CN101366582A - 健康智能婴儿床 - Google Patents

Abstract

随着时代的发展和社会的进步，越来越多的医学界和家庭都认识到对婴幼儿早期看管、开发和教育的重要性。一张合适的婴儿床无论是对从小培养孩子的独立能力，还是保证孩子安全上，都显得至关重要。同时针对家长为孩子准备婴儿床的同时，还需为孩子准备一个合适的婴儿车，增大了消费量的问题基础上，设计的一款家用型健康智能婴儿床。该床采用常见金属构架，可拆分为外床和内床两部分。内床可脱离外床独立折叠成遮阳婴儿车、幼儿木马、学步车。外床安有SPCE061A核心控制芯片，具有对床内温度、湿度和孩子安全进行实时检测报警，语音播报孩子尿床，声控摇床、玩具，空气净化等功能，实现了对婴儿床的智能控制，促进婴幼儿健康成长。

Description

健康智能婴儿床

该健康智能型婴儿床采用常见金属构架，可拆分为外床和内床两部分。内床可脱离外床独立折叠成遮阳婴儿车、幼儿木马、学步车。外床安有SPCE061A核心控制芯片，具有对床内温度、湿度和孩子安全进行实时检测报警，语音播报孩子尿床，声控摇床、玩具，空气净化等功能，实现了对婴儿床的智能控制，促进婴幼儿健康成长。

一.技术领域

该发明涉及电子、机械、控制等技术领域

二.背景技术

随着时代的发展和社会的进步，越来越多的医学界和家庭都认识到对婴幼儿早期看管、开发和教育的重要性。一张合适的婴儿床无论是对从小培养孩子的独立能力，还是保证孩子安全上，都显得至关重要。在婴儿早期看管中，家长稍有不慎，时常会发生婴幼儿磕磕碰碰、幼年抑郁和因喂奶、换尿布、保暖不及时等疏忽导致的各种不同严重程度的并发症。为了避免这些，对于婴儿就需要专人专门照看。这给年轻的父母亲带来身心上极大摧残和精力上的负担，长期休息不好，影响正常的工作与生活。针对于此，我们推出这款家用型“健康智能婴儿床”。

大量市场调研显示，总结目前国际市场上最为先进及畅销的婴儿床都是人力推动，依赖人的护理，没有自动功能。主要有以下几个种类：轻质婴儿床、可折叠婴儿床、双层婴儿床等，功能较为单一，且多数在其材质上加大科技含量，却忽视了产品功能的开发。由此可见，市场上现有的婴儿床已无法满足现今高科技社会的新生儿家庭，此产品如上市，无疑为新生儿父母提供了一个方便、轻松、安逸的呵护空间，也为婴儿的成长提供了一个舒适的环境。综上基础上确立了此课题。

三.发明内容

1.智能型婴儿床的总体结构设计

我们将婴儿床分为“外床”和“内床”两大主要部分，根据其不同功能分别设计机械结构。“内床”可以分离开外床体，独立折叠成为遮阳婴儿车、幼儿木马、学步车。而“外床”则加以自动控制，使其具有各项智能功能，最终完成组合在一起并使之具有稳定性。

1.1 总体机械结构设计

据市场调研显示，普通婴儿床只供1—2岁的婴幼儿使用，而该婴儿床采用特殊机械结构，整体分为外床和内床两部分。内床适合1—2岁婴幼儿使用；外床适合2—5岁孩子使用，装有各种智能控制。这种机械结构设计无疑增加了婴儿床的使用寿命。

1.1.1 内部摇床

内床与外床结合做为摇床，适合1——2岁婴幼儿在室内应用，同时也可在外出时折叠成遮阳的婴儿车。且在车轮的下部具有锁住功能，使婴幼儿在外出途中更为安全，具有较好的稳定性(见说明书附图4)。若在外出途中若孩子睡着，家长可随时随地的把它变成简易婴儿床，操作容易。也可在家中折叠成简易幼儿木马和学步车，进一步帮助婴幼儿安全娱乐和学习走步。

