杜健寧 王夢(mèng)嬌 孟祥雨 司嘯辰 盧東生*

奶品是嬰幼兒獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要來源，喂奶的溫度尤為重要[1]。奶溫過高會(huì)燙傷嬰幼兒的口腔及食道黏膜，引起發(fā)炎或感染，奶溫過低會(huì)增加?jì)胗變旱哪c蠕動(dòng)，導(dǎo)致腹瀉。傳統(tǒng)衡量奶溫的方法是家長(zhǎng)先行品嘗或是倒在手上感知溫度，家長(zhǎng)先行品嘗可能會(huì)傳染細(xì)菌甚至疾病給嬰幼兒，倒在手上感知溫度亦不保證奶溫的準(zhǔn)確。奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置可以有效輔助家長(zhǎng)控制飲用奶的溫度，從而在溫度方面保障了嬰幼兒飲用奶的質(zhì)量[2]。

近年來，各類嬰幼兒產(chǎn)品的需求量有所增加，國內(nèi)有關(guān)奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)層出不窮，報(bào)警方式主要是蜂鳴或是液晶屏顯示[3-4]。為此，本研究設(shè)計(jì)一款奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置，其創(chuàng)新之處在于在傳統(tǒng)奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置功能的基礎(chǔ)上，借助Blinker物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在手機(jī)上進(jìn)行奶溫監(jiān)測(cè)，從而避免因看手機(jī)分散注意力而導(dǎo)致錯(cuò)過飲用奶的適宜溫度。

1 奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1.1 硬件功能實(shí)現(xiàn)

基于奶瓶監(jiān)測(cè)裝置的聯(lián)網(wǎng)需求，設(shè)計(jì)選取WeMos D1物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板作為硬件平臺(tái)；選擇DS18B20溫度傳感器模塊測(cè)量奶瓶溫度；選用有源蜂鳴模塊作為聲音報(bào)警裝置；通過有機(jī)發(fā)光二極管(organic lightemitting diode，OLED)顯示屏實(shí)時(shí)顯示奶瓶溫度。

1.1.1 WeMos D1開發(fā)板

Arduino開發(fā)板為一款具有方便上手、靈活簡(jiǎn)潔特點(diǎn)的開源電子平臺(tái)，其中包含各種型號(hào)的Arduino開發(fā)板硬件和開放源代碼Arduino的集成開發(fā)環(huán)境(integrated development environment，IDE)(Arduino IDE)軟件兩部分。Arduino開發(fā)板可以接收來自各種傳感器的數(shù)據(jù)，并通過控制聲音、燈光等作用于環(huán)境[5]。通過Arduino IDE編程并將程序燒錄到Arduino開發(fā)板的微控制器，即可得到電路板需要執(zhí)行的功能；ESP-8266是一種WiFi串口模塊，即用于從串口接收數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送或通過WiFi接收數(shù)據(jù)后用串口輸出[6]。WeMos D1是一款基于ESP-8266 WiFi模塊的開發(fā)板，并且兼容Arduino，可使用Arduino IDE進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)所需功能。WeMos D1配有11個(gè)I/O引腳，1個(gè)輸入范圍為0～3.3 V的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)引腳，支持空中下載技術(shù)(over the air，OTA)，板載5 V 1A開關(guān)電源。

本研究設(shè)計(jì)中WeMos D1通過I/O引腳控制DS18B20溫度傳感器模塊接收溫度，控制有源蜂鳴模塊的啟停和OLED顯示屏顯示實(shí)時(shí)溫度。WeMos D1為DS18B20溫度傳感器模塊、有源蜂鳴模塊和OLED顯示屏提供3.3 V工作電壓。

1.1.2 DS18B20溫度傳感器模塊

采用DS18B20(美國Dallas半導(dǎo)體公司)數(shù)字化溫度傳感器模塊，因其運(yùn)用一線總線驅(qū)動(dòng)技術(shù)且成本低廉的特點(diǎn)而被廣泛使用。DS18B20有較廣的測(cè)溫范圍(-55～125 ℃)，精度為±0.5 ℃(-10～85 ℃)，工作電壓為3.3～5 V。DS18B20溫度傳感器模塊將DS18B20的引腳引出，更加便于使用和儲(chǔ)存[7-8]。DS18B20通過GPIO14引腳向WeMos D1發(fā)送瞬時(shí)接收到的溫度數(shù)據(jù)。

