物聯(lián)網(wǎng)床帳系統(tǒng)的設(shè)計與研究

杜佳佳，呂元元，王 芮，何雨桐，姜

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，其節(jié)奏越來越快，生活和學(xué)習(xí)壓力與日俱增，淺眠及失眠問題日益嚴(yán)重。集體住宿環(huán)境下，此類問題更加突出。與此同時，消費者對于改善睡眠類產(chǎn)品的需求多樣化，單一功能床帳已不能滿足人們的需求。傳統(tǒng)床帳并不能隔絕噪聲及燈光照射，鬧鐘鈴聲不僅讓使用者起床經(jīng)歷刺激性體驗而且嚴(yán)重影響同寢室友的休息睡眠。移動互聯(lián)的“智能”應(yīng)用模式廣泛應(yīng)用于生活的方方面面，并引發(fā)床帳功能性變革。

本系統(tǒng)采用全包裹式床帳結(jié)構(gòu)，結(jié)合碳晶遠(yuǎn)紅外技術(shù)，增強了噪聲及燈光的抑制效果，同時提供了舒適的睡眠環(huán)境?；诼暪鈫拘鸭夹g(shù)，并結(jié)合模擬太陽光調(diào)制算法，設(shè)計出聲光喚醒鬧鐘，結(jié)合降噪算法等技術(shù)進行融合創(chuàng)新，使用藍(lán)牙模塊與智能終端進行通信，從而構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)床帳系統(tǒng)方案設(shè)計。此設(shè)計實現(xiàn)了隔音、制熱、助眠、聲光喚醒等功能，為用戶提供了更加科學(xué)健康的睡眠及喚醒體驗。

1 智能床帳總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 功能需求分析

根據(jù)大學(xué)生睡眠質(zhì)量調(diào)查報告的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國大學(xué)生普遍面臨學(xué)習(xí)、就業(yè)、情感等壓力，部分大學(xué)生甚至出現(xiàn)淺眠或失眠現(xiàn)象。在寢室公共環(huán)境下，鍵盤敲擊、鼠標(biāo)點擊、音頻外放、人聲、書籍翻閱等環(huán)境噪聲嚴(yán)重影響大學(xué)生的睡眠質(zhì)量[1]。質(zhì)量不佳的睡眠不僅影響學(xué)生的身體健康，而且造成學(xué)習(xí)效率低下，學(xué)習(xí)生活受到嚴(yán)重干擾。本團隊針對此類問題設(shè)計并開發(fā)出多功能智能床帳，從而緩解學(xué)生的睡眠問題。

1.2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)床帳系統(tǒng)外觀與普通床帳外觀類似。本系統(tǒng)在床帳底部增加溫度控制系統(tǒng)，采用DS18B20溫度傳感器實時檢測床帳內(nèi)部空間溫度，并通過脈沖調(diào)制信號控制加熱材料的功率，從而完成溫度的調(diào)控。采用石墨烯材料構(gòu)成碳晶遠(yuǎn)紅外加熱系統(tǒng)。多項檢測數(shù)據(jù)表明，碳晶遠(yuǎn)紅外加熱系統(tǒng)采用波長為9.3 μm的紅外線，此波長對人體最為有益，并安全無害，可提供無光、無噪聲、無味、無耗氧的優(yōu)良溫暖環(huán)境。床帳頂部增加聲光喚醒系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用LED燈珠，加上均光板，通過PWM控制方式逐漸增強亮光，采用模擬太陽光調(diào)制算法，調(diào)查分析隨時間的變化太陽光的強弱，研發(fā)模擬太陽光調(diào)制算法，以達到太陽光喚醒效果，進而模擬清晨的陽光，燈光顏色從日出前的灰白色，逐步過渡到日出橙紅色，再從橙紅色逐漸過渡到明亮的橘色[2]。3D環(huán)繞式音響結(jié)構(gòu)設(shè)計，貼合用戶喜好，采用具有針對性的ASMR音頻幫助用戶盡快入睡并在喚醒用戶時給予適量的自然環(huán)境聲刺激。主控系統(tǒng)安裝于床帳頂部，通過控制線連接溫度控制系統(tǒng)、聲光喚醒系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)。床帳四周貼合高密度閉孔發(fā)泡隔音棉，當(dāng)聲音進入發(fā)泡小孔時就被小孔內(nèi)空氣摩擦震動吸收；表面經(jīng)過設(shè)備特殊處理形成一面凹凸波浪形，能更大面積地吸收聲波能量，并配合全包裹式床帳結(jié)構(gòu)解決隔音遮光問題。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)床帳系統(tǒng)的功能需求和工作原理，對控制系統(tǒng)的硬件進行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。采用STM32F103ZET6為主控制器，通過控制石墨烯調(diào)溫模塊的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)溫度，溫度傳感器將溫度反饋給控制器，從而實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制；同時，通過PWM調(diào)制聲光喚醒裝置的光線亮度和音效、音量變化，用RTC準(zhǔn)確定位時間來進行反饋控制。另外，物聯(lián)網(wǎng)床帳系統(tǒng)裝配顯示裝置、藍(lán)牙接口、操作按鍵等。整個硬件系統(tǒng)的電源模塊采用市電供電，并配置5 V/1 A直流電源和220 V交流電源接口。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 電源模塊

