基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧臥室平臺(tái)研究

摘 要：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從智慧臥室概念著手進(jìn)行智慧臥室平臺(tái)研究。圍繞智慧臥室平臺(tái)框架搭建，以智能床產(chǎn)品為核心，聯(lián)接外圍物聯(lián)網(wǎng)空調(diào)、智能窗簾、智能燈光等產(chǎn)品打造臥室的智能化和智慧化。以實(shí)際智能床產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)歷，重點(diǎn)介紹了智慧臥室平臺(tái)架構(gòu)、核心的控制單元智能床功能和結(jié)構(gòu)、智慧臥室典型應(yīng)用場(chǎng)景等；以智能床的智能檢測(cè)模塊為觸發(fā)點(diǎn)，聯(lián)動(dòng)臥室其他家電，實(shí)現(xiàn)以臥室為單元的智能家居場(chǎng)景。本文研究能夠?yàn)橥惙桨竿茝V應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：智慧臥室；智能床；物聯(lián)網(wǎng)；平臺(tái)架構(gòu)；家居互聯(lián)；APP

中圖分類號(hào)：TP39；TM391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）03-0-03

0 引 言

近年來隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種智能產(chǎn)品映入人們的視野，各大頭部廠商率先推出自己的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案和多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景，臥室場(chǎng)景應(yīng)用也隨之而來[1-4]。尤其是在當(dāng)下面臨各種生活壓力下很多人都存在睡眠障礙，因此人們對(duì)睡眠質(zhì)量的關(guān)注度日益提高，智慧臥室、智慧睡眠產(chǎn)品的概念在國(guó)內(nèi)逐漸盛行。各種智能類產(chǎn)品如智能AI空調(diào)、智能窗簾、智能燈光、智能電視、智能床等開始走進(jìn)我們的臥室，盡管某些類別的產(chǎn)品已初具智能互聯(lián)功能，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)還未達(dá)到智慧臥室、智慧睡眠的要求[5-8]。臥室是家庭的核心，我們每天有將近三分之一的時(shí)間在臥室度過，如何讓臥室環(huán)境更智能、更人性化，讓床具有更多智能化的模塊，是改善睡眠質(zhì)量、提高臥室智慧化水平的關(guān)鍵，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用得到進(jìn)一步普及、智能家居走進(jìn)千家萬戶具有重要意義[9-10]。

1 智慧臥室平臺(tái)架構(gòu)

智慧臥室就是在傳統(tǒng)臥室的基礎(chǔ)上引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以智能床為中心，通過互聯(lián)網(wǎng)將空調(diào)、燈控、窗簾、加濕器、風(fēng)扇、香薰機(jī)等家電連接在一起，通過手機(jī)APP設(shè)定場(chǎng)景，以智能床的檢測(cè)模塊來觸發(fā)，通過云端操控自動(dòng)調(diào)整房間燈光、溫濕度、香薰、窗簾、風(fēng)扇、床溫床燈、睡姿、按摩、音樂等，盡可能實(shí)現(xiàn)人不動(dòng)即可完成一系列場(chǎng)景設(shè)置和調(diào)整，達(dá)到真正的智能化和智慧化。如圖1所示的智慧臥室平臺(tái)示意圖，整個(gè)臥室平臺(tái)圍繞云端運(yùn)轉(zhuǎn)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助家庭無線網(wǎng)絡(luò)（WiFi路由器或者網(wǎng)關(guān)），直接或者間接將以智能床為核心的包括空調(diào)、窗簾、燈光、香薰、空氣凈化器等臥室智能家電連接到云端，由云端統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。臥室家電與云端連接以及場(chǎng)景設(shè)定的入口是智慧臥室APP，智慧臥室APP通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)和個(gè)人賬戶注冊(cè)到云端，用戶選擇現(xiàn)有場(chǎng)景或者自定義場(chǎng)景后，通過智能床的各種檢測(cè)模塊觸發(fā)，并由床將觸發(fā)指令傳到云端，由云端控制對(duì)應(yīng)家電工作。

智慧臥室搭建流程如圖2所示。首先在智慧臥室APP通過注冊(cè)登錄個(gè)人賬戶到云端獲取云端資源，在APP設(shè)備管理界面添加設(shè)備，通過掃描設(shè)備二維碼或者局域網(wǎng)（WiFi或者藍(lán)牙）搜索到對(duì)應(yīng)設(shè)備，獲取對(duì)應(yīng)的物理ID，選擇與當(dāng)前智慧臥室APP所在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的AP并輸入密碼，將設(shè)備聯(lián)網(wǎng)并注冊(cè)到云端，以同樣的方式將臥室中包括智能床、空調(diào)、窗簾在內(nèi)的電器都注冊(cè)到云端當(dāng)中。智能床、空調(diào)等臥室家電借助互聯(lián)網(wǎng)通過云端橋接在一起，搭建智慧臥室統(tǒng)一平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)臥室各家電互聯(lián)互通、協(xié)力調(diào)配。

