基于MSP430的嬰兒睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

王婷婷，袁 媛，潘曉暉

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210044）

在當(dāng)今生活和工作節(jié)奏日益緊張的社會，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間都在睡眠，如何對其進(jìn)行睡眠監(jiān)護(hù)，在嬰兒醒來時及時安撫、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，不及時更換就會捂出紅疹，對嬰兒的健康也有隱患。純棉尿布健康舒適，但需要及時更換，市面上現(xiàn)有的尿濕檢測裝置大多是單點(diǎn)測量，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困擾。在異常報(bào)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(tǒng)采用多點(diǎn)尿濕檢測和聲音檢測報(bào)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(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)測模塊、聲音檢測模塊、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)MSP430為主控。多點(diǎn)尿濕監(jiān)測模塊對濕度實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)系統(tǒng)檢測到濕度超過閾值或檢測到嬰兒啼哭時無線傳輸模塊發(fā)送信號使接收終端聲光報(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)心會影響寶寶的睡眠，也不需要擔(dān)心寶寶醒來時不能及時安撫。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the system

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MSP430F149單片機(jī)，其特點(diǎn)是超低功耗、具有精簡指令集（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(yīng)時間小于6μs，特別適合于長期使用電池工作的場合。同時，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)測系統(tǒng)的主控芯片[1-2]。

2.1 多點(diǎn)溫度尿濕檢測模塊

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

采用單點(diǎn)濕度傳感器測量很容易漏測[3]，這是因?yàn)椋?/p>

1)男女嬰兒的尿濕部位不同，單個的傳感器容易造成失誤。

2)嬰兒睡覺時會有移動。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(dāng)其中一路傳感器檢測到的濕度信號接收到的信號超過閾值，主控單片機(jī)就會觸發(fā)射頻芯片，發(fā)送信號使接收端進(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)測控更有效、更可靠。

多點(diǎn)溫度尿濕檢測模塊采用含已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能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，長期穩(wěn)定性＜±1%RH/年。單線制串行接口輸出數(shù)字信號，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷[4]。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(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)尿濕檢測模塊Fig.2 Wetmonitoringmodule

2.2 聲音檢測模塊

聲音檢測報(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1 500 Hz以上聲音進(jìn)行檢測，當(dāng)該頻段范圍內(nèi)的聲音幅度超過閾值時，通過無線傳輸模塊發(fā)送信號使接收終端聲光報(bào)警，聲音閾值根據(jù)實(shí)際環(huán)境由用戶調(diào)節(jié)。

圖3所示的聲音檢測模塊電路由AD7794將話筒采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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)。

圖3 聲音檢測模塊電路Fig.3 Circuit of sound detectionmodule

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nRF24L01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)換時間低于200μs。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時電流消耗為11.3mA，接收模式時電流消耗為12.3mA，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發(fā)射單元和信號接收單元組成，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)30m，無線傳輸速度可達(dá)到1 Mbit/s，在使用中只需要一片nRF24L01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[5-6]。

nRF24L01與MSP430單片機(jī)的連接時采用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。

本系統(tǒng)為便攜式系統(tǒng)，采用電池供電，需要進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。只有在單片機(jī)檢測到測量信號超過閾值時，射頻芯片才發(fā)射信號，否則nRF24L01處于掉電狀態(tài)降低功耗。

圖4 無線通信電路Fig.4 Circuit ofwireless communication

2.4 聲光報(bào)警模塊

本設(shè)計(jì)的目的是將嬰兒的尿濕信息和啼哭信息通過無線傳輸?shù)姆绞?，送到監(jiān)護(hù)人隨身攜帶的裝置（如腕帶），此部件接收到信號，使裝置上的報(bào)警器工作。本系統(tǒng)在接收端采用聲光兩級報(bào)警，首先發(fā)光提醒，30s后如果監(jiān)護(hù)人沒有關(guān)閉提醒，蜂鳴器就會發(fā)出聲音提醒，蜂鳴器的音量可以調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主流程

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括尿濕啼哭測量模塊的軟件設(shè)計(jì)和接收報(bào)警模塊的軟件設(shè)計(jì)，主要流程圖見圖5、6。尿濕啼哭測量模塊通電后首先完成系統(tǒng)初始化，多點(diǎn)測溫模塊完成溫度測量，當(dāng)各點(diǎn)溫度均保持等于環(huán)境溫度超過5分鐘系統(tǒng)斷電；否則進(jìn)行濕度和聲音的測量。當(dāng)測得的濕度聲音信號超過閾值時就啟動射頻芯片，發(fā)送無線信號，然后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，等待模塊被關(guān)閉或按鍵再次啟動。接收報(bào)警模塊接收到報(bào)警信號后首先啟動光電報(bào)警，30 s后若未被關(guān)閉則啟動聲音報(bào)警直至按鍵終止。

3.2 聲音檢測流程

嬰兒哭聲頻率一般在中頻段且大于1 500 Hz，因此要求能夠過濾大人的語音等聲音。但是濾波以后的聲音也不一定是嬰兒哭聲，因此同時還要求檢測幅度，只有頻率和幅度同時都滿足條件才會報(bào)警，以達(dá)到更高的精度。

濾波部分由自定義帶通濾波函數(shù)實(shí)現(xiàn)，在頻帶（LowFreq,HighFreq）范圍內(nèi)的信號再由幅度檢測函數(shù)檢測信號幅度是否大于門限值Voice_T。如果小于門限值則忽略，如果大于門限值，則啟動射頻芯片，發(fā)送信號使聲光報(bào)警模塊報(bào)警。門限值可以供使用者自行調(diào)整，以適應(yīng)不同需要。

圖5 檢測模塊流程圖Fig.5 Main flow chart of detectionmodule

圖6 接收報(bào)警模塊流程圖Fig.6 Main flow chart of alarm module

圖7 聲音檢測模塊流程圖Fig.7 Main flow chart of sound detection module

4 系統(tǒng)測試

針對本項(xiàng)目的幾個模塊，著重測量啼哭檢測和尿濕檢測模塊的誤報(bào)率和漏報(bào)率。一般家庭嬰兒室與接收點(diǎn)最遠(yuǎn)不到25m，以25m距離進(jìn)行尿濕和啼哭檢測，觀察其發(fā)射接收的成功率和準(zhǔn)確性，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 啼哭與尿濕模塊測試結(jié)果Tab.1 Test results of crying detection and hum idity detection modules

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出該系統(tǒng)的抗干擾能力、穩(wěn)定性和可靠性都能滿足一般的使用要求，具有一定的推廣價(jià)值。

5 結(jié)論

針對現(xiàn)實(shí)中照顧嬰兒的困難，設(shè)計(jì)了基于MSP430的集啼哭檢測、尿濕檢測功能的低功耗嬰兒睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并且針對市面上產(chǎn)品的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，方便家長及時照顧嬰兒。試驗(yàn)證明該嬰兒睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可靠性高，實(shí)用性較強(qiáng)，功耗小，并且可供長期使用，方便維護(hù)以及拓展更多功能，具有產(chǎn)品化意義。

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