若该文为原创文章，转载请注明原文出处。

一、引言

（一）研究背景及意义

随着社会发展和生活水平的提高，新一代父母对育儿产品的智能化、安全性和便捷性提出了更高要求。传统的婴儿床功能单一，无法对婴儿的生理状态和睡眠环境进行有效监控，看护人员需时刻保持警惕，精神压力大。将现代传感器技术、物联网技术与传统婴儿床相结合，设计一款能自动响应婴儿需求、并及时向家长报警的智能系统，具有重要的现实意义。它不仅能减轻家长的看护负担，更能通过持续稳定的监控，为婴儿提供更安全、舒适的睡眠环境，有效防止因呛奶、高热、尿湿等引起的健康问题。

（二）国内外研究现状

目前，国内外智能婴儿床市场正处于快速发展阶段。国外如Snoo Smart Sleeper等高端产品已实现了自动摇晃、白噪音安抚等功能，但价格昂贵且未全面引入远程监控。国内多家公司也推出了集成音乐播放、尿湿报警功能的婴儿床，但多数产品功能相对独立，未形成完整的闭环控制系统，物联网应用深度不足。学术界的研究多集中于单一功能的实现，如基于压力传感器的睡眠姿态监测、基于图像识别的行为分析等，但将多传感器信息融合，并通过本地自动控制与远程云平台监控相结合的综合系统仍有较大的研究和开发空间。本设计旨在填补这一空白，提供一个高性价比、高集成度的解决方案。

二、系统总体设计

（一）系统架构

本系统采用分层分布式架构，由感知层、控制层、执行层和云平台层组成。

1. 感知层： 由各类传感器构成，负责采集环境数据，包括声音传感器、温度传感器、湿度传感器。

2. 控制层： 以STM32单片机为核心，作为系统的大脑，负责处理传感器数据、执行控制算法、驱动执行器并与云平台通信。

3. 执行层： 接收控制层的指令，执行具体动作，包括继电器（控制加热片、风扇）、蜂鸣器、步进电机（摇篮）、OLED显示屏。

4. 云平台层： 通过ESP8266模块将数据上传至物联网云平台，用户可通过手机APP或网页远程查看数据和下发控制指令。

（二）功能模块划分

1. 数据采集模块： 声音检测、温度检测、湿度检测。

2. 核心控制模块： STM32主控制器。

3. 人机交互模块： OLED显示、按键输入。

4. 执行输出模块： 音乐播放（通过STM32驱动蜂鸣器或SD卡模块播放）、摇篮控制（步进电机）、温度调节（继电器控制加热片/风扇）、声光报警（蜂鸣器）。

5. 通信模块： ESP8266 WiFi无线传输。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

系统硬件配置与功能说明表

1. 主控单元

器件名称	推荐型号	接口	功能说明
STM32单片机	STM32F103C8T6	-	作为系统核心，负责处理所有传感器数据、执行复杂的逻辑判断、控制各执行器、以及与WiFi模块通信。

2. 传感器与输入单元

器件名称	推荐型号/类型	接口	功能说明
声音传感器	声音检测模块	ADC	检测婴儿的啼哭声或声响。输出模拟电压信号，声音越大电压越高。STM32通过ADC读取并设定阈值来判断是否有有效哭声。
体温传感器	MLX90614	I²C	非接触式红外测温传感器。无需接触婴儿皮肤即可测量额温或体表温度，安全卫生。通过I²C接口直接输出数字温度值，精度高。（比DS18B20更适用）
湿度传感器	电容式湿度传感器	ADC	安装在床垫下方，检测床垫湿度。尿床后湿度会显著增加。输出模拟电压信号，STM32通过ADC读取判断是否尿床。
按键模块	轻触开关	GPIO	用于手动控制摇篮开关、音乐播放、设置温度报警阈值等。

3. 执行器与输出单元

器件名称	推荐型号/类型	接口	功能说明
MP3播放模块	YX5300	UART	接收STM32通过串口发送的指令，播放内置TF卡中的睡眠曲或其他安抚音乐。比简单的蜂鸣器播放音乐效果更好。
加热继电器	5V 继电器模块	GPIO	控制低压加热片或小功率电热毯的电源。STM32输出高电平驱动继电器吸合，开始加热。必须使用安全低压加热方案，绝对禁止直接控制220V加热设备！
风扇继电器	5V 继电器模块	GPIO	控制5V小风扇的电源，用于为婴儿降温。
步进电机与驱动	28BYJ-48 + ULN2003	GPIO	用于模拟摇篮的摇摆功能。STM32通过GPIO输出脉冲序列给ULN2003驱动器，控制步进电机的旋转角度和速度，从而实现柔和、可控的摇摆。
有源蜂鸣器	5V有源蜂鸣器	GPIO	用于发生紧急情况（高烧、尿床）时发出报警声，提醒看护人。
OLED显示屏	SSD1306	I²C	本地实时显示核心数据：婴儿体温、床铺湿度、当前系统状态（加热/降温/摇摆/报警），让看护人一目了然。

4. 通信单元

器件名称	推荐型号	接口	功能说明
WiFi模块	ESP-01S	UART	STM32通过串口以AT指令与ESP8266通信，将所有的传感器数据、报警信息（尿床、高烧）和设备状态上传至云平台（如阿里云、OneNet），父母可通过手机APP远程实时监控。并可远程控制摇篮、音乐等。

