基于巴特沃斯濾波器的特殊人群防睡眠窒息提醒裝置設(shè)計

馮恒莉

摘要：有一種特殊人群，他們在晚上處于睡眠狀態(tài)時，易出現(xiàn)睡眠窒息現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)睡眠窒息，將會對人體生命構(gòu)成威脅。針對此問題，文章設(shè)計了一種可在睡眠窒息初期發(fā)出聲、光、振動報警提示信號的系統(tǒng)。通過及時報警，系統(tǒng)能夠喚醒睡眠人員，解決特殊人群面臨的健康安全隱患。

關(guān)鍵詞：巴特沃斯濾波器；聲波傳感器；單片機

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.018

中圖分類號：TN 713? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）04-00-03

Design of Anti Sleep Suffocation Reminder Device for Special Populations

Based on Butterworth Filter

FENG Hengli1，2

（1.Suzhou Industrial Park Industrial Technology School， Suzhou 215123， China；

2.Jiangsu United Vocational and Technical College Industrial Park Branch， Suzhou 215123， China）

Abstract： There is a special group of people who are prone to sleep apnea when they are in a sleep state at night. Once sleep apnea occurs， it will pose a threat to human life. A system has been designed to address this issue， which can emit sound， light， and vibration alarm signals during the early stages of sleep asphyxia. By providing timely alarms， the system can awaken sleepers and solve health and safety hazards faced by special populations.

Keywords： butterworth filter; sound wave sensor; singlechip

有一類特殊人群，夜間易出現(xiàn)睡眠窒息，對生命安全構(gòu)成威脅。在獨居狀態(tài)下，這一現(xiàn)象更加危險。醫(yī)學上將這種睡眠呼吸暫?，F(xiàn)象定義為連續(xù)7小時內(nèi)發(fā)生30次以上的呼吸暫停，每次中斷10秒以上，或每小時低通氣次數(shù)超過5次，導(dǎo)致慢性低氧血癥和高碳酸血癥[1]。高?；颊咭坏┌l(fā)病，無法及時發(fā)現(xiàn)、叫醒，容易出現(xiàn)事故，這對獨居人群而言更為危險。

為此，本文設(shè)計了一鐘基于巴特沃斯濾波器的防止睡眠窒息提醒裝置，通過采集呼吸聲音信號，使用巴特沃斯濾波器對信號進行優(yōu)化，與正常呼吸信號比較，及時檢測呼吸異常，發(fā)出聲、光、振動報警，及時喚醒睡眠者，防范發(fā)生意外。

1? ?系統(tǒng)設(shè)計的目標和設(shè)計框圖

1.1 設(shè)計任務(wù)

采用單片機作為核心控制元件，通過聲波傳感器捕捉人體正常呼吸頻率，并進行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)存儲在單片機中[2，3]。在特殊人群出現(xiàn)睡眠窒息初期癥狀時，呼吸頻率會加快，與正常狀態(tài)有差異。單片機處理動態(tài)信息，識別窒息初期癥狀，輸出控制信號?？刂菩盘栍|發(fā)蜂鳴器發(fā)出報警聲，同時驅(qū)動發(fā)光二極管閃光，以及振動器發(fā)出震動提醒信號。這一多重提醒系統(tǒng)可及時喚醒特殊人群，防范安全風險。

1.2 設(shè)計要求

（1）設(shè)定一定時間為基準，記錄基準時間內(nèi)的正常呼吸次數(shù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)儲存在單片機中。

（2）在正常使用時，提取呼吸信號并通過預(yù)設(shè)的濾波器進行信號處理，以提高信號準確度。

（3）提取呼吸信號并與基準數(shù)據(jù)進行對比。當動態(tài)數(shù)據(jù)與基準數(shù)據(jù)差異超過30%時，單片機處理后發(fā)出報警信號。通過外部元件放大，驅(qū)動發(fā)聲元件發(fā)出報警提醒信號。同時，單片機輸出閃光信號，通過外部元件放大、驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)出閃光報警信號。此外，單片機輸出振動信號，通過外部元件放大、驅(qū)動振動元件發(fā)出振動提醒信號。

（4）在聲、光報警及振動提醒信號的作用下，使窒息初期的人群及時醒來，從而避免不良后果的發(fā)生。

1.3 設(shè)計框圖

本設(shè)計由單片機、聲波傳感器、聲波信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、提醒音電路、光信號提示電路、振動提醒電路和5V直流電源幾個部分組成一個完整的控制電路系統(tǒng)。具體設(shè)計如圖1所示。

2? ?呼吸聲提取

本設(shè)計采用STC89C52單片機作為控制核心，通過呼吸聲檢測實現(xiàn)監(jiān)測功能的系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要功能包括監(jiān)測和提醒。通過聲波傳感器檢測獲取響應(yīng)數(shù)據(jù)，并進行對比分析，以判斷是否存在異常情況。在異常情況下，系統(tǒng)會觸發(fā)警示機制，通過報警提醒方式，實現(xiàn)對異常情況的監(jiān)測和叫醒功能。

以準確提取呼吸聲為設(shè)計重點。采用聲波傳感器提取基本信號。運用運算放大器，實現(xiàn)對聲波信號的放大，保證失真度小，提高控制精度[4]。通過巴特沃斯濾波器對信號進行進一步的精度提升，確保信號的準確性。

