基于52单片机智能婴儿床的设计*

马巧梅

（宝鸡文理学院计算机学院，宝鸡721016）

基于52单片机智能婴儿床的设计*

马巧梅

（宝鸡文理学院计算机学院，宝鸡721016）

鉴于父母有在室内可以远离婴儿并照看婴儿，又须确保婴儿舒适度的需求，设计一款可通过单片机实现婴儿床周围智能信息处理的智能系统。该系统以52单片机为核心控制器，通过WIFI技术实时发送采集的视频信息到Android手机客户端，通过手机端可以查看婴儿床周围的温度和湿度信息。同时在婴儿床上内置一个GPS定位系统和超声波距离检测系统，监测婴儿床与父母之间的距离和室外婴儿床的实时位置信息。该智能系统可以使父母在室内一定范围内，通过手机察看婴儿的一举一动，同时还可以观看婴儿身边的温湿度信息，从而帮助父母消除必须守护在婴儿旁边的困惑。

智能婴儿床；传感器；单片机；WIFI技术；GPS定位

1 引言

为了给新生儿和父母带来方便，某些城市婴儿床已经达到70%的使用率，医学界的专家和家庭都深刻认识到新生儿早期看管的重要性，新生儿及其父母对智能婴儿床的需求会逐步增多[1]。为婴儿创造一个安全、良好的生长环境，是每一个家庭应该尽到的责任和义务。但是在现实生活中总会有各种不可避免的意外情况，影响着婴儿的健康。比如，婴儿成长的环境温度和湿度，或者其它环境因素的细微变化，都可能会使婴儿生病，这就需要家长时刻去关注孩子的身边环境是否过热，是否又太冷，房间内的湿度是否能够达到要求，这些都是家长会关心的问题。

该设计就智能婴儿床周围的环境监测[2]，通过手机APP实现对婴儿身边环境的监控。为了给婴儿一个相对放心的生长环境，使用智能婴儿床是必要的趋势[3]，无论在城市还是乡村都会有一定的市场需求。因此对智能婴儿床的研究和发展是一个很有必要的现实课题[4]。

2 系统实现的工作原理

GPS工作原理[5]：GPS硬件电路和单片机的串口进行连接，通过串口和单片机进行数据通信，GPS通过自动卫星搜索，确定当前的卫星数量。锁定当前提供服务的工作卫星后，发送请求命令获取卫星提供的GPS设备和卫星之间的距离，通过若干个卫星进行准确定位，由GPS内部的芯片内置算法进行距离计算便可以得到一连串带有当前位置信息和时间信息的数据。GPS通过串口发送给单片机，单片机对这些信息进行解析，取出本次设计需要的有用信息，然后便可以显示在婴儿床内置的液晶屏幕上了。

超声波[6]工作原理：单片机IO口输出超声波换能器所需的40kHz方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。通过计算发送一束超声波并且记录此刻的发送时间，然后接收返回的这一束波，记录接收时间，通过两者时间差值来计算距离，通过单片机来进行计算和显示。

由婴儿床采集婴儿附近的环境信息，例如温度和湿度，然后通过单片机[7]进行数据判断。将传感器采集的温度和湿度进行数据整合，通过单片机串口TTL电平和WIFI模块进行通信。WIFI模块把采集的数据存储到本地的RAM内[8]，使其它连接上WIFI信号的设备对本地设备的数据进行读取。当Android设备连接上WIFI信号时，将本地资料通过socket通信读取到Android设备上进行显示。同时WIFI模块连接上摄像头，实时将婴儿床内的视频信息通过socket将数据以帧的形式发送给Android设备，快速刷新起来就可以看到连续的视频信息。

当婴儿床接收到WIFI信号调整工作模式，进行壁障时，婴儿床便可以按照接收的信号进行工作，然后启动前方的壁障模块进行壁障，即工作在壁障模式或者接收到命令启动寻迹模式，下方的寻迹模块来进行寻迹，即工作在寻迹模式。婴儿床所有的工作模式以及状态均可通过上位机来实现。

3 硬件及传感器介绍

3.1 单片机选型

STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程的Flash内存。做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。其优点是运行速度快、功耗小，有超强的抗干扰能力，指令代码也完全兼容传统的单片机。所以该系统选择STC89C52RC作为系统的单片机控制器。其原理如图1所示。

图1 单片机工作原理

3.2 数字温湿度传感器选型

数字温湿度传感器DHT11是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。数字温湿度传感器DHT11有很高的技术含量，特别是对于数字模块的采集和温湿度的感知方面。传感器包括一个电阻式感湿组件和一个NTC测温组件，并与一个高性能8位单片机相连接。具有性能好、价格低、质量高、感知速度快、抗干扰性好等特点，所以DHT11有很广泛的市场应用，其实物图如图2所示。

