基于MSP430單片機(jī)的嬰兒睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

本文將介紹利用MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)的嬰兒睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多點(diǎn)尿濕檢測(cè)模塊、聲音檢測(cè)模塊、聲光報(bào)警模塊和無線傳輸模塊。以低功耗的MSP430為主控，利用DHT11芯片檢測(cè)溫濕度，單片機(jī)處理后的溫、濕度信息由nRF24L01發(fā)送給接收端，當(dāng)溫濕度超出閾值或檢測(cè)到嬰兒啼哭時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，低功耗、低成本、高實(shí)用性，具有推廣價(jià)值。

在當(dāng)今生活和工作節(jié)奏日益緊張的社會(huì)，女性往往要兼顧工作和家庭，尤其初為人母，既要照顧嬰兒，還要料理家務(wù)，新媽媽們往往手忙腳亂。嬰兒一天中大部分時(shí)間都在睡眠，如何對(duì)其進(jìn)行睡眠監(jiān)護(hù)，在嬰兒醒來時(shí)及時(shí)安撫、如何解決尿濕問題一直困擾著忙碌的新媽媽們。絕大多數(shù)的家庭選擇使用方便的紙尿褲，但紙尿褲除了高開支以外，它的吸水層容易滋生細(xì)菌，不及時(shí)更換就會(huì)捂出紅疹，對(duì)嬰兒的健康也有隱患。純棉尿布健康舒適，但需要及時(shí)更換，市面上現(xiàn)有的尿濕檢測(cè)裝置大多是單點(diǎn)測(cè)量，存在漏報(bào)的可能。

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程嬰兒尿濕監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能有效地為新媽媽們解決這個(gè)困擾。在異常報(bào)警部分，主要檢測(cè)兩種情況：1）嬰兒尿濕；2）嬰兒由于不舒服或需要照顧而產(chǎn)生的哭鬧。系統(tǒng)采用多點(diǎn)尿濕檢測(cè)和聲音檢測(cè)報(bào)警，既可檢測(cè)嬰兒尿濕或哭鬧情況，又防止了由于嬰兒正常翻身移動(dòng)或說話腳步等環(huán)境聲所產(chǎn)生的漏報(bào)和誤報(bào)。本系統(tǒng)將多點(diǎn)尿濕監(jiān)測(cè)模塊和音頻檢測(cè)模塊嵌入隔尿墊的隔水層下，功耗小，方便分離清洗，有實(shí)用價(jià)值。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，本系統(tǒng)由多點(diǎn)尿濕監(jiān)測(cè)模塊、聲音檢測(cè)模塊、無線傳輸模塊以及聲光報(bào)警模塊組成，均以低功耗單片機(jī)MSP4 30為主控。多點(diǎn)尿濕監(jiān)測(cè)模塊對(duì)濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到濕度超過閾值或檢測(cè)到嬰兒啼哭時(shí)無線傳輸模塊發(fā)送信號(hào)使接收終端聲光報(bào)警，這樣?jì)寢寕兙涂梢苑判牡卦谄渌块g工作做或家務(wù)，既不需要擔(dān)心會(huì)影響寶寶的睡眠，也不需要擔(dān)心寶寶醒來時(shí)不能及時(shí)安撫。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的低功耗性，微處理器采用美國德州儀器推出的16位單片機(jī)，其特點(diǎn)是超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器，能夠在1.8～3.6 V的電壓下工作。它具有工作模式和5種低功耗模式，在低功耗模式下，CPU可以被中斷喚醒，響應(yīng)時(shí)間小于6μs，特別適合于長期使用電池工作的場(chǎng)合。同時(shí)，它的體積微小，接口完善，擁有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，非常適合作為睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控芯片。

2.1多點(diǎn)溫度尿濕檢測(cè)模塊

溫度測(cè)量可以使本系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)多點(diǎn)溫度均等于環(huán)境溫度時(shí)說明沒有嬰兒睡在上面，這時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)斷電，大大減小電池的消耗，延長使用時(shí)間。下次使用時(shí)只要重新啟動(dòng)即可，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。

