基于Arduino的自適應(yīng)助眠系統(tǒng)設(shè)計

陶恒屹，湯志曹，車 行

（四川大學(xué)，四川 成都 610207）

0 引 言

如果每天按睡眠8 h計算，那么人的一生有1/3的時間是在睡眠中度過的。睡眠質(zhì)量的好壞與人的心理和身體健康息息相關(guān)，而影響睡眠質(zhì)量的重要因素之一就是睡眠環(huán)境。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動了傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能家居的快速發(fā)展[1]。智能家居基于物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對家居環(huán)境內(nèi)的家電控制、環(huán)境監(jiān)控、信息處理、娛樂等功能進(jìn)行集成化管理[2]，已成為人、物、環(huán)境之間互聯(lián)互通的重要表現(xiàn)[3]?，F(xiàn)有與睡眠相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品幾乎均只能對睡眠質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，僅由傳感器采集睡眠數(shù)據(jù)，雖然可以得到睡眠質(zhì)量的數(shù)據(jù)，但對改善睡眠質(zhì)量并無裨益。因此依托智能家居的助眠系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。

本文系統(tǒng)以改善睡眠質(zhì)量為突破點(diǎn)，借助傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過手機(jī)端程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并經(jīng)由Arduino實現(xiàn)對智能家居的控制，實時自適應(yīng)調(diào)節(jié)睡眠環(huán)境，以達(dá)到改善睡眠質(zhì)量的目的。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于健康行為學(xué)理論，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)[4]對影響用戶睡眠質(zhì)量的影響因子進(jìn)行調(diào)查研究，并將其結(jié)果轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括如下幾方面。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）監(jiān)測系統(tǒng)：運(yùn)用傳感器網(wǎng)絡(luò)對睡眠環(huán)境（例如環(huán)境光、溫濕度、氣壓等）進(jìn)行實時監(jiān)測，并通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至小程序端。

（2）矯正系統(tǒng)：程序端接收到監(jiān)測系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)之后，通過Arduino控制智能家居（米家），對用戶睡眠環(huán)境中偏離正常值的環(huán)境因子進(jìn)行矯正。

（3）反饋系統(tǒng)：通過手機(jī)內(nèi)置的陀螺儀對用戶睡眠狀態(tài)進(jìn)行檢測[5]，并作為反饋因子作用于前述矯正系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.1.1 BMP180氣壓傳感器

BMP180是一款高精度、小體積、超低能耗的氣壓傳感器[6]，其工作電壓為1.8～3.6 V，典型工作電壓為2.5 V，內(nèi)部包含電阻式壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和控制單元，其中，控制單元包括E2PROM和I2C接口。讀取BMP180時會直接傳送沒有經(jīng)過補(bǔ)償?shù)臏囟戎岛蛪毫χ担贓2PROM中則儲存了176位單獨(dú)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將對讀取的溫度壓力值進(jìn)行補(bǔ)償，176位的E2PROM被劃分為11個字，每個字16位，這樣就包含有11個校準(zhǔn)系數(shù)，每個器件模塊都有自己單獨(dú)的校準(zhǔn)系數(shù)，在每一次計算溫度、壓力數(shù)據(jù)之前，單片機(jī)先讀出E2PROM中這些校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，然后再開始采集溫度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)。

2.1.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器[7]，尺寸為28 mm×12 mm×7.2 mm，其濕度精度為±5 %RH，溫度精度為±2 ℃，濕度量程為20 %RH～90 %RH，溫度量程為0～50 ℃，它的數(shù)據(jù)端口帶上拉電阻，連線長度小于20 m時使用5 kΩ的上拉電阻，采用3.3 V供電時連線長度不得大于1 m，必要時在VCC和GND間連接一個0.1 μF的電容用于去耦濾波。

2.1.3 HC-SR04超聲波測距模塊

HC-SR04超聲波測距模塊提供了2～400 cm的非接觸式距離，性能穩(wěn)定、測量精度高[8]。HC-SR04需要提供一個10 μs以上的脈沖觸發(fā)信號來激活模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，進(jìn)入工作狀態(tài)后，模塊內(nèi)部發(fā)出8個40 kHz周期電平并檢測回波，當(dāng)檢測到有回波信號時輸出回響信號，回響信號脈沖寬度與所測距離呈線性相關(guān)，為了防止發(fā)射信號對回響信號的干擾，觸發(fā)信號周期取60 ms以上。

2.1.4 WiFi模塊

WiFi模塊保持了ESP-12F的優(yōu)勢。ESP-12F使用的PCB板層為四層，使用上更加穩(wěn)定，創(chuàng)樂博公司對其進(jìn)行升級，增加了WiFi模式和遠(yuǎn)程模式。WiFi模式下該模塊產(chǎn)生一個局域網(wǎng)，手機(jī)在同一個局域網(wǎng)內(nèi)控制該模塊；而遠(yuǎn)程模式下只需要模塊接入本地的WiFi，理論上就可以實現(xiàn)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制該模塊。

2.1.5 雨滴傳感器

雨滴傳感器是一個模擬/數(shù)字輸入模塊，也叫雨水、雨量傳感器，常用于農(nóng)業(yè)[9]檢測是否下雨及雨量的大小，轉(zhuǎn)成數(shù)字信號（DO）和模擬信號（AO）輸出，AO模擬輸出可以連接單片機(jī)的模擬I/O口，檢測滴在上面的雨量大小。DO數(shù)字輸出可以連接單片機(jī)的數(shù)字I/O口，檢測是否有雨。

