基于嵌入式微處理器的睡眠質量控制研究*

李 珍，張開生，于曉明

（陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021）

隨著電子技術、計算機技術、通信技術的飛速發展，對睡眠的監控也迎來了新的機遇。傳統的睡眠監控采用傳導睡眠圖，但是該方法操作復雜且需要在睡眠者頭部固定電極，對正常睡眠造成不可忽視的影響，難以準確反應睡眠者的正常睡眠狀況。因此，本文提出了利用其他生理參數對睡眠質量進行監控的方法[1-2]。脈搏信號中包含豐富的生理信息，各種脈搏傳感器的出現使脈搏測量變得非常方便。嵌入式計算機系統具有體積小、功耗低、處理能力強等特點，因此非常適合于醫療設備的開發。如何將計算機技術和生物醫學信號處理技術相互結合，有效地監測人們的睡眠狀態，改善睡眠質量，是值得人們特別重視的。

1 設計思路

在睡眠過渡階段中,“失控的認知活動”致使人們遭受不同程度的失眠困擾。在近年的研究中,有許多跡象顯示,通過基于認知科學的心理控制,有可能使失控的認知活動中斷，那些致使人們失眠的失控的認知活動會在外界刺激下導致注意轉移從而被抑制[3]。在從覺醒狀態向睡眠狀態過渡時,脈搏會明顯減慢且呈現出不同的特征。因此可以通過傳感器采集脈搏信號，判斷睡眠者的睡眠狀態。可以通過嵌入式處理器不斷依據脈搏信號所反映的睡眠狀態提供刺激，中斷從清醒到睡著這一過渡過程中的失控思維活動，使這些有害的思維活動持續地處于被抑制狀態，直至最終失活。

2 系統總體設計

根據設計思路的基本認知原理，系統采用脈搏監測的方式來監控睡眠，在不影響正常睡眠的情況下，利用脈搏傳感器采集人體脈搏信號，構建嵌入式系統監測使用者的睡眠狀況[4]，在睡眠質量不佳的情況下，利用嵌入式微處理器發出合理的聲音刺激以達到提高睡眠質量的目的。整個系統由脈搏采集模塊、信號調理模塊、微處理器模塊、聲音刺激模塊、數據存儲模塊及數據顯示分析處理平臺等構成。系統結構框圖如圖1所示。

3 硬件設計

3.1 脈搏信號采集模塊

人體的脈搏信號具有幅度小、干擾強、阻抗高、頻率低等特點，采集過程中容易引入外界干擾（如工頻干擾、人體活動、高頻干擾和人體呼吸移動引起的基線漂移），常伴有嚴重的背景噪聲[5]。因此，脈搏信號測量必須經過放大和濾波等處理，才能滿足信號采集的要求。圖2為脈搏信號調理電路。

脈搏信號的能量頻段主要集中在2 Hz～20 Hz之間，最高頻率不超過40 Hz。脈搏傳感器采集到的電壓信號幅度值在0～20 mV之間，系統所采用的LPC2103片內A/D轉換器的輸入電壓值范圍為0～+3.3 V。為了滿足轉換要求，脈搏電壓信號需要被放大100～200倍。同時，為了更好地抗干擾，放大電路采用兩級放大。信號調理電路由一級放大電路、基線漂移抑制電路、50 Hz陷波電路、低通濾波器、二級放大電路組成。

一級放大電路采用差分輸入的方式,有效地抑制共模信號。差分放大器采用AD620，其具有極高的共模抑制比,可有效抑制工頻噪聲和人體靜電干擾。集成運放

抑制基線漂移電路主要由U2和U4兩個運放組成。為了降低工頻干擾，設計陷波器取R5=R6=2R7=9.6 kΩ，C4=C5=2C6=0.33 μF，得陷波器頻率：采用高輸入阻抗型。在電路設計中，設置一級放大電路的放大倍數A為20倍，則：

