睡眠環(huán)境智慧監(jiān)測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計

高婉瑩 胡恩澤 黃錦泉 潘瑋 孫偉偉

摘 要：文中設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于51單片機以及Android平臺的智慧睡眠監(jiān)測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主控芯片、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及手機APP五部分。系統(tǒng)通過人工智能分析，對用戶的睡眠環(huán)境進行調(diào)節(jié)，從而有效預(yù)防因用戶生活壓力過大而出現(xiàn)睡眠不良的情況。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高，具有很強的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：51單片機;Android;睡眠環(huán)境;APP;數(shù)據(jù)傳輸;遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TP272;TP319文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

人類生命的三分之一都處在睡眠中，睡眠是人類調(diào)整新陳代謝、進行身心恢復(fù)的重要環(huán)節(jié)。隨著生活節(jié)奏的日益加快，越來越多的人因為生活壓力而出現(xiàn)睡眠障礙。睡眠障礙是指在睡眠過程中出現(xiàn)的各種影響睡眠的異常表現(xiàn)，它因身體某系統(tǒng)的功能失調(diào)引起，能夠直接影響人類的睡眠結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及之后的恢復(fù)程度[1]。睡眠時間少、質(zhì)量差、不規(guī)律等情況會使人疲憊勞累、精神不振并影響食欲[2]。在長期睡眠不佳的情況下，人們甚至?xí)霈F(xiàn)神志混亂、暴躁不安的癥狀?；诖?，優(yōu)化睡眠環(huán)境，提高睡眠質(zhì)量對促進人們身心健康發(fā)展具有重要作用。

目前市場上的家居睡眠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有限，大多數(shù)停留在只監(jiān)測不調(diào)節(jié)的階段。但環(huán)境的變化具有不確定性，若不能及時對睡眠環(huán)境進行調(diào)節(jié)，則無法從根本上保障用戶的睡眠質(zhì)量?；诖?，本研究開發(fā)了睡眠環(huán)境智慧監(jiān)測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)的傳感器感知及硬件控制技術(shù)，將采集到的溫濕度、光照強度和煙霧濃度數(shù)據(jù)上傳至APP中，根據(jù)用戶上傳至數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行人工智能分析，從而得到優(yōu)化建議。該系統(tǒng)除能夠完成對睡眠環(huán)境的實時監(jiān)測外，還實現(xiàn)了對睡眠環(huán)境的智能調(diào)節(jié)，以保障用戶睡眠環(huán)境，改善用戶睡眠質(zhì)量。

1 影響睡眠的主要環(huán)境因素

優(yōu)化睡眠環(huán)境是提高睡眠質(zhì)量的有效方法。通過文獻調(diào)研，系統(tǒng)擬對部分睡眠環(huán)境因素進行調(diào)節(jié)。

（1）溫度

經(jīng)大量實驗證明，人體最佳睡眠溫度是20～22 ℃。溫度過高，人體在睡眠過程中可能會出現(xiàn)血壓升高、心慌等不良反應(yīng);溫度過低，將導(dǎo)致人體出現(xiàn)打鼾、呼吸暫停、嗜睡等癥狀。因此，將溫度維持在最適溫度是本系統(tǒng)的核心功能之一。

（2）濕度

最適合人體的環(huán)境濕度為45 %RH～75 %RH，若濕度過高，短時間內(nèi)會導(dǎo)致人體濕熱、乏力，長時間甚至?xí)?dǎo)致風(fēng)濕病和支氣管炎等疾病的發(fā)生;若濕度過低，則會讓人體產(chǎn)生口渴、皮膚干燥、眼睛干澀等不良反應(yīng)，也不利于人體的睡眠。

（3）光照強度

過于明亮的環(huán)境可能會引起失眠。英國《生理學(xué)報告》雜志上發(fā)表的一項研究顯示，褪黑素是一種能夠促進睡眠的荷爾蒙，而睡眠時暴露在明亮光線下可能導(dǎo)致人體停止生成褪黑素，進而影響睡眠質(zhì)量，引發(fā)失眠問題。

（4）空氣粉塵濃度

調(diào)查結(jié)果顯示，接觸二氧化氮和PM2.5顆粒越多，睡眠效率低下的可能性越大。美國華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)助理教授馬莎·比林斯說：“人的鼻子、鼻竇和嗓子后部都會受到這些污染物的刺激，因此可能導(dǎo)致睡眠中斷，還有呼吸問題?！北攘炙惯€說，污染物進入血液可能對大腦產(chǎn)生影響，并影響呼吸的穩(wěn)定。所以，減少空氣中的顆粒也是提高睡眠質(zhì)量的有效途徑之一。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以優(yōu)化睡眠環(huán)境、提高睡眠質(zhì)量為初衷，主要針對普通家庭用戶和醫(yī)院病房。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由主控模塊、數(shù)據(jù)捕捉模塊、存儲模塊、顯示模塊、傳輸模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和Android 客戶端模塊組成。

