改善睡眠質(zhì)量的智能家居系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

鮑建科

松下家電研究開(kāi)發(fā)（杭州）有限公司 浙江杭州 310018

1 引言

春眠不覺(jué)曉，處處聞啼鳥(niǎo)。春天的夜晚人們能夠一覺(jué)睡到天亮，是因?yàn)榇禾鞗鏊m宜的溫濕度、婆娑的月影和沁人心脾的花香促進(jìn)了人體的睡眠，在一晚的充足睡眠后伴隨著悅耳的蟲(chóng)鳴鳥(niǎo)啼開(kāi)始美好的一天，這樣高質(zhì)量的睡眠使我們感到身心愉悅、精神飽滿(mǎn)。身體是革命的本錢(qián)，睡眠則是身體的本錢(qián)。除了生理意義的重要性之外，更重要的意義是使我們?cè)诟哔|(zhì)量的睡眠中能緩解白天因?yàn)閴毫Χe累的浮躁和不安情緒。然而，目前中國(guó)居民睡眠健康狀況令人擔(dān)憂(yōu)，中國(guó)成年人失眠的發(fā)生率已達(dá)到38.2%，其中老年人的失眠發(fā)生率高達(dá)60%。由于人口基數(shù)龐大，中國(guó)失眠人數(shù)已占全球第一。上海、北京、杭州、深圳、廣州躋身五大失眠城市之最。2001年，國(guó)際精神衛(wèi)生和神經(jīng)科學(xué)基金會(huì)發(fā)起了一項(xiàng)全球睡眠和健康計(jì)劃，將每年的3月21日定為“世界睡眠日”(World Sleep Day)，其目的就是要喚起全民對(duì)睡眠重要性的認(rèn)識(shí)和對(duì)睡眠質(zhì)量的重視。2003年，中國(guó)睡眠研究會(huì)將世界睡眠日正式引入中國(guó)，睡眠與健康的關(guān)系也日益引起了中國(guó)人的重視。

睡眠健康產(chǎn)業(yè)具有巨大需求潛力，從最初的可穿戴設(shè)備（如智能手環(huán)和智能手表）助力睡眠監(jiān)測(cè)，到今天健康睡眠產(chǎn)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)建，如何將產(chǎn)品和技術(shù)與不同的應(yīng)用場(chǎng)景相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出可以改善睡眠質(zhì)量提高生活品質(zhì)的應(yīng)用，才能使消費(fèi)者自然的接受和購(gòu)買(mǎi)這樣的產(chǎn)品。同時(shí)，失眠可以通過(guò)物理的方法治療已經(jīng)得到人們的普遍認(rèn)識(shí)，如果未來(lái)睡眠產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了全新的增長(zhǎng)點(diǎn)，那就很有可能產(chǎn)生于睡眠相關(guān)的智能產(chǎn)品領(lǐng)域。

2 睡眠質(zhì)量和健康的關(guān)系

身體和大腦在睡覺(jué)時(shí)得到休息和復(fù)原。科學(xué)家使用所謂的腦電圖儀（EEG）的設(shè)備記錄睡眠期間的大腦活動(dòng)，來(lái)觀測(cè)睡覺(jué)的時(shí)候身體里發(fā)生了什么。腦電圖儀發(fā)現(xiàn)了兩種基本的睡眠模式：REM睡眠（快速眼動(dòng)睡眠），以及NREM睡眠（非快速眼動(dòng)睡眠）。這兩種類(lèi)型的睡眠模式對(duì)于健康至關(guān)重要，并且對(duì)身體有不同影響。身體在REM和NREM這兩個(gè)主要睡眠周期之間交替。通常在剛?cè)胨瘯r(shí)，進(jìn)入NREM睡眠，持續(xù)大約90～110分鐘。接下來(lái)的是REM睡眠，持續(xù)時(shí)間在5～15分鐘。一般來(lái)說(shuō)，REM睡眠時(shí)，身體雖然休息，但是大腦還在活動(dòng)。在這期間，肌肉的緊張感消失，身體處于類(lèi)似癱瘓的完全放松狀態(tài)，身體機(jī)能得到休息；大腦卻在這時(shí)異常的活躍，將自行學(xué)習(xí)類(lèi)似自行車(chē)騎行方式等運(yùn)動(dòng)的記憶。但是，因?yàn)檫@時(shí)身體的暫時(shí)性“癱瘓”狀態(tài)可以讓我們以最自然的方式來(lái)確保我們不會(huì)將夢(mèng)中行為付諸行動(dòng)。NREM睡眠是大腦也處于休息的放松狀態(tài)的睡眠，在這期間，分泌成長(zhǎng)激素，促進(jìn)身體的成長(zhǎng)和修復(fù)，恢復(fù)疲勞；將白天從書(shū)本和教科書(shū)中得到的知識(shí)實(shí)現(xiàn)記憶、整理和鞏固，同時(shí)消除不必要的記憶，減輕精神壓力。

