基于可穿戴式的嬰幼兒睡眠監(jiān)護系統(tǒng)的設計

石凱悅 李嘉祺 陳剛

摘 要：嬰幼兒睡姿變化是評價嬰幼兒睡眠質(zhì)量的重要指標。合理分析嬰幼兒的健康狀況，在睡眠特殊情況下能有效預警。為實時監(jiān)控睡眠狀態(tài)下的嬰幼兒，基于MPU6050和低功耗4.0藍牙傳輸模塊，設計一種可穿戴式智能腳環(huán)。嬰幼兒睡眠監(jiān)護系統(tǒng)由云端服務器、安卓手機、可穿戴智能腳環(huán)組成。智能腳環(huán)通過三軸加速度、陀螺儀傳感器采集運動數(shù)據(jù)，并利用卡爾曼濾波解算腳環(huán)姿態(tài)，實現(xiàn)多種睡姿判別，對睡姿結(jié)果實時智能分析，發(fā)現(xiàn)異常及時報警，并將數(shù)據(jù)反饋給用戶，同時將結(jié)果提交至云端服務器。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效實現(xiàn)對嬰幼兒睡眠的監(jiān)護。

關(guān)鍵詞：可穿戴系統(tǒng)；嬰幼兒睡眠監(jiān)護；傳感器；卡爾曼濾波

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-03

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的發(fā)展，智能可穿戴設備具有強大的市場潛力[1]。二胎時代來臨，家長對嬰幼兒的健康愈加重視[2]，嬰幼兒用品等相關(guān)行業(yè)將成為最直接的受益者。由于嬰幼兒身體機能較弱，睡眠也可能成為生長發(fā)育過程中一個可改變的危險因素[3]。為對睡眠狀態(tài)下的嬰幼兒進行及時監(jiān)護，研發(fā)出一款專門針對嬰幼兒的性價比高、體驗感強、功能強大的睡眠監(jiān)護系統(tǒng)[4]。

目前國內(nèi)外針對嬰幼兒睡眠監(jiān)護系統(tǒng)的研究，如Owlet嬰兒護理智能襪子監(jiān)測器，但該產(chǎn)品價格偏高，且不適宜在溫度較高時穿戴； Safetosleep智能床墊[5]不易攜帶，并且有監(jiān)護區(qū)域限制；嬰兒呼吸3D監(jiān)控系統(tǒng)通過深度感應相機監(jiān)測嬰兒睡眠期間的腹部起伏判斷呼吸[5]，此產(chǎn)品應用前景不明。因此，本文提出基于可穿戴式的嬰幼兒睡眠監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)能時時展示嬰幼兒的體溫、心率和睡姿等，并對指標進行分析與預警，具有應用方便、數(shù)據(jù)及時保存、性價比高等優(yōu)點。

1 總體方案設計

結(jié)合安卓、嵌入式和云平臺，將傳感、識別、連接和云服務等技術(shù)綜合嵌入到可穿戴設備形成“可穿戴腳環(huán)-無線藍牙傳輸系統(tǒng)-智能手機APP”系統(tǒng)，引入量化自我的設計理念[6]，主要從功能、造型、功能界面三個方面實現(xiàn)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

本系統(tǒng)由云端服務器、安卓手機、可穿戴智能腳環(huán)組成。智能腳環(huán)通過傳感器模塊[7]采集物理數(shù)據(jù)，采用低功耗藍牙4.0方案將嬰兒的睡姿、心率及體溫等相關(guān)數(shù)據(jù)與手機APP進行實時通信[8]。云端服務器存儲信息并進行智能分析，分析結(jié)果反饋給用戶，若發(fā)現(xiàn)異常及時報警[9]。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設計

基于可穿戴技術(shù)開發(fā)的智能腳環(huán)主要包括MPU6050姿態(tài)傳感器、MAX30100心率傳感器、集成雙溫度傳感器和ADMP MEMS數(shù)字麥克風，分別實現(xiàn)睡眠姿態(tài)分析，心率、體溫監(jiān)測，睡醒時聲音通知。主控芯片為低功耗藍牙4.0芯片nRF52832。可穿戴式智能腳環(huán)具有佩戴方便、體型小、耗電量低等特點。其中，數(shù)據(jù)采集平臺由nRF52832與MPU6050構(gòu)成，可穿戴式智能腳環(huán)如圖2所示。

2.2 軟件平臺設計

MPU6050與nRF52832通過I2C總線接口通信。為了最大限度地增加工作時間，MPU6050 的12引腳的INT引腳與nRF52832的14引腳相連，若nRF52832達到閾值時間卻未收到有效的MPU6050運動數(shù)據(jù)，則進入休眠狀態(tài)。否則MPU6050通過mpu6050_register_write（），mpu6050_register_

read（）兩個函數(shù)產(chǎn)生中斷喚醒nRF52832。

根據(jù)I2C協(xié)議，對MAX30100芯片硬件驅(qū)動的FIFO寄存器進行操作時，首先采集樣本數(shù)及精度等，配置Config寄存器等，再對FIFO各寄存器進行清零操作，最后進行寫讀操作。

軟件平臺數(shù)據(jù)分析建立在硬件傳感器監(jiān)測基礎上。本系統(tǒng)采用GATT協(xié)議實現(xiàn)腳環(huán)與安卓手機通信，HTTP協(xié)議實現(xiàn)安卓與服務器通信，MySQL實現(xiàn)服務器端數(shù)據(jù)存儲，采用SSM框架搭建服務器的架構(gòu)，JPush向安卓推送最新的用戶數(shù)據(jù)。

