一种智能婴儿摇篮
技术领域
本实用新型涉及一种智能婴儿摇篮。
背景技术
现如今科技飞速发展、生活节奏加快，越来越多的智能设备出现在我们的生活中，很多智能设备可以帮助人们提高工作效率、减轻工作强度。现有的摇篮功能减低，缺乏针对环境和婴儿体征的全方位电子监控，无法满足人民群众的需求，因此，有必要设计一种智能婴儿摇篮。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种智能婴儿摇篮，该智能婴儿摇篮功能完善，且易于实施。
实用新型的技术解决方案如下：
一种智能婴儿摇篮，包括MCU、环境监测模块、体征检测模块、温控模块以及发声模块；
所述的环境监测模块、体征检测模块、温控模块以及发声模块均与MCU相连；
所述的体征检测模块包括睡姿检测模块；
所述的睡姿检测模块包括设置在智能婴儿摇篮中(具体设置在婴儿躺着的位置)的传感器阵列，传感器阵列为方形阵列或环形阵列(环形阵列是指多个传感器成多圈同心圆方式排布，如每一圈的传感器数量课可以相等，也可以内到外数量依次增多)；方形阵列由多个压力传感器呈多行多列布置而成；
传感器阵列的多个信号输出端分别对应接MCU的多个IO端口，IO端口的数量与传感器的数量相同。
所述的方形阵列包括12个压力传感器，呈3行4列排布。
信号输出端通过比较电路与MCU的IO端口相连；
所述的比较电路由电压跟随器与比较器级联而成；
比较电路包括运算放大器A1和A2；
运算放大器A1的同相输入端接压力传感器的信号输出端Vin，运算放大器A1的输出端与反相输入端相连；
运算放大器A1的输出端还经电阻R11接运算放大器A2的同相输入端，参考电压端ref经电阻R22接运算放大器A2的反相相输入端，运算放大器A2的输出端Vout作为比较电路的输出端接MCU的一个IO端口。该电路为高阻抗信号比较电路，具体采用LM324AD型运放，参考电压端ref可以是分压电路而来，可以是2V或2.5V。
MCU还连接有无线通信模块；无线通信模块为WiFi模块或3G、4G或5G模块。WiFi模块为ESP8266型WiFi模块。
环境监测模块包括DHT11型温湿度传感器、MQ7型一氧化碳气体传感器中的至少一种。
发声模块包括YS-XFSV2型语音合成模块、YS-M3型语音播放模块以及扬声器。
MCU为单片机或DSP，所述的MCU为STM32F103ZET6型器件。
温控模块为XH-W1209型温控模块。
MCU还连接有显示屏，显示屏上具有背光调节电路。
本方案中的MCU为现有成熟器件，因此不涉及任何程序和方法，属于实用新型的保护客体。
有益效果：
本实用新型的智能婴儿摇篮应用于家庭婴儿的看护，以STM32作为主控芯片，采用当前热门的物联网技术将婴儿摇篮变成一款智能家居产品。用户可以实时监测婴儿周围的环境状况和控制婴儿摇篮外置的设备。系统检测到异常情况会及时警报(通过扬声器和通信模块实施报警)，为婴儿安全提供保障。系统中，具有MLX90614红外测温模块、MQ7一氧化碳气体传感器、DHT11温湿度传感器、DS18B20温度传感器、水滴传感器、睡姿检测模块、YS-XFSV2语音合成模块、YS-M3语音播放模块、XH-W1209温度控制模块等实现所需要的功能。
具体的，睡姿检测模块为本实用新型的核心所在，基于阵列式的传感器组，再配合高输入阻抗的比较电路，实现的信号的采集和传输，而且基于阵列式的传感器排布，能检测和监控婴儿的睡姿，具有独创性。
总而言之，这种智能婴儿摇篮功能丰富，能为婴儿提供全方位的监控，适合推广实施。
本实用新型使用非接触式红外测量婴儿体温，当婴儿体温出现异常时可以进行报警。系统具有尿床检测功能，可以在婴儿尿床的时候报提示音提示父母。睡姿检测功能可以检测婴儿睡姿是否正确，睡姿不对的时候提示育儿父母。整个系统成本比较低廉，而且当前市场上此类产品并不成熟，故作为一个开创性的产品如果经过大面积推广后本项目将可以获得极其丰厚的社会效益，将大大提高社会效率。
附图说明
图1为总体结构框图；
