CN205899758U - 婴儿睡眠监护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种婴儿睡眠监护系统，包括婴儿端和父母端，所述婴儿端包括婴儿端单片机、声音检测模块、尿湿检测模块和安抚婴儿模块，其中所述声音检测模块包括声音传感器MK1、电位器R8、双电压比较器U8以及一共射极的三极管放大电路，尿湿检测模块包括温湿度传感器DHT11，安抚婴儿模块包括录放模块和电机驱动模块；所述父母端包括父母端单片机、数据显示模块和声音报警模块，婴儿端单片机和父母端单片机之间通过无线传输模块互相通信。本实用新型能实时检测婴儿啼哭、尿湿情况，并能自动摇篮安抚啼哭的婴儿，不但提高婴儿的睡眠质量，还能为父母分担照顾婴儿的工作。

Description

婴儿睡眠监护系统

技术领域

本实用新型涉及一种婴儿睡眠监护系统，属于智能家居技术领域。

背景技术

随着二胎政策的全面开放，中国也将迎来婴儿出生的小高峰。现今的年轻父母肩负工作和生活的压力，加之社会信息化和快节奏的发展，父母们难以有充足的时间照顾婴儿。新生婴儿大部分时间都在睡眠，例如1～5个月婴儿的夜间睡眠时间需要2～10.5小时，但夜间清醒的时间有0～4.3小时，此时婴儿容易出现烦躁啼哭的现象；同时婴儿的排尿排便也是无意识的，如不及时更换尿布也会影响婴儿的睡眠状态和卫生健康。舒适、充足的睡眠过程对婴儿身体和神经的健康发育有着重要作用。此外，婴儿的哭闹也会影响新爸爸妈妈们的正常作息，不能专心于白天的工作和夜间的睡眠。

智能家居科技的发展，使得婴儿监护便捷化成为可能，智能婴儿睡眠监护系统的出现不但可以保证婴儿的睡眠质量，还可以缓解或者解决婴儿看护与新爸爸妈妈们繁忙的工作生活之间的冲突。国内外也在积极研发婴儿监护设备，但距离技术成熟、能够很好监护安抚婴儿的目标实现还有一定距离。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于MSP430的婴儿睡眠监护系统，该系统可以减轻婴儿看护人特别是母亲的压力，也提高了婴儿的睡眠质量，具有智能性和实用性等特点。

本实用新型采取的技术方案如下：

一种婴儿睡眠监护系统，其包括婴儿端和父母端，所述婴儿端包括婴儿端单片机、声音检测模块、尿湿检测模块和安抚婴儿模块，其中所述声音检测模块包括声音传感器MK1、电位器R8、双电压比较器U8以及由电阻R4、电阻R5和三极管Q1构成一个共射极的三极管放大电路，所述声音传感器MK1的一端接地，另一端分别通过电容C4连接三极管Q1的基极和通过电阻R2连接电压端，同时声音传感器MK1的两端并联有电阻R3和电容C3；所述三极管Q1的发射极接地，集电极连接双电压比较器U8的反向输入端IN2-，并通过电阻R5连接电位器R8的一端和双电压比较器U8的电源端Vcc，同时三极管Q1的发射极和集电极之间并联有电容C5，所述电位器R8的分压调节端连接双电压比较器U8的正向输入端IN2+；所述尿湿检测模块包括温湿度传感器DHT11，该温湿度传感器DHT11与婴儿端单片机通过单总线DATA进行双向串行通信；所述安抚婴儿模块包括录放模块和电机驱动模块，所述电机驱动模块包括步进电机，电机驱动电路和四杠曲柄摇杆机构；所述父母端包括父母端单片机、数据显示模块和声音报警模块，所述的婴儿端单片机和父母端单片机之间通过无线传输模块互相通信。

优选的，所述无线传输模块采用射频通信芯片nRF24L01。

优选的，所述婴儿端单片机、父母端单片机均采用16位超低功耗单片机MSP430。

优选的，所述声音检测模块还包括发光二极管LED1，所述发光二极管LED1的正端连接双电压比较器U8的电源端Vcc，负端通过串联电阻R7后连接双电压比较器U8的输出端OUT2，同时发光二极管LED1和电阻R7的两端还并联有电阻R6。

