基于嵌入式技術(shù)實現(xiàn)人體睡眠控制功能的智能系統(tǒng)設(shè)計

呂超

摘?要：本文設(shè)計了一種薄膜脈沖傳感器并基于嵌入式技術(shù)來實現(xiàn)睡眠監(jiān)測。研究為發(fā)展基于嵌入式技術(shù)實現(xiàn)人體睡眠控制功能的智能系統(tǒng)提供新的思路，是計算機技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)信號處理技術(shù)的完美結(jié)合。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù);睡眠控制;智能檢測;系統(tǒng)設(shè)計

1 概述

2016年以來，已經(jīng)有很多媒體報道了關(guān)于睡眠障礙的新聞，隨我社會節(jié)奏的加快，越來越多的年輕人存在無法正常睡眠的情況，這無疑加重了人們精神和工作生活的壓力，所以，有效的監(jiān)控睡眠成文最近幾年來很多研究機構(gòu)和團隊關(guān)注的焦點內(nèi)容。就目前來看，運用電子技術(shù)探測睡眠的生物信號主要采取的手段是：脈搏生理信號的電轉(zhuǎn)換。也就是說脈搏信號引起電子器件的物理單元進行變換，從而檢測電信號，并將此與正常的信號作對比。只有有效的對脈搏信號進行統(tǒng)計，才能達到有效的監(jiān)控與預(yù)警，本文的研究就是彌補這塊的技術(shù)空白，從而對行業(yè)有所啟迪。

2 壓電薄膜傳感器的設(shè)計

PVDF（Poly Vinylidene Fluoride）薄膜脈沖傳感器可以滿足測量要求，還有以下幾個缺點。（1）傳感器取決于位置。為了有脈沖信號輸出，我們只能精確定位傳感器存在動脈表面的波動。（2）傳感器對噪聲敏感。由于傳感器對于噪聲非常敏感，它會放大微信號。所以身體的運動很容易陷入隨機干擾。（3）50 Hz頻率因直接接觸而引入皮膚系統(tǒng)。

通過“液體輸送壓力”的性質(zhì)，我們設(shè)計了一個封閉的流體橡膠囊。膠囊形狀為扁平，橡膠壁厚0.5mm，腔厚度2 mm。傳感器的貼在膠囊上表面。膠囊的下壁緊貼皮膚，通過膠囊的彈性，下壁對皮膚貼合的很近，增加傳感器敏感區(qū)域。腕帶兩端穿透，傳感器即可戴上手腕。并且只要有一點液壓囊與腕橈動脈接觸，脈沖波動將從膠囊液體轉(zhuǎn)移傳感器傳導(dǎo)到傳感器表面，以及傳感器應(yīng)用場合等相關(guān)問題也得到了解決。在我們的設(shè)計中，我們利用汽油或油作為壓力轉(zhuǎn)移介質(zhì)。通過實驗表明，能量油的物理特性不易受到瞬態(tài)傳導(dǎo)的影響，弱波動起到了在低通濾波器中抗干擾的作用。隨著大比熱容，能量油的溫度確實與人體溫度沒有明顯的差別，提高了佩戴舒適性。由于油很厚，因此在防止慣性很大的隨機干擾方面起一定作用。同時，它有衰減轉(zhuǎn)移脈沖。通過實際測量發(fā)現(xiàn)它對于一個周期中的“強”和“弱”有不同的衰變波動。這個問題已經(jīng)反映在形式上波谷脈沖的偏差很大。這個問題可以通過軟件糾正。另外，使用液壓橡膠保溫膠囊無刺激皮膚，金屬傳感器直接接觸皮膚被切斷，50 Hz干擾也是如此。熱導(dǎo)電性使表面透射手腕的溫度測量可能，增加和增強了可測量生理信號。