图2为12个压力传感器的电路原理图；
图3为12个压力传感器的布置示意图；
图4为比较电路的原理图；
图5为LCD原理图；
图6为LCD背光调节电路原理图；
图7为恒流充电电路的原理图；
图8为倍数可调放大电路的原理图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：
实施例1：如图1-7，一种智能婴儿摇篮，包括MCU、环境监测模块、体征检测模块、温控模块以及发声模块；
所述的环境监测模块、体征检测模块、温控模块以及发声模块均与MCU相连；
所述的体征检测模块包括睡姿检测模块；
所述的睡姿检测模块包括设置在智能婴儿摇篮中(具体设置在婴儿躺着的位置)的传感器阵列，传感器阵列为方形阵列；方形阵列由多个压力传感器呈多行多列布置而成；
传感器阵列的多个信号输出端分别对应接MCU的多个IO端口，IO端口的数量与传感器的数量相同。
所述的方形阵列包括12个压力传感器，呈3行4列排布。
信号输出端通过比较电路与MCU的IO端口相连；
所述的比较电路由电压跟随器与比较器级联而成；
比较电路包括运算放大器A1和A2；
运算放大器A1的同相输入端接压力传感器的信号输出端Vin，运算放大器A1的输出端与反相输入端相连；
运算放大器A1的输出端还经电阻R11接运算放大器A2的同相输入端，参考电压端ref经电阻R22接运算放大器A2的反相相输入端，运算放大器A2的输出端Vout作为比较电路的输出端接MCU的一个IO端口。该电路为高阻抗信号比较电路，具体采用LM324AD型运放，参考电压端ref可以是分压电路而来，可以是2V或2.5V。
MCU还连接有无线通信模块；无线通信模块为WiFi模块或3G、4G或5G模块。WiFi模块为ESP8266型WiFi模块。
环境监测模块包括DHT11型温湿度传感器、MQ7型一氧化碳气体传感器中。
发声模块包括YS-XFSV2型语音合成模块、YS-M3型语音播放模块以及扬声器。
MCU为单片机或DSP，所述的MCU为STM32F103ZET6型器件。
温控模块为XH-W1209型温控模块。
MCU还连接有显示屏，显示屏上具有背光调节电路。
如图6，所述的亮度调节电路包括LED灯串、三极管、电位器Rx和A/D转换器；三极管为NPN型三极管；显示屏的固定架上海设有旋钮开关与电位器Rx同轴相连；
电位器Rx和第一电阻R1串接形成分压支路，分压支路一端接电源正极Vcc，分压支路的另一端接地；电位器Rx和第一电阻R1的连接点接A/D转换器的输入端；A/D转换器的输出端接MCU的数据输入端口；
LED灯串包括多个串接的LED灯；LED灯串的正极接电源正极Vcc；LED灯串的负极接三极管的C极，三极管的E极经第二电阻R2接地；三极管的B极的接MCU的输出端。电源正极Vcc为5V，A/D转换器为8位串行输出型转换器。
MCU还连接有电池，恒流充电电路为锂电池供电，如图7，为锂电池充电的恒流充电电路包括恒压驱动芯片和电流反馈电路；
(1)恒压驱动芯片的电压输出端为恒流充电电路的正输出端VOUT+；恒压驱动芯片的负输出端接地；
恒压驱动芯片由直流电压供电端VIN+和VIN-供电；
(2)所述的电流反馈电路包括电阻R1、R2和R5和参考电压端VREF+；
参考电压端VREF+通过依次串联的电阻R1、R2和R5接地；
电阻R5与R2的连接点为恒流充电电路的负输出端VOUT-；
电阻R1与R2的连接点接恒压驱动芯片的反馈端FB。
恒流充电电路还包括电压反馈电路；
电压反馈电路包括电阻R3和R4以及二极管D1；
电阻R3和R4串联后接在恒流充电电路的正输出端VOUT+与地之间；电阻R3和R4的连接点接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极接恒压驱动芯片的反馈端FB。
具体的，对各模块分别说明如下：
(1)MLX90614红外测温模块
模块功能：应用在婴儿摇篮上用于检测婴儿体温，一旦体温出现异常系统会及时反馈警报信息给育儿父母。