优选的，所述数据显示模块采用LCD1602显示模块。

优选的，所述声音报警模块包括有源蜂鸣器LS1和开关S1。

优选的，所述录放模块包括ISD1820录放模块和喇叭。

本实用新型的有益效果是：本系统使用管脚丰富、低功耗的MSP430为控制芯片；婴儿端实时检测婴儿啼哭、尿湿情况，并能自动摇篮安抚啼哭的婴儿；婴儿尿布的温湿度、啼哭信息通过nRF24L01无线传输发送到父母端；父母端实时显示温湿度，在婴儿啼哭或尿床时会发出报警并显示报警类型。使用此系统可以提高婴儿的睡眠质量，为父母分担照顾婴儿的工作。

附图说明

图1是系统整体框图。

图2是MSP430最小系统的电路图。

图3是MSP430编程电路图。

图4是声音检测模块电路图。

图5是尿湿检测模块电路图。

图6是nRF24L01的内部结构框图。

图7是LCD1602显示模块电路图。

图8是声音报警电路模块电路图。

图9是安抚婴儿模块电路图。

图10是婴儿端电路原理连接图。

图11是父母端电路原理连接图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本系统以MSP430为主控制芯片，包括婴儿端和父母端两部分。婴儿端通过声音检测模块、尿湿检测模块对婴儿的睡眠状态实时监测，并将温湿度等信息通过无线传输发送到父母端在液晶显示屏显示出来。当婴儿端检测到婴儿尿床时，父母端便发出报警以告知父母及时给婴儿更换尿布；若婴儿睡醒之后因为烦躁不安而啼哭，婴儿端安抚模块则自动播放歌曲并摇晃婴儿床安抚婴儿；当婴儿啼哭而系统安抚30s无效后，父母端便会发出报警让父母亲自照顾婴儿。

如图2、3所示，本系统选用MSP430F149IPM作为系统主控制芯片。MSP430是TI生产的16位超低功耗单片机，在其内部集成了一些模块功能，保持低功率的同时还可以同步连接至模拟信号、传感器和数字组件，能够处理数字、模拟、开光量等信号。它可以在1.8V～3.6V电压下工作且具有五种低功耗模式，采用精简指令集（RISC），具备高速的运算能力。性能比8位单片机提升许多，迎合了未来设备小型化和移动化的发展趋势。该芯片外部主要包括S1按键复位电路和LFXT1、XT2时钟电路，此外还有发光二极管与P6.0端口相连，主要用来检测新买的MSP430最小系统板能否正常工作，一般情况下新买的核心板芯片内已经装载好相应的简单程序以便调试。MSP430F149可以通过JTAG和BSL两种方式烧录程序。其中PL2303芯片可以实现USB数据与RS-232数据的双向转换。BSL（Bootstrap Loader）意指引导装入程序，这是因为MSP430内部有1KB左右的BOOTRAM空间存储了引导程序，受到特定的激励时，可以引导外部数据的写入或片内数据的发送出去。

在声音检测模块中，由于婴儿正常睡眠过程是比较安静的，而婴儿哭闹时的哭声声音强度比较大。所以声音检测电路根据震动原理来检测周围环境的声音强度，从而判断婴儿有无啼哭，但不能识别声音的具体大小值和频率。如图4所示，R4，R5以及Q1构成一个共射极的三极管放大电路，将声波经电容转换后的电压进行放大，其中R4和R5用来给三极管Q1提供偏置电压。

C2作为旁路电容可以滤除掉输入电压中的干扰使得输入电压均匀化，降低地电位因输入值太大带来的噪声。设计连接电路时，要使C2尽量靠近电源的正负极端以保证阻抗最小^[9]。

C3作为去耦电容可以减小电阻R3产生的耦合效应；C4隔直流通交流，是耦合电容。去耦电容C5可以滤除掉输出信号中的干扰，防止负载影响前级电路的正常工作，避免耦合干扰。

声音检测电路供电电压为3.3V～5V，通过一个对声音敏感的电容式驻极体话筒MK1来采集婴儿啼哭的声音。婴儿啼哭时的声波使话筒内的驻极体薄膜快速振动，从而导致电容的变化引起电荷的释放，使得R3两端电压变小，所以三极管Q1的基极电压变小，从而使得C5两端电压IN2-增大。通过调节电位器R8可以调整IN2+端输入的参考电压。LM393是双电压比较器，其输出信号为数字开关量输出（0和1高低电平）。当环境声音强度低于设定的阈值时，IN2+大于IN2-，LM393输出高电平给MSP430；当环境声音强度超过设定的阈值即婴儿啼哭时，IN2+小于IN2-，LM393则输出低电平给MSP430，这时发光二极管LED1导通亮起。