1.1.3 有源蜂鳴模塊

有源蜂鳴器是一種電子訊響器，采用直流電壓供電，被廣泛用于玩具、計(jì)算機(jī)、報(bào)警器等電子產(chǎn)品中作為發(fā)聲器件。本研究設(shè)計(jì)的蜂鳴模塊采用低電平觸發(fā)模式，即I/O口輸入低電平時(shí)蜂鳴器發(fā)聲，I/O口輸入高電平時(shí)蜂鳴器停止，其工作電壓為3.3～5 V。WeMos D1通過GPIO12引腳觸發(fā)有源蜂鳴模塊。

1.1.4 OLED顯示屏

OLED顯示屏是用有機(jī)電自發(fā)光二極管制造的顯示屏，具有對(duì)比度高、不需背光源、反應(yīng)速度快、適用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)采用0.96寸四針內(nèi)部集成電路(inter integrated circuit，IIC)接口的OLED顯示監(jiān)測(cè)到的奶瓶溫度，其工作電壓為3.3～5 V。WeMos D1通過GPIO4和GPIO5引腳控制OLED顯示屏顯示溫度。系統(tǒng)各硬件連接見圖1。

圖1 系統(tǒng)各硬件連接示意圖

1.2 軟件功能實(shí)現(xiàn)

軟件部分分為硬件控制程序的編寫和Blinker應(yīng)用程序(application program，APP)界面設(shè)計(jì)。在集成開發(fā)環(huán)境Arduino IDE上進(jìn)行編程，并通過串口燒錄到WeMos D1開發(fā)板中以實(shí)現(xiàn)控制硬件的功能；在Blinker APP上設(shè)計(jì)奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置的手機(jī)端界面，以簡(jiǎn)潔直觀地顯示奶瓶實(shí)時(shí)溫度并給出對(duì)應(yīng)溫度的文字提示。

1.2.1 監(jiān)測(cè)裝置工作流程

奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置軟件部分的流程設(shè)計(jì)：①為奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置提供5 V直流電壓，電池或通用串行總線(universal serial bus，USB)接口，連接WeMos D1開發(fā)板使系統(tǒng)上電；②綁定預(yù)熱好的奶瓶溫度(＞38 ℃)，傳感器隨即發(fā)送奶瓶溫度，通過OLED顯示屏顯示奶瓶溫度，此時(shí)手機(jī)Blinker APP顯示當(dāng)前的溫度及“過熱”提示；③隨著奶溫下降到適宜嬰幼兒飲用的溫度范圍(≥36 ℃且≤38 ℃)時(shí)，溫度監(jiān)測(cè)裝置蜂鳴模塊提示音響起，手機(jī)Blinker APP顯示當(dāng)前的溫度及“適宜”提示，此時(shí)應(yīng)將奶瓶與溫度監(jiān)測(cè)裝置解除綁定，隨即將奶瓶中已經(jīng)達(dá)到適宜溫度的奶提供給嬰幼兒飲用；④若奶瓶溫度繼續(xù)下降至適宜溫度以下(＜36 ℃)后溫度監(jiān)測(cè)裝置蜂鳴模塊提示音停止，手機(jī)Blinker APP顯示的當(dāng)前溫度及“過涼”提示，隨后完成奶溫監(jiān)測(cè)過程。奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置工作流程見圖2。

圖2 奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置工作流程示意圖

1.2.2 Blinker APP

Blinker是一套跨硬件、跨平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，提供設(shè)備端、服務(wù)器端及APP端的支持，通過公有云數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[9]。Blinker可以用于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、智能家居等領(lǐng)域，具有支持藍(lán)牙及WiFi等多種連接方式、支持多種開發(fā)平臺(tái)以及提供豐富的附加功能等優(yōu)勢(shì)。Blinker APP作為奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置在手機(jī)端的載體具有顯示界面友好直觀、用戶操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。Blinker APP界面設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 Blinker APP界面設(shè)計(jì)圖