图2 DHT11实物图

3.3 WIFI实现原理

WIFI在无线电技术中是Wireless Fidelity（无线保真度）的缩写，是一种短距离无线电技术的代名词。

WIFI传输数据的原理：在有线局域网的基础上，通过无线集线器、无线网桥天线和网卡等设备便可实现无线方式上网。它是将用户发出的信息分组（包），然后转换为微波信号，实现无线局域网的各种功能。

WIFI模块采用TL-WR703N的AR9331 MIPS24kc SoC的片上系统，对片上系统烧入对应的固件，就可实现对应的WIFI路由功能。通过TPlink的无线网络连接到PC机，实现对应的上位机控制。

WIFI模块内部刷入了开源的OpenWrt系统，使之成为一个运行Linux系统的小计算机。OpenWrt系统的软件包管理提供了一个完全可写的文件系统，并允许自定义，以适应任何应用程序使用该软件包。

4 主要电路设计

4.1 电源电路的设计

此次设计的智能婴儿床系统中需要供电的部分包括：基础系统模块、开发板、WIFI模块、GPS模块及超声波模块等。这些电源的获取可以直接通过两个USB直流5.0V直接供电，供电性能稳定可靠，电源电路图如图3所示：

图3 电源电路图

4.2 GPS液晶显示电路设计

该系统采用2864液晶显示，它只说明类屏的一个特征，就是128×64个点构成。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII码字库）及CGRAM（自定义字形）的内容。其显示电路如图4所示。

图4 GPS液晶显示

4.3 串口通信电路设计

串口通讯对单片机而言非常重要，不但可以实现将单片机的数据传输到计算机端，而且也能实现计算机对单片机的控制。由于其所需电缆线少，接线简单，所以在较远距离传输中，得到了广泛的运用。该系统采用了两种晶振频率给单片机系统提供振荡源：

（1）11.0592MHz：GPS的串口通信。因为单片机要和GPS模块进行串口通信，所以采用11.0592MHz的晶振来给GPS模块提供时钟频率源。采用11.0592MHz晶振提供振荡源，串口的波特率发生器提供的晶振频率非常精确，不存在通信误差。

（2）12MHz：超声波传感器。由超声波的工作原理可知，它的工作需要一个40KHz的载波发生一束超声波进行测距，当系统采用12MHz时，单片机的机器周期是1μs，这样单片机计数产生40kHz的超声波就比较准确。

5 系统的功能实现

5.1 系统功能的实现

首先通过婴儿床的WIFI路由得到对应的WIFI信号，通过上位机WIFI建立连接，打开上位机进行对应的操作。系统采用的WIFI转串口模块，需要对WIFI模块进行配置。从控制的距离可以分为：局域网控制和广域网控制，该系统仅设计了局域网的控制。

WIFI模块工作在AP模式，智能终端（手机、平板）直接接入WIFI模块提供的网络，在同一个热点网络实现无线控制。

WIFI模块工作在STA模式，智能终端和WIFI模块工作在无线路由器提供的无线网络环境中，数据信号经过无线路由器转发，从而实现局域网无线控制。

5.1.1 视频采集

该系统采用HJ720P高清摄像头，像素高、灵敏度强、帧率快。接口采用USB2.0高速接口，配合方案的高帧率视频显示，可以保障画面的流畅度，具有降噪功能。支持Windows7/XP/Linux等系统，具有很强的兼容性，并且不需要安装驱动。该摄像头配有USB连接线，集成了画面传输单信道，只需将USB接口插到WIFI模块上的USB接口上即可。

视频采集通过http协议发送请求，WIFI模块响应请求，图片以帧的形式发给上位机，通过程序内部设置视觉暂留时间就可以看到婴儿床摄像头传送回来的视频信息。

摄像头的作用是采集智能婴儿床前方的图像，传送到WIFI模块，由WIFI模块将接收到的信息通过WIFI信号回馈到上位机即手机，最后在手机屏幕上显示出所采集到的图像。

5.1.2 温湿度的数据采集

通过单片机的串口发送给WIFI模块数据，上位机软件编写的温度和湿度在终端上显示，使得婴儿的父母能够在连接本地局域网时，看到婴儿床周围的温度和湿度信息的变化情况。

5.1.3 超声波资料的采集

传感器安装在婴儿床的正前方，这样父母可以在合适的距离内对婴儿进行看护，过远的婴儿看护可能会造成看护婴儿不到位。所以需要加装这个超声波测距模块对父母和婴儿床之间的距离进行实时测量。

当婴儿床距父母比较远，或者不在父母的安全监管范围之内，超声波便可以检测出这个距离和设定距离之间的差值，如果这个距离大于超声波的设定距离，便对父母发出警报。

5.2 上位机的实现

通过上位机发送指令到WIFI模块，然后通过WIFI模块的转换，把指令传给单片机，从而让婴儿床执行操作者想要实现的指令，同时上位机向路由发送一个视频请求，路由端的视频处理程序把获取的USB摄像头视频传回上位机，上位机进行译码并显示。