3 傳感器的信號處理

由于脈沖傳感器的輸出信號太弱，我們必須首先將其放大，然后將其傳輸?shù)紸DC轉(zhuǎn)換器。低通放大器的設(shè)計符合運動后的人體每分鐘最大跳動240次脈沖。交叉頻率為由R07，C04，R08和C05確定，放大倍數(shù)為由R06和R08之間的比率確定。脈沖信號分析的研究對象是信號，特別是非平滑和時變信號。信號分析可采用時頻分析方法。它的主要任務(wù)是描述信號頻譜的內(nèi)容改變時間，使信號的能量和強度可以在時間和頻率軸上同時顯示。在獲得信號分布后，可以提取包含在信號和信號中的特征信息來進行處理和分析，從而獲得一種具有預(yù)期視頻的信號分布特征。

在本文中，采用時域分析。過去，通常采用人工閱讀圖的方法。也就是說，測量脈沖波等參數(shù)圖，上限，脈沖的對應(yīng)值等，直接從圖中讀出。通過脈沖幅度圖分析，我們可以弄清楚頻率和脈搏的節(jié)奏，脈沖強度，電位和實際脈沖形狀的特征。Matlab在高效的計算能力和方面的功能完美，我們用它作為數(shù)學(xué)工具來實現(xiàn)直接處理獲取的信號，從而獲得時域。閱讀省略了人工閱圖過程，從而減少了由于缺乏經(jīng)驗和估計錯誤導(dǎo)致的誤差。

4 睡眠監(jiān)測報警的設(shè)備設(shè)計

為了解決無法抑制思緒不斷的問題，我們可以在失控的情況下，提供適當(dāng)?shù)拇竽X刺激，基于計算機連續(xù)刺激思維狀態(tài)的活動。抑制狀態(tài)的結(jié)果可能由于注意它的行為而發(fā)生不斷移動，直到最后消失。該單元的一大功能是打斷思考活動從失眠到失控醒來。這些功能可以通過“嵌入式”微電腦系統(tǒng)來實現(xiàn)。

在這里，我們使用刺激器來產(chǎn)生聲音中斷源。刺激后，用戶的反應(yīng)刺激將通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號。放大和過濾后，來自傳感器的弱信號將被發(fā)送到嵌入式計算機系統(tǒng)進行處理。一旦遇到了意外疾?。ㄈ缒X血栓形成），嵌入式計算機系統(tǒng)可以發(fā)出“聲音”警報或“語音”呼叫通過遠(yuǎn)程控制，以通知家庭成員和急救中心及時。

首先，硬件設(shè)計。睡眠監(jiān)視器基于S3C44B0X的設(shè)備。S3C440X是由高速32位處理器生產(chǎn)的SAMSUNG公司基于ARM7 TDMI核心RISC系統(tǒng)。它的工作電壓僅為3.3V，即核心電壓ARM7 TDMI僅為2.5V。這些低功耗芯片非常適合磨損產(chǎn)品的開發(fā)。由于音頻和電話語音報警電路是常見的，這里沒有詳細(xì)描述。

其次，軟件設(shè)計。Linux是一種非常流行的操作系統(tǒng)兼容UNIX系統(tǒng)和開源。它最初是為桌面系統(tǒng)設(shè)計的，但現(xiàn)在卻是廣泛用于服務(wù)器領(lǐng)域。影響更大的它逐漸應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，uClinux就是在這種氛圍中產(chǎn)生，它是Micro-Control-Linux，字面意思是“為微控制設(shè)計的Linux系統(tǒng)領(lǐng)域”。

5 結(jié)論

綜上所述，本文主要對薄膜脈沖傳感器與睡眠監(jiān)測報警設(shè)備進行了研究。本文的主要創(chuàng)新之處在于：采用新型傳感器結(jié)構(gòu)。設(shè)備可以實現(xiàn)通過對象識別反應(yīng)的測試。今后，可以在此系統(tǒng)上研發(fā)音頻和電話語音報警。本文的研究為發(fā)展基于嵌入式技術(shù)實現(xiàn)人體睡眠控制功能的智能系統(tǒng)提供新的思路。

參考文獻：

[1]閆劍.鐵路司乘人員睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].北京交通大學(xué)，2015.

[2]高明星.基于嵌入式睡眠監(jiān)測平臺的研究[D].陜西科技大學(xué)，2012.

項目支持：陜西省教育廳專項科學(xué)研究計劃（基于嵌入式技術(shù)的睡眠過程監(jiān)控系統(tǒng)研究18JK0930）