在夜間睡眠時(shí)，身體會(huì)在REM和NREM之間循環(huán)，但大多數(shù)時(shí)間處于NREM睡眠。在睡眠的最初階段，NREM睡眠的時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)，深度睡眠集中，大腦得到好的休息，因此在剛開(kāi)始入睡的3個(gè)小時(shí)十分重要，在這段時(shí)期深度睡眠占了約90%左右。越往后，REM睡眠時(shí)間持續(xù)越長(zhǎng)，也就更容易做夢(mèng)。請(qǐng)參考圖1。

因此，睡眠有消除身心疲憊的作用，睡眠不足和睡眠質(zhì)量的惡化將導(dǎo)致“生活習(xí)慣病”和“類(lèi)似抑郁癥一樣的心理疾病”的風(fēng)險(xiǎn)。睡眠不足會(huì)降低注意力和工作效率，降低生產(chǎn)率，增加人為因素造成錯(cuò)誤和事故的發(fā)生。而且，當(dāng)睡眠不足長(zhǎng)期持續(xù)的話(huà)，疲勞恢復(fù)會(huì)變得很困難。為了防止睡眠不足的疲勞的積累，高質(zhì)量的睡眠是必須的。所謂高質(zhì)量的睡眠，本文將其定義為快速的入眠、中途不會(huì)無(wú)緣無(wú)故醒來(lái)、起床時(shí)沒(méi)有身體的疲憊感。

3 影響睡眠質(zhì)量的環(huán)境因素

創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)睡眠有三大必要的因素：一是有規(guī)律的生活節(jié)奏，保持健康無(wú)壓力的身體狀態(tài)；二是舒適的適合自己的寢具，好的床上用品對(duì)于高質(zhì)量的睡眠也很重要；三是舒適的睡眠環(huán)境，具體的說(shuō)就是臥室的溫度、濕度、聲音、光線(xiàn)、顏色、香氣等環(huán)境。本文研究的對(duì)象是第三點(diǎn)因素——舒適的睡眠環(huán)境。

3.1 溫度對(duì)睡眠質(zhì)量的影響

優(yōu)質(zhì)的睡眠與體溫，尤其是腦部、內(nèi)臟、身體中心的“深部體溫”息息相關(guān)。在一天中，深部體溫會(huì)在白天升高，夜晚降低，以這個(gè)節(jié)奏每日重復(fù)，如圖2所示。想要獲得優(yōu)質(zhì)的睡眠，就必須掌握好這個(gè)節(jié)奏，夜晚降低深部體溫是關(guān)鍵，相反，由于溫度和濕度過(guò)高，深部體溫?zé)o法有效地下降，則深睡眠就會(huì)減少，中途覺(jué)醒就會(huì)增加。睡眠與體溫的關(guān)系已經(jīng)被越來(lái)越多的科學(xué)家證實(shí)。容易入眠的溫度和濕度，夏季為溫度25～28℃、濕度70%以下；冬季為溫度16～20℃、濕度50%以上，老人、孩子、成年人等不同人群間略有區(qū)別。

3.2 光照對(duì)睡眠質(zhì)量的影響

圖1 NREM睡眠和REM睡眠循環(huán)交替

圖2 深部體溫一天周期的節(jié)奏

圖3 “褪黑色素”一天分泌的節(jié)奏

圖4 基于空調(diào)、照明和音響的睡眠質(zhì)量改善系統(tǒng)