系統(tǒng)組成如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要由主控模塊、數(shù)據(jù)捕捉模塊、傳輸模塊、存儲模塊和顯示模塊組成[3]。

3.1 主控模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用STC89C51單片機作為主控模塊，外圍搭載了數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)捕捉模塊、存儲模塊和顯示模塊，其作用是控制各模塊間的數(shù)據(jù)交互和轉(zhuǎn)換[4]。將STC89C51單片機作為連接DHT11溫濕度傳感器、蜂鳴器、LCD1602顯示屏、CSR8635藍(lán)牙模塊和ESP8266 WiFi模塊等部件的橋梁，協(xié)助完成各模塊間的數(shù)據(jù)交互和轉(zhuǎn)換。其中，DHT11溫濕度傳感器連接P3.7引腳，蜂鳴器連接P2.3引腳，LCD1602顯示屏連接P0引腳，ESP8266連接P3.0和P3.1引腳。STC89C51單片機原理如圖2所示[5]。

3.2 數(shù)據(jù)捕捉模塊設(shè)計

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器和BH1750光照強度傳感器組成。將傳感器采集的非電量信息，如溫濕度、煙霧濃度、光照強度等轉(zhuǎn)換成電壓值，再通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

DHT11溫濕度傳感器內(nèi)部鑲嵌的NTC測溫元件用于測量溫度，電阻式感濕元件用于測量濕度。該溫濕度傳感器具有快速響應(yīng)、抗干擾能力強等優(yōu)勢。

MQ-2煙霧傳感器多被用于家庭和工廠，意在監(jiān)測粉塵濃度或監(jiān)測PM2.5的濃度。該傳感器具有壽命長、穩(wěn)定性好等特點。

BH1750光照強度傳感器多被電子產(chǎn)品如手機、電腦、數(shù)碼攝像機等使用，其具有依賴光源性弱、反應(yīng)靈敏、誤差小等優(yōu)點。

3.3 傳輸模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用的ESP8266 WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊使用串口通信協(xié)議與單片機通信，其無線傳輸速率可達150 Mb/s，信道共有14個，頻率范圍為2.4 GHz～2.483 5 GHz，發(fā)射功率為12～15 dBm，其串口波特率在1 200～230 400 b/s之間，工作溫度為-20～70 ℃。該模塊的工作電壓為3.3 V，但單片機為5 V供電，為了使電源兼容，本設(shè)計通過兩個二極管將5 V電壓降壓到3.3 V后供ESP8266 WiFi模塊使用，電路如圖3所示[6]。

3.4 存儲模塊設(shè)計

本系統(tǒng)選用AT24C02作為數(shù)據(jù)存儲模塊，其可將WiFi模塊收到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)外圍傳感器捕捉到的數(shù)據(jù)進行臨時存儲。

本設(shè)計中使用的AT24C02芯片直接將A0，A1，A2及WP寫保護引腳連接到GND，方便讀/寫操作。AT24C02電路如圖4所示[7]。

3.5 顯示模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用LCD1602顯示屏作為數(shù)據(jù)顯示模塊。單片機發(fā)送指令到LCD1602就能夠完成清屏、開關(guān)顯示等特定功能。控制LCD1602液晶顯示器只對LCD1602進行讀狀態(tài)、寫指令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)操作即可，具體操作對應(yīng)的引腳電平見表1所列。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要由控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和Android客戶端模塊組成。

4.1 控制模塊設(shè)計

首先對單片機、傳輸模塊和顯示模塊進行初始化，讀取存儲模塊（AT24C02）中的數(shù)據(jù)，并檢查按鍵與WiFi模塊是否可以正常工作。若均可正常工作，則開始讀取數(shù)據(jù)，并通過WiFi對存儲在AT24C02中的數(shù)據(jù)進行交互;若無法正常工作，則LCD顯示設(shè)置界面，并重新檢查模塊的工作狀態(tài)。