2 智能床整體設(shè)計(jì)

智能床產(chǎn)品作為智慧臥室的核心，是智慧臥室平臺(tái)的硬件樞紐，是觸發(fā)其他環(huán)節(jié)運(yùn)行的前端，對(duì)實(shí)現(xiàn)臥室智能化和提高睡眠質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用。以我司開發(fā)的智能床產(chǎn)品為例，主要包括：電機(jī)曲線調(diào)節(jié)、氣囊按摩、睡眠檢測(cè)、人體檢測(cè)、智能夜燈、環(huán)境監(jiān)測(cè)、語音交互、智能音箱、無線連接等相關(guān)功能模塊。硬件控制框圖如圖3所示。整個(gè)硬件控制以CPU為核心，外置Memory、PMU，功能模塊包括按摩模塊、電機(jī)控制、睡眠監(jiān)測(cè)、智能夜燈、溫濕度檢測(cè)、無線通信、語音識(shí)別、鼾聲識(shí)別、智能音箱等幾大模塊，主控采用全志R818平臺(tái)，系統(tǒng)電源管理選用AXP305方案，外置Memory配置2G DDR4+16G EMMC5.1。

（1）按摩模塊：采用氣囊式按摩，整床設(shè)置6～12個(gè)獨(dú)立氣囊，通過氣囊進(jìn)氣路徑控制實(shí)現(xiàn)人體不同模式、不同位置推撫按摩，并且可以根據(jù)身高自定義不同模式下對(duì)應(yīng)工作的氣囊。整個(gè)模塊控制包括兩部分：氣泵控制和電磁閥控制，氣泵控制采用50 Hz的逆變驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)氣泵啟停，電磁閥控制采用IO擴(kuò)展芯片，主控通過I2C通信實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的電磁閥開啟閉合控制。

（2）電機(jī)控制模塊：用于智能床的曲線調(diào)節(jié)，分為前電機(jī)控制和后電機(jī)控制，包括升降使能控制、極近極遠(yuǎn)位置檢測(cè)、過載檢測(cè)，保證電機(jī)升降調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和在承重范圍內(nèi)安全工作。

（3）睡眠檢測(cè)：用于對(duì)人體生命體征檢測(cè)，包括呼吸、心跳、體動(dòng)、在離床等；并通過實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)生成睡眠報(bào)告，用于評(píng)估睡眠質(zhì)量、深睡淺睡情況，用于聯(lián)動(dòng)調(diào)整其他家電。本智能床睡眠檢測(cè)采用壓電薄膜方案，將體征信號(hào)通過轉(zhuǎn)換傳給主控，并借助算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)，在本地或者云端均可生成睡眠報(bào)告，通過智能床APP或者智慧臥室APP推送給用戶。

（4）智能夜燈：用于夜間起床照明使用，包括人體感應(yīng)模塊和夜燈控制模塊，人體感應(yīng)采用PIR+光感進(jìn)行活體和光線亮度檢測(cè)，檢測(cè)距離在1.5 m左右，檢測(cè)角度為135°，可以智能檢測(cè)環(huán)境光線強(qiáng)弱和人體靠近或者下床的情況。夜燈控制包括開關(guān)控制和亮度控制，通過PWM調(diào)整實(shí)現(xiàn)多級(jí)亮度調(diào)整和漸亮漸滅。

（5）環(huán)境檢測(cè)：主要用于床溫和濕度檢測(cè)，聯(lián)動(dòng)調(diào)控空調(diào)溫度和抽濕機(jī)工作。采用二合一芯片，通過I2C和主控進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳遞溫濕度信息。

（6）語音采集模塊：用于語音識(shí)別和鼾聲檢測(cè)，采用兩個(gè)雙通道ADC芯片AC107，兩麥克用于語音采集識(shí)別，兩麥克用于鼾聲識(shí)別檢測(cè)，通過算法和模型訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)在離線語音識(shí)別功能和鼾聲檢測(cè)。

（7）智能功放：用于睡眠音樂播放和語音交互，采用數(shù)字音頻功放TAS5822，驅(qū)動(dòng)2個(gè)10 W喇叭，自帶均衡調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)立體聲效果。

（8）無線模塊：用于無線連接配網(wǎng)、APP控制、遙控器控制，無線模塊采用瑞昱二合一comb方案rtl8723，支持藍(lán)牙4.2和WiFi 2.4G，智能床APP采用藍(lán)牙本地連接，遙控器采用WiFi直連，智慧臥室APP采用WiFi配網(wǎng)。