硬件连接：STM32通过IIC接口与模块通信，SCL引脚连接GPIOC-0，SDA引脚连接GPIOC-1，
(2)DHT11温湿度传感器
DHT11温湿度传感器内部包含了一个电阻式感湿元件和一个测温元件，应用数字采集技术将采集到的信息变为数字信号输出，产品具有精确度高、价格低廉、品质卓越、抗干扰能力强的特点。模块功能：在本系统中用于采集湿度信息，当空气比较干燥的时候，系统能够对条件进行综合判断是否打开加湿器，给婴儿提供一个舒适的环境。
硬件连接：STM32通过单总线与模块通信，DATA引脚连接GPIOF-7
(3)MQ7一氧化碳气体传感器
MQ-7一氧化碳传感器用来检测空气中一氧化碳浓度，所使用的气敏材料是空气中电导率比较低的二氧化锡，上电之后传感器进行加热以清除空气中的杂散气体然后输出与当前气体对应的输出信号。
工作原理：有两路信号输出，分别是模拟量输出和TTL电平输出，模拟量端口输出到STM32后可以经过AD转换变为数字量，TTL端口输出只有0和1，可以通过模块的电位器设置检测阈值，模拟量输出0～5V电压，随着CO浓度的增加输出电压也越高。
模块功能：MQ-7可以采集环境中一氧化碳浓度，香烟和燃气泄漏都会使空气质量变坏。如果空气中一氧化碳浓度异常，就会引起婴儿空气中毒，是一件很危险的事情。本系统检测到空气异常时会及时报警，为婴儿安全提供保障。
硬件连接：模块会输出模拟信号到STM32，STM32通过片内ADC外设进行AD转换后就可以得到数字信号，AO引脚连接GPIOC-3。
(4)水量检测模块，采用雨量传感器或水滴传感器。
(5)温度传感器
传感器简介：DS18B20数字传感器提供9位到12位的温度测试，拥有一个警报功能，可以编程通过上升沿或者下降沿触发。DS18B20只有一个数据线，通过单总线进行通信。测温范围-55℃～125℃，在-10℃～85℃区间内精度为±0.5℃。每个DS18B20都有一个独特的64位系列核心，允许多个DS18B20挂在一个总线下面，这是单个MCU控制多个DS18B20变得很简单。
传感器特点：独特的单线接口仅需要一个端口进行通信，每个设备都有一个独特的64位系列核心存储在片上ROM中，不需要外部元器件，电压要求范围3.0V～5.5V，测温范围-55℃～+125℃(-67℉～+257℉)，能够在750ms内将采集的温度装换为12位的数字信号。
传感器功能：对周围环境温度进行测量，将采集到的信息转换为数字信号通过单总线传送到MCU。
硬件连接：STM32通过单总线与模块通信，DATA引脚连接GPIOC-2
(6)睡姿检测模块
传感器简介：睡姿检测传感器采用了压力传感器和阻抗缓冲电路组成，能够检测出婴儿的姿态。
传感器功能：传感器能够检测出当前点的压力情况，通过多个传感器可以判断出当前婴儿睡姿的弯曲度，一旦婴儿睡姿不对系统可以及时通知育儿父母，提醒她们注意婴儿状况。
硬件连接：传感器会输出模拟信号到STM32，STM32通过片内ADC外设进行AD转换后就可以得到数字信号，OUT1～OUT12引脚通过12个比较电路分别连接GPIOA-4～GPIOA-15。
首先在婴儿摇篮布置睡姿检测传感器，在12个位置分别放置一个传感器，通过判断传感器各个点的感应情况从而得到婴儿睡姿，传感器布局如图3所示，两种压力传感器串(由有效信号对应的多个压力传感器的连线组成)分别代表了两种不同程度的侧卧睡姿。
具体检测原理：若某一压力传感器的输出电压超过阈值v0(如1V)，表示该压力传感器输出有效信号，否则输出无效信号；
多个有效信号结合多个压力传感器的位置，可以确定婴儿当前的睡姿；如姿势为直接仰卧，还是某一侧睡姿势；
判断输出电压是否超过v0，通过比较器实现，比较器的参考电压设为v0；由比较器输出高电平(如5V)或低电平(如0.3V)到MCU，具体睡姿通过MCU判断，具体判定过程为现有成熟技术。
(7)XH-W1209温度控制模块
模块简介：这款XH-W1209温度控制模块采用了ST公司生产的芯片控制，NTC热敏电阻高精度测量温度，通过数码管实时显示温度，能够达到很高的控制精度。
