簡易無線嬰兒監(jiān)護裝置的設(shè)計

何　怡，蔡桂清，雷旭琴，石春花

（長治醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系，山西 長治046000）

簡易無線嬰兒監(jiān)護裝置的設(shè)計

何怡，蔡桂清，雷旭琴，石春花

（長治醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系，山西 長治046000）

基于溫濕度傳感器SHT75和脈搏傳感器HK_2000A，以msp430f149單片機為微處理核心，設(shè)計了外圍電路進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，試圖實現(xiàn)對嬰兒生理狀態(tài)的實時監(jiān)測，同時利用無線傳輸模塊RF905進行短距離信息的傳遞，終端以LCD1602液晶顯示屏的同步顯示與異況報警為呈現(xiàn)方式，最終完成對嬰兒短距離的遠程監(jiān)護功能。實物制作完成后經(jīng)過多次實驗驗證，整個系統(tǒng)的各項功能均滿足要求，性能穩(wěn)定，所測得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)誤差很小。本設(shè)計是一款簡易的、低功耗的、低成本、適合一般家庭使用的、能夠?qū)雰荷頎顩r進行遠程監(jiān)控的、便攜式的嬰兒監(jiān)護裝置，具有一定的應(yīng)用價值和市場參考意義。

嬰兒監(jiān)護；體溫檢測；尿床檢測；脈搏檢測；無線傳輸

長期以來，嬰兒的日常監(jiān)護一直是每個家庭最為關(guān)注的問題之一［1］。雖然嬰兒監(jiān)護器這種便利的裝置在國外已經(jīng)被廣泛使用，但是，由于國內(nèi)育兒理念的不同，目前大多數(shù)的家庭對于嬰兒的時刻看護主要還是選擇依靠嬰兒父母、家人、保姆等，嬰兒監(jiān)護器的使用率相對較低。一方面，隨著人們生活水平的不斷提高，社會壓力的增大，健康問題的日益注重，時時刻刻看守著嬰幼兒給父母正常工作、休息等帶來的不便［2］最終會成為必須要解決的問題；另一方面，國內(nèi)二孩政策［3］的全面實施，必然導(dǎo)致不少家庭開始考慮嬰幼兒數(shù)量的增加帶來的看護負擔，我們相信，嬰兒遠程監(jiān)控產(chǎn)品甚至更新型的醫(yī)學監(jiān)測方法逐漸會成為大多數(shù)家庭的幫手［4，5］。

本文以TI公司的msp430f149低功耗微處理器為核心，將醫(yī)學的檢測技術(shù)［4］應(yīng)用到嬰幼兒的監(jiān)護中，基于溫濕度傳感器 SHT75和脈搏傳感器HK_2000A，試圖設(shè)計外圍電路，有效實現(xiàn)對嬰兒生理狀態(tài)的實時監(jiān)測，并且利用無線傳輸模塊RF905進行最終的遠程監(jiān)護。本設(shè)計通過在熟練掌握基本電子產(chǎn)品器件的性能及使用方法的基礎(chǔ)上，進行了硬件設(shè)計、各個相關(guān)模塊的探索、器件型號的選擇、軟件編程和調(diào)試、軟硬件相結(jié)合等研究，充分使用各部件的優(yōu)點，設(shè)計出一款簡易、低功耗、低成本、適合一般家庭使用、能夠?qū)雰荷頎顩r進行遠程監(jiān)控的、便攜式的嬰兒監(jiān)護裝置，具有一定的應(yīng)用價值和市場參考［5-7］。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)是以單片機msp430作為設(shè)計核心，首先，按照監(jiān)測的指標，選擇溫度、濕度以及脈搏監(jiān)測及相關(guān)的外圍處理電路作為主要模塊設(shè)計；其次，數(shù)據(jù)控制部分采用鍵盤控制電路來實現(xiàn)；再次，終端設(shè)計包括兩部分，警報電路和顯示電路。最后設(shè)計主控系統(tǒng)聯(lián)合各個模塊構(gòu)成整體框圖，如圖1所示。其中，SHT75溫濕度傳感器實時采集嬰兒的溫度和濕度，HK_2000A經(jīng)按鍵控制是否采集脈搏進一步確認嬰兒是否生病，配有LED燈提示是否正在進行脈搏采集（相應(yīng)燈亮表示正在采集脈搏信號，燈滅脈搏采集結(jié)束，采集大概10 s），采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸?shù)揭壕э@示屏進行顯示，與此同時進行判斷，若嬰兒的生理參數(shù)有問題發(fā)出警報提示。系統(tǒng)默認的生理參數(shù)是一般嬰幼兒正常的參數(shù)值，開機時已設(shè)定好，若因為個體差異，本系統(tǒng)另設(shè)有按鍵控制，不同家庭不同嬰兒可以根據(jù)具體情況自行設(shè)計。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2　主程序設(shè)計及系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1SHT75溫濕度傳感器

