婴幼儿学步车安全监测与控制系统设计

张诚诚 梅斌 沈宏光 韩宇 王靖宇

摘  要：根据婴幼儿安全需求，设计了一款基于单片机的智能婴幼儿学步车安全监测与控制系统，系统包括防婴幼儿丢失的压力传感器、防跌落的高度传感器、防摔倒的速度传感器，并能将这些传感器数据实时通过WiFi模块上传到监护人的手机APP上，通过设置这些传感器的阈值，或采用默认值，配合系统中的刹车控制系统，在危险时及时刹车，能根据监护人的要求很好地保证婴幼儿使用学步车的安全。

关键词：婴幼儿学步车  安全监测  传感器  自动控制  单片机

中图分类号：Y57           文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）07（b）-0007-03

Design of Safety Monitoring and Control System for Baby Walkers

ZHANG Chengcheng  MEI bin*  SHEN Hongguang  HAN Yu  WANG Jingyu

（Hubei Normal University， Huangshi， Hubei Province， 435002 China）

Abstract： According to the safety requirements of infants and young children， a safety monitoring and control system of intelligent toddler based on single chip microcomputer is designed. The system includes pressure sensor， height sensor and speed sensor to prevent infants and young children from losing. The data of these sensors can be uploaded to the mobile app of the Guardian through WiFi module in real time， and these sensors can be set According to the requirements of the guardian， it can ensure the safety of infants and young children to use the walking car.

Key Words： Baby walker; Safety monitoring; Sensor; Automatic control; Single chip microcomputer

眾所周知，婴儿在学习走路的时间里，父母都会特别担心孩子的安全，传统的婴儿学步车最初是为了解放母亲的双手，但随着人们对传统婴儿学步车的使用，一系列的安全隐患逐渐外露，例如广州康复医学专家指出过早使用学步车会造成婴儿步态不稳、腿骨变形甚至影响脊柱发育[1]。致使许多父母不敢让自己的孩子通过婴儿学步车来练习走路。为了解决这一问题，该文提出了婴儿学步车的改进措施，即通过安全监测与控制系统来辅助传统的婴儿学步车，更好地实现了母亲放心、孩子开心的特点。

该文主要以加强婴幼儿在学步过程的安全性为目的，改进并完善婴幼儿学步车，进而降低父母照顾婴幼儿的压力。经过研究调查，市场上常见的婴幼儿产品的制作主要应用的材料是塑料（高分子量的合成树脂），这种材料的回收性差、耐热差、易老化，燃烧时可产生有毒气体，对宝宝的身体影响极大，所以必须选用安全材料。另外，传统的婴儿学步车制作简易，存在很多的安全问题，目前涉及的主要安全问题有3个：一是座位适应度不佳;二是安全性不高，没有监测措施的情况下，孩子有被他人抱走的风险;三是易侧翻，学步车位于楼梯或下坡边缘时，婴幼儿很难控制住学步车，会导致学步车侧翻的严重后果。

为了避免以上情况的发生，可以利用高度传感器、压力传感器和速度传感器，以及WiFi模块和手机APP来对婴儿学步车的状态进行直接或间接的实时监测，让家长能够真正地放心并合理利用婴儿学步车，实现适应孩子们盆骨、腿骨正常发育。家长在手机上可清晰地看到孩子的状态与位置，由系统的高度传感器确定是否有侧翻危险，若有危险，婴儿学步车通过配合系统中的刹车控制系统自动锁住学步车，由系统的压力传感器确定婴幼儿是否离开学步车，若婴幼儿离开座椅，婴儿学步车以及家长手机APP会同时“报警”，确保婴幼儿的安全。

1  硬件设计

婴儿学步车的安全监测与控制系统是以STC89C52RC单片机为核心，高度传感器、压力传感器、速度传感器进行数据监测，WiFi模块进行实时的数据传输到家长的手机APP上，保障婴幼儿的安全。单片机与各传感器模块之间的相互关联如图1所示。

1.1 高度传感器

高度传感器可以利用红外测距传感器，高度传感器可安放在婴儿学步车的各个车轮的固定位置，来间接、实时地监测各车轮离地面的高度，加以判别在婴儿学步车里的婴儿是否处于类似楼底的危险区域边缘。其中需要特别注意的是，光脉冲的传播速度非常快，约为299792458m/s，所以要想测量的距离达到预想的精准度，就要求传感器的电子电路必须能分辨出极短的时间。