该模块主要应用在空调系统、医疗设备、暖奶器等温度保护的场合。
模块参数：主板DC12V供电，控制温度的范围在-50℃～110℃，温度精度可以达到0.1℃，测量输入NTC10K，防水不锈钢探头长度0.5m，继电器可以输出10A电流，模块的刷新频率500ms。
模块功能：在本系统中用于控制恒温床垫的温度，通过设定模块的工作模式、回差、温度校正达到精确控制温度。
硬件连接：K1引脚连接继电器P1的K1引脚，K2引脚连接继电器P1的K2引脚
(8)YS-XFSV2语音合成模块，以及YS-M3语音播放模块，扬声器。
模块简介：XFS5152CE是科大讯飞公司生产的语音合成芯片，集成度很高可以实现中英文混读、语音编码解码、用户录音和播放，可以通过发送数据指令控制音量大小、语速快慢、切换发音人，功能十分强大。模块功能：XFS5152CE支持任意中英文合成，能够分辨常见的数字号码日期等，主要应用于考勤机、公交车语音报站器、智能仪器等电子产品。
YS-M3语音播放模块拥有9个触发引脚，分别是A1～A9，支持单键触发模式和编码触发模式。单键触发模式通过单个IO触发，只要向A1端口提供低电平就马上播放第一首歌；编码触发模式下A1～A5为编码接口，使用二进制的反码编码方式，能够控制31首歌。模块功能：本系统中用于播放音乐，闹钟时间到会自动播放乐音提醒育儿父母，还可播放摇篮曲促进婴儿睡眠。
模块简介：扬声器直径4CM、电阻8Ω、功率0.5W，额定阻抗8±15％Ohm，额定共振频率570±20％Hz，额定特性灵敏度级93±3dm，最大输入功率800mW。
(9)TFT-LCD液晶显示屏
模块简介：TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)全称是薄膜晶体管液晶显示器。本项目中显示屏采用了正点原子的2.8寸液晶显示屏，是一款电阻屏支持单点触控，分辨率为240*320(RGB)，显示AA区尺寸为4302*57.6，像素点的间距为0.18mm*0.18mm，供电电压为3.3V，驱动芯片为ILI9341，LED背光为4颗白色高亮LED。
工作原理：STM32F103ZET6自带FSMC接口，FSMC含义是灵活的静态存储器控制器，FSMC接口直接与芯片内部总线相连，数据刷新速度非常快，常用于连接SRAM、PSRAM、FLASH等存储器，因为TFTLCD自带GRAM显存，所以可以把TFTLCD当成SRAM设备用，使用FSMC接口会极大提高屏幕刷新速度。
(10)WiFi模块
模块简介：WiFi模块选用了乐鑫信息科技公司生产的ESP8266模块，该模块支持802.11b/g/n协议，内置了32位低功耗MCU、TCP/IP协议栈、TR开关、功率放大器和匹配网络，支持AT远程升级及云端OTA升级和STA/AP/STA+AP工作模式，芯片包含UART、I2C、PWM、GPIO等外设。
由于系统具有WiFi模块，因此，能在智能手机端监控婴儿的状态。
图8为倍数可调放大电路，该电路接在MCU与温度传感器(或水量传感器)之间，用于对传感器采集的信号进行放大。
电路具体结构和原理说明如下：
传感器的输出端Vin经电阻R0接运算放大器U1的反相输入端；运算放大器U1的同相输入端经电阻R06接地，运算放大器U1的同向输入端还分别经4个电阻R01-R04接四选一选择器的4个输入通道，四选一选择器的输出通道接运算放大器U1的输出端Vout，Vout接MCU的ADC端；
MCU的2个输出端口分别接四选一选择器的通道选端A和B；
运算放大器U1采用LM393器件。
Vout与Vin的计算公式：
Vout＝Vin*(Rx+R0)/R0；其中，Rx＝R01，R02，R03或R04；基于选通端AB来确定选择哪一个电阻；且R01，R02，R03和R04各不相同；优选的R04＝5*R03＝25*R02＝100*R01；R01＝5*R0.可以方便地实现量程和精度切换。