由于脈搏信號的最高頻率不超過40 Hz，因此低通濾波的截止頻率設為40 Hz，采用二階低通濾波來實現。設 R8=R9=R，C1=C2=C，則：

其中f0為自然頻率。由圖2可知，傳遞函數Au為：

根據 fp=40 Hz得 C=0.1 μF，R=15 kΩ。 電壓增益為：

R10取 25 kΩ，R11取 5 kΩ。按上述設計調理電路的放大能力約為120倍，滿足設計需要。

3.2 微處理器

系統選用Philips公司推出的基于ARM7TDMI-S內核、LQFP48封裝的LPC2103處理器作為嵌入式系統核心。LPC2103采用3.3 V和1.8 V雙電源供電，最高工作頻率可達70 MHz，內部集成8 KB的片內靜態RAM和32 KB的片內Flash程序存儲器。10 bit A/D轉換器提供8路模擬輸入使得調理后的脈搏信號可直接完成A/D轉化[6]。LPC2103價格低廉、低功耗以及小封裝充分滿足了系統設計的要求。復位電路設計中采用專用電源監控復位芯片CAT1025，以保證系統工作的穩定性。

3.3 聲音刺激模塊

根據人在睡眠和清醒時的脈搏信號的不同，利用嵌入式微處理器控制刺激器來產生聲音刺激，利用微處理器產生特定頻率的方波使得揚聲器發出聲響作為聲音刺激。只有合適響度的聲音才能抑制有害的思維活動，過弱的聲音刺激不能很好地轉移使用者的注意，而過強的聲音刺激會成為自然入睡新的干擾源。所以選取響度為使用者剛好能聽到的聲音作為刺激，通過編程來調節方波的頻率可得到需要的聲音刺激。

3.4 數據存儲模塊

系統采用SD卡存儲睡眠過程中的相關數據。SD卡大量應用于數碼相機、手機等大容量存儲設備，作為這些便攜式設備的存儲載體，具有功耗低、非易失性、保存數據無需消耗能量等特點，同樣適用于本系統設計。系統的硬件電路如圖3所示。

4 軟件設計

根據系統的設計要求，軟件設計分為下位機軟件和上位機軟件。下位機軟件部分主要完成脈搏信號的采集、分析、傳輸以及發出聲音刺激，上位機軟件主要是脈搏數據的顯示和存儲。

4.1 下位機軟件設計

下位機軟件以ADS1.2為開發環境，采用C語言編寫。ADS（ARM Developer Suite）支持 ARM10之前的所有ARM系列微控制器，具有編譯效率高、系統庫功能強等特點。系統通過分析采集到的脈搏信號，根據脈搏信號變化判斷使用者的睡眠狀態，在睡眠異常時發出合理的聲音刺激。系統的軟件控制框圖如圖4示。

4.2 上位機軟件設計

上位機軟件采用LabVIEW8.5為開發環境，實驗室虛擬儀器工作平臺(LabVIEW)采用圖形化的程序編程語言(即G語言)，編寫程序時，流程圖取代了以往復雜的程序代碼[7]。上位機軟件主要完成脈搏數據的采集顯示、存儲等功能，通過監測脈搏信號的變化對睡眠狀態進行監測，而且嵌入式系統可借助上位機軟件平臺監測脈搏變化，結合使用者的反應，反復試驗，研究睡眠狀態與脈搏變化的相互關系，協助系統找到合適的聲音刺激來改善睡眠質量。

基于上述技術建立的嵌入式系統，具有性能高、體積小、功耗低、價格便宜的優點，可佩戴于手上對睡眠過渡過程進行監測。在大量的實驗中，聲音刺激對使用者睡眠沒有造成干擾，并且能使他們較快入睡。通過采集人體脈搏信號并從中獲取睡眠信息，利用聲音刺激來干擾失眠機制，對于提高人們的睡眠質量、保證身心健康有著深遠的意義。

[1]SHIN J，CHEE Y，PARK K.Long-term sleep monitoring system and long-term sleep parameters using unconstrained method[J].IEEE Circuits and Systems Society，2007(3)：217-227.

[2]鄭慧君，俞夢孫.基于微動敏感床墊式睡眠監測系統的心率檢測[J].北京生物醫學工程，2009，28(5)：486-489.

[3]王瑞瑛，邵衛，曾鶴瓊.機-腦接口研究[J].現代電子技術，2010(2)：47-50.

[4]范志祥，田學隆.腕活動睡眠監測儀的設計[J].儀器儀表學報，2007，28(8)：45-48.

[5]乜國荃，方祖祥.人體脈搏的測量與分析[J].上海生物醫學工程，2006，27(2).

[6]郭國法，張開生.基于脈象傳感器的睡眠監控報警系統研究[J].微計算機信息，2008，24(5-1)：146-147.

[7]朱志強.LabVIEW及其在生物醫學工程中的應用[J].國外醫學：生物醫學工程分冊，2001，24(2)：59，64.