度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，其工作原理可概括為采用粒子計(jì)數(shù)原理檢測(cè)PM2.5濃度，輸出與之相對(duì)應(yīng)的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，能夠檢測(cè)出直徑1 μm以上的顆粒物。廠家對(duì)該傳感器在出廠時(shí)已標(biāo)定校準(zhǔn)、內(nèi)置加熱器，可以實(shí)現(xiàn)空氣的自動(dòng)吸入的功能[2]。該傳感器的外形較為小巧、重量較輕、安裝維護(hù)比較簡(jiǎn)單，符合嬰兒車的安裝要求。

（3）光照度傳感器：本系統(tǒng)選用的是BH1750FVI傳感器。該傳感器是一種兩線式串行總線接口的數(shù)字型光照度傳感器集成電路[3]。其工作原理為：分析收集到的光照度數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)液晶或背景燈的亮度進(jìn)行調(diào)整。該傳感器外圍電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，利用高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光照度變化；同時(shí)，支持I2C數(shù)字接口以及兩個(gè)I2C地址，接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，并且通過(guò)降低功率實(shí)現(xiàn)低電流化，適用于智能嬰兒車傳感網(wǎng)絡(luò)。

2.2 電源模塊

電源供電模塊采用1 200 mA·h的可充電電池。該電池能夠?yàn)閭鞲衅髂K和微控制器模塊提供穩(wěn)定的電壓和電流。同時(shí)，用戶可以根據(jù)OLED顯示屏了解剩余電量的情況，當(dāng)系統(tǒng)電量不足時(shí)，能夠及時(shí)提示使用者進(jìn)行充電操作。

2.3 凈化模塊

本系統(tǒng)選用采用負(fù)氧離子技術(shù)的凈化模塊。工作原理為：負(fù)離子是通過(guò)電擊作用，將原子分解為正負(fù)離子，負(fù)離子多為OH-，由于負(fù)離子的不穩(wěn)定性，很容易與空氣中的大分子污染物結(jié)合，直至無(wú)電荷后沉降，以達(dá)到凈化的作用[4]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它就是大氣中本來(lái)具備的負(fù)性離子受到外界作用（如紫外線的照射、雨花分解等）脫離出原有的軌道，來(lái)到人們的面前。

負(fù)氧離子空氣凈化器不僅具有良好的生物活性，還能還原由大氣污染物質(zhì)產(chǎn)生的活性氧，這能夠讓人保持頭腦清新、呼吸舒暢和爽快，同時(shí)增加了抗菌能力，改善了睡眠質(zhì)量。

2.4 通信模塊

無(wú)線通信模塊選用ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低成本的雙向短距離無(wú)線通信技術(shù)。本系統(tǒng)的通信模塊選用CC2530芯片，CC2530芯片控制著整個(gè)系統(tǒng)的外圍電路，能夠擴(kuò)展通信距離，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。

2.5 顯示模塊

顯示模塊選用的是液晶顯示屏，用于顯示傳感器獲取的各種環(huán)境信息，如溫濕度、PM2.5濃度、光照度，可以讓家長(zhǎng)方便觀察孩子所處位置的具體環(huán)境信息，查看傳感器采集的數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)等。

3 功能測(cè)試及結(jié)果分析

本系統(tǒng)由STM32系列單片機(jī)進(jìn)行控制并處理來(lái)自傳感器檢測(cè)到的各種數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能嬰兒車周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)以及對(duì)空氣凈化器的控制。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）監(jiān)測(cè)嬰兒車周圍的環(huán)境參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上，讓家長(zhǎng)實(shí)時(shí)了解周圍環(huán)境狀況。

（2）家長(zhǎng)可以根據(jù)傳感器檢測(cè)到的溫度值，適當(dāng)?shù)亟o孩子增減衣服，避免溫度值變化較大引起孩子的身體不適。

（3）當(dāng)光照度高于設(shè)定值時(shí)，車罩制動(dòng)放下；當(dāng)光照度低于設(shè)定值時(shí)，車罩制動(dòng)升起。

（4）當(dāng)檢測(cè)到的PM2.5濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，該系統(tǒng)就會(huì)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，開啟凈化器，為孩子提供一個(gè)相對(duì)清新的空氣環(huán)境。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于STM32的智能嬰兒車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，STM32為控制中心，輔以檢測(cè)溫濕度、光照度、PM2.5濃度的傳感器以及顯示屏，讓家長(zhǎng)可以隨時(shí)觀察孩子所處位置的具體環(huán)境信息，同時(shí)借助空氣凈化器來(lái)為孩子提供一個(gè)相對(duì)清新的空氣環(huán)境。