采用單點(diǎn)濕度傳感器測(cè)量很容易漏測(cè)，這是因?yàn)椋?br />
1）男女嬰兒的尿濕部位不同，單個(gè)的傳感器容易造成失誤。

2）嬰兒睡覺時(shí)會(huì)有移動(dòng)。多點(diǎn)尿濕檢測(cè)模塊的濕度敏感面置于尿墊滲透層，其余電路部分置于隔尿墊的隔水層下，當(dāng)其中一路傳感器檢測(cè)到的濕度信號(hào)接收到的信號(hào)超過閾值，主控單片機(jī)就會(huì)觸發(fā)射頻芯片，發(fā)送信號(hào)使接收端進(jìn)行聲光報(bào)警。相比其他同類產(chǎn)品的單一傳感元件，多點(diǎn)測(cè)控更有效、更可靠。

多點(diǎn)溫度尿濕檢測(cè)模塊采用含已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，該產(chǎn)品具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。DHT11采用3.3～5.5 V直流供電，濕度測(cè)量范圍20—90%RH，濕度測(cè)量精度±5%RH，濕度分辨率1%RH，可完全互換，長期穩(wěn)定性±1%RH/年。單線制串行接口輸出數(shù)字信號(hào)，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其適用于多點(diǎn)尿濕檢測(cè)。

多點(diǎn)尿濕溫度傳感器連接方式如圖2所示，電源正與地跟單片機(jī)電源正和地相連接，4路數(shù)據(jù)接口分別接5.1 k上拉電阻與單片機(jī)P1口連接。

圖2 多點(diǎn)尿濕溫度傳感器連接方式

2.2 聲音檢測(cè)模塊

聲音檢測(cè)報(bào)警應(yīng)只由嬰兒啼哭聲觸發(fā)，而忽略成年人的語音(30～3 000 Hz)和腳步等其他環(huán)境聲音，避免誤觸發(fā)，所以系統(tǒng)只對(duì)1 500 Hz以上聲音進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)該頻段范圍內(nèi)的聲音幅度超過閾值時(shí)，通過無線傳輸模塊發(fā)送信號(hào)使接收終端聲光報(bào)警，聲音閾值根據(jù)實(shí)際環(huán)境由用戶調(diào)節(jié)。

圖3 聲音檢測(cè)模塊電路

圖3所示的聲音檢測(cè)模塊電路由AD7794將話筒采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)濾波處理。處理結(jié)果判斷為嬰兒哭聲才觸發(fā)射頻芯片。AD7794芯片適合高精度測(cè)量應(yīng)用，并且具有低功耗、低噪聲、完整輸入終端等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 無線傳輸和接收模塊

射頻發(fā)送和接收需要保證傳輸?shù)目煽啃?，要求誤碼率低，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離要在15米以上。另外結(jié)合低功耗的要求，選擇nRF24 L01無線芯片作為射頻集成電路。nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的單片無線收發(fā)器芯片，主要工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段，頻段之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間低于200 μs。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)工作在發(fā)射模式且發(fā)射功率為0dBm時(shí)電流消耗為11.3 mA，接收模式時(shí)電流消耗為12.3 mA，在掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。無線傳輸模塊由信號(hào)發(fā)射單元和信號(hào)接收單元組成，兩者之間通過無線傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，共同完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。其室內(nèi)傳輸距離可達(dá)30 m，無線傳輸速度可達(dá)到1Mbit/s，在使用中只需要一片nRF24 L01和少數(shù)的外圍元件就能完成射頻收發(fā)功能，大大減少了系統(tǒng)的體積。

nRF24L01與MSP430單片機(jī)的連接時(shí)采用MSP430單片機(jī)的串口通信模塊USART1作SPI使用，提供同步通信，主要是兩者之間進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)通信。MSP430的管腳P1.4、P3.0、P1.3、P3.3、P3.2、P3.1配置成通用I/O引腳，分別與nRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ連接，控制nRF24L01的工作方式，連接電路如圖4所示。

圖4 無線通信電路