基于MSP430单片机的婴儿睡眠监护系统

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 μs。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。