1.1.2 外床床体

外床床体采用市场上常见的婴儿床的外型和结构，并针对其特点进行适当的改装和加工，使其可以适应安装电器控制部分和稳定安装内部摇床。当婴幼儿成长的不再适于内床居住时，可将内床拆除分离开外床体，外床的设计大小可适合2——5岁孩子使用，并装有各种智能控制，使用稳定安全。

2.控制系统及硬件功能实现

控制系统是婴儿床的智能核心部分之一，它决定了婴儿床的功能能否准确实现和性能的优劣。常用的控制系统有集中控制系统、主从控制系统和分布式控制系统。由于婴儿床不需要进行繁杂的任务规划工作，所以采用集中控制系统最为合适。智能婴儿床最重要的工作是自动照看婴儿，实时检测各种外界环境，以保证婴儿在床内的安全和健康。在本系统中，采用易于实现的单片机系统来搭建控制平台。控制系统的硬件平台由单片机系统板和各控制模块组成。(控制系统的总体结构框图见说明书附图1)

2.1 核心控制器

SPCE061A是凌阳推出的μ＇nSP(Microcontroller and Signal Processor)16位微控制器，该控制器资源丰富，具有极高的性价比，它内置32K字Flash，2K字SRAM，CPU时钟最高达49.152M赫兹，32位I/O端口，2路D/A转换，8路A/D转换，14个中断源以及可在线仿真等，使得SPCE061A的工控能力非常强，可很容易地实现婴儿床的控制，另外，它采用CMOS制造工艺，同时增加软件激发的弱振方式，空闲方式和掉电方式，极大地降低其功耗，并能在低电压供电(最低至2.4V)时正常工作，这对婴儿床对电源的要求有着特殊的意义。另外凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准C语言，可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用，并且，提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就会很容易完成等领域。语音录放，这些都为婴儿床的软件开发提供了方便的条件，据此选用它作为婴儿床的核心控制器。其特性如下：

■16位μ’nSP微处理器；

■工作电压：VDD为2.4~3.6V(cpu)，VDDH为2.4~5.5V(I/O)；

■CPU时钟：32768Hz~49.152MHz；

■内置2K字SRAM、内置32K FLASH；

■可编程音频处理；

■32位通用可编程输入/输出端口；

■32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；

■2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；

■2个10位DAC(数-模转换)输出通道；

■7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器；

■声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能；

■系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2μA@3.6V；

■14个中断源：定时器A/B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等；

■具备触键唤醒的功能；

■使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；

■具备异步、同步串行设备接口；

■具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；

■内置在线仿真电路接口ICE(In-Circuit Emulator)；

■具有保密能力；

■具有WatchDog功能(由具体型号决定)

2.2 电源的变压稳压设计

本系统中，采用10W变压器将220V变为30V，再经过整流和稳压把交流电变成可供本系统使用的直流电。为了给数字部分的电路提供5伏的稳定电源，我们选用的是美国德州仪器公司生产的芯片：uA7805。它的输入电压范围是7-25伏；输出电压的范围是4.8-5.2伏。该芯片除了具有良好的稳压功能外，还包含过载保护电路，散热电路，限流电路等。

2.3 功能模块的实现

2.3.1 液晶显示、键盘、语音播报模块

本系统采用外接键盘设置，用户通过按键来触发单片机的功能模块，使单片机实现液晶对应同步显示汉字提示和操作内容，并自动语音播报的功能。系统中，使用的液晶是JM12864M汉字图形点阵液晶显示模块，它可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及64X256点阵显示RAM(GDRAM)。(此模块的硬件原理见说明书附图2)