4.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

由于需要采集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，所以本文選用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫要存儲的數(shù)據(jù)主要分為兩個部分，一是APP注冊及登錄所需的用戶名及密碼信息;二是采集的數(shù)據(jù)信息。采集的數(shù)據(jù)分為編號（id），表名（table-name），節(jié)點編號（node-no），傳感器類型（type），數(shù)值（data），時間（time），具體見表2，表3所列。捕捉的數(shù)據(jù)會及時上傳至云端存儲，一段時間后，本地數(shù)據(jù)將被刪除，以減少數(shù)據(jù)在本地需要占用的存儲空間，同時保障數(shù)據(jù)不會因操作失誤而丟失。

4.3 Android客戶端設(shè)計

用戶借助Android客戶端可手機遠(yuǎn)程查看環(huán)境的溫濕度、煙塵濃度等數(shù)據(jù)，方便用戶以數(shù)據(jù)的形式更加直觀地了解自身所處環(huán)境的質(zhì)量，從而判斷是否需要進行人為調(diào)整，以便獲得更優(yōu)質(zhì)的睡眠環(huán)境。

APP的具體設(shè)計思路：建立連接，第一次建立連接時需要輸入IP地址和端口號登錄，登錄后即可打開或關(guān)閉繼電器，實時接收環(huán)境數(shù)據(jù)。連接界面如圖5所示。

用戶可根據(jù)自身的實際情況，設(shè)置最適合自己的睡眠環(huán)境參數(shù)區(qū)間。人體的最佳睡眠溫度區(qū)間為20～22 ℃，若環(huán)境溫度不處于該區(qū)間，則系統(tǒng)自動調(diào)整，將溫度維持在最佳范圍。濕度和煙塵濃度同理。

系統(tǒng)可根據(jù)用戶長時間的設(shè)置習(xí)慣，結(jié)合大數(shù)據(jù)的底層支持，綜合分析后給予用戶合理的建議，提供最適合用戶的睡眠環(huán)境。

5 系統(tǒng)使用步驟與功能測試

在記錄IP地址和端口號后，APP與系統(tǒng)底板成功對接，一旦環(huán)境發(fā)生變化，系統(tǒng)都會向APP返回最新一次數(shù)據(jù)以達到實時監(jiān)控的效果。通過APP上的按鈕也可以遠(yuǎn)程控制家居空氣設(shè)備，提前營造優(yōu)質(zhì)的睡眠環(huán)境。

5.1 遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制

用戶通過APP連接系統(tǒng)后，可以通過APP查看當(dāng)前睡眠環(huán)境的具體情況（濕度、溫度、粉塵濃度、光照強度）。如果用戶此時不在家中，可以通過APP遠(yuǎn)程控制空氣設(shè)備提前進行環(huán)境優(yōu)化。遠(yuǎn)程控制界面如圖6所示。

5.2 智能調(diào)節(jié)

用戶可以根據(jù)自身的實際情況在APP中設(shè)置最適合自己的睡眠優(yōu)化方案，也可同時設(shè)置溫度、濕度、粉塵濃度、光照強度的最適區(qū)間。若這四種參數(shù)有一種或者多種不在最適范圍內(nèi)，與系統(tǒng)相連的外圍設(shè)備開始工作，使環(huán)境保持最優(yōu)。例如：某用戶提前將溫度設(shè)置為22～24 ℃，若深夜降溫后，溫度低于22 ℃，那么便會觸發(fā)空調(diào)運作，使溫度回升至22～24 ℃區(qū)間。濕度、粉塵濃度、光照強度同理。

5.3 智能分析

用戶使用三次及以上后，系統(tǒng)會進行綜合AI分析，把用戶習(xí)慣設(shè)置的溫度、濕度、粉塵濃度、光照強度與總數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一一比對，并結(jié)合醫(yī)學(xué)常識給用戶推薦更加健康、安全的環(huán)境優(yōu)化方案。

PC端控制窗口界面如圖7所示，APP溫濕度顯示界面如圖8所示，智能分析界面如圖9所示。

6 結(jié) 語

本設(shè)計基于大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)了睡眠環(huán)境智慧監(jiān)測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用感知設(shè)備可以對捕捉的數(shù)據(jù)進行綜合分析處理，給予用戶最適合自身的環(huán)境優(yōu)化建議。用戶可以通過APP遠(yuǎn)程控制與系統(tǒng)相連的空氣設(shè)備，從而達到提前營造優(yōu)質(zhì)睡眠環(huán)境的目的。本系統(tǒng)以用戶提前設(shè)置的參數(shù)區(qū)間對當(dāng)前溫濕度等參數(shù)進行智能化調(diào)整，讓睡眠環(huán)境長時間處于較佳狀態(tài)，從而有效提高使用者的睡眠質(zhì)量。

注：本文通訊作者為潘瑋。

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