可監(jiān)測睡眠質(zhì)量的智能枕頭的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李丹丹 田白雪 石雪杰 奚峻領(lǐng) 史金杰

摘要：當(dāng)下人們快速的生活方式帶來許多睡眠質(zhì)量的問題，為了更為簡單便捷的測量睡眠狀況，通過借助心率傳感器和血氧模塊等來實(shí)現(xiàn)物理量的測量，在用Arduino板燒錄程序，串口通信實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙對接。在通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP對接，從而實(shí)現(xiàn)對用戶睡眠數(shù)據(jù)的采集。本設(shè)備還可以自主擴(kuò)展OLED、繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)可視化、無線化的智能家居控制。

關(guān)鍵詞：心率傳感器；藍(lán)牙通信；智能枕頭

1 概述

在快節(jié)奏的工作壓力下，睡眠問題逐漸成為青年一代的主要苦惱。而在智能家居逐漸走進(jìn)大眾視野的當(dāng)下，越來越多的人開始注意到其給生活帶來的便捷。對于很多人，利用全新的智能控制方法，以實(shí)現(xiàn)對生活質(zhì)量更便捷準(zhǔn)確的把握，是許多現(xiàn)代家庭都在嘗試的智能生活體驗(yàn)。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和睡眠監(jiān)測需求量的增加，低侵?jǐn)_的非腦電睡眠監(jiān)測成為一種發(fā)展趨勢，僅僅依賴心電等生理信號，能大大減輕被測者的不舒適度，同時具有使用效率高、體積小、輕便、舒適度高等優(yōu)點(diǎn)，對使用環(huán)境和操作人員無特殊要求。市場上普遍使用的非腦電睡眠監(jiān)測產(chǎn)品主要是基于體動和心率的智能監(jiān)測手環(huán)。這些監(jiān)測設(shè)備雖然使用方便，但內(nèi)置的睡眠監(jiān)測算法主要是基于運(yùn)動和心率的進(jìn)行睡眠時分期的，分期無標(biāo)準(zhǔn)的參考依據(jù)，監(jiān)測準(zhǔn)確性不是很高，且容易出錯。有些設(shè)備甚至存在無法進(jìn)行自動睡眠判斷的問題。在本文中，采取主控模塊微處理器將心率傳感器檢測到的波動通過串口發(fā)給藍(lán)牙XM-26B并顯示在OLED顯示屏上監(jiān)測，在通過藍(lán)牙模塊發(fā)送給相同波特率的手機(jī)藍(lán)牙APP，記錄下每個時間的心跳狀態(tài)，進(jìn)行分析處理，提出建議。主控模塊設(shè)置外部開關(guān)，藍(lán)牙模塊則通過APP發(fā)聲相關(guān)的控制指令。

2 設(shè)計構(gòu)想

開發(fā)智能枕頭分為三個主要模塊：主控模塊、藍(lán)牙模塊、傳感器模塊。本文選擇Arduino開發(fā)板作為主控系統(tǒng)是因?yàn)槭悄壳氨容^受歡迎的單片機(jī)，其主控芯片ATmega328包括了片上32KB Flash，其中0.5KB用于Bootloader。同時還有2KB SRAM和1KB EEPROM。其中最主要的是Arduino能夠直接讀取傳感器輸入的模擬量，比較簡單。而與睡眠質(zhì)量有關(guān)的身體參數(shù)選取心率和血氧，通過這兩個參數(shù)選擇合適的傳感器模塊。最后要實(shí)現(xiàn)設(shè)備測量數(shù)據(jù)的輸出，則需要WiFi信號或者藍(lán)牙模塊來進(jìn)行手機(jī)端的數(shù)據(jù)采集。對比WiFi信號，采取更為簡便和穩(wěn)定的藍(lán)牙

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 控制電路設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)包括枕頭本體、光電式心率傳感器、壓電傳感器、主控模塊、藍(lán)牙通訊模塊、電源模塊、電壓模塊、電源開關(guān)、藍(lán)牙開關(guān)，所述光電式心率傳感器、血氧傳感器、存儲器、藍(lán)牙通訊模塊、電源模塊設(shè)置在枕頭本體的內(nèi)部，主控模塊包括嵌入式微處理器與穩(wěn)壓電路。光電式心率傳感器用于對使用者進(jìn)行心率測量，血氧傳感器用于測量使用者的血氧含量，主控模塊用于接收光電式心率傳感器和血氧傳感器的測量數(shù)據(jù)并儲存在儲存器中，通過連接外設(shè)OLED顯示屏實(shí)時顯示。