在尿湿检测模块中，尿湿检测电路采用温湿度传感器DHT11进行尿湿的检测，在其内部包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，通过单总线串行输出数字形式的信号。DHT11还带有在OTP内存中以程序形式存储的校准系数，在测温湿度的过程会被调用出来以保证传送数据的正确性。

DHT11的工作电压为3.3V～5.5V；可测湿度范围：20%RH～90%RH，精度为：±5%RH；可测温度范围：0℃～50℃，精度为：±2℃；温度与湿度的测量分辨率为8bit，分辨力为1。DHT11的封装类型是4个单排针引脚，具有功耗低、抗干扰和信号传输距离长（20m以上）等优点。在焊接时应注意与300℃温度的接触时间应少于10s，防止高温烧坏。

如图5所示，DHT11与MSP430通过单总线DATA进行双向串行通信来实现控制和数据交换。引脚2为温湿度数字信号输出口，需要接5kΩ左右的上拉电阻。MSP430访问DHT11时需要遵循单总线序列原则，否则DHT11将不会响应。

DHT11向MSP430传送数据位的具体方式为：每次传送40位数据且高位先出，数据格式为：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验位，其中温湿度小数部分为0。

数据校验方法：判断“湿度数据+温度数据”即40位数据中前32位相加所得结果的末8位是否与8bit校验位的数据相同，相同则传送、接收数据正确，否则错误。

本系统中MSP430单片机读取DHT11数据的步骤为：

（1）DHT11上电后（有1S的不稳定状态）便记录环境的温湿度数据，进入低功耗模式状态，同时DATA引脚为输入模式。

（2）检测温湿度时，MSP430通过I/O口发送一次开始信号把总线拉低18ms以上，然后再把I/O口设置为输入状态以检测DHT11的应答。

（3）DHT11检测到起始信号后状态变为高速模式，等待总线恢复高电平即起始信号结束时，DATA引脚变为输出模式，先输出80μs的低电平作为响应信号，再延时等待80μs，接着送出40位数据。

（4）MSP430在接收到DHT11响应信号后便等待80μs高电平后的数据接收，根据总线电平的变化识别40位数据，“0”的识别标志为：50μs低电平加26μs～28μs高电平；“1”的识别标志为：50μs低电平加70μs高电平。DHT11发送完数据再接着输出50μs的低电平，然后进入输入状态以等待MSP430的下一个开始信号；DHT11内部则采集环境温湿度数据后转换到低速模式等待外部信号，在接收到MSP430发送的开始信号之前不会再主动采集环境的温湿度。

如图6所示，无线传输模块采用NORDIC公司的射频通信芯片nRF24L01，它采用FSK（频移键控）的调制方式来传输数字信号，速度可以达到2Mbps，支持点对点以及1对6的无线通信。

如图7所示，本系统采用LCD1602模块作为数据显示模块，LCD1602是一种工业字符型液晶，可以显示的点阵字符图形包括数字、字母以及符号等。本系统使用的LCD1602模块直接与MSP430相连并通过10kΩ电位器接地。第一行用于显示婴儿床在婴儿屁股部位的温湿度，第二行显示作为附加功能的温度；当系统报警时，第二行会交替显示温度以及报警的类型，如果是啼哭报警，则显示“Crying Warning”，如果是尿床报警，则显示“WettingWarning”。

如图8所示，父母端声音报警电路主要由有源蜂鸣器LS1和开关S1组成。 “MSP430核心板1”与“MSP430核心板2”为MSP430核心板的两组双排引脚，引脚4.3通过上拉电阻的作用，平时为高电平。当父母听到婴儿监护系统报警长按确认开关S1时，MSP430检测到引脚4.3的低电平便使引脚3.5输出高电平，驱动蜂鸣器发出报警。

如图9所示，在婴儿啼哭时，系统可以通过播放歌曲和摇动婴儿床等方式来安抚婴儿。本系统播放歌曲采用ISD1820录放模块和喇叭，ISD1820内有FLASH存储和扬声器驱动，可以支持8s～20s时长的语音录制和播放，与麦克风、喇叭、两个开关及3V～5V电源就可以组成最小的录放系统。父母不但可以录下歌曲，还可以录下平时安抚婴儿的语音。录放歌曲或语音结束后，ISD1820自动进入低功耗模式。