2.1.6 光敏傳感器

光敏傳感器是對外界光信號或光輻射有響應(yīng)或轉(zhuǎn)換功能的敏感裝置。光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進(jìn)行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。

2.2 效應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)

考慮到可靠性和成本，本文選擇米家效應(yīng)器[10]。米家基于家庭網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)軟件建立智能家居平臺[11]，在測試中表現(xiàn)優(yōu)異。但由于米家暫時不支持個人開發(fā)者接入，因此本文選擇點(diǎn)燈科技的Blinker庫作為中繼站，接入小愛音響，進(jìn)而接入米家智能家居系統(tǒng)，小程序通過前述傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)智能調(diào)度米家設(shè)備，實現(xiàn)環(huán)境調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

助眠系統(tǒng)通過Arduino IDE集成環(huán)境完成對睡眠環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和處理，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。系統(tǒng)工作步驟具體如下：將WiFi模塊和傳感器接入Arduino開發(fā)板之后，各個模塊開始初始化并準(zhǔn)備接受Arduino IDE信號輸入；Arduino IDE信號經(jīng)過串口指令發(fā)送給Arduino開發(fā)板和各個模塊；手機(jī)通過APP輸出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)廣播信號，WiFi模塊識別信號并開始執(zhí)行操作；各個傳感器傳回檢測到的睡眠環(huán)境變化數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)工作流程

3.1 WiFi模塊和手機(jī)連接

綜合性能和成本，本項目最終采取創(chuàng)樂博公司提供的通信解決方案。通信方案有局域網(wǎng)和遠(yuǎn)程模式兩種連接方式，由于本系統(tǒng)要求持久的信號連接且信號控制的范圍較大，因此選擇遠(yuǎn)程模式。在連接遠(yuǎn)程模式之前，先要將WiFi模塊的開關(guān)撥到局域網(wǎng)模式，等待WiFi模塊上的指示燈長亮，說明已產(chǎn)生熱點(diǎn)信息，通過手機(jī)搜索熱點(diǎn)，再將WiFi模塊的開關(guān)撥到遠(yuǎn)程模式，指示燈快速閃爍說明正在配對，輸入WiFi密碼和模塊密碼之后，控制手機(jī)產(chǎn)生一個廣播信號，當(dāng)WiFi模塊指示燈的閃爍頻率變慢，說明連接成功。

3.2 手機(jī)和各個模塊傳輸通信

手機(jī)發(fā)送的信息由WiFi模塊識別，而WiFi模塊和手機(jī)的通信滿足規(guī)定的格式化輸出，在該格式化的規(guī)劃內(nèi)實現(xiàn)自由通信。

遠(yuǎn)程控制RGB燈的輸出輸入格式如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程控制RGB燈的輸出輸入格式

在圖3中：設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)以“#”結(jié)尾；手機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)以“^”結(jié)尾；“$”符號后為模塊的名稱；RGB代表紅、綠、藍(lán)三通道的顏色占比；Arduino開發(fā)板讀取到WiFi模塊中的數(shù)據(jù)之后，會控制I/O輸出，最終控制RGB燈不同顏色的變化。

經(jīng)測試，傳感器模塊數(shù)據(jù)可以上傳到手機(jī)APP中保存，存儲于數(shù)據(jù)庫中方便后續(xù)分析和數(shù)據(jù)處理。

3.3 可視化界面的使用

在程序端輸入設(shè)備ID，即WiFi模塊密碼，便可進(jìn)入后臺數(shù)據(jù)界面。在界面上可以發(fā)送手機(jī)信號，顯示采集的傳感器參數(shù)，方便用戶查看睡眠環(huán)境的參數(shù)，同時也有利于程序迭代。遠(yuǎn)程溫濕度采集與曲線的可視化界面如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程溫濕度采集與曲線的可視化界面

3.4 系統(tǒng)測試

各個傳感器模塊均搭建完成并經(jīng)過多次的環(huán)境測試和數(shù)據(jù)采集后，與集成度較高的小米傳感器相比，該系統(tǒng)傳感器對室內(nèi)環(huán)境變化響應(yīng)快，數(shù)據(jù)和米家傳感器一致，同時，可視化界面的數(shù)據(jù)樣本采集快、顯示迅速，APP運(yùn)行穩(wěn)定，該系統(tǒng)可以滿足用戶的長期使用需求，未出現(xiàn)不良記錄的現(xiàn)象。所有數(shù)據(jù)均存儲于本地服務(wù)器后臺，供后期分析睡眠質(zhì)量的影響因素，為改善睡眠環(huán)境提供建議，以達(dá)到改善用戶睡眠質(zhì)量的目的。

同時，考慮到心理因素對于睡眠質(zhì)量的影響（例如工作壓力）[12]，在程序端加入了白噪音，通過舒緩的音樂引導(dǎo)用戶減輕壓力，提高睡眠質(zhì)量。

4 結(jié) 語

本文采用Arduino開發(fā)板、WiFi模塊和手機(jī)端程序設(shè)計了高效率、低成本、高可靠性、高精度的自適應(yīng)助眠系統(tǒng)。經(jīng)一定規(guī)模樣本測試后證明，本文所設(shè)計系統(tǒng)可以在一般環(huán)境中正常運(yùn)行，并能起到較好的助眠效果。