一種非侵入式睡眠質(zhì)量監(jiān)控儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熊強(qiáng)強(qiáng)，曾美琳，嚴(yán)林波

（1.南昌理工學(xué)院 電子與信息學(xué)院，南昌 330044；2.江西工業(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖文信息中心，南昌 330038；3.南昌蛋訊電子科技有限公司，南昌 330029）

社會(huì)公益機(jī)構(gòu)如敬老院和養(yǎng)老院等機(jī)構(gòu)面臨的主要問題就是老年人健康問題頻發(fā)、看護(hù)難度大以及老年人偏多等，對(duì)于老年人來說大部分疾病都在睡眠中突發(fā)，導(dǎo)致救護(hù)不及時(shí)。因此建立實(shí)時(shí)睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)老年人睡眠過程的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控是非常有意義的。由于傳統(tǒng)睡眠監(jiān)測(cè)儀[1-3]都需要在特定的醫(yī)療機(jī)構(gòu)由專業(yè)的醫(yī)療技師進(jìn)行操作，并且使用過程相對(duì)比較復(fù)雜，從而會(huì)使用戶緊張焦慮或者心理壓力增大，睡眠監(jiān)測(cè)質(zhì)量會(huì)受到一定程度的影響，由此研發(fā)一款非侵入式睡眠呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行過程中，首先由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的三大數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，暨呼吸頻次由呼吸頻率采集模塊負(fù)責(zé)，翻身頻次由翻身次數(shù)采集模塊負(fù)責(zé)，心率由心率采集模塊負(fù)責(zé)，然后由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步的去趨勢(shì)與降噪等處理，然后將其進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，并且利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)及其交換機(jī)向后臺(tái)服務(wù)器傳送。當(dāng)服務(wù)器成功接收數(shù)據(jù)后會(huì)再進(jìn)行二次修正處理，并且最終向用戶和監(jiān)控終端反饋，由此檢測(cè)應(yīng)用者睡眠質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)組成部分主要有4 個(gè)，分別是監(jiān)控端、服務(wù)器、匯聚節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)[4-5]。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的主要作用是對(duì)用戶的翻身、呼吸以及心率等數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送，匯聚節(jié)點(diǎn)的原理大致相同，不過增加了交換機(jī)與網(wǎng)關(guān)，起到匯總、壓縮和優(yōu)化監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)的作用，再向服務(wù)器發(fā)送的目的。服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)完成分析、儲(chǔ)存和處理數(shù)據(jù)的作用，最終向用戶和后臺(tái)監(jiān)控端發(fā)送，為相應(yīng)的決策、預(yù)警以及查詢提供依據(jù)的功能。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖Fig.1 System working principle block diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源系統(tǒng)

考慮到系統(tǒng)基本上都在室內(nèi)環(huán)境中使用，所以供電方式為電池，選用9 V 方塊電池6LR61，不過系統(tǒng)元器件包括單片機(jī)的供電電壓都是5 V，所以9 V電壓還要降到5 V，由降壓模塊來實(shí)現(xiàn)，降壓模塊選擇150 kHz 固定頻率的PWMDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源換器LM2596S-5.0[6-8]。輸出電流為3 A，輸入電壓最低為4.5 V，最高可達(dá)40 V。主要優(yōu)勢(shì)在于低紋波、較低的負(fù)載調(diào)整率、高線性調(diào)整率以及效率高等。除此以外芯片具有過溫過流保護(hù)等多種功能。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)的作用是采集數(shù)據(jù)，包括翻身頻次、呼吸頻率以及心率等，例如采集心率電路是由心率信號(hào)采集電路、低通濾波電路以及放大電路構(gòu)成，最開始用戶將手指置于心率檢測(cè)模塊上，光電二極管接收信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)受到人脈搏強(qiáng)度的影響。心率檢測(cè)電路原理如圖2 所示?？紤]到紅外接收管感應(yīng)紅外光靈敏度，電阻R4的阻值確定為330 Ω，如果該阻值太大，經(jīng)過二極管電流太小，就會(huì)導(dǎo)致紅外接收管不能對(duì)脈搏信號(hào)的形成進(jìn)行有效識(shí)別。相反如果阻值偏小，則經(jīng)過二極管電流過大，脈搏信號(hào)也無法精準(zhǔn)的區(qū)分。上拉電阻R5的阻值大小為22 kΩ；紅外接收管導(dǎo)通與非導(dǎo)通狀態(tài)下分別接地和連接電源。由于輸出的脈搏信號(hào)只能達(dá)到μV 級(jí)別，同時(shí)還有噪聲存在，所以要進(jìn)行放大和濾波處理，電容C4的大小為10 μf，起到隔直流作用，同時(shí)還能夠避免環(huán)境中光線與高頻波的影響；下拉電阻R11連接LM358 輸入端的引腳5，信號(hào)輸入接通，反之接地；濾波器由C5、R11與R5構(gòu)成，作用是對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行濾掉，與線性放大輸入端連接；低通濾波器由C6與R6構(gòu)成，作用是將殘留的高頻干擾信號(hào)濾掉，信號(hào)放大由LM358 負(fù)責(zé)，R12與R13兩個(gè)電阻確定放大倍數(shù)；并經(jīng)LM358 同相輸入端輸入來完成信號(hào)的放大。