圖5 適合深部體溫的室溫控制

圖6 通過(guò)睡眠狀態(tài)和室溫判斷睡眠困難，自動(dòng)調(diào)整室溫

人體的體溫、心跳、激素分泌是24小時(shí)周期變化的，這稱(chēng)為身體的晝夜節(jié)奏，人的這種日出而作、日落而息的生活方式如果不進(jìn)行管理的話(huà)，這個(gè)周期變化時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)，進(jìn)而容易導(dǎo)致夜型的生活方式。例如，早上如果在昏暗的臥室里度過(guò)的時(shí)間長(zhǎng)的話(huà)，體內(nèi)生物鐘無(wú)法調(diào)整，夜晚的睡眠準(zhǔn)備時(shí)間就變長(zhǎng)了，這就助長(zhǎng)了睡懶覺(jué)的傾向。因此可以通過(guò)照明調(diào)節(jié)生活節(jié)奏，早上起床的時(shí)候，慢慢地使房間變得明亮，明亮的光線(xiàn)刺激交感神經(jīng)，大腦被激活并且晝夜節(jié)奏被重置，然后在15～16小時(shí)后出現(xiàn)嗜睡，進(jìn)入容易入睡的身體狀態(tài)，促進(jìn)健康節(jié)奏的復(fù)位。晚上用暗的暖色系的照明，可以促進(jìn)“褪黑色素”的分泌，使身體變得容易入睡。被稱(chēng)為睡眠激素的“褪黑色素”分泌，能夠促進(jìn)體溫下降，走向自然的睡眠，關(guān)于“褪黑色素”分泌的節(jié)奏請(qǐng)參考圖3。相反，睡前如果長(zhǎng)時(shí)間待在明亮的白色燈光下，則會(huì)抑制黑色素的分泌，變得難以入睡。

3.3 聲音對(duì)睡眠質(zhì)量的影響

音樂(lè)可以幫助我們改善睡眠，音樂(lè)對(duì)人體生理功能有顯著的影響，音樂(lè)的節(jié)奏、模式和旋律可影響聽(tīng)者的心率、呼吸和血壓。也就是說(shuō)，當(dāng)音樂(lè)作為一種外部刺激進(jìn)入聽(tīng)覺(jué)器官，經(jīng)傳入的神經(jīng)中樞，大腦皮層，皮層下中樞和植物神經(jīng)系統(tǒng)都會(huì)參與作出各種反射活動(dòng)。隨著音樂(lè)的節(jié)奏、旋律、音量的不斷變化，人體的呼吸、循環(huán)、內(nèi)分泌和神經(jīng)肌肉都會(huì)隨之發(fā)生變化。

正是由于音樂(lè)具有調(diào)節(jié)身心的作用，才能用做改善睡眠的重要手段之一。目前，國(guó)內(nèi)外的醫(yī)學(xué)工作者利用音樂(lè)療法治療失眠已取得了明顯效果。臨床實(shí)踐證明，神經(jīng)衰弱和失眠者聽(tīng)一些舒緩輕柔的民樂(lè)和輕音樂(lè)，可起到調(diào)節(jié)心率和呼吸，緩解精神緊張的作用，使人達(dá)到心平氣和、情緒平穩(wěn)的狀態(tài)，從而改善睡眠質(zhì)量。當(dāng)我們?cè)谄鸫睬澳軌蚵?tīng)到歡快的音樂(lè)時(shí)，則能夠使我們做好起床的準(zhǔn)備，迎接美好的一天。

4 基于智能家居的睡眠改善服務(wù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)在家電領(lǐng)域的發(fā)展，最終是為人們提供健康舒適的生活而服務(wù)的。通過(guò)空調(diào)、空氣凈化器、照明和音響等設(shè)備的連攜，發(fā)揮家電在改善睡眠因素（溫度、濕度、光、聲音等）中的作用，實(shí)現(xiàn)舒適睡眠環(huán)境。支持本系統(tǒng)的構(gòu)成中包括了云服務(wù)器、手機(jī)APP和空調(diào)、空氣凈化器、照明和音響等，如圖4所示。

