MSP430單片機設計的嬰兒睡眠監護系統

本文將介紹利用MSP430單片機設計的嬰兒睡眠監護系統，該系統包括多點尿濕檢測模塊、聲音檢測模塊、聲光報警模塊和無線傳輸模塊。以低功耗的MSP430為主控，利用DHT11芯片檢測溫濕度，單片機處理后的溫、濕度信息由nRF24L01發送給接收端，當溫濕度超出閾值或檢測到嬰兒啼哭時進行聲光報警。經實際測試，該系統運行可靠，低功耗、低成本、高實用性，具有推廣價值。

在當今生活和工作節奏日益緊張的社會，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，新媽媽們往往手忙腳亂。嬰兒一天中大部分時間都在睡眠，如何對其進行睡眠監護，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，市面上現有的尿濕檢測裝置大多是單點測量，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生的哭鬧。系統采用多點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或說話腳步等環境聲所產生的漏報和誤報。本系統將多點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，有實用價值。

1系統整體設計

圖1所示為系統結構框圖，本系統由多點尿濕監測模塊、聲音檢測模塊、無線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。多點尿濕監測模塊對濕度實時監測，當系統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，既不需要擔心會影響寶寶的睡眠，也不需要擔心寶寶醒來時不能及時安撫。

圖1 系統結構框圖

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多點溫度尿濕檢測模塊

溫度測量可以使本系統自動關閉，當多點溫度均等于環境溫度時說明沒有嬰兒睡在上面，這時系統自動斷電，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，進一步實現低功耗設計。

采用單點濕度傳感器測量很容易漏測，這是因為：

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閾值，主控單片機就會觸發射頻芯片，發送信號使接收端進行聲光報警。相比其他同類產品的單一傳感元件，多點測控更有效、更可靠。

多點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位單片機相連接，該產品具有超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。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，長期穩定性<±1%RH/年。單線制串行接口輸出數字信號，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其適用于多點尿濕檢測。

多點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。

圖2 多點尿濕溫度傳感器連接方式

2.2 聲音檢測模塊

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

圖3 聲音檢測模塊電路

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、完整輸入終端等優點。

2.3 無線傳輸和接收模塊

射頻發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無線芯片作為射頻集成電路。nRF24L01是由NORDIC生產的單片無線收發器芯片，主要工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段，頻段之間的轉換時間低于200 μs。輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。當工作在發射模式且發射功率為0dBm時電流消耗為11.3 mA，接收模式時電流消耗為12.3 mA，在掉電模式和待機模式下電流消耗更低。無線傳輸模塊由信號發射單元和信號接收單元組成，兩者之間通過無線傳輸進行數據交互，共同完成數據的無線傳輸。其室內傳輸距離可達30 m，無線傳輸速度可達到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功能，大大減少了系統的體積。

nRF24L01與MSP430單片機的連接時采用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。

圖4 無線通信電路