供電后，msp430向SHT75溫濕度傳感器［8］發(fā)送時鐘命令，采集嬰兒身體溫度和尿布濕度，這里，濕度數(shù)據(jù)位選取十二位二進制位，溫度數(shù)據(jù)位選取十四位二進制位，由于精確度太高，將溫度的精確度設(shè)定到小數(shù)點后兩位，濕度取小數(shù)點后四位。定義了msp430的兩個I/O口為傳感器的數(shù)據(jù)線（SDA）和時鐘線（SCK），一個變量（error）判斷數(shù)據(jù)采集是否出現(xiàn)了錯誤，采集數(shù)據(jù)時，如出錯重新采集，如沒有錯誤采集到的數(shù)據(jù)進行下一步處理，在相應(yīng)函數(shù)中定義指針對變量進行調(diào)用，遵從嚴格時序要求，得到正確結(jié)果。

2.2HK-2000A脈搏傳感器

接通電源，若需要采集HK-2000A脈搏傳感器［9］的數(shù)據(jù)，按下相應(yīng)開關(guān)（中斷），指示燈亮起，表示正在采集數(shù)據(jù)，大概需要時間10 s，脈搏采集結(jié)束，相應(yīng)指示燈熄滅。定義了兩個數(shù)組（shijian［8］，dN3［3］），一個存放八次采集的時間，一個存放各個脈搏數(shù)各個位的數(shù)據(jù)，一個變量（num）存放八次總的時間，一個變量（pingjun）存放兩次脈搏間隔的時間，一個變量（MAIBO）存放最終得到的脈搏數(shù)，開啟了相應(yīng)的中斷捕獲脈沖到來時的計數(shù)值（轉(zhuǎn)換為時間）和是否采集脈搏信號，使能了P1.1的I/O口的第二功能作捕獲的中斷源，脈沖信號的上升沿有效，計數(shù)器的時鐘選擇內(nèi)部的輔助時鐘（ACLK），32 768 Hz的外部晶振經(jīng)兩次八分頻（共64分頻）作為計數(shù)器的時鐘。

2.3NRF905無線發(fā)送與接收

NRF905［10］發(fā)送與接收數(shù)據(jù)位均選用三十二位，除傳輸采集到的數(shù)據(jù)外，還傳輸固定的字符，在接收端進行判斷，確定是否傳送成功，以便進行下一步工作。定義了10個I/O口作為NRF905無線的端口，兩個數(shù)組（TxRxBuf［32］，RFConf［11］），一個存放要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，一個存放無線發(fā)送時需要執(zhí)行相應(yīng)操作的特定字符，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中有十二個數(shù)組成員（TxRxBuf［0］-TxRxBuf［11］）為采集到的數(shù)據(jù)，其余數(shù)組（TxRxBuf［12］-TxRxBuf［31］）成員為固定字符，在接收方做判斷使用，接收時定義了函數(shù)檢查是否有新數(shù)據(jù)傳入，以便確定是否進行下一步操作。

2.4液晶顯示

接收端接收到的固定字符正確，表示接收過程無誤，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換存放到相應(yīng)數(shù)組，送到液晶上顯示，msp430內(nèi)部設(shè)定有各個參數(shù)的門限值，也將在液晶上顯示。定義了11個I/O口作為LCD 1602液晶的端口，四個數(shù)組（dN1［5］，dN2［4］，dN3［3］，dN4［5］），存放可以修改的溫度限值、溫度值、濕度值、脈搏數(shù)值，能了解相應(yīng)IO口的中斷功能，來控制加減溫度限值的大小，顯示時，在指定位置輪流顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。

2.5報警

接收端接收到的信號與內(nèi)部設(shè)定的門限值（溫度門限值可以在發(fā)生按鍵（外部中斷事件）時修改）相比較，當超過門限值時，蜂鳴器將發(fā)出聲音提示。定義了三個I/O口作為蜂鳴器的端口，超過指定限值的時候相應(yīng)口電平置高，蜂鳴器發(fā)聲。

2.6按鍵

按鍵控制濕度初值的改變，可以加1、加0.1、減1、減0.1.定義了四個I/O口作為中斷的來源，按鍵控制中斷事件的發(fā)生，按鍵中斷發(fā)生時，軟件設(shè)置延時消抖，避免人為按鍵時電平的抖動造成的誤差。

3　結(jié)果與分析

基于此，設(shè)計并制作出了簡易無線嬰兒監(jiān)護裝置實物，如圖2所示，經(jīng)過多次實驗驗證，整個系統(tǒng)的各項功能均滿足要求，性能穩(wěn)定，所測得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)誤差很小。

