基于Linux的嵌入式智能止鼾枕系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

郭焰芳 吳建雄 陳健鋒 張偉

關鍵詞：Linux技術；鼾聲監(jiān)測技術；RK3308；OTA；止鼾枕

0 引言

睡眠是人類生活的重要組成部分，充足的睡眠可以讓人們擁有更好的精神狀態(tài)，是國際公認的健康標準之一[1-2]。打鼾是阻塞性睡眠呼吸暫停的主要癥狀[3]，是由于松弛的組織阻塞氣道導致的，不僅影響自身的睡眠質量還會影響他人[4]，是高血壓、心腦血管等疾病的誘因[5]。智能止鼾枕是集鼾聲監(jiān)測和鼾聲干預于一體的智能設備，可以在一定程度上改善單純鼾癥患者的打鼾情況[6]。然而，不同的智能止鼾枕設計方案，其實現(xiàn)功能、系統(tǒng)配置和通信方式不盡相同，因此，進行止鼾枕的創(chuàng)新性設計變得至關重要[7]。

王興宇等人采用YQ5969SAFY語音識別模塊對接收到的聲音信號進行濾波處理，利用基于STM32F103嵌入式系統(tǒng)的實時頻譜分析技術來識別鼾聲，并利用閉環(huán)反饋控制技術來控制外圍器件對枕頭內部氣囊的充放氣，從而實現(xiàn)智能止鼾枕的設計[8]。宋亞明通過聲音傳感器采集聲音數(shù)據(jù)，采用STM32F103C8T6嵌入式微處理器為系統(tǒng)的主控，進行音頻信號端點檢測和特征提取，進而識別出鼾聲，并控制枕頭氣囊充放氣[9]。王澤明采用駐極體話筒采集音頻數(shù)據(jù)，以Arduino為主控，將接收到的枕邊設備數(shù)據(jù)信息上傳給計算機進行模型數(shù)據(jù)比對識別鼾聲，進而控制枕頭氣囊充放氣[10]。Zhang J等人利用脈搏血氧儀進行SpO2檢測，并將信號發(fā)送到智能手機中的呼吸暫停檢測和分類模塊以判斷是否發(fā)生呼吸暫停事件。隨后，結果被發(fā)送到智能手機中的調整決策模塊。如果需要調整，則會將包含預期調整參數(shù)的調整命令發(fā)送到枕頭控制器，控制器控制相應的設備來調整枕頭。完成枕頭調整后，脈搏血氧儀繼續(xù)檢測SpO2信號，以評估調整的有效性，形成閉環(huán)反饋機制[11]。

針對以上問題，提出了Linux技術與鼾聲監(jiān)測技術相結合的方式構建智能止鼾枕系統(tǒng)軟件核心，設計克服了現(xiàn)有智能止鼾枕實現(xiàn)方案的眾多缺陷，利用Linux技術優(yōu)勢，可進行多任務多線程工作，通過OTA 的方式升級系統(tǒng)，更新鼾聲監(jiān)測算法和Linux上層應用，增加了系統(tǒng)的靈活性，方便后期維護。

1 智能止鼾枕系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)主要由外置監(jiān)測硬件（下文稱控制器）、枕頭、云服務器和手機客戶端四部分組成。該系統(tǒng)通過對用戶的睡眠環(huán)境進行音頻采集與分析，判斷用戶是否打鼾，根據(jù)用戶的打鼾情況做出相應的止鼾策略，控制氣泵對枕頭內氣囊進行充放氣，調整用戶的頭部位置，達到止鼾的效果，并能通過手機客戶端查看用戶睡眠可視化數(shù)據(jù)，從而了解自己的睡眠情況，為后期睡眠問題診斷和治療做重要的數(shù)據(jù)支撐[12]。智能止鼾枕系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

以下是系統(tǒng)各組成部分的功能：

1） 控制器：系統(tǒng)的控制核心，是基于Linux操作系統(tǒng)的嵌入式應用開發(fā)，內置鼾聲監(jiān)測算法，具備環(huán)境音源采集、分析和控制氣泵對枕頭內氣囊充放氣等功能，可以與手機客戶端、云服務器和枕頭通信?？刂破骺梢酝ㄟ^手機客戶端進行BLE配網(wǎng)，并將本地睡眠數(shù)據(jù)通過Wi?Fi上傳到云服務器進行存儲。

