基于MSP430单片机的婴儿睡眠监护系统

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本文将介绍利用MSP430单片机设计的婴儿睡眠监护系统，该系统包括多点尿湿检测模块、声音检测模块、声光报警模块和无线传输模块。以低功耗的MSP430为主控，利用DHT11芯片检测温湿度，单片机处理后的温、湿度信息由nRF24L01发送给接收端，当温湿度超出阈值或检测到婴儿啼哭时进行声光报警。经实际测试，该系统运行可靠，低功耗、低成本、高实用性，具有推广价值。
       
        在当今生活和工作节奏日益紧张的社会，女性往往要兼顾工作和家庭，尤其初为人母，既要照顾婴儿，还要料理家务，新妈妈们往往手忙脚乱。婴儿一天中大部分时间都在睡眠，如何对其进行睡眠监护，在婴儿醒来时及时安抚、如何解决尿湿问题一直困扰着忙碌的新妈妈们。绝大多数的家庭选择使用方便的纸尿裤，但纸尿裤除了高开支以外，它的吸水层容易滋生细菌，不及时更换就会捂出红疹，对婴儿的健康也有隐患。纯棉尿布健康舒适，但需要及时更换，市面上现有的尿湿检测装置大多是单点测量，存在漏报的可能。
       
        本文设计的远程婴儿尿湿监护系统能有效地为新妈妈们解决这个困扰。在异常报警部分，主要检测两种情况：1）婴儿尿湿；2）婴儿由于不舒服或需要照顾而产生的哭闹。系统采用多点尿湿检测和声音检测报警，既可检测婴儿尿湿或哭闹情况，又防止了由于婴儿正常翻身移动或说话脚步等环境声所产生的漏报和误报。本系统将多点尿湿监测模块和音频检测模块嵌入隔尿垫的隔水层下，功耗小，方便分离清洗，有实用价值。
       
        1系统整体设计
       
        图1所示为系统结构框图，本系统由多点尿湿监测模块、声音检测模块、无线传输模块以及声光报警模块组成，均以低功耗单片机MSP4 30为主控。多点尿湿监测模块对湿度实时监测，当系统检测到湿度超过阈值或检测到婴儿啼哭时无线传输模块发送信号使接收终端声光报警，这样妈妈们就可以放心地在其它房间工作做或家务，既不需要担心会影响宝宝的睡眠，也不需要担心宝宝醒来时不能及时安抚。

       
       
        图1 系统结构框图

       
        2系统硬件设计
       
        考虑到系统的低功耗性，微处理器采用美国德州仪器推出的16位单片机，其特点是超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器，能够在1.8～3.6 V的电压下工作。它具有工作模式和5种低功耗模式，在低功耗模式下，CPU可以被中断唤醒，响应时间小于6μs，特别适合于长期使用电池工作的场合。同时，它的体积微小，接口完善，拥有较强的运算能力，非常适合作为睡眠监测系统的主控芯片。
       
        2.1多点温度尿湿检测模块
       
        温度测量可以使本系统自动关闭，当多点温度均等于环境温度时说明没有婴儿睡在上面，这时系统自动断电，大大减小电池的消耗，延长使用时间。下次使用时只要重新启动即可，进一步实现低功耗设计。
       
        采用单点湿度传感器测量很容易漏测，这是因为：
       
        1）男女婴儿的尿湿部位不同，单个的传感器容易造成失误。
       
        2）婴儿睡觉时会有移动。多点尿湿检测模块的湿度敏感面置于尿垫渗透层，其余电路部分置于隔尿垫的隔水层下，当其中一路传感器检测到的湿度信号接收到的信号超过阈值，主控单片机就会触发射频芯片，发送信号使接收端进行声光报警。相比其他同类产品的单一传感元件，多点测控更有效、更可靠。
       
        多点温度尿湿检测模块采用含已校准数字信号输出的DHT11数字温湿度传感器，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，该产品具有超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。DHT11采用3.3～5.5 V直流供电，湿度测量范围20—90%RH，湿度测量精度±5%RH，湿度分辨率1%RH，可完全互换，长期稳定性<±1%RH/年。单线制串行接口输出数字信号，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其适用于多点尿湿检测。
       
        多点尿湿温度传感器连接方式如图2所示，电源正与地跟单片机电源正和地相连接，4路数据接口分別接5.1 k上拉电阻与单片机P1口连接。
         
         

       

        图2 多点尿湿温度传感器连接方式

       
        2.2 声音检测模块
        声音检测报警应只由婴儿啼哭声触发，而忽略成年人的语音(30～3 000 Hz)和脚步等其他环境声音，避免误触发，所以系统只对1 500 Hz以上声音进行检测，当该频段范围内的声音幅度超过阈值时，通过无线传输模块发送信号使接收终端声光报警，声音阈值根据实际环境由用户调节。
         