為了提升用戶使用體驗效果，產(chǎn)品的供電采用220 V市電供電，輸入系統(tǒng)經(jīng)過變壓器和濾波電路，得到12 V直流電壓。經(jīng)過驗證，該電源電路能提供高達6 A的工作電流。輸出的12 V電壓經(jīng)過示波器電源分析，約含有50 mVrms的電源噪聲。為了抑制電源噪聲，設(shè)計EMI濾波電路，配合總量為2 000 μF的輸出電容，將電源噪聲降至10 mVrms。

直流電源處理電路圖如圖3所示。利用DC/DC開關(guān)電源TPS54331將12 V降壓至5 V，為顯示屏供電。使用低壓差線性穩(wěn)壓器TLV757將5 V穩(wěn)壓至3.3 V，為系統(tǒng)主控STM32F103供電。實驗驗證，該電源模塊工作正常，效率高達80%，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖3 直流電源處理電路圖

2.2 石墨烯調(diào)溫控制模塊

石墨烯材料采用市電供電，通過雙向可控硅以小功率控制大功率的調(diào)制，實現(xiàn)無接觸運行、無火花、無噪聲和響應(yīng)時間短的目的。石墨烯調(diào)溫控制模塊如圖4所示。首先，通過H11A817光電耦合器件，將正弦交流電壓的過零點轉(zhuǎn)換成脈沖信號以zero signal傳遞給主控器，進而捕獲zero signal信號的上升沿來判斷零點。依據(jù)溫度反饋，計算導(dǎo)通角的角度和給出開啟脈沖信號的延時時間，通過temp給出開啟導(dǎo)通角的脈沖信號，導(dǎo)通三極管Q，激發(fā)光耦EL3083隔離控制雙向可控硅TRI的導(dǎo)通，實現(xiàn)石墨烯材料的溫度控制。

圖4 石墨烯調(diào)溫控制模塊

2.3 RTC模塊

圖5為DS3231的時鐘電路圖，該圖使用集成的溫度補償?shù)母呔菼2C控制時鐘器件。該器件包含電池輸入端，并在斷開主電源時仍保持精確計時，其內(nèi)部集成的晶體振蕩器可提高器件長期工作的穩(wěn)定性。DS3231的寄存器可保存秒、分、時、星期、日期、月、年和鬧鐘設(shè)置等信息。少于31天的月份，可自動調(diào)整月末日期，包括閏年補償[3]。根據(jù)精準(zhǔn)的時鐘確保聲光喚醒的時間準(zhǔn)確性。

圖5 DS3231時鐘電路圖

3 交互系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

基于床帳各個模塊的硬件設(shè)計，設(shè)計配套的軟件系統(tǒng)，并完成代碼編寫和功能調(diào)試。

客戶終端：

（1）客戶在微信端注冊登錄賬戶。

（2）設(shè)置鬧鐘、溫度，選擇喚醒的聲光模式。

（3）將指令數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳送給單片機處理。

單片機端：

（1）系統(tǒng)初始化。

（2）實時接收客戶端指令。

（3）根據(jù)鬧鐘設(shè)置指令調(diào)動RTC模塊，到時后發(fā)啟喚醒模式；用PWM波控制燈珠模擬太陽光；依據(jù)用戶選擇模式播放相應(yīng)的存儲音樂。

（4）設(shè)定溫度，用戶進入睡眠模式后，調(diào)制相應(yīng)脈沖波從而控制雙向可控硅導(dǎo)通角，驅(qū)動石墨烯發(fā)熱，達到恒溫效果。

3.2 軟件程序設(shè)計

根據(jù)交互系統(tǒng)程序流程要求，使用主控單片機STM32F103ZET6固件庫對應(yīng)的Keil5軟件編程，編程界面如圖6所示。圖中，分別進行了藍(lán)牙模塊、脈沖調(diào)制模塊、PWM調(diào)制模塊、音頻數(shù)據(jù)存儲模塊的程序編寫；微信小程序采用微信開發(fā)者工具編程軟件，進行界面設(shè)計、賬戶登錄、藍(lán)牙連接、傳輸數(shù)據(jù)的程序編寫。程序流程如圖7所示。

