基于物聯(lián)網(wǎng)的智能枕頭系統(tǒng)

唐曉菀 荊 銳 張士武 周萌萌 朱 慧

（安徽新華學(xué)院<電子通信工程學(xué)院>，安徽 合肥 230088）

0 引言

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能枕頭系統(tǒng)提出了一種設(shè)計(jì)方案，在設(shè)定了監(jiān)測位點(diǎn)、監(jiān)測指標(biāo)和監(jiān)測報(bào)警閾值等相關(guān)條件后，通過選擇合適的傳感器，如溫度傳感器、紅外傳感器、陀螺儀、角速度傳感器、麥克風(fēng)及單片機(jī)電路設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換以及信號的處理進(jìn)行睡眠監(jiān)測，通過通信模塊和顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送接收和顯示。該系統(tǒng)通過嵌入式技術(shù)及傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)睡眠時的姿態(tài)采集，采用拉桿電機(jī)而非氣囊膨脹的方式調(diào)節(jié)枕頭的高度，震動電機(jī)進(jìn)行對頸椎部位的按摩。具有成本低，操作簡單的特點(diǎn)。可有效幫助亞健康人群、慢性病人群及重大疾病人群通過睡眠監(jiān)測給予針對性的健康指導(dǎo)，長期提供健康保護(hù)。

如今，人們的生活壓力越來越大，精神需求越來越高，對生活服務(wù)的要求也越來越高。睡眠問題是現(xiàn)代人遇到的嚴(yán)重問題之一，如失眠、頭痛等。[1]為了解決提高睡眠質(zhì)量的問題，借助先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)，收集處理信息，分析使用者的健康狀況，并通過睡眠枕頭來改善這一狀況具有重要意義[2]。目前，市場上的智能枕頭在使用時仍然存在缺陷且價格高昂，例如，現(xiàn)有的智能枕頭主體部分，難以安裝至使用者家里現(xiàn)有枕頭中，致使裝置實(shí)用性低下，此外，多數(shù)智能枕頭在調(diào)節(jié)高度時，多是通過氣囊充氣膨脹的方式，由于氣囊易產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象，致使智能枕頭的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)難以長時間穩(wěn)定使用[3]。因此，有必要以較低的價格實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)枕頭的智能化。

1 整體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能枕頭的整體結(jié)構(gòu)組成分為：數(shù)據(jù)采集模塊、控制電路模塊，通信模塊和輸出外設(shè)模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊：用于采集枕頭的數(shù)據(jù)信息，將傳感器采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便控制整個系統(tǒng)。

控制電路模塊：采用嵌入式主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理，傳送給通信模塊的輸入端，由通信模塊進(jìn)行傳輸處理。

通信模塊是控制電路與上位機(jī)及進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕K，嵌入式主控制器通過串口與其連接，通過相關(guān)協(xié)議將所要發(fā)送或者接收的數(shù)據(jù)傳輸給藍(lán)牙設(shè)備。

輸出外設(shè)模塊是整個系統(tǒng)受控制的部分，負(fù)責(zé)下位機(jī)的輸出與顯示。

2 系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)獲取模塊

圖1 智能枕頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

數(shù)據(jù)獲取模塊主要是生物醫(yī)學(xué)傳感器的選擇，傳感器的精度往往易受外部環(huán)境的影響，如溫度濕度。所以在選用相應(yīng)傳感器時，需要考慮外部環(huán)境的影響，使其在系統(tǒng)中達(dá)到工作所需精度。[4]在參考相關(guān)文獻(xiàn)后，考慮國內(nèi)大部分區(qū)域的溫度以及使用場合，認(rèn)為0～46℃是合理的溫度范圍。

本系統(tǒng)采用RFP薄膜壓力傳感器用于采集頭部與枕頭接觸面的數(shù)據(jù)，RFP薄膜壓力傳感器厚度僅為0.1 mm～0.3 mm，具有很好的柔性，可以為數(shù)據(jù)的采集創(chuàng)造良好的條件。當(dāng)外力作用于傳感器表面時，阻值變小，壓力越大阻值越小。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，可通過在枕頭內(nèi)放置多個不同密度的傳感器，實(shí)現(xiàn)分辨率的提高。