2.1 聲波傳感器

對聲音信號的處理前提條件是對聲音信號的采集，本設(shè)計采用聲波傳感器對聲音進行采集，聲波傳感器主要由駐極體話筒和LM393組成。

駐極體話筒的主要作用是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，它由話筒殼、電容式傳感器、放大器組成[5]。它的工作原理基于一個電容式傳感器，當有聲音時，聲波產(chǎn)生振動，傳感器內(nèi)的電容值會發(fā)生變化，從而改變電信號的強度。LM393S是三端穩(wěn)壓器，在輸入電壓范圍內(nèi)的穩(wěn)壓輸出，若輸入電壓超過范圍，則起到限壓的作用。兩者配合使得聲波傳感器具有信號穩(wěn)定、采集更準確的優(yōu)點。

2.2 信號處理

由于環(huán)境中存在較多的其他聲音信號，為了更準確地采集到呼吸信號，本文設(shè)計了巴特沃斯濾波器，對信號進行進一步的處理。

巴特沃斯數(shù)字濾波器最先由英國工程師Stephen Butterworth發(fā)表在《無線電工程》上的一篇論文中提出來的。巴特沃斯數(shù)字濾波器在通頻帶以內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線符合最大限度平坦，沒有起伏，在阻頻帶以內(nèi)卻是緩慢下降至零為止。通過研究發(fā)現(xiàn)，巴特沃斯數(shù)字濾波器特別適合低頻信號處理，這種濾波器對于保持增益的平坦特性尤為關(guān)鍵［6，7］。巴特沃斯數(shù)字濾波器是一種經(jīng)典的數(shù)字濾波器，常用于對信號進行頻域處理，以濾除特定頻率范圍內(nèi)的噪聲或干擾信號[6，7]。它具有最大平滑的頻率響應(yīng)波形，因此可以減少濾波后信號的失真。巴特沃斯數(shù)字濾波器的傳輸函數(shù)一般用如下振幅的平方對頻率的公式表示：

（1）

式中，為濾波器的階數(shù)；為截止頻率。

巴特沃斯帶通濾波器是在巴特沃斯濾波器的基礎(chǔ)上進行改進而來的，它可以在一定范圍內(nèi)傳遞特定的頻率，同時在其他頻率上進行衰減。巴特沃斯帶通濾波器的傳輸函數(shù)為：

（2）

式中，為頻帶中心；為頻帶寬度；和分別是帶通的低頻和高頻。

本文使用了巴特沃斯帶通濾波器對呼吸聲語音信號進行去噪處理，通過對呼吸聲語音信號的功率譜密度進行分析，得知呼吸聲頻率集中在1000～3000 Hz范圍之內(nèi)[8，9]，選取作為濾波器的帶通范圍，采用5階的巴特沃斯帶通濾波器進行去噪處理。濾波前后的信號功率譜、信號幅值變化如圖2、圖3所示：

從對比圖2和圖3可見，通過設(shè)計的巴特沃斯帶通濾波器，實現(xiàn)了呼吸聲語音信號的去噪，在功率譜圖中，有效濾除了之外的噪聲信號；在幅值圖中可清晰呈現(xiàn)呼吸聲信號的呼氣-吸氣過程，播放處理后的語音信號，可明顯感覺背景噪聲得到有效去除。

3? ?控制電路設(shè)計及工作原理

本設(shè)計的電路由單片機、聲波傳感器、聲波信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、提醒音電路、光信號提示電路、振動提醒電路和5 V直流電源幾個部分組成一個完整的控制電路系統(tǒng)。

單片機（IC1）是本設(shè)計電路的核心。單片機P3.2口和P3.3口為聲波信號的輸入口，同時作為A/D轉(zhuǎn)換的控制口。聲波傳感器信號，經(jīng)放大電路放大后，進行整形及電壓比較。處理后的信號進行進一步的算法優(yōu)化后，與基準信號進行比較。比較后，超出設(shè)定值，單片機即刻輸出聲、光、振動信號。

使用運算放大器，使聲波信號的放大效果失真度變小，控制精度得以提高。A/D轉(zhuǎn)換，使聲波傳感器信號得以量化，以便于對基準信號的存儲，同時便于對動態(tài)信息進行收集、比較。

單片機的P3.0口輸出信號，經(jīng)三極管放大后驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出提示音。單片機的P3.1口輸出信號，驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)出光提示。單片機的P3.4口輸出信號，經(jīng)三極管放大后驅(qū)動振動元件發(fā)出振動提醒信號。三重提醒疊加，保障能將睡眠者叫醒。

4? ?結(jié)束語

“基于巴特沃斯濾波器的特殊人群防睡眠窒息提醒裝置”，可在特殊人群出現(xiàn)睡眠窒息初期，及時發(fā)出聲、光、振動報警提示信號，叫醒睡眠人員，從而防范安全健康隱患。該裝置能在呼吸發(fā)生異常的第一時間就發(fā)出警報，其警報的及時性較一般裝置更高。這種良性的提示效果，對保障人們的健康具有積極意義，而且這種控制裝置沒有操作門檻，特殊人群可以使用，其他人群也可以使用，所以具有一定的普及性和推廣價值。

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