2.3.2 温、湿度实时检测模块

该模块主要功能是对床内温、湿度进行实时监测。医学界调查表明1—5岁的婴幼儿最适宜的生活环境温度要求在22℃—24℃，湿度在50％—63％，温、湿度过高或过低无疑都会给婴幼儿的成长发育带来众多不良影响。针对于此，床内安有温、湿度传感器，当温度、湿度偏高或者偏低时，都会有语音报警，使父母能及时发现宝宝的不良情况并采取有效措施，确保宝宝健康成长。

温、湿度检测模块以JCJ100K温湿度传感器为核心，该传感器为壁挂式传感器，湿度传感器采用具有专利技术的固态聚合物结构的湿敏电阻原件，温度部分采用NTC或进口铂电阻Pt100作为敢问原件具有以下功能特点：

◆全量程模拟量输出线性好。

◆宽量程精度高、稳定性好，年漂移量很小。

◆一致性好，使用寿命长。

◆响应速度快，温度系数小。

◆互换性好，传感器可以互换。

◆长期过饱和下脱湿快。

◆使用方便，性价比高。

2.3.3 红外安全检测、声控玩具、语音识别模块

此模块在用户按下键3“自动看护”键时启用。是针对孩子好动的特点设计的，在床的四周合理的位置安装红外对管传感器TX05D，用于对孩子的安全进行检测。当孩子睡醒觉开始乱动或是身处危险位置时，床体会播报语音“您的宝宝乱动了”发出报警提示给家长，以确保孩子的安全性，同时可以排解家长在孩子熟睡时担心孩子醒后乱动，不能离开的烦恼。

此模块启用后还具有语音识别和声控触发功能。当婴儿啼哭时，喇吧传出母亲安抚声“宝宝乖，别哭”，然后床会能自动轻轻自由左右摆动，摆角不大于15°，从而使婴儿停止啼哭，减免他的不安，使婴儿很快进入梦乡，大人不必费力用手摆动摇床。此外家长在哄孩子，教他们说话时，根据不同的语言可以触发不同的玩具。比如家长家孩子说“妈妈”，婴儿床也会说“妈妈”，然后电动玩具发声发光，供孩子娱乐。各调查表明，婴幼儿时期孩子的模仿能力极强，这样的设计有助于早期开发孩子开口说话。

2.3.4 空气净化、安全风扇模块

在内床的下部分安有活性炭的自动空气净化器，可以过滤空气中的氯气和粉尘，使床内始终保持新鲜的空气，使孩子更健康的成长。同时在此模块中具有全封闭安全风扇功能，在炎炎夏日起动风扇可以起到降温与通风作用，风力大小柔和程度可以自主调节，使宝宝的睡眠环境更加舒适，更避免了婴幼儿在夏日里被热痱子的困扰，提高睡眠质量。

2.3.5 婴儿尿床检测播报模块

当婴儿尿湿时能发出语音报警，提醒家长及时更换尿布，保持婴儿肌肤干爽，对婴儿由于尿湿导致的感冒、支气管发炎，裆部湿疹、哭闹等均有显著预防功效，提醒及时，是婴儿健康成长的必备佳品，宝宝身心发展的超级护理，婴儿尿湿提醒器可精心呵护您的孩子，给父母带来方便。

