王婷婷，袁 媛，潘曉暉

（1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京210044）

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，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(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)整體設計

圖1所示為系統(tǒng)結構框圖，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MSP430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，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)硬件設計

圖1 系統(tǒng)結構框圖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，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(jiān)測系統(tǒng)的主控芯片[1-2]。

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，進一步實現低功耗設計。

采用單點濕度傳感器測量很容易漏測[3]，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(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 多點尿濕檢測模塊Fig.2 Wetmonitoringmodule

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，聲音閾值根據實際環(huán)境由用戶調節(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。

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nRF24L01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(fā)器芯片，主要工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段，頻段之間的轉換時間低于200μs。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(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據交互，共同完成數據的無線傳輸。其室內傳輸距離可達30m，無線傳輸速度可達到1 Mbit/s，在使用中只需要一片nRF24L01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(tǒng)的體積[5-6]。

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。

本系統(tǒng)為便攜式系統(tǒng)，采用電池供電，需要進行低功耗設計。只有在單片機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 聲光報警模塊

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

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主流程

該系統(tǒng)軟件設計包括尿濕啼哭測量模塊的軟件設計和接收報警模塊的軟件設計，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，多點測溫模塊完成溫度測量，當各點溫度均保持等于環(huán)境溫度超過5分鐘系統(tǒng)斷電；否則進行濕度和聲音的測量。當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)進入低功耗模式，等待模塊被關閉或按鍵再次啟動。接收報警模塊接收到報警信號后首先啟動光電報警，30 s后若未被關閉則啟動聲音報警直至按鍵終止。

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警，以達到更高的精度。

濾波部分由自定義帶通濾波函數實現，在頻帶（LowFreq,HighFreq）范圍內的信號再由幅度檢測函數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)送信號使聲光報警模塊報警。門限值可以供使用者自行調整，以適應不同需要。

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

針對本項目的幾個模塊，著重測量啼哭檢測和尿濕檢測模塊的誤報率和漏報率。一般家庭嬰兒室與接收點最遠不到25m，以25m距離進行尿濕和啼哭檢測，觀察其發(fā)射接收的成功率和準確性，具體實驗結果如表1所示。

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

從實驗結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，具有一定的推廣價值。

5 結論

針對現實中照顧嬰兒的困難，設計了基于MSP430的集啼哭檢測、尿濕檢測功能的低功耗嬰兒睡眠監(jiān)護系統(tǒng)，并且針對市面上產品的缺點進行改進，方便家長及時照顧嬰兒。試驗證明該嬰兒睡眠監(jiān)護系統(tǒng)可靠性高，實用性較強，功耗小，并且可供長期使用，方便維護以及拓展更多功能，具有產品化意義。

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