摆动婴儿床采用四相步进电机正反转，或者使步进电机持续顺/逆时针转动与四杠曲柄摇杆机构相结合。由于MSP430输出功率较小难以驱动步进电机，所以本设计选用高耐压、大电流的ULN2003对MSP430的输出信号进行放大。

本监护系统的工作过程如下：

婴儿端通电初始化、分配控制口之后，先通过声音传感器采集环境声音响度信息和DHT11温湿度传感器采集婴儿床在婴儿屁股部位的温湿度信息，再将这些信息通过nRF24L01无线传输模块发送出去给父母端接收；如果检测到啼哭信息，则自动驱动ISD1820录放模块播放歌曲并驱动步进电机正反转来摇摆婴儿床安抚婴儿。考虑到婴儿的啼哭存在断断续续的情况，所以在激活安抚婴儿功能的条件设计中要增添适当的延时，防止出现播放歌曲和摇篮断断停停的现象。

父母端通电初始化、分配控制口之后，先由nRF24L01无线传输模块接收婴儿端传送过来的信息，再通过LCD1602液晶模块实时显示婴儿床的温湿度信息。如果湿度大于60%RH则认为婴儿尿床，并驱动蜂鸣器发出报警告知父母及时更换尿布，LCD1602同时显示尿床警告；如果检测到啼哭并持续30s之后也会发出报警，LCD1602同时显示啼哭警告。父母听到报警长按“确定”开关可暂停报警，但不会影响温湿度的实时显示，20分钟后再恢复报警功能。与婴儿端类似，考虑到婴儿的啼哭存在断断续续的情况，所以在触发报警的条件设计中要增添适当的延时，防止出现漏报的情况。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本实用新型的保护范围内。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种婴儿睡眠监护系统，其特征在于：包括婴儿端和父母端，所述婴儿端包括婴儿端单片机、声音检测模块、尿湿检测模块和安抚婴儿模块，其中所述声音检测模块包括声音传感器MK1、电位器R8、双电压比较器U8以及由电阻R4、电阻R5和三极管Q1构成一个共射极的三极管放大电路，所述声音传感器MK1的一端接地，另一端分别通过电容C4连接三极管Q1的基极和通过电阻R2连接电压端，同时声音传感器MK1的两端并联有电阻R3和电容C3；所述三极管Q1的发射极接地，集电极连接双电压比较器U8的反向输入端IN2-，并通过电阻R5连接电位器R8的一端和双电压比较器U8的电源端Vcc，同时三极管Q1的发射极和集电极之间并联有电容C5，所述电位器R8的分压调节端连接双电压比较器U8的正向输入端IN2+；所述尿湿检测模块包括温湿度传感器DHT11，该温湿度传感器DHT11与婴儿端单片机通过单总线DATA进行双向串行通信；所述安抚婴儿模块包括录放模块和电机驱动模块，所述电机驱动模块包括步进电机，电机驱动电路和四杠曲柄摇杆机构；所述父母端包括父母端单片机、数据显示模块和声音报警模块，所述的婴儿端单片机和父母端单片机之间通过无线传输模块互相通信。

2.根据权利要求1所述的一种婴儿睡眠监护系统，其特征在于：所述无线传输模块采用射频通信芯片nRF24L01。

3.根据权利要求1所述的一种婴儿睡眠监护系统，其特征在于：所述婴儿端单片机、父母端单片机均采用16位超低功耗单片机MSP430。

4.根据权利要求1所述的一种婴儿睡眠监护系统，其特征在于：所述声音检测模块还包括发光二极管LED1，所述发光二极管LED1的正端连接双电压比较器U8的电源端Vcc，负端通过串联电阻R7后连接双电压比较器U8的输出端OUT2，同时发光二极管LED1和电阻R7的两端还并联有电阻R6。

5.根据权利要求1所述的一种婴儿睡眠监护系统，其特征在于：所述数据显示模块采用LCD1602显示模块。

6.根据权利要求1所述的一种婴儿睡眠监护系统，其特征在于：所述声音报警模块包括有源蜂鸣器LS1和开关S1。

7.根据权利要求1所述的一种婴儿睡眠监护系统，其特征在于：所述录放模块包括ISD1820录放模块和喇叭。