2） 枕頭：系統(tǒng)的執(zhí)行端，可以與控制器進行雙向BLE通信。枕頭可以將感應到的壓力數(shù)據(jù)實時傳輸給控制器，當用戶躺下時，控制器結合壓力數(shù)據(jù)進行綜合判斷，并打開鼾聲監(jiān)測算法進行鼾聲監(jiān)測，當監(jiān)測到用戶打鼾時，控制器發(fā)送BLE指令讓枕頭氣囊鼓起，改變用戶脖子俯仰角度，使呼吸道通暢，從而緩解打鼾癥狀。

3） 云服務器：系統(tǒng)的睡眠數(shù)據(jù)存儲中心，可以與手機客戶端和控制器通信。云服務器可以接收并存儲控制器上傳的睡眠數(shù)據(jù)，并接受手機客戶端的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)請求。

4） 手機客戶端：系統(tǒng)的睡眠數(shù)據(jù)可視化中心，可以與控制器和云服務器通信。手機客戶端可以協(xié)助控制器完成BLE配網(wǎng)，主要負責從服務器拉取睡眠數(shù)據(jù)實現(xiàn)止鼾效果可視化。

2 系統(tǒng)硬件設計

智能止鼾枕系統(tǒng)的硬件核心包括控制器硬件和枕頭端硬件?？刂破饔布饕撠燋暠O(jiān)測并協(xié)調整個系統(tǒng)的運作，枕頭端硬件主要負責執(zhí)行來自控制器的鼾聲干預指令并將結果反饋給控制器。

2.1 控制器硬件設計

控制器搭載了Linux操作系統(tǒng)，控制器的上層應用和鼾聲監(jiān)測算法正是運行于Linux操作系統(tǒng)之上。采用瑞芯微的RK3308作為主控SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）芯片，其主要外設包括Wi?Fi+BT 模組、PDM數(shù)字麥克風、按鍵和指示燈等?？刂破麟娐吩砜驁D如圖2所示：

各模塊作用如下：1） Wi?Fi+BT模組提供控制器藍牙和Wi?Fi通信功能；2） 麥克風提供控制器錄音功能，使用兩個PDM麥克風，在控制器開啟鼾聲監(jiān)測算法的同時，錄制雙聲道音頻，通過音頻分析結果做出相應的鼾聲干預策略；3） 按鍵提供控制器與用戶間的交互媒介；4） 指示燈包括枕頭指示燈、Wi?Fi指示燈和檔位指示燈，用于指示智能止鼾枕系統(tǒng)的工作狀態(tài)，是用戶與控制器交互的信息反饋媒介。

2.2 枕頭端硬件設計

枕頭端采用藍牙MCU ATB1103L作為控制核心，其外設包括氣泵、氣閥和壓力傳感器等。氣泵通過氣管與進氣閥相連，進氣閥通過氣管與氣囊相連，氣管中間連接排氣閥。其中共有三個氣囊放置于枕頭的左、中、右。枕頭端電路原理框圖如圖3所示：

枕頭端壓力傳感器采用柔性薄膜壓阻式位置傳感器，分布在枕頭的左、中、右，用于感應來自外界的壓力，通過壓力傳感器數(shù)據(jù)判斷用戶是否在枕，并將在枕狀態(tài)通過藍牙信號實時地傳輸給控制器，提供控制器決策依據(jù)。在控制器向枕頭端發(fā)送鼾聲干預指令前，會先根據(jù)枕頭端傳來的壓力傳感數(shù)據(jù)判斷用戶的在枕位置信息，再將充放氣指令連同充放氣對象氣囊ID發(fā)送給枕頭端，當枕頭端接收到控制器的止鼾干預指令時，枕頭端控制中心通過控制氣泵和氣閥的開啟和關閉對指定氣囊ID進行充氣和放氣，實現(xiàn)止鼾干預的效果。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 控制器軟件設計