1.2 压力传感器

压力传感器是一种能将接收到的压力信号通过某一规律转换为电信号的装置，它是由压力敏感元件和信号处理单元组成[2]。压力传感器在正常工作时，压力敏感元件可以接收到由外部产生的压力信号，然后信号处理单元通过某一规律转换为一个触发信号发送给单片机，单片机最终将数据发送到家长的手机APP上，家长就能清楚地知道婴儿是否离开了学步车。

1.3 速度传感器

速度可以分为角速度与线速度，对应就有角速度传感器与线速度传感器[3]。将速度传感器固定在婴儿学步车稳定的支架上，速度传感器可以实时监测小车的速度并可以实时将数据显示在家长的手机APP上，当小车的速度达到一定的阈值时，线速度传感器将数据反馈给单片机，单片机将通过控制婴儿学步车的车轮来保障婴幼儿的安全，与此同时再通过WiFi模块将危险信息发送给家长的手机APP上。线速度传感器是一种能将接收到的速度变化量转换为电信号变化量的装置，常见的线速度的测量原理有激光测速和雷达测速，如图2所示。

利用激光测速的线速度传感器在正常工作时，先由激光发射口发射激光，激光遇到物体发生散射，部分激光被摄像接收口接收并将信号反馈给信号处理器，最后信号处理器根据算法得到婴儿学步车的线速度[4]。

1.4 WiFi模块

普遍的WiFi模块可大致分为3类：通用WiFi模块、路由器WiFi模块和嵌入式WiFi模块[5]，通用WiFi模块主要应用于手机、电脑等电子设备，路由器WiFi模块主要应用于家用路由器上，嵌入式WiFi模块主要应用于物联网等智能家居。在婴儿学步车上可以利用嵌入式WiFi模块给手机APP实时发送数据信息，让家长真正地能够放心。

1.5 刹车控制系统

婴幼儿使用的学步车的车轮都一般为自由轮，为了适应婴幼儿这种特殊群体，可以采用两种方法进行刹车控制：一是齿轮刹车法，将车轮上的齿轮卡住，直接锁死车轮;二是刹车片刹车法，通过刹车片对车轮产生摩擦力刹车（摩擦力在90～300N），并可以根据小车速度控制刹车的力度，这样可以防止惯性对宝宝造成伤害。

学步阶段的婴幼儿在正常使用学步车时的线速度在1m/s内，可以将此速度作为速度传感器的阈值，若婴幼儿学步车上的速度传感器监测到线速度超过这个阈值，则传感器将数据反馈给单片机，单片机最后控制刹车片进行防抱死刹车，防止学步车的惯性对宝宝造成伤害。当高度传感器监测到婴幼儿学步车靠近楼梯等有侧翻危险区域时，需要采用齿轮刹车法直接在最短时间内锁死车轮。

2  结语

这种拥有安全监测与控制系统的婴儿学步车能够更好地让婴幼儿在使用时让盆骨、腿骨正常发育，3种传感器模块（高度、压力和速度传感器）以及WiFi模块的关联能够让家长通过手机APP实时了解到孩子在婴儿学步车上的动态，同时婴儿学步车利用自身的监测与刹车控制系统也能及时地避免婴幼儿受到不可控制的意外伤害。

参考文献

[1] 王淑娴.婴幼儿学步车的安全性设计研究[D].河北科技大学，2018.

[2] 吴磊.核电工程混凝土骨料液氨风冷系统安全监测监控技术应用[J].科技资讯，2018，16（35）：81-83.

[3] 姚卫国.计算机软件安全检测技术方法研究讨论[J].计算机产品与流通，2018（11）：15.

[4] 高鑫帅.计算机软件安全检测技术方法研究讨论[J].科技资讯，2019，17（2）：50-51.

[5] 王燕.基于WiFi模块的多路灯光控制系统开发[J].电子世界，2015（17）：180-182.

[6] 孟凡腾，赵瑞收，李昭颖，等.基于物联网的智能壁炉监测与控制系统设计[J].信息記录材料，2020，21（1）：197-200.