基于無線傳感網與人機交互管控的智能嬰兒車

李明歡，彭 劍，譚健楓，陳永楷，張曉娜，唐 瑾

（韶關學院 信息工程學院，廣東 韶關 512005）

0 引 言

隨著5G技術的不斷成熟，物聯網技術的應用不斷走進千家萬戶。然而，在嬰兒車的智能化方面，通過市場調查發現，沒有成型的智能嬰兒車商品，人們使用傳統嬰兒車仍存在各種不便。因此，本文順應物聯網技術的發展和國家新出臺的“三孩”政策，設計出一款功能實用、具有創新性、能夠提高人們生活效率的智能嬰兒車。

1 系統總體設計概述

本系統的總體設計分為硬件系統、軟件終端系統以及OneNET云平臺三部分，如圖1所示。硬件系統的具體形式是各類傳感器和電子設備，軟件終端系統則是手機APP與微信小程序。在實現嬰兒車智能化的過程中，軟件終端系統充當著系統的“大腦”，智能控制嬰兒車；硬件系統則充當著系統的“手腳”，對嬰兒車周邊環境的數據進行采集以及響應終端的命令；OneNET云平臺則具有數據和命令中轉的功能。三個部分相互聯系，將數據和命令有組織性、有規劃性地進行傳輸和控制。在此基礎上，設計出嬰兒車的智能化功能模塊，全方位實現嬰兒車智能化。

圖1 系統總體設計結構

2 硬件系統設計

如圖2所示，本系統的硬件設計是基于ARM體系架構的Cortex-M4內核STM32F407微控制器，該控制器擁有主頻168 MHz的處理速度和多種外設接口，可以用來驅動各種傳感器模塊。本設計采用了超聲波傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器、語音識別模塊、攝像頭等傳感器模塊實現嬰兒車環境信息的獲取，同時應用了嵌入式微控制、GPS定位、自動跟隨、GSM全球通信等技術來全面控制LED燈、小風扇、供暖設備、語音播放模塊、音樂播放器等相關設備。在此系統中，可視化模塊設計成硬件系統的終端，STM32F4微控制器作為硬件系統的邏輯控制部分，而其他硬件模塊則作為硬件系統的功能子模塊，可視化終端以人機交互的方式控制相應的功能子模塊。

圖2 硬件設計結構

2.1 夜晚照明模塊設計

夜晚照明模塊主要采用了光敏傳感器對嬰兒車周邊環境的光強度進行檢測。當檢測環境光線過暗時，微控制器自動打開LED小燈照明；環境光線適宜時，自動關閉小燈。夜晚照明功能代碼如下：

2.2 智能調溫模塊設計

智能調溫模塊采用了DHT11溫濕度傳感器、小風扇、供暖設備。系統預先設定一個適合嬰兒健康的溫度閾值區間，通過溫濕度傳感器獲取環境溫度。當溫度超過這個閾值區間的最大值時，微控制器自動打開小風扇進行降溫；低于區間的最小值時，自動打開供暖設備進行升溫。這兩種處理的目的是讓嬰兒車的溫度最終達到預先設定區間的中間值，此時微控制器則自動關閉小風扇和供暖設備。

2.3 智能哄睡及啟蒙播音模塊設計

智能哄睡及啟蒙播音模塊主要由電機、MP3模塊和聲音傳感器構成，如圖3所示。聲音傳感器對噪聲靈敏度較高，可以很靈敏地檢測到嬰兒的哭鬧聲。為了避免干擾，考慮到嬰兒的哭鬧聲一般是持續性的，系統先設定一個變量來存儲嬰兒哭鬧聲的時間，用來判斷嬰兒是否真實哭鬧。當哭鬧的時間值超過了設定值，微控制器控制MP3模塊自動播放娛樂音頻，同時啟動電機使車身輕輕搖晃，緩解嬰兒哭鬧的情緒。嬰兒需要啟蒙時，用戶可提前給存儲器存取相關的文件，通過終端控制MP3模塊打開啟蒙音樂、詩詞以及成語等啟蒙播音功能。

圖3 智能哄睡及啟蒙播音模塊設計

2.4 智能測重模塊設計

智能測重模塊采用了壓力傳感器對嬰兒體重進行測量，使用HX711模塊將體重A/D轉換成數值，將該數值傳輸到微控制器，進而傳送到終端，以可視化的方式展現給用戶。用戶可通過終端下傳指令，獲取嬰兒的體重信息。此模塊還可檢測嬰兒是否在嬰兒車里面，判斷嬰兒是否被抱走等情況。

2.5 遇障提醒模塊設計

遇障提醒模塊由超聲波測距和蜂鳴器報警兩部分構成。測距時，微控制器先發送一個大于10 μs的高電平信號來驅動超聲波模塊，之后超聲波模塊自動發送40 kHz的方波并檢測是否有信號返回，如果有信號返回，Echo引腳發送一個高電平給微控制器。高電平持續的時間是超聲波從發射到返回的時間，通過該時間可計算出嬰兒車與障礙物的距離。在此之前，系統先設計合適的距離閾值，當嬰兒車接近障礙物的距離小于這個閾值時，微控制器則自動打開蜂鳴器報警，提醒用戶周圍有障礙物，注意危險。遇障提醒功能代碼如下：