云服務(wù)器在整個(gè)系統(tǒng)中起到?jīng)Q策的作用，云服務(wù)器接收來(lái)自手機(jī)、手環(huán)或者床墊中睡眠監(jiān)測(cè)傳感器的實(shí)時(shí)睡眠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及各家電當(dāng)前設(shè)定的溫度、照明亮度、音樂(lè)音量等的數(shù)據(jù)作為決策的依據(jù)。根據(jù)用戶(hù)在就寢前、就寢中或者起床前三個(gè)階段中當(dāng)前的睡眠狀態(tài)決定開(kāi)啟或關(guān)閉空調(diào)，調(diào)整空調(diào)的溫度、風(fēng)向；決定開(kāi)啟或關(guān)閉空氣凈化器的睡眠模式；決定開(kāi)啟或關(guān)閉照明，調(diào)整照明的明暗度；決定開(kāi)啟或關(guān)閉音響，調(diào)整音響的音量。手機(jī)APP在整個(gè)系統(tǒng)中起到顯示、操作、設(shè)定的作用，部分擁有睡眠傳感器的智能手機(jī)，同時(shí)也起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并上傳睡眠數(shù)據(jù)的作用，若手機(jī)沒(méi)有睡眠傳感器，也可以佩戴有睡眠傳感器的智能手環(huán)或智能床墊。就寢前，只要通過(guò)APP開(kāi)啟“舒適睡眠”模式，就開(kāi)啟了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，就寢結(jié)束還能通過(guò)APP回顧自己的睡眠狀況。空調(diào)、空氣凈化器、照明和音響等家居搭載了Wi-Fi模塊，能夠和云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)通信，根據(jù)云服務(wù)的指令執(zhí)行軟件設(shè)定的機(jī)能，并上傳當(dāng)前狀態(tài)給服務(wù)器，是整個(gè)系統(tǒng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)的執(zhí)行者。

4.1 空調(diào)在系統(tǒng)中的設(shè)置方式

根據(jù)深部體溫與睡眠的關(guān)系，夏季中，本系統(tǒng)在就寢前將空調(diào)溫度降低到25℃，同時(shí)打開(kāi)空氣凈化器，將濕度設(shè)置為70%，使用戶(hù)容易在涼爽的環(huán)境中快速入眠；入眠之后，稍微提高溫度防止過(guò)度寒冷；起床前，設(shè)定溫度上升，開(kāi)始起床前的準(zhǔn)備，使身體暖和開(kāi)始興奮。此過(guò)程的溫度控制請(qǐng)參考圖5。在就寢過(guò)程中，若睡眠傳感器監(jiān)測(cè)到用戶(hù)輾轉(zhuǎn)反側(cè)難以入眠，則調(diào)整空調(diào)溫度下降，幫助用戶(hù)再次入眠，此過(guò)程的溫度控制請(qǐng)參考圖6。

4.2 照明在系統(tǒng)中的設(shè)置方式

照明過(guò)程的控制原理是模仿日出日落的變光、變色過(guò)程，來(lái)幫助人們?cè)趹?yīng)該睡覺(jué)的時(shí)間產(chǎn)生睡意。進(jìn)入臥室后，開(kāi)始時(shí)發(fā)出讓我們保持清醒的波長(zhǎng)的藍(lán)光，這一系統(tǒng)中照明由開(kāi)啟到最亮為2分鐘；之后由用戶(hù)自由設(shè)定最亮?xí)r間；然后就寢前照明進(jìn)入20分鐘的逐漸熄滅狀態(tài)，因?yàn)?0分鐘是讓人入睡的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。在這一過(guò)程中、藍(lán)光逐漸減退而轉(zhuǎn)變?yōu)楦芭{(diào)”的黃光，眼睛受到這個(gè)過(guò)程的暗示，被抑制的松果體釋放分泌褪黑素，感覺(jué)到乏困、告訴我們的身體準(zhǔn)備睡覺(jué)。起床前照明的控制過(guò)程則設(shè)置成與就寢前相反。就寢前的照明亮滅曲線(xiàn)如圖7所示。