3 睡眠姿態(tài)采集與判定算法

3.1 嬰幼兒睡眠姿態(tài)特征

睡眠狀態(tài)下，嬰幼兒的姿態(tài)可分為如下兩種：

（1）臥姿：按照嬰幼兒身體傾斜的角度從小到大可分為仰臥、側(cè)臥、傾臥；

（2）站立姿：睡醒后才會發(fā)生的狀態(tài)，可能產(chǎn)生未知的危險[10]。

假定MPU6050的三軸加速度指向與嬰幼兒身體坐標系重合[11]，身體坐標系Oxp yp zp中節(jié)點a的坐標記為a（ax，ay，az）?？纱┐髂_環(huán)佩戴在嬰幼兒的腳踝處，因此選擇腳部運動名稱定義各姿態(tài)角，分別是擺角α，轉(zhuǎn)角β和抬角χ。其中，擺角α由腿在垂直方向上左右晃動產(chǎn)生，轉(zhuǎn)角β是腿沿水平面上向左或向右的轉(zhuǎn)向角，抬角χ由腿上下運動產(chǎn)生。忽略運動幅度的差異，仰臥和站立姿在行為數(shù)據(jù)上區(qū)別不顯著，可以歸為一類。三種姿態(tài)的數(shù)值特征見表1所列。

3.2 姿態(tài)解算

從陀螺儀數(shù)據(jù)輸出寄存器和加速度傳感器數(shù)據(jù)輸出寄存器獲取的原始數(shù)據(jù)與實際需要的姿態(tài)數(shù)據(jù)即歐拉角（航向角、橫滾角和俯仰角）不符。因此本系統(tǒng)采用卡爾曼濾波融合[12]方法進行姿態(tài)解算[13]，整體實現(xiàn)方法如圖3所示。

假設某時刻嬰幼兒真實的姿態(tài)角為θks，根據(jù)卡爾曼濾波處理陀螺儀采集的原始數(shù)據(jù)，采用四元數(shù)法[14]計算出姿態(tài)角θkα=θks+θkα，θkα是經(jīng)四元數(shù)微方程求解得到的姿態(tài)角。

姿態(tài)角由四元數(shù)形式的方向余弦矩陣決定：

當嬰幼兒處于任意姿態(tài)時，設人體坐標系三軸上測量的加速度值為，則由坐標系變換矩陣，得到：

繼而計算出俯仰角和橫滾角：

由此得出所需的航向角ε、橫滾角φ和俯仰角θ。

4 基于安卓的嬰幼兒睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 可穿戴腳環(huán)的硬件平臺搭建

可穿戴智能腳環(huán)的嵌入式系統(tǒng)采用Keil開發(fā)協(xié)議棧，和應用軟件完全分開，因此需要用nRFgoStudio燒寫協(xié)議棧。將嵌入式程序通過Keil下載到可穿戴節(jié)點ROM的0x18000起始區(qū)域，插上鋰電池，可穿戴節(jié)點開始工作。

4.2 基于安卓平臺的軟件實現(xiàn)

安卓APP軟件適用于藍牙4.0，版本4.3以上的安卓手機，將該安卓應用與可穿戴腳環(huán)配對，具體應用過程如圖4所示。用戶登錄APP后，通過藍牙連接節(jié)點，如圖5和圖6所示?？纱┐髂_環(huán)將某時刻采集到的體征數(shù)據(jù)自動傳輸至APP并顯示，如圖7所示。用戶可以隨時查看孩子近一周的體溫、心率數(shù)據(jù)，當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，會自動報警提醒用戶，如圖8所示。此外還可提供寶寶近一周的睡姿記錄，用戶可以查看寶寶在具體時段的睡姿，或者通過扇形圖查看寶寶一天內(nèi)各個姿態(tài)的分布、總時長以及占比，如圖9所示。

4.3 系統(tǒng)測試

為了檢測本系統(tǒng)的可靠性，研究人員對嬰幼兒的姿態(tài)識別進行了大量實驗，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)。檢測情況見表2所列。

由表2可知，本系統(tǒng)的姿態(tài)識別能力很好，可以對嬰幼兒睡眠時的狀態(tài)進行監(jiān)護。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)主要通過自主開發(fā)的可穿戴智能腳環(huán)，利用MPU6050實現(xiàn)姿態(tài)采集，MAX30100實現(xiàn)心率溫度采集，I2S數(shù)字音頻總線實現(xiàn)聲音采集，通過集成72 MHz主頻ARMCortex-M4F浮點計算功能的nRF52832多傳感器數(shù)據(jù)融合計算，將嬰幼兒的體溫、睡姿、心率數(shù)據(jù)通過藍牙4.0發(fā)送到手機并保存在云服務器，實現(xiàn)嬰幼兒睡眠智能監(jiān)護。方案新穎，有較大的創(chuàng)新價值和推廣意義。

本系統(tǒng)的核心是對嬰幼兒睡眠時異常姿態(tài)的報警。在數(shù)據(jù)處理上使用卡爾曼濾波[15]融合方法。利用陀螺儀的角度估計過程數(shù)據(jù)，使用加速度計和磁力計求解姿態(tài)角，并作為測量數(shù)據(jù)，最后使用卡爾曼濾波對姿態(tài)角進行優(yōu)化，得到最終的姿態(tài)角。但本文只考慮了白噪聲，需要繼續(xù)研究其他因素對姿態(tài)測量精度的影響。

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