藍(lán)牙通訊模塊用于與外部通信傳送光電式心率傳感器和血氧傳感器的測量數(shù)據(jù)。取代數(shù)據(jù)電纜的短距離無線通信技術(shù)，藍(lán)牙支持點(diǎn)對點(diǎn)以及點(diǎn)對多點(diǎn)的通信。對藍(lán)牙模塊設(shè)置參數(shù)，將SET部分短接進(jìn)入設(shè)置模式，波特率調(diào)至與傳感器一致。設(shè)置完成恢復(fù)，當(dāng)其指示燈常亮則表示其已成功連接。將考慮到當(dāng)下藍(lán)牙的穩(wěn)定性和傳輸快速性，采用BLE4.0低功耗藍(lán)牙無線透傳模塊。

在枕頭中內(nèi)置的血氧傳感器和光電式心率傳感器來搜集心跳、血氧含量數(shù)據(jù)等從而判斷用戶在床上的體動記錄，人在睡眠狀態(tài)比其他任何狀態(tài)活動都小，所以若在一定時間內(nèi)采集數(shù)據(jù)的變化幅度小于某一特定值，那么就把這段時間前開始計算為睡眠狀態(tài)。若數(shù)據(jù)變化頻率和幅度大說明睡眠質(zhì)量不是很好。枕頭可以與手機(jī)通過低功耗藍(lán)牙（BLE）實(shí)時連接，將數(shù)據(jù)同步至手機(jī)APP中。采用此方案設(shè)計的系統(tǒng)如圖2。

3.2 控制程序設(shè)計

本程序用C語言編程。傳感器HXDZ-30102-ACC血氧呼吸模塊，首先連接開發(fā)板的COM端口，波特率設(shè)置為115200，無奇偶校驗(yàn)位。上電后，單片機(jī)復(fù)位MAX30102并開始對MAX30102進(jìn)行功能初始化，此時REDLED和IRLED交替點(diǎn)亮 來檢測人體皮膚下血液的搏動和df氧含量（此時可以看到MAX30102有紅光亮起，說明初始化成功）。單片機(jī)將一段時間內(nèi)MAX30102采集的LED反射數(shù)據(jù)儲存在內(nèi)部RAM中，然后分別計算RED LED和IR LED的直流成分（DC）和交流成分（AC），最后算出數(shù)值R并通過預(yù)先儲存在FLASH中的查找表來確定當(dāng)前的SP02。而心率值可以通過對單個LED的交流成分相鄰兩波峰之間的時間差T來確定，每分鐘心跳數(shù)BPM=60/T。其中red和ir是紅光LED，紅外LED的原始數(shù)據(jù)，HR表示心率值，HRvalid是心率是否有效標(biāo)識，SP02是血氧數(shù)值，SP02valid 是血氧是否有效標(biāo)識。傳感器模塊子程序主要完成數(shù)據(jù)的采集，以及和單片機(jī)直接的數(shù)據(jù)通信等，此部分程序的完成是整個系統(tǒng)軟件設(shè)計成功與否的關(guān)鍵所在。藍(lán)牙通信模塊子程序主要完成手機(jī)藍(lán)牙指令的接收，以及和單片機(jī)直接的數(shù)據(jù)通信等。

4 結(jié)論

本文通過對Arduino的擴(kuò)展開發(fā)，設(shè)計出了能夠檢測睡眠質(zhì)量的智能枕頭?？梢院唵慰旖莸牧私庾约耗硞€階段的睡眠質(zhì)量和習(xí)慣，節(jié)約了去醫(yī)院傳統(tǒng)測量的時間。本系統(tǒng)還用藍(lán)牙模塊開發(fā)了手機(jī)移動端的控制、分析效果，能夠更為有效的滿足更多人的需求。

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（作者單位：江南大學(xué)）