2.3.6 可调光照明灯模块

专业人士介绍，婴儿一般都害怕黑暗，在床内安装可调柔光灯能使宝宝消除害怕心理，该灯可以根据需要调节亮度，节电、柔和。

四.附图说明

图1是控制系统的总体结构框图

图2是液晶显示、键盘、语音播报模块硬件原理图

图3是床体总机械设计结构实物图

图4是折叠为遮阳婴儿车的内床床体图

图5是主程序流程图

图6是液晶显示模块流程图

图7是SACM-S480自动方式流程图

图8是温湿度检测程序流程图

图9是语音训练程序流程图

图10是语音识别程序流程图

五.具体实施方式

1.课题研究的阶段进程

1)根据题目的实际需要，提出几套方案进行比较，确定婴儿床的总体结构。

2)根据总体目标，通过市场调查和资料搜集，进行技术可行性论证。

3)确定婴儿床的机械结构。

4)研究婴儿床的总体控制方案，设计控制系统电路。

5)编制控制程序，并将结果仿真。

6)进行婴儿床的组装和调试。

2.研究目标及需解决的关键问题

婴儿床系统所要完成的最基本的任务，即该系统的研究目标是：稳定实现婴儿床的机械结构和智能控制。需要考虑和解决的关键问题有：

a)婴儿床尺寸计算正确，适宜婴幼儿生长发育。

b)严格按照1—5岁婴幼儿的体重设计窗体所能承载的孩子的质量，确保机械结构坚固、承载能力强。

c)对于婴儿床的电子控制部分要具有教高的稳定性和安全性。

d)婴儿床各部分应具有高可靠性，在任何干扰下不死机，不失控。

e)婴儿床应具有较高的可维护性和可操作性，机械、硬件的设计应保证便于安装测试和检修。

3.系统软件程序设计及调试结果分析

3.1 软件调试环境及控制程序设计

一般来说，好的调试环境，好的算法，好的任务安排将决定我们的控制系统是否高效率，是否高稳定性。下面将简单介绍我们的调试环境的搭建，和数据的处理及程序流程，并分析调试结果，提出了解决措施。

SPCE061A单片机单片机是一种常用芯片，通常采用IDE1.16.1开发调试，IDE1.16.1调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。IDE1.16.1集成开发环境使用标准的Windows95/98/2000/XP作为界面。将调试好的程序写入SPCE061A芯片。我们只需有一台运行Windows(95/98/Me/NT)带空闲的COM口和USB口的电脑，就可以进行开发工作了。

本系统的软件编写实际上是用C程序的编写，是采用积木式模块化处理，各功能模块既相互联系，又能自成一体模块法的方法。这样编写的程序便于调试，同时结构清晰，容易读懂，便于以后的维护。

3.2 程序流程与模块软件设计

3.2.1 主程序流程图

在主循环中反复进行键盘输入扫描，读取相应IO端口的值，并进行去抖动处理，即在探测到有按键按下后，延迟一定时间再重新探测键值，并判断是否与上一次的探测值相等，如果相等则继续进行下面的处理。根据探测的键值类型，进行相应的处理。(其主程序流程图说明书附图5)

3.2.2 液晶显示、语音播报子程序设计

液晶初始化包括液晶的清屏、正向排序、反向排序和开LCD显示，这些都是通过设置命令字来实现的。(程序设计见说明书附图6)

语音播报使用SACM-S480自动方式。(程序流程说明书附图7)

3.2.3 温、湿度实时检测子程序设计(见说明书附图8)

3.2.4 红外安全检测、声控玩具、语音识别子程序设计

语音的识别取材于凌阳语音库bsrv222SDL.1ib及相关头文件，如bsrSD.h。SPCE061只有特定发音人模式，即只能辨识特定的使用者，辨识前需由单个人训练，且最多识别6条命令，序号范围从0x100到0x105，每条命令只有1.3秒，超出了1.3秒只有前1.3秒命令有效。(训练模块和语音识别框图说明书附图9、附图10)

4.系统的抗干扰措施

我们设计单片机控制系统在实际应用时，不仅有数字电路，而且有模拟电路，形成一个强电与弱电、数字与模拟共存的局面。高速变化的数字信号有可能对模拟信号形成干扰。此外，在强电设备中往往有电感、电容等储能元件，当电压、电流剧烈变化时就会形成瞬变噪声干扰。瞬变噪声频谱宽、能量大，对电子器件，尤其对固体组件的危害性更大，也是导致设备故障停机的主要原因。下面将分析干扰产生的原因及带来得后果，并给出解决办法。