       
        图3 声音检测模块电路
         

        图3所示的声音检测模块电路由AD7794将话筒采集到的模拟信号转换成数字信号，由单片机滤波处理。处理结果判断为婴儿哭声才触发射频芯片。AD7794芯片适合高精度测量应用，并且具有低功耗、低噪声、完整输入终端等优点。
         
        2.3 无线传输和接收模块
        射频发送和接收需要保证传输的可靠性，要求误码率低，抗干扰能力强，传输距离要在15米以上。另外结合低功耗的要求，选择nRF24 L01无线芯片作为射频集成电路。nRF24L01是由NORDIC生产的单片无线收发器芯片，主要工作在2.4～2.5 GHz的ISM频段，频段之间的转换时间低于200 &mu;s。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。当工作在发射模式且发射功率为0dBm时电流消耗为11.3 mA，接收模式时电流消耗为12.3 mA，在掉电模式和待机模式下电流消耗更低。无线传输模块由信号发射单元和信号接收单元组成，两者之间通过无线传输进行数据交互，共同完成数据的无线传输。其室内传输距离可达30 m，无线传输速度可达到1Mbit/s，在使用中只需要一片nRF24 L01和少数的外围元件就能完成射频收发功能，大大减少了系统的体积。
         
        nRF24L01与MSP430单片机的连接时采用MSP430单片机的串口通信模块USART1作SPI使用，提供同步通信，主要是两者之间进行命令和数据通信。MSP430的管脚P1.4、P3.0、P1.3、P3.3、P3.2、P3.1配置成通用I/O引脚，分别与nRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ连接，控制nRF24L01的工作方式，连接电路如图4所示。
         

       
        图4 无线通信电路

         
        本系统为便携式系统，采用电池供电，需要进行低功耗设计。只有在单片机检测到测量信号超过阈值时，射频芯片才发射信号，否则nRF 24L01处于掉电状态降低功耗。
         
        2.4 声光报警模块
        本设计的目的是将婴儿的尿湿信息和啼哭信息通过无线传输的方式，送到监护人随身携带的装置(如腕带)，此部件接收到信号，使装置上的报警器工作。本系统在接收端采用声光两级报警，首先发光提醒，30s后如果监护人没有关闭提醒，蜂鸣器就会发出声音提醒，蜂鸣器的音量可以调节。
         
        3 系统软件设计
        3.1 系统主流程
        该系统软件设计包括尿湿啼哭测量模块的软件设计和接收报警模块的软件设计，主要流程图见图5、6。尿湿啼哭测量模块通电后首先完成系统初始化，多点测温模块完成温度测量，当各点温度均保持等于环境温度超过5分钟系统断电;否则进行湿度和声音的测量。当测得的湿度声音信号超过阈值时就启动射频芯片，发送无线信号，然后系统进入低功耗模式，等待模块被关闭或按键再次启动。接收报警模块接收到报警信号后首先启动光电报警，30 s后若未被关闭则启动声音报警直至按键终止。
         
         

       
        图5 检测模块流程图
       
       
        图6 接受报警模块流程图
         

        3.2 声音检测流程
        婴儿哭声频率一般在中频段且大于1 500 Hz，因此要求能够过滤大人的语音等声音。但是滤波以后的声音也不一定是婴儿哭声，因此同时还要求检测幅度，只有频率和幅度同时都满足条件才会报警，以达到更高的精度。
       
        滤波部分由自定义带通滤波函数实现，在频带(LowFreq，HighFreq)范围内的信号再由幅度检测函数检测信号幅度是否大于门限值Voice _T。如果小于门限值则忽略，如果大于门限值，则启动射频芯片，发送信号使声光报警模块报警。门限值可以供使用者白行调整，以适应不同需要。
         
        4 系统测试
        针对本项目的几个模块，着重测量啼哭检测和尿湿检测模块的误报率和漏报率。一般家庭婴儿室与接收点最远不到25 m，以25 m距离进行尿湿和啼哭检测，观察其发射接收的成功率和准确性，具体实验结果如表1所示。
         
         

       
       
         

        从实验结果中可以看出该系统的抗干扰能力、稳定性和可靠性都能满足一般的使用要求，具有一定的推广价值。
         
        5 结论
        针对现实中照顾婴儿的困难，设计了基于MSP430的集啼哭检测、尿湿检测功能的低功耗嬰儿睡眠监护系统，并且针对市面上产品的缺点进行改进，方便家长及时照顾婴儿。试验证明该婴儿睡眠监护系统可靠性高，实用性较强，功耗小，并且可供长期使用，方便维护以及拓展更多功能，具有产品化意义。