2.6 上坡助力和下坡減速模塊設計

上坡助力和下坡減速模塊主要由MPU6050三維角度傳感器模塊和電機組成，如圖4所示。在嬰兒車底部安裝電機輪子，通過輪子的正反轉實現上坡助力和下坡減速功能。在此模塊中，MPU6050內部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并且含有一個第二IC接口，可用于連接外部磁力傳感器；并利用自帶的DMP數字運動處理器硬件加速引擎，通過主IC接口，向應用端輸出完整的9軸融合演算數據。有了DMP后，通過使用InvenSense公司提供的運動處理資料庫，實現姿態解算，從而計算出嬰兒車與平面的角度。上坡時，當嬰兒車與平面的角度超過系統設定的閾值，微控制器則控制電機正轉，實現上坡助力，節省人力；下坡時，微控制器控制電機反轉，實現下坡減速，防止嬰兒車溜車過快造成危險。

圖4 上坡助力和下坡減速模塊設計

2.7 攝像頭監控和拍照模塊設計

攝像頭監控和拍照模塊采用了OV5640攝像頭模塊，支持輸出最大值為500萬像素的圖像，支持使用VGA時序輸出圖像數據，輸出圖像的數據格式支持YUV（422/420）、YCbCr422、RGB565以及JPEG格式，若直接輸出JPEG格式的圖像時可大大減少數據量，方便網絡傳輸。在此設計中，攝像頭作為圖像采集器，實時采集嬰兒的畫面數據，系統將采集到的數據通過微控制器上傳到終端顯示。終端可下發指令控制OV5640攝像頭，完成對嬰兒進行拍照和有關畫面的監控。

2.8 指紋安全認證模塊設計

指紋安全認證的模塊主要采用了AS608指紋識別模塊和電磁鎖模塊。AS608指紋模塊有豐富的系統資源，可以儲存、比對用戶的指紋信息。此模塊的設計思路：首先在系統錄入監護人的指紋信息，當需要鎖定嬰兒車時，用戶可通過終端鎖定，除開鎖外的其余功能無法使用，同時微控制器控制電磁鎖鎖住車罩。解鎖時，系統需要監護人的指紋認證信息，指紋通過認證方可解鎖，否則不解鎖，解鎖失敗超過3次則遠程通知監護人嬰兒車周圍可能存在危險。指紋安全認證流程如圖5所示。

圖5 指紋安全認證流程

2.9 GPS定位模塊設計

GPS定位模塊采用了ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊，該模塊是一款高性能 GPS/北斗雙模定位模塊。ATKS1216F8-BD GPS/北斗模塊采用UART（串口）方式與外部設備通信，輸出的GPS/北斗定位數據采用NMEA-0183協議，控制協議為SkyTraq協議。定位模塊將嬰兒車的位置信息發送到終端，用戶可實時了解嬰兒車的地圖位置，保障嬰兒的安全和防止嬰兒車被盜。ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊接線圖如圖6所示。

圖6 ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊接線圖

2.10 智慧通知突發狀況模塊設計

智慧通知突發狀況模塊主要采用GSM SIM800A無線通信模塊。SIM800A是SIMCOM公司的模組方案，可通過串口傳輸標準的AT命令對模塊進行控制，可以提供語音通話、短信廣播/彩信、GPRS數據通信等多種功能，同時支持HTTP、TCP/IP等多種協議。當出現嬰兒尿床、嬰兒車被盜現象或超出監管范圍等突發狀況時，微控制器則控制SIM800A模塊及時自動發送信息提醒監護人，幫助監護人實時了解嬰兒的情況和保證嬰兒的安全。

2.11 可視化人機交互模塊設計

可視化人機交互模塊主要借助STEMWIN庫和TFTLCD液晶屏來實現。TFTLCD液晶顯示屏用于顯示功能界面，同時利用電容觸摸屏給監護人提供控制嬰兒車的相關子功能。設計流程為：首先，初始化TFTLCD液晶顯示界面，通過位圖顯示界面的背景以及各個功能圖標；然后，創建父窗口以及子窗口，父窗口主要是顯示背景圖和功能圖標以及接收點擊圖標的位置信息，而子窗口設有開關兩個按鈕，用戶點擊觸摸屏，觸摸屏將點擊位置傳送到父窗口，父窗口接收到信息后便進入子窗口，按下開關按鈕，子窗口接收信息并控制嬰兒車的相關開啟或關閉子功能，同時子窗口設有退出功能，方便用戶同時控制多個子功能的開關。人機交互設計流程如圖7所示。