圖2 心率檢測(cè)電路Fig.2 Heart rate detection circuit

2.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

以擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)[9-10]為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)LoRa 是低功率廣域網(wǎng)絡(luò)LPWAN 通信技術(shù)的一種。系統(tǒng)選用芯片SX1278，配合STM32 傳輸數(shù)據(jù)，配置寄存器可實(shí)現(xiàn)FSK 和LoRa 模式的選擇。LoRa主要特點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，空曠環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)最長5 km 距離的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送端與接收端配置的信號(hào)帶寬（BW）、編碼率（CR）以及擴(kuò)頻因子（SF）都要保持一致。具體設(shè)置要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

LoRa 通信電路原理[11-13]如圖3 所示，SX1280 芯片所需時(shí)鐘是由52 MHz 無源晶振負(fù)責(zé)提供的；射頻電路由1 個(gè)橢圓濾波器和LC 匹配電路構(gòu)成，同時(shí)與2.4 GHz 天線連接；L1 連接是為了降壓，向射頻模塊提供電源；與主芯片通信方式為SP1。

圖3 LoRa 通信電路Fig.3 LoRa communication circuit

2.4 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過LoRa 網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，LoRa 網(wǎng)關(guān)的構(gòu)成部分包括GPRS 模塊與LoRa模塊。其中，接收模塊是對(duì)LoRa 無線傳感器傳輸?shù)牟罘中Ｕ窟M(jìn)行接收，LoRa 模塊與GPRS 模塊轉(zhuǎn)換通信格式是通過樹莓派4B 實(shí)現(xiàn)的，樹莓派4B 是網(wǎng)關(guān)核心處理器，然后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由GPRS 模塊利用GPRS網(wǎng)絡(luò)通過服務(wù)器和交換機(jī)向監(jiān)測(cè)中心發(fā)送。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)

心率采集與處理子程序流程如圖4 所示，通過自適應(yīng)濾波算法來實(shí)現(xiàn)。算法中第n 次采樣使用隊(duì)列窗口的大小是Wn，對(duì)應(yīng)的調(diào)整步長是m，如果n%m=0，需要對(duì)Wn的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。因?yàn)橥ǔ碚f臨近2 次采樣值間偏差幅度非常小，如果樣本隊(duì)列臨近2 次采樣值偏差絕對(duì)值比預(yù)設(shè)偏差最大值要高，就代表心率信號(hào)波動(dòng)不正常。如果異常波動(dòng)頻次偏高，就需要增大隊(duì)列窗口以通過信號(hào)平滑效果的優(yōu)化來更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的抑制；如果異常波動(dòng)頻次很少，就需要減小隊(duì)列窗口以通過內(nèi)存耗用的減少實(shí)現(xiàn)運(yùn)算速率的加快。心率數(shù)據(jù)獲取后利用限幅濾波算法進(jìn)行處理，向樣本隊(duì)列加入后利用遞推中位值平均濾波完成相應(yīng)處理。全新心率數(shù)據(jù)獲取成功加到隊(duì)列最后，同時(shí)將隊(duì)首心率數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。

圖4 心率采集與處理子程序流程Fig.4 Flow chart of heart rate collection and processing subprogram

再將最小和最大心率數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，這樣其余Wn-2 個(gè)心率數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值就能夠計(jì)算出來，為遞推中位值平均濾波的輸出數(shù)據(jù)，即最后測(cè)量獲取的實(shí)時(shí)心率數(shù)據(jù)，由此歷史測(cè)量心率數(shù)據(jù)均值就能夠更新。