表1 預(yù)熱后隨時(shí)間變化奶瓶溫度數(shù)據(jù)(℃)

在給奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置上電前打開“點(diǎn)燈·Blinker”APP，在“所有設(shè)備”中找到Arduino設(shè)備；裝置上電后WeMos D1開發(fā)板的ESP-8266模塊自動(dòng)完成APP連接，隨即在APP界面頂端顯示“在線”。APP界面的3個(gè)組件分別為兩個(gè)溫度顯示組件與1個(gè)溫度手動(dòng)刷新組件，兩個(gè)溫度顯示組件可以直觀反映奶瓶溫度并提供“過熱”“適宜”和“過涼”3種文字提示，而溫度手動(dòng)刷新組件可供用戶手動(dòng)刷新當(dāng)前奶瓶溫度。

2 奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置驗(yàn)證

通過模擬日常嬰幼兒喂奶情景，對(duì)研究設(shè)計(jì)的奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置有效性進(jìn)行驗(yàn)證：①室溫調(diào)節(jié)為25 ℃，將裝有100 ml沖好奶粉的玻璃奶瓶預(yù)熱至50～60 ℃；②打開手機(jī)端“點(diǎn)燈·Blinker”APP，裝置上電并綁定奶瓶；③通過OLED顯示屏或“點(diǎn)燈·Blinker”APP觀測(cè)奶瓶溫度下降隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行記錄，每4 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄，0～32 min共記錄9組數(shù)據(jù)；④重復(fù)①～③步驟4次，共記錄5組奶瓶溫度下降隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。預(yù)熱后奶瓶溫度(℃)隨時(shí)間(min)變化的數(shù)據(jù)見表1。

在奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置的有效性驗(yàn)證過程中，裝置均在奶溫下降到適宜嬰幼兒飲用的溫度范圍(≥36 ℃且≤38 ℃)時(shí)通過蜂鳴和Blinker APP給出了及時(shí)而正確的提示，表明裝置的有效性。通過驗(yàn)證亦表明室溫下100 ml沖好的奶粉玻璃瓶從50～60 ℃下降至適宜嬰幼兒飲用的溫度需要30 min左右，可為沖調(diào)奶粉提供經(jīng)驗(yàn)。奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置實(shí)物效果見圖4。

圖4 奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置實(shí)物效果圖

3 結(jié)論

本研究基于WeMos D1開發(fā)板設(shè)計(jì)奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置，利用溫度傳感器感知奶瓶溫度，OLED顯示屏顯示溫度，并通過蜂鳴模塊和Blinker APP兩種方式告知家長(zhǎng)奶的最佳溫度以提供給嬰幼兒飲用，有效地輔助家長(zhǎng)控制奶溫。因其不直接與奶接觸以及使用5 V電壓即可供電，保證其對(duì)嬰幼兒無毒害并無用電方面的危險(xiǎn)。奶瓶溫度監(jiān)測(cè)裝置硬件成本低廉，軟件方面用戶只需免費(fèi)注冊(cè)“點(diǎn)燈·Blinker”APP即可使用，如有額外需要可以通過Arduino IDE更改奶瓶最適溫度的提示區(qū)間。對(duì)本裝置加以改進(jìn)可制成成品，如可加裝保溫容器盛放奶瓶等，使其更加便于使用；若需要增加本裝置的精度或靈敏度可以更換性能更加優(yōu)秀的溫度傳感器，如更換燃太TN901紅外溫度傳感模塊[10]。由于“點(diǎn)燈·Blinker”APP中“心跳包”數(shù)據(jù)發(fā)送頻率的限制(30～60 s/次)，當(dāng)前配合APP界面“刷新”組件才能更加及時(shí)地反映當(dāng)前溫度。若需要APP端溫度更新速度更快，可以改用企業(yè)版本的“點(diǎn)燈·Blinker”APP。