圖7 人機交互設計流程

2.12 嬰兒車智慧跟隨模塊設計

嬰兒車智慧跟隨模塊主要由舵機和攝像頭構成。系統通過攝像頭將指定監護人的圖像信息錄入OpenMV模塊的內置FLASH中。功能開啟后，系統采用了視覺測距原理會自動測出監護人相對于攝像頭的距離，當距離超過預先設定的閾值時，微控制器則會控制安裝在車輪的舵機帶動車輪轉動，實現嬰兒車跟隨監護人前行的功能，小于閾值時舵機自動停止，嬰兒車停止前行。

2.13 嬰兒車智慧應答模塊設計

嬰兒車智慧應答模塊主要由語音識別模塊、語音播報模塊構成。實現功能前，先將系統需要應答的話語用語音合成技術軟件合成音頻文件，系統提前設計好驅動各個功能的相關指令。此功能模塊中，語音識別模塊獲取監護人的聲音，識別聲音是否為系統的指令，如果是系統的指令，系統則會控制相關功能的開啟，同時播放相應的音頻文件作為應答信號，如不是系統的指令則不執行任何功能，實現語音AI控制嬰兒車。

3 軟件終端設計

3.1 微信小程序UI界面設計

微信小程序具有開發成本低、用戶認同感好、留存率高的特點，加上框架和組件設計的相對完善，能夠實現蘋果和安卓的跨平臺使用，因此作為智能嬰兒車的軟件終端特別合適。OneNET云平臺能夠與嬰兒車的ESP8266硬件模塊互相通信，微信小程序與OneNET相通后，便能控制嬰兒車了。小程序可通過MQTT協議訪問OneNET平臺并與之通信，接收向云平臺發送的硬件數據流和發送命令經云平臺中轉進而控制硬件。微信小程序登錄界面如圖8所示。

圖8 微信小程序登錄界面

小程序需要特定的賬號和密碼才能登錄使用，登錄成功后顯示的是環境信息頁面，界面如圖9所示；同時可以跳轉到管理控制界面、寶寶信息界面。如圖10所示，管理頁面有控制嬰兒車LED燈、小風扇、供暖設備、攝像頭等功能，每一個功能的開關都是單獨的數據來源，根據數據為“TRUE”還是“FALSE”來判斷打開或關閉，而每一個開關變量的值是全局變量，則可使每個頁面都可以調用該開關的值，再通過該值來判斷當前顯示的狀態，每一次跳轉頁面在頁面加載時重新賦值，從而使信息發生變化。后臺可通過管理控制的狀態來接收當前狀態的信息并進行分析，提出最適合嬰兒當前情況的建議，讓嬰兒環境更加舒適。

圖9 環境信息界面

圖10 管理控制界面

3.2 手機APP設計

考慮到用戶使用軟件的多樣性，主流手機APP應用的開發也應當考慮。手機APP開發的功能與微信小程序大體相同。在開發的功能界面中，可提供用戶登錄、管理嬰兒車的設備、遠程監控嬰兒車等功能，手機APP通過OneNET云平臺中轉控制硬件模塊以及獲取硬件模塊采集的數據。具體設計步驟如下：（1）設計用戶登錄界面、管理設備、遠程監控界面；（2）采用HTTP協議連接OneNET云平臺；（3）設計控制硬件的指令和獲取數據流的對象；（4）采用Get方法獲取硬件模塊向OneNET云平臺發送的數據流，利用Post方法發送指令，通過OneNET中轉傳到STM32F407微控制器控制硬件；（5）測試。

4 OneNET云平臺管控設計

OneNET云平臺是中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺。平臺能夠幫助開發者輕松實現設備接入與設備連接，快速完成產品開發部署，為智能硬件、智能家居產品提供完善的物聯網解決方案。對于智能嬰兒車云端管理設計，OneNET云平臺能夠很好地支持嬰兒車的云端開發。由于OneNET云平臺支持HTTP、EDP、TCP、MQTT等多種協議接入硬件設備，在嬰兒車的云端管控設計中微控制器則采用ESP8266模塊使用MQTT協議連接OneNET云平臺，在云平臺設計好功能界面后便可全面管控嬰兒車。功能界面具體設計步驟如下：（1）前往OneNET控制臺采用MQTT協議添加嬰兒車產品與設備；（2）硬件ESP8266模塊接入OneNET；（3）設計嬰兒車應用管理界面；（4）測試硬件上傳的數據流和OneNET的下發命令。OneNET平臺硬件在線顯示、數據流、應用管理界面分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 OneNET硬件在線顯示界面

圖12 OneNET數據流

圖13 應用管理界面

5 結 語

目前，嬰兒車主要是實現防震抖動、輕便可折疊、智能剎車等功能，并沒有將嬰兒車與物聯網技術真正地結合起來。此次設計致力于開發一款與現今先進技術相結合的智能嬰兒車，將傳統嬰兒車結合無線傳感網和計算機技術，打造一款硬件終端、軟件終端、云端可全面管控的智能嬰兒車。