5.2.1 Android客户端的实现

视频传输通过http协议，上位机编写http请求从WIFI模块获取数据，读取数据帧，将视频信息获取到终端的客户端上，进行实时的视频采集。上位机软件实现界面如图5所示：

5.2.2 安卓手机的上位机接口连接

通过客户端的应用程序，可以实时的查看当前婴儿床附近的温度和湿度值，以便通过人为的方法给婴儿创造一个良好的生长环境。

也可以通过BluetoothSocket申请与远程蓝牙设备的连接访问设备名称、地址、绑定状态等。温湿度数据采集接口如图6所示：

图5 手机上位机软件界面

图6 温度湿度数据采集接口

该接口与蓝牙模块进行数据传送，在Android手机客户端上显示当前的温度和湿度值，以便用户能够及时看到当前的温湿度值。

6 结束语

该系统针对现在功能单一的婴儿床进行了智能化设计，该智能系统视频传输稳定，数据采集精准，GPS定位准确，室内超声波测量精准，对看护婴儿的父母具有重要的现实意义。

[1]欧阳集正,胡荣杰.多功能智能婴儿床的设计[J].湖南科技学院学报,2010(4):68-70.Ouyang Jizheng,Hu Rongjie.The Design of Multifunctional Intelligent Crib[J].Journal of Hunan University of Science and Engineering,2010(4):68-70.

[2]王强.基于GSM的婴儿发烧尿床语音呵护系统[J].自动化技术与应用,2016(7):143-145.Wang Qiang.Baby Fever Bed-Wetting Voice System Based on GSM[J].Techniques of Automation and Applications,2016(7):143-145.

[3]何文华.远程智能婴儿床的研究设计[J].电子世界,2016(5):58-60.He Wenhua.Research and Design of Remote Intelligent Crib[J].Electronics World,2016(5):58-60.

[4]张光南.基于嵌入式技术的智能婴儿床设计 [J].电脑知识与技术,2014(9):6525-6526.Zhang Guangnan.The Design of Intelligent crib Based on embedded Technology[J].Computer Knowledge and Technology,2014(9):6525-6526.

[5]孙航齐,娄天祥,唐昌松.摇摆婴儿床的创新设计[J].装备制造技术,2015(3):201-202.Sun Hangqi,Lou Tianxiang.Innovative Design of a Rocking crib[J].Equipment Manufacturing Technology,2015(3):201-202.

[6]易雪峰,游娅娜.基于QFD和TRIZ的儿童床改良设计[J].包装工程.2016(10):246-251.Yi Xuefeng,You Yana.Improved Design of Children's Bed Based on QFD and TRIZ[J].Packaging Engineering.2017(6):246-251.

[7]许海,侯宇,李诗雷,等.基于人体工程学的婴儿摇床六杆机构优化设计[J].机械传动,2015(6):145-147.Xu Hai,Hou Yu,Li Shilei,etc..Optimization Design of Six Bar Mechanism of Baby Cradle Based on Human Engineering[J].Journal of Mechanical Transmission,2015(6):145-147.

[8]张大然,蕫克权,李冬青,等.仿生摇摆婴儿床的机构设计[J].肇庆学院学报.2014(5):20-23.Zhang Daran,Dong Kequan,Li Dongqing,etc..Mechanism Design of the Bionic Swinging Crib[J].Journal of Zhaoqing University,2014(5):20-23.

Design of Smart Crib Based on 52 Single Chip Microcomputer

Ma Qiaomei
（College of Computer,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721016,China）

Given that parents can stay away from infants and care for infants indoors,they need to be sure that the baby's comfort is well.This intelligent system in paper can realize the intelligent information processing around the crib.The 52 single-chip microcomputer is considered as the core controller in this system,which sent video information via WiFi real-time to the Android client.The mobile terminals can monitor temperature and humidity information around the crib.In addition,a GPS and ultrasonic distance detection system is built into the crib to monitor the distance between the crib and parents,which also monitor the location of the crib.The intelligent system allows parents to stay indoors,and see the baby's every move through the mobile phone,as well as the temperature and humidity information around the crib,so as to help parents to solve the confusion of nursing.

Smart crib;Sensor;Single chip microcomputer;Wireless Fidelity;Global position system

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.019

TP277.2

B

1002-2279-（2017）05-0073-04

国家青年科学基金资助项目(61402015)；陕西省教育厅专项科研计划项目（15jk1022,15JK1022）；陕西省宝鸡市科技计划项目（16RKX1-3）；宝鸡文理学院校级重点项目（ZK2017011）

马巧梅(1983—)，女，陕西省榆林市人，硕士，讲师，主研方向：物联网工程，网络与信息安全。