圖2　左圖為信號采集部分，右圖為信號接收顯示部分

3.1溫度、濕度采集

隨機選擇六位志愿者進行體溫測試，分別用體溫槍和本系統(tǒng)溫濕度傳感器進行測量，測量結(jié)果及誤差如表1所示。平均誤差為0.27，在可接受范圍內(nèi)。兒童在口腔處為36.2℃～37.3℃之間；兒童在腋窩處為35.9℃～37.2℃之間。通過測量后，兒童凡超過正常范圍0.5℃以上時，稱為發(fā)熱。不超過38℃稱為低熱，超過39℃者為高熱。因此可以對嬰兒進行監(jiān)測。

表1　溫度采集數(shù)據(jù)/℃

濕度的測量通過對比六組室內(nèi)濕度計顯示值和由SHT75溫濕度傳感器測量的值可以看出該傳感器能較準確測量室內(nèi)濕度并且所得結(jié)果具有穩(wěn)定性，對比如表2所示。

表2　濕度采集數(shù)據(jù)，%RH（相對濕度）

3.2脈搏采集

對同一個實驗者使用HK-2000A脈搏傳感器進行六次測量，測得的結(jié)果均在正常值范圍內(nèi)，結(jié)果準確可靠，測量值分別為：72，65，69，70，70，68.

4　結(jié)束語

本文以TI公司的msp430f149低功耗微處理器為核心，基于溫濕度傳感器SHT75和脈搏傳感器HK_2000A和無線傳輸模塊RF905，設(shè)計出一款簡易、低功耗、低成本、適合一般家庭使用、能夠?qū)雰荷頎顩r進行遠程監(jiān)控、便攜式的嬰兒監(jiān)護裝置。整個設(shè)計利用了各個模塊的優(yōu)點，設(shè)計出的裝置基本達到了預(yù)想的效果。

（1）脈搏采集時利用主控芯片msp430的定時器的捕獲功能，捕獲8次脈搏間隔時間，經(jīng)計算兩次脈搏間隔時間后近一步得出一分鐘的脈搏數(shù)，在軟件上進行優(yōu)化，避免了嬰兒在長時間測量時的移動對測量結(jié)果的干擾。

（2）實時采集到的溫度和濕度，人為處理為溫度為小數(shù)點后兩位，濕度小數(shù)點后四位，得到的最后結(jié)果已經(jīng)能滿足生活中的要求。

（3）無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)末尾加入了固定字符，數(shù)據(jù)接收時參與判斷接受的數(shù)據(jù)是否正確，避免了在接收過程中因為外部干擾接收到的數(shù)據(jù)不正確，影響后期判斷。

然而，本設(shè)計存在一些不足之處：脈搏采集功能需要人為開啟，不能在測得的數(shù)據(jù)顯示可能生病時自動測量驗證是否真的生?。徊捎玫哪K都是成品，直接接線使用，如果能進一步將各個模塊所用的芯片直接安裝在一起，將會變得非常小巧，使用起來也更靈活方便，這些都有待在今后的工作中進一步地改進。

［1］李美榮.現(xiàn)代兒科護理工作壓力源分析及對策探討［J］.中國醫(yī)藥指南，2015，（11）:285-286.

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［3］新華社中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議［BE/OL］.中共十八屆中央委員會第五次全體會議公報，2015-10-29.

［4］高成俊.智能溫濕度自動控制系統(tǒng)的開發(fā)及在藥品倉庫中的應(yīng)用［J］.醫(yī)療設(shè)備信息，2000，15（05）:10-11.

［5］田雨，嚴壯志，陶佳安.新型網(wǎng)絡(luò)化睡眠監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.中國醫(yī)療器械雜志，2015，39（3）:157-161.

［6］王振東.基于BitCloud的無線監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.北京：中國科學院大學，2014.

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The Design of Simple Wireless Baby Monitoring Device

HE Yi，CAI Gui-qing，LEI Xu-qin，SHI Chun-hua
（Department of Biomedical Engineering.Changzhi Medical College，Changzhi Shanxi 046000，China）

Based on Temperature and humidity sensor SHT75 and pulse transducer HK_2000A，using msp430f149 single-chip microcomputer，related data has been collected by peripheral circuit for real time monitoring of physiological status of baby.Transfer of information in short distance by using Wireless transmission module RF905，synchronous displaying in LCD（liquid crystal display）and sending alarm signal，remote monitoring of baby in short distance is accomplished.After repeated experiments，the result shows that the system reaches the designspecification，and measured values is close to the actual data.The design is simple，has low power consumption and low cost，moreover，it is a remote monitoring device of portable，also，ithas applied value on the reference value and market prospects.

baby monitor；body temperature measurement；wet the bed detecting；pulsemonitor；wireless data communication

TP273

A

1672-545X（2016）07-0048-04

2016-04-06

2015年山西省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（編號：2015306）；2013年長治醫(yī)學院“教育教學改革與建設(shè)項目。

何怡（1992-），女，四川廣安人，本科，研究方向：生物醫(yī)學工程；石春花（1981-），女，山西榆次人，博士，副教授，研究方向：生物醫(yī)學工程，從事電路有關(guān)的理論教學和實踐活動。