一種基于MSP430單片機的嬰兒睡眠監(jiān)護系統(tǒng)
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(jiān)護系統(tǒng)。系統(tǒng)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(fā)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(jīng)實際測試,該系統(tǒng)運行可靠,低功耗、低成本、高實用性,具有推廣價值。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/249696.htm在當今生活和工作節(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,如何對其進行睡眠監(jiān)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(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測量,存在漏報的可能。
本文設(shè)計的遠程嬰兒尿濕監(jiān)護系統(tǒng)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(chǎn)生的哭鬧。系統(tǒng)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(huán)境聲所產(chǎn)生的漏報和誤報。本系統(tǒng)將多點尿濕監(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,有實用價值。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計
圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,本系統(tǒng)由多點尿濕監(jiān)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(jiān)測模塊對濕度實時監(jiān)測,當系統(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),既不需要擔心會影響寶寶的睡眠,也不需要擔心寶寶醒來時不能及時安撫。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
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,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(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,擁有較強的運算能力,非常適合作為睡眠監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)自動關(guān)閉,當多點溫度均等于環(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,進一步實現(xiàn)低功耗設(shè)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(fā)射頻芯片,發(fā)送信號使接收端進行聲光報警。相比其他同類產(chǎn)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(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位單片機相連接,該產(chǎn)品具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)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(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。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(shù)據(jù)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(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以上聲音進行檢測,當該頻段范圍內(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警,聲音閾值根據(jù)實際環(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。
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,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接口進行設(shè)置。當工作在發(fā)射模式且發(fā)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(fā)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(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(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(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。
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