4.1 硬件抗干扰措施

采用硬件抗干扰技术是设计系统时首选的抗干扰措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。从硬件方面提高单片机控制系统的抗干扰措施主要从以下几个方面着手：

1、精心选择元器件要选择那些集成化程度高，抗干扰能力强，功耗又小的电子器件。

2、由于一般有用信号只处于某一段频率，因此可以选择适当的滤波器将信号以外频率成分的信号(噪声)衰减掉，起到滤波的作用。例如，电源电路的电解电容可以衰减低频噪声信号，小电容(0.01uF)可以滤除高频噪声。

3、由于数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流，并在传输线和共用电源的内阻上产生较大的压降，形成严重的干扰，为了抑制这种干扰，可以在电路中适当配置去藕电容。

4、我们设计将单片机控制系统的数字地和模拟地严格的区分开，并且只能在一点将两者相连接地。这样就可以防止数字信号和模拟信号互相干扰。

5、由于干扰，系统在运行时，有时会出现程序跑飞或陷入死循环，这时可以用看门狗电路来处理，使系统重新运行，从而摆脱死循环进入正常工作。

4.2 软件抗干扰措施

尽管采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因很复杂，且具有很大的随机性和很宽的频带，硬件抗干扰措施只能抑制某些频率段的干扰，因此难以保证系统完全不受干扰。我们从以下几个方面着手在软件上提高单片机控制系统的抗干扰性。

(1)、数字滤波

我们对输入到单片机中的信号在进行A/D转换后采用数字滤波技术来去除外界的干扰信号。在采样的过程中，系统将每三个采样值计为一组。单片机先对每一组中的三个数值进行比较判断，去除最大值和最小值，只保留中间值。

(2)、指令冗于

当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。这时我们首先要尽快将程序纳入正轨(执行真正的指令系列)。

(3)、设立软件陷阱

在焊接过程中，当系统程序正在运行的时候，如果受到了外界因素的干扰，程序的计数器出现错误，会导致程序跳出、系统失控的严重后果。为了消除这一严重隐患，我们在单片机控制系统的程序存储器EPROM中，每隔一些指令就设置几个连续的返回指令(RET)或空操作指令(NOP)。这样，出现程序一旦失控，也会在跳到这些返回指令单元或空操作单元后，使系统自动复位或继续执行后面的程序。

(4)、设立时间监视器

为了防止程序陷入死循环或飞出，我们设置有一种时间监视器(watchdog)，用来监视程序的正常运行。该监视器电路由计数器组成，计数器对系统时钟计数。在正常的情况下，每隔一段时间，程序会对计数器清零。如果一旦发生程序失控的现象，计数器就会计满而溢出。该溢出信号就会产生一个复位信号，使得程序重新启动，避免了严重后果的产生。

5结果分析及相应的措施

经过婴儿床实验运行发现，婴儿床在机械机构方面还有一定的缺陷；有些结构需要进一步改进才更方便使用。在功能模块的设计上还有不理想的地方，有时检测出现误差等。在我们进行了大量实验后，将对摇床部分进行改进，对电气部分合理布线。以增强系统的稳定程度。达到健康安全智能的目的。

Claims (10)

1.内床既可以与外床结合做为摇床，又可拆卸下来独立变为遮阳的婴儿车、婴儿木马和婴儿学步车

2.智能控制部分具有液晶显示、键盘、语音实时播报

3.温、湿度实时检测，温湿度值偏高、偏低自动语音播报

4.红外实时检测孩子安全，一旦孩子身体某部分伸出床体，自动语音播报

5.声音触发床上的智能玩具，教孩子说话

6.检测孩子尿床时自动语音播报

7.启用自动看护功能后，当婴儿哭泣时内床床体自动摇摆

8.床下安有活性碳的空气净化器，过滤空气中氯气和粉尘

9.内床底部安有安全封闭风扇，风朝孩子睡觉的内床底部吹，风力大小可以调节

10.床上装有可调光的控制灯，节能省电

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