3 場(chǎng)景應(yīng)用

智慧臥室場(chǎng)景一般包括回家場(chǎng)景、閱讀場(chǎng)景、休息放松場(chǎng)景、睡覺場(chǎng)景、起床場(chǎng)景、離家場(chǎng)景、自定義場(chǎng)景等。各個(gè)場(chǎng)景以云端為網(wǎng)絡(luò)樞紐，以智能床為硬件銜接樞紐，自主完成智能檢測(cè)，如圖4的復(fù)合場(chǎng)景典型應(yīng)用所示。

預(yù)先設(shè)定一個(gè)作息時(shí)間并不斷學(xué)習(xí)用戶睡眠作息習(xí)慣，以智能床主控進(jìn)行定時(shí)，在用戶進(jìn)入房間半個(gè)小時(shí)觸發(fā)平臺(tái)運(yùn)行，空調(diào)自動(dòng)開啟以適宜的溫度運(yùn)行，空氣凈化器、香薰機(jī)自動(dòng)開啟，預(yù)先營(yíng)造干凈、芬芳四溢的房間環(huán)境，同時(shí)窗簾自動(dòng)展開遮光。智能床PIR檢測(cè)到用戶進(jìn)入房間時(shí)，房間主燈自動(dòng)亮起，營(yíng)造睡前燈光氛圍。

當(dāng)智能床睡眠檢測(cè)模塊檢測(cè)到用戶躺在床上時(shí)開始進(jìn)入睡眠放松階段，房間燈光自動(dòng)變暗，智能床睡眠音樂開啟，開啟標(biāo)準(zhǔn)按摩，解除一天的疲勞。放松時(shí)間結(jié)束，按摩音樂停止，燈光調(diào)亮，智能床調(diào)整到閱讀模式，開啟睡眠閱讀。結(jié)束一天的活動(dòng)，正式進(jìn)入睡眠，智能床自動(dòng)調(diào)整到睡眠模式，開啟睡眠音樂，關(guān)閉燈光。

當(dāng)檢測(cè)到入睡后，關(guān)閉睡眠音樂，根據(jù)睡眠情況實(shí)時(shí)調(diào)整空調(diào)溫度；夜間起床時(shí)，檢測(cè)到下床，智能床的智能夜燈亮起，方便用戶在床邊穿鞋。深夜熟睡，鼾聲響起，床頭自動(dòng)抬高，等鼾聲停止，恢復(fù)睡眠高度。清晨起床時(shí)刻，開啟智能喚醒模式，音樂響起，床頭緩緩抬起，催促用戶起床，窗簾自動(dòng)拉開，陽光照射房間；用戶離開房間后，各個(gè)電器自動(dòng)關(guān)閉。

4 結(jié) 語

本文圍繞智慧臥室平臺(tái)框架搭建，以實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)歷和模型重點(diǎn)介紹了智慧臥室平臺(tái)架構(gòu)、核心的控制單元智能床功能和結(jié)構(gòu)、智慧臥室典型應(yīng)用場(chǎng)景等，以智能床的智能檢測(cè)模塊為觸發(fā)，聯(lián)動(dòng)臥室其他家電，實(shí)現(xiàn)以臥室為單元的智能家居場(chǎng)景。本文詳細(xì)介紹了該平臺(tái)構(gòu)成、智能床架構(gòu)和物聯(lián)場(chǎng)景應(yīng)用，并進(jìn)行了詳細(xì)探討，以期為同類方案推廣應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]詹佑，肖衡.智能床的研究與設(shè)計(jì)[J].電子制作，2020，27（24）：38-40.

[2]王嶺娥，白佳榮. 基于語音控制的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].華北理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，41（3）：135-140.

[3]荀艷麗，焦庫，張秦菲. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（10）：74-76.

[4]江渝川. 基于遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)的智能家居圖像控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2018，42（10）：147-150.

[5]周明，王振. 基于STM32單片機(jī)的智能床圍燈設(shè)計(jì)[J].電子世界，2020，20（57）：130-131.

[6]秦頌羔. 智能床墊盡享科技生態(tài)睡眠[J].上海商業(yè)，2017，33（10）：49.

[7]李杰. 智能翻身醫(yī)用床墊設(shè)計(jì)與研發(fā)[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2019.

[8]束陳. 基于智能床墊的睡眠健康狀況研究[D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2018.

[9]趙敏，江朋友，謝文娣.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能床研究[J].電子制作，2019，26（9）：50-51.

[10]劉冰，周賽青，鄒雪宇. 基于Kinect動(dòng)作控制的智能家居系統(tǒng)

[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019，9（3）：84-85.