控制器是基于Rockchip Buildroot Linux SDK 開發(fā)，而SDK的源代碼編譯需要搭建Linux交叉編譯環(huán)境，使用Ubuntu 14.04.1進行源碼編譯。

在安裝完Linux系統(tǒng)之后通過apt-get 指令安裝Kernel、Uboot和Buildroot編譯需要依賴的軟件包。有了編譯依賴之后就可以通過交叉編譯工具鏈編譯應用代碼，其中U-Boot及Kernel使用的編譯工具鏈預置目錄在prebuilt/gcc下，buildroot使用該開源軟件中編譯出來的工具鏈。

為了方便代碼的開發(fā)調試和交叉編譯，通過搭建Samba服務器在Windows訪問Linux服務器代碼進行代碼的修改編寫，通過SecureCRT工具使用SSH2協(xié)議遠程登錄到Linux服務器進行交叉編譯。

將編譯生成的固件打包并燒寫到控制器即完成控制器Linux運行環(huán)境的構建，在此基礎上進行控制器上層應用的開發(fā)和調試?？刂破魃蠈討密浖?chuàng)建了六個線程，分別是藍牙事件處理線程、LED控制線程、按鍵事件監(jiān)測線程、止鼾枕系統(tǒng)狀態(tài)上報線程、網(wǎng)絡判斷線程和OTA升級線程?？刂破髡w軟件流程如圖4所示：

其中，控制器與枕頭藍牙通信以及信息處理是系統(tǒng)的軟件核心。當控制器監(jiān)測到用戶在枕連續(xù)時間超過30分鐘時，開啟鼾聲監(jiān)測算法進行錄音采集和音頻分析，通過鼾聲閾值判斷所錄制音頻片段是否屬于鼾聲，以此確定是否為連續(xù)鼾聲以及連續(xù)打鼾時長，針對不同的鼾聲類型，給出相應的止鼾策略控制枕頭進行充放氣，針對鼾聲干預后鼾聲分貝等情況給出新的止鼾策略，形成閉環(huán)反饋機制。當用戶離枕超過30 分鐘，控制器關閉鼾聲監(jiān)測算法，并將睡眠數(shù)據(jù)通過Wi?Fi上傳到云服務器。鼾聲監(jiān)測算法工作流程如圖5所示：

3.2 枕頭端軟件設計

枕頭端作為藍牙從設備僅與控制器建立連接進行實時數(shù)據(jù)傳輸，枕頭端實時地將用戶在枕狀態(tài)、有無動作以及在枕的位置信息發(fā)送給控制器，控制器做出鼾聲干預決策之后，向枕頭端發(fā)送干預指令，指令內容包括充氣持續(xù)時間、充氣后停頓時間、放氣持續(xù)時間和氣囊標識ID，枕頭端收到指令控制氣泵和氣閥的開關對氣囊進行充放氣操作，并將干預結果信息反饋給控制器。枕頭端軟件工作流程如圖6所示：

3.3 手機客戶端設計

手機客戶端采用Android Studio Java語言編程，負責請求服務器數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化以及協(xié)助控制器完成BLE配網(wǎng)?？蛻舳伺渚W(wǎng)流程如圖7所示：

4 結束語

為有效緩解打鼾情況，本文設計了一種以Linux 技術和鼾聲監(jiān)測技術為核心的智能止鼾枕系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在用戶出現(xiàn)打鼾現(xiàn)象的時候做出綜合性的止鼾策略并進行物理止鼾干預，通過控制枕頭中氣泵對氣囊進行充放氣來改變用戶的頭部位置，達到止鼾的效果，并能通過手機客戶端查看用戶的睡眠情況，為阻塞性睡眠呼吸暫停的診斷和治療做數(shù)據(jù)參考。系統(tǒng)支持Linux Recovery OTA升級方案，靈活性高且易于維護，解決了現(xiàn)有大部分止鼾枕只能利用函數(shù)中斷去處理不同事件的缺陷。該系統(tǒng)可穩(wěn)定運行且能夠達到良好的止鼾效果和用戶體驗。設計方案對智能止鼾枕的相關研究有一定的參考價值。