3.2 LoRa 無線通信子程序設(shè)計(jì)

無線通信子程序流程如圖5 所示，接通電源后系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化[14-15]操作，同時(shí)也會(huì)驅(qū)動(dòng)看門狗運(yùn)行，再向網(wǎng)關(guān)發(fā)送啟動(dòng)數(shù)據(jù)包。若網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)存在于節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道中，則接收并處理，完成數(shù)據(jù)包解析、校驗(yàn)數(shù)據(jù)與匹配地址等，對(duì)數(shù)據(jù)包發(fā)送對(duì)象進(jìn)行確定并將有價(jià)值的內(nèi)容獲取，同時(shí)完成相應(yīng)處理；如果數(shù)據(jù)包或者地址匹配存在問題則不接收數(shù)據(jù)包也無需回復(fù)。節(jié)點(diǎn)運(yùn)行與休眠呈周期性變換，節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，成功接收后向節(jié)點(diǎn)回復(fù)確認(rèn)消息ACK，若并未成功接收ACK，數(shù)據(jù)包會(huì)再次傳送，符合預(yù)設(shè)發(fā)送頻次后才會(huì)停止，網(wǎng)關(guān)向節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，節(jié)點(diǎn)成功接收也將ACK 消息回復(fù)，否則網(wǎng)關(guān)同樣將數(shù)據(jù)包再次發(fā)送，這樣網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)能夠精準(zhǔn)可靠地完成通信。

圖5 無線通信子程序流程Fig.5 Wireless communication subroutine flow chart

3.3 網(wǎng)關(guān)子程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)子程序流程如圖6 所示，有關(guān)參數(shù)成功設(shè)定之后，連接云平臺(tái)，對(duì)云平臺(tái)發(fā)出的用戶命令進(jìn)行讀取，若存在則以地址為依據(jù)判定轉(zhuǎn)發(fā)目的節(jié)點(diǎn)還是發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，若發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)則數(shù)據(jù)信息應(yīng)封裝后加載到發(fā)送隊(duì)列，并且確定射頻模塊并未進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送或者數(shù)據(jù)重傳后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，否則需要等待發(fā)送或重傳完畢后再進(jìn)行發(fā)送。網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)發(fā)送以后等待回復(fù)，接收回復(fù)信息之后發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)才徹底結(jié)束，如果沒有接收到回復(fù)信息就會(huì)依據(jù)預(yù)設(shè)重傳頻次反復(fù)發(fā)送，重傳頻次達(dá)到最高后才會(huì)停止，將數(shù)據(jù)包舍棄，發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包也同時(shí)清除掉。若節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)被網(wǎng)關(guān)成功接收，以事件類別為依據(jù)對(duì)解析函數(shù)調(diào)取以完成數(shù)據(jù)包解析、校驗(yàn)數(shù)據(jù)和地址匹配，有效數(shù)據(jù)獲取之后將對(duì)應(yīng)的SNR 和RSSI 等進(jìn)行計(jì)算，完成封裝并載入發(fā)送隊(duì)列，等待向UART 發(fā)送。再利用RS485 向云平臺(tái)發(fā)送。用戶就能夠通過后臺(tái)對(duì)SNR、RSSI、發(fā)射功率以及傳輸速率等數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

圖6 網(wǎng)關(guān)子程序流程Fig.6 Gateway subroutine flow chart

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

采集多個(gè)測(cè)試者睡眠過程中的信息以完成算法檢驗(yàn)。測(cè)試者總計(jì)10 人，對(duì)睡眠過程中的翻身、呼吸以及心跳頻次進(jìn)行采集，如表1 所示，手機(jī)APP與核心電路示意圖如圖7 和圖8 所示。

表1 心率、呼吸和翻身次數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Heart rate，breathing and number of turns test data

圖7 手機(jī)APPFig.7 Mobile APP

圖8 核心電路Fig.8 Core circuit

5 結(jié)語

經(jīng)過測(cè)試證實(shí)，在使用本儀器之后，心率次數(shù)、呼吸次數(shù)以及翻身次數(shù)的準(zhǔn)確率可以分別達(dá)到95.1%、96.4%及95.7%。用戶睡眠時(shí)只需要分別將心率檢測(cè)模塊戴在手指上即可，而在腹部放置呼吸檢測(cè)模塊，手臂上戴好翻身檢測(cè)模塊即可，佩戴非常舒適，能夠檢測(cè)翻身、呼吸和心率頻次，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)送到用戶APP 和后臺(tái)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)用戶和醫(yī)生及時(shí)、準(zhǔn)確地了解睡眠質(zhì)量并作出相應(yīng)的診斷的目的。