此系統(tǒng)還能檢測(cè)到用戶(hù)睡眠中途的起夜，安裝在床尾的起夜燈自動(dòng)點(diǎn)亮60秒后自動(dòng)熄滅，足夠穿衣和離開(kāi)臥室，離開(kāi)衛(wèi)生間進(jìn)入臥室時(shí)夜燈自動(dòng)點(diǎn)亮60秒后自動(dòng)熄滅，足夠脫衣上床蓋好被子。

4.3 音響在系統(tǒng)中的設(shè)置方式

由于人們通常會(huì)在躺下后的5分鐘到半小時(shí)內(nèi)入眠，因此我們將音響設(shè)置為30分鐘內(nèi)音量逐漸降低，最后淡出。這樣我們既能在音樂(lè)的陪伴中入睡，又不至于讓自己在睡眠中受到干擾。同時(shí)，建議選擇較為舒緩和熟悉的純音樂(lè)，因?yàn)槿绻魳?lè)伴有歌詞且聲調(diào)跌宕起伏，你可能會(huì)因此醒過(guò)來(lái)，且隨著時(shí)間，音樂(lè)越來(lái)越柔和。而在起床前，設(shè)置音樂(lè)淡入，可以選擇一些自己喜愛(ài)的歡快的音樂(lè)，使人保持心情舒暢，準(zhǔn)備愉快的起床。開(kāi)發(fā)時(shí)選擇使用的音樂(lè)需要特別注意著作權(quán)等法律問(wèn)題。

圖7 就寢前的照明亮滅曲線(xiàn)

當(dāng)前，市場(chǎng)上的智能音響層出不窮，都具備良好的音響效果和互聯(lián)網(wǎng)功能，比如“天x精靈”、“小x同學(xué)”、“叮x音響”等等，開(kāi)發(fā)時(shí)，可以選擇與這些智能音響廠(chǎng)商連攜，利用智能音響的語(yǔ)音控制作為開(kāi)啟進(jìn)入睡眠模式的方法，而擺脫對(duì)手機(jī)APP的依賴(lài)。

4.4 睡眠改善效果的檢證

關(guān)于睡眠改善效果的檢證，因?yàn)榧译姀S(chǎng)商實(shí)驗(yàn)室一般沒(méi)有實(shí)施睡眠檢證的條件，需要尋找專(zhuān)門(mén)的醫(yī)院和大學(xué)委托檢證。根據(jù)睡眠狀況對(duì)溫度、濕度、照明和音樂(lè)的控制，確認(rèn)對(duì)于睡眠質(zhì)量的改善效果。在睡眠前和睡眠中可以通過(guò)EEG測(cè)定腦電波，根據(jù)進(jìn)入睡眠所需時(shí)間和深度睡眠的時(shí)間長(zhǎng)度判斷睡眠質(zhì)量的好壞，起床后則可通過(guò)實(shí)驗(yàn)人員的主觀感受進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的家居產(chǎn)品制造企業(yè)在智能制造2025的改革過(guò)程中，堅(jiān)持創(chuàng)新要從用戶(hù)實(shí)際需求出發(fā)。本系統(tǒng)利用睡眠監(jiān)測(cè)傳感器收集到的用戶(hù)睡眠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)中，切入到睡眠服務(wù)產(chǎn)業(yè)中，建立以智能家居為基礎(chǔ)的改善睡眠質(zhì)量的服務(wù)平臺(tái)。在這樣的產(chǎn)業(yè)框架下，產(chǎn)品與服務(wù)將是無(wú)法分割的，傳統(tǒng)制造企業(yè)可以在這之中尋找突破傳統(tǒng)家居產(chǎn)品銷(xiāo)售模式盈利困境的方法，尋找全新的盈利機(jī)會(huì)。宏觀上整合行業(yè)資源實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型、符合產(chǎn)業(yè)進(jìn)化的趨勢(shì)，微觀上提高了產(chǎn)品的附加價(jià)值，提高了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。