圖6 Keil5編譯界面

圖7 程序流程

3.3 模擬太陽光調(diào)制模塊

運用調(diào)光公式編寫的程序，STM32ZET6可控制R/G/B/WW LED光源模塊混合比例，實現(xiàn)對混合光相關(guān)色溫、光通量等參數(shù)的控制[4]，調(diào)制出適合的PWM波，從而模擬適合刺激人體褪黑素減少的類太陽光，用以喚醒用戶。

根據(jù)二通道和三通道脈沖寬度調(diào)制PWM特點，采用黑體軌跡的Chebyshev方法，在優(yōu)化目標(biāo)一般顯色指數(shù)（CRI）最佳時，建立了混合光的色坐標(biāo)與占空比、相關(guān)色溫與占空比的函數(shù)關(guān)系[4-6]。假定輸入驅(qū)動的占空比與光源輸出的光通量成正比，結(jié)合格拉斯曼顏色定律，根據(jù)混色原理及國際照明委員會（CIE），1931色坐標(biāo)計算方法，推導(dǎo)出n種已知色混光方程組：

式中：(xG,yG)，(xW,yW)為綠、暖白（G/WW）LED模塊的色坐標(biāo)；YG，YW分別為其光通量；DG，DW為綠、暖白LED模塊的占空比[4]。

解出最終的yGW為：

3.4 恒溫模塊設(shè)計

為了滿足項目關(guān)于石墨烯的恒溫要求，電源模塊需要加入雙向可控硅控制交流電。軟件內(nèi)容使用STM32F1ZET6的定時器中斷捕獲輸入的上升沿信號，與輸入信號同步，延遲與調(diào)定溫度適配的時間，持續(xù)輸出脈沖波驅(qū)動雙向可控硅工作，并采用PID溫度控制算法調(diào)制溫度處于智能終端設(shè)置溫度。

初始化程序預(yù)設(shè)PID比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI、微分系數(shù)KD的值。主控首先讀取智能終端設(shè)置的目標(biāo)溫度，通過PID系數(shù)控制脈沖調(diào)制信號，驅(qū)動雙向可控硅工作；通過DS18B20溫度傳感器獲取溫度信息，返回與目標(biāo)值的溫度差，根據(jù)返回值調(diào)整PID系數(shù)，對差量進行調(diào)節(jié)并修正脈沖調(diào)制信號占空比。主控持續(xù)檢測溫度信息，當(dāng)與目標(biāo)溫度的差量大于0.5 ℃時，再次開啟PID控制循環(huán)，如圖8所示。初始設(shè)定KP為較大的值，KI，KD設(shè)置為0，溫度將以較快的速度達到目標(biāo)值附近，并開始振蕩。當(dāng)出現(xiàn)振蕩時調(diào)節(jié)KI，波動時增大KI，恢復(fù)速度過慢時減小KI。最后進行KD的設(shè)置，偏離目標(biāo)值且恢復(fù)慢時，加大KD；單位時間內(nèi)偏離目標(biāo)值誤差不大但振蕩[7]頻繁時，減小KD。

圖8 PID溫控流程

本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器的脈沖輸入。高溫度系數(shù)振蕩器決定計數(shù)門的開啟時間。每次測量前，將-55 ℃所對應(yīng)的計數(shù)分別置入減法計數(shù)器和溫度寄存器中。減法計數(shù)器對低溫系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器的預(yù)制將重新被裝入，減法計數(shù)器重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)[8-9]。

斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度，實現(xiàn)DS18B20的測溫。

3.5 時間校準(zhǔn)模塊

本系統(tǒng)對時間的精度要求極高，時間系統(tǒng)采用STM32F103ZET6的RTC模塊。為使時間精準(zhǔn)運行，采用WiFi模塊獲取網(wǎng)絡(luò)時間校準(zhǔn)RTC時鐘，每隔24 h校準(zhǔn)一次。主機啟動后臺程序，單片機向時間服務(wù)器NTP發(fā)送校對時間請求，NTP服務(wù)器則送出當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)時間給單片機[10]，單片機接收到服務(wù)器的時間，進而調(diào)整自己的時間，達成了網(wǎng)絡(luò)校時。

4 結(jié) 語

對床帳系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，使用者通過智能終端對床帳系統(tǒng)進行設(shè)置，從而實現(xiàn)溫度控制、降噪、聲光喚醒等功能。床帳采用全包裹式床帳結(jié)構(gòu)，使用優(yōu)良的高密度閉孔發(fā)泡隔音棉，達到隔音遮光目的。該系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機為控制核心，結(jié)合電源模塊、恒溫模塊、PWM調(diào)制模塊、藍(lán)牙通信模塊、降噪模塊完成硬件設(shè)計，采用模擬太陽光調(diào)制算法、PID溫度算法等完成對硬件模塊的控制以及功能實現(xiàn)，達到隔音效果良好、溫度適宜、可正常無刺激喚醒試用者的預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

注：本文通訊作者為呂元元。