一種基于MSP430單片機的嬰兒睡眠監護系統

　　摘要：為更好地照顧嬰兒，分擔新爸爸新媽媽的負擔，提出一種基于MSP430單片機的嬰兒睡眠監護系統。系統包括多點(diǎn)尿濕檢測模塊、聲音檢測模塊、聲光報警模塊和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。以低功耗的MSP430為主控，利用DHT11芯片檢測溫濕度，單片機處理后的溫、濕度信息由nRF24L01發(fā)送給接收端，當溫濕度超出閾值或檢測到嬰兒啼哭時(shí)進(jìn)行聲光報警。經(jīng)實(shí)際測試，該系統運行可靠，低功耗、低成本、高實(shí)用性，具有推廣價(jià)值。

　　在當今生活和工作節奏日益緊張的社會(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，如何對其進(jìn)行睡眠監護，在嬰兒醒來(lái)時(shí)及時(shí)安撫、如何解決尿濕問(wèn)題一直困擾著(zhù)忙碌的新媽媽們。絕大多數的家庭選擇使用方便的紙尿褲，但紙尿褲除了高開(kāi)支以外，它的吸水層容易滋生細菌，不及時(shí)更換就會(huì )捂出紅疹，對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，市面上現有的尿濕檢測裝置大多是單點(diǎn)測量，存在漏報的可能。

　　本文設計的遠程嬰兒尿濕監護系統能有效地為新媽媽們解決這個(gè)困擾。在異常報警部分，主要檢測兩種情況：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。系統采用多點(diǎn)尿濕檢測和聲音檢測報警，既可檢測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(shuō)話(huà)腳步等環(huán)境聲所產(chǎn)生的漏報和誤報。本系統將多點(diǎn)尿濕監測模塊和音頻檢測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 系統整體設計

　　圖1所示為系統結構框圖，本系統由多點(diǎn)尿濕監測模塊、聲音檢測模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊以及聲光報警模塊組成，均以低功耗單片機MSP4 30為主控。多點(diǎn)尿濕監測模塊對濕度實(shí)時(shí)監測，當系統檢測到濕度超過(guò)閾值或檢測到嬰兒啼哭時(shí)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送信號使接收終端聲光報警，這樣媽媽們就可以放心地在其它房間工作做或家務(wù)，既不需要擔心會(huì )影響寶寶的睡眠，也不需要擔心寶寶醒來(lái)時(shí)不能及時(shí)安撫。

　　2 系統硬件設計

　　考慮到系統的低功耗性，微處理器采用美國德州儀器推出的16位單片機，其特點(diǎn)是超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集(RISC)的混合信號處理器，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，響應時(shí)間小于6μs，特別適合于長(cháng)期使用電池工作的場(chǎng)合。同時(shí)，它的體積微小，接口完善，擁有較強的運算能力，非常適合作為睡眠監測系統的主控芯片。

　　2.1 多點(diǎn)溫度尿濕檢測模塊

　　溫度測量可以使本系統自動(dòng)關(guān)閉，當多點(diǎn)溫度均等于環(huán)境溫度時(shí)說(shuō)明沒(méi)有嬰兒睡在上面，這時(shí)系統自動(dòng)斷電，大大減小電池的消耗，延長(cháng)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)現低功耗設計。

　　采用單點(diǎn)濕度傳感器測量很容易漏測，這是因為：

　　1)男女?huà)雰旱哪驖癫课徊煌?，單個(gè)的傳感器容易造成失誤。

　　2)嬰兒睡覺(jué)時(shí)會(huì )有移動(dòng)。多點(diǎn)尿濕檢測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，當其中一路傳感器檢測到的濕度信號接收到的信號超過(guò)閾值，主控單片機就會(huì )觸發(fā)射頻芯片，發(fā)送信號使接收端進(jìn)行聲光報警。相比其他同類(lèi)產(chǎn)品的單一傳感元件，多點(diǎn)測控更有效、更可靠。

　　多點(diǎn)溫度尿濕檢測模塊采用含已校準數字信號輸出的DHT11數字溫濕度傳感器，傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機相連接，該產(chǎn)品具有超快響應、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。DHT11采用3.3～5.5 V直流供電，濕度測量范圍20—90%RH，濕度測量精度±5%RH，濕度分辨率1%RH，可完全互換，長(cháng)期穩定性<±1%RH/年。單線(xiàn)制串行接口輸出數字信號，使系統集成變得簡(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。

　　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電源正和地相連接，4路數據接口分別接5.1 k上拉電阻與單片機P1口連接。

　　2.2 聲音檢測模塊

　　聲音檢測報警應只由嬰兒啼哭聲觸發(fā)，而忽略成年人的語(yǔ)音(30～3 000 Hz)和腳步等其他環(huán)境聲音，避免誤觸發(fā)，所以系統只對1 500 Hz以上聲音進(jìn)行檢測，當該頻段范圍內的聲音幅度超過(guò)閾值時(shí)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送信號使接收終端聲光報警，聲音閾值根據實(shí)際環(huán)境由用戶(hù)調節。

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

　　2.3 無(wú)線(xiàn)傳輸和接收模塊

　　射頻發(fā)送和接收需要保證傳輸的可靠性，要求誤碼率低，抗干擾能力強，傳輸距離要在15米以上。另外結合低功耗的要求，選擇nRF24 L01無(wú)線(xiàn)芯片作為射頻集成電路。nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片，主要工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段，頻段之間的轉換時(shí)間低于200 μs。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設置。當工作在發(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，在掉電模式和待機模式下電流消耗更低。無(wú)線(xiàn)傳輸模塊由信號發(fā)射單元和信號接收單元組成，兩者之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸進(jìn)行數據交互，共同完成數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。其室內傳輸距離可達30 m，無(wú)線(xiàn)傳輸速度可達到1Mbit/s，在使用中只需要一片nRF24 L01和少數的外圍元件就能完成射頻收發(fā)功能，大大減少了系統的體積。

　　nRF24L01與MSP430單片機的連接時(shí)采用MSP430單片機的串口通信模塊USART1作SPI使用，提供同步通信，主要是兩者之間進(jìn)行命令和數據通信。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。