5. 电源单元

器件名称	推荐规格	功能说明
电源适配器	5V/3A 开关电源	为整个控制系统（STM32、传感器、模块、步进电机）提供稳定的5V电源。功率需足够驱动步进电机。

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

1. IDE： STM32CubeIDE

2. 库： 使用HAL库进行开发，提高开发效率。

3. 配置工具： 使用STM32CubeMX进行图形化引脚配置、时钟树配置和外设初始化代码生成。

（二）系统软件流程图

（三）系统初始化

// Generated by CubeMX
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_I2C1_Init();
MX_TIM1_Init(); // For PWM Buzzer
MX_USART1_UART_Init(); // For ESP8266
MX_USART2_UART_Init(); // For Debug

// Manual Init
OLED_Init();
DS18B20_Init();
printf("System Init Success!\r\n");

（四）传感器数据采集与处理

// 读取DS18B20温度
float Read_Temperature(void) {
    if(DS18B20_Start()) return ERROR;
    HAL_Delay(10);
    if(DS18B20_Read(&tempData)) return ERROR;
    return (float)tempData / 16.0; // Convert to float
}

// 读取湿度传感器 (ADC)
uint16_t Read_Humidity(void) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 50);
    return HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}

（五）自动控制逻辑实现

void Auto_Ctrl_Loop(void) {
    // ... (Get sensor values first)

    // 1. Sound Control
    if(soundDetected == 1) {
        Play_Music();
        Start_Cradle(); // Start Stepper Motor
        HAL_Delay(10000); // Play for 10s
        Stop_Cradle();
        Stop_Music();
    }

    // 2. Temperature Control
    if(temp < 35.0) {
        HAL_GPIO_WritePin(HEATER_GPIO_Port, HEATER_Pin, GPIO_PIN_RESET); // Heater ON
        HAL_GPIO_WritePin(FAN_GPIO_Port, FAN_Pin, GPIO_PIN_SET); // Fan OFF
        buzzer_off();
    } else if(temp >= 37.0 && temp < 38.0) {
        HAL_GPIO_WritePin(HEATER_GPIO_Port, HEATER_Pin, GPIO_PIN_SET); // Heater OFF
        HAL_GPIO_WritePin(FAN_GPIO_Port, FAN_Pin, GPIO_PIN_RESET); // Fan ON
        buzzer_off();
    } else if(temp >= 38.0) {
        HAL_GPIO_WritePin(FAN_GPIO_Port, FAN_Pin, GPIO_PIN_SET); // Fan OFF
        buzzer_on(); // Alarm!
    } else {
        // Normal state, turn everything off
        HAL_GPIO_WritePin(HEATER_GPIO_Port, HEATER_Pin, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(FAN_GPIO_Port, FAN_Pin, GPIO_PIN_SET);
        buzzer_off();
    }

    // 3. Humidity Control
    if(humidity_value > HUMIDITY_THRESHOLD) {
        buzzer_on(); // Wet Alarm!
    }
}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

1. 单元测试： 对每个模块进行单独测试，如给温度传感器加热/降温，观察OLED显示和继电器动作；模拟声音，测试音乐和电机等。

2. 集成测试： 将所有模块连接，模拟真实婴儿场景（如播放哭声录音、用热毛巾模拟高温、滴水模拟尿湿），测试系统整体逻辑的正确性。

3. 压力测试： 长时间运行系统，检查是否出现死机、内存泄漏、数据漂移等问题。

4. 通信测试： 在不同网络环境下，测试云平台数据上传和下发的稳定性与延迟。

（二）测试结果与分析

测试项目	测试条件	预期结果	实际结果	结论
温度控制	T=34°C	加热开启	加热继电器吸合	正常
	T=37.5°C	风扇开启	风扇继电器吸合	正常
	T=38.5°C	风扇关闭，报警	风扇关闭，蜂鸣器响	正常
声音触发	播放婴儿哭声	播放音乐，摇篮摆动10s	音乐播放，电机转动	正常
尿湿报警	传感器沾水	蜂鸣器报警	蜂鸣器响起	正常
云平台通信	手机APP操作	远程控制摇篮开关	电机正确响应指令	正常（偶有网络延迟）

（三）系统优化

1. 软件优化： 引入状态机编程，将主循环中的延时HAL_Delay()改为非阻塞方式，提高系统响应速度。

2. 算法优化： 对传感器数据进行滑动平均滤波，减少数据跳变带来的误动作。

3. 功耗优化： 在空闲时段让STM32进入睡眠模式，由传感器中断唤醒，降低系统功耗。

4. 安全优化： 增加看门狗（IWDG），防止程序跑飞；增加硬件自检功能，上电时检测传感器和执行器是否连接正常。

六、结论与展望

（一）结论

本项目成功设计并实现了一个功能完整、运行稳定的基于STM32的智能婴儿床系统。系统完成了所有预定功能：环境感知、自动控制、本地显示和远程监控。硬件上合理选型并设计了电路，软件上采用模块化编程，逻辑清晰。经过测试，系统各项指标均达到设计要求，能够有效辅助父母进行婴儿看护，具有一定的实用价值和市场前景。

（二）未来展望

1. 功能扩展： 增加毫米波雷达或红外传感器监测婴儿呼吸频率，防止窒息风险。

2. AI集成： 引入简单的机器学习算法，对哭声进行识别分类（如饥饿、疼痛、困倦），提供更精准的安抚方式。

3. 多设备联动： 与家中的智能家居系统（如智能灯、空调）联动，创造更舒适的整体环境。

4. 低功耗设计： 采用电池供电并深度优化功耗，实现无线化，增加使用的便捷性。

5. APP开发： 开发功能更完善的专属APP，提供数据历史记录、曲线分析、育儿建议等增值服务。

如有侵权，或需要完整代码，请及时联系博主。