采用麥克風(fēng)對收集到的鼾聲信號進(jìn)行濾波，進(jìn)行無監(jiān)督檢測，判斷睡眠障礙。

測量睡姿上，采用MPU6050模塊，可直接測得加速度和角速度的值，可通過計(jì)算反映靜態(tài)的姿態(tài)角。從而判斷是否躺下并測出使用者躺下的角度和位移。

2.2 控制電路模塊

本系統(tǒng)控制電路數(shù)據(jù)處理模塊采用Cypress公司的4XX8_BLE系列包括可編程和可配置的模擬和數(shù)字模塊，并集成了低功耗藍(lán)牙和藍(lán)牙智能無線電及子系統(tǒng)。其他功能包括數(shù)字可編程邏輯，高性能ADC，具有比較模式的運(yùn)算放大器，標(biāo)準(zhǔn)通信和定時外設(shè)，并且可以對傳感器模塊傳輸?shù)母叩碗娖叫盘栠M(jìn)行放大處理。[5]可用于心率信號檢測和濾波，并提供詳細(xì)的心率檢測解決方案和IDE，以便于開發(fā)。

外圍電路控制部分采用STM32F系列單片機(jī)，STM32F系列是32位ARM微控制器。可以進(jìn)行高低電平判斷，并與藍(lán)牙模塊進(jìn)行整合。

2.3 通信模塊的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用兩組藍(lán)牙模塊，分別與該系統(tǒng)的上位機(jī)與下位機(jī)連接。與下位機(jī)連接的模塊作為從機(jī)，與上位機(jī)連接的作為主機(jī)，通過軟件初始化可使藍(lán)牙模塊建立數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制。

圖2 藍(lán)牙模塊整體設(shè)計(jì)

2.4 用戶界面軟件部分

手機(jī)端采用Android系統(tǒng)作為開發(fā)方向，通過手機(jī)應(yīng)用軟件的圖形界面實(shí)現(xiàn)交互[6]。人機(jī)交互界面的結(jié)構(gòu)如圖3所示。在應(yīng)用軟件里，用戶可以查看系統(tǒng)運(yùn)行狀況，查看傳感器采集的數(shù)據(jù)，及對枕頭進(jìn)行控制。

圖3 硬件整體框圖

2.5 整體系統(tǒng)的測試與搭建

最終搭建系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，然后運(yùn)行上位機(jī)進(jìn)行操作。經(jīng)過測試后，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。并且可以完成設(shè)計(jì)方案的預(yù)期目標(biāo)。

2.6 可行性分析

據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截至2019年年底，我國枕頭市場規(guī)模已經(jīng)突破1 180億元，其中智能枕頭在枕頭總體銷量中所占比率正加速上升[7]。同時，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)的發(fā)展，智能枕頭有望結(jié)合智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展，推動智能家居領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新增長，為人們的未來智能生活帶來更佳體驗(yàn)[8]。

圖4 交互界面結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)針對市場需求結(jié)合智能手機(jī)與平板電腦的特點(diǎn)，將分析主流的手持移動設(shè)備的操作系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)、應(yīng)用組件和開發(fā)配置，開發(fā)了以Android.IOS系統(tǒng)為核心的手機(jī)App，實(shí)現(xiàn)對枕頭的控制，有操作簡單應(yīng)用便利的特點(diǎn)，具備非常好的市場前景，同時該項(xiàng)目成本低廉未來產(chǎn)品用戶接受度將會較好。

3 結(jié)語

智能枕頭系統(tǒng)使用藍(lán)牙連接手機(jī)App，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)枕頭高度，開關(guān)按摩，播放音樂產(chǎn)生催眠效果，心率記錄及分析，自然喚醒等功能。同時將生物醫(yī)學(xué)傳感器收集的健康數(shù)據(jù)，上傳至云服務(wù)器，經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析可計(jì)算出健康狀況，并在手機(jī)App中顯示，提供遠(yuǎn)程關(guān)懷，健康風(fēng)險預(yù)警等功能。智能枕頭系統(tǒng)在一定程度上可以給予亞健康人群、慢性病人群及重大疾病人群針對性的健康指導(dǎo)和長期的健康保護(hù)。