基于Arduino的臥室智能喚醒系統

許林峰 張鵬鵬 李方保 姚志強

摘 要：隨著生活節奏的加快，現代人的睡眠普遍不足，而傳統鬧鐘喚醒方式單一且粗暴，實際效果欠佳，因此，設計一款個性化且符合人體蘇醒習慣的臥室智能喚醒系統。該系統基于Arduino集成開發環境，利用PWM基本原理實現燈光漸變，并以其作為起床信號。該系統運用多種傳感器協同作用，綜合臥室溫濕度、光照強度等多種對睡眠有影響的數據，通過實時分析，實現臥室睡眠環境的智能調整。此外，該系統采用WiFi無線通信技術，實現了手機APP遠程控制功能。

關鍵詞：智能喚醒;傳感器;遠程控制;Arduino;智能家居;物聯網

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

隨著生活節奏的加快和工作壓力的增大，現代人的睡眠普遍不足，工作日早上很難自然睡醒，往往需要鬧鐘來強制人從睡眠中醒來。人的自然蘇醒是一個緩慢的過程，如果突然被驚醒將會引起頭疼和精神不振等癥狀，對人體健康不利。目前市面上有很多鬧鐘，大都通過聲音、振動、氣味等進行喚醒。其設置不夠人性化，喚醒方式粗暴，讓人從睡意中很不情愿地醒過來，不能保證睡眠質量。這些喚醒工具普遍形式單一，實際使用中容易出現睡過頭的現象，達不到喚醒的目的。同時缺乏調整措施，無法判斷人是否已經起床，不夠人性化。近年來，智能系統的研究和廣泛應用已經促使社會進入了更為人性化的領域[1]。文獻[2]提出一款智能鬧鐘，實現了溫柔喚醒功能，文獻[3-5]也進行了智能喚醒系統的相關研究。這些研究成果填補了國內相關領域的多項空白，為人性化智能家居設計提供了新的思路和技術支持，很大程度上推動了國內智能化系統的發展進步[6]。

針對目前鬧鐘設計中存在的人性化關懷不夠，以及欠缺消費者使用體驗等問題[7-8]，本文設計一款臥室中使用的智能喚醒燈，幫助人們自然蘇醒，并通過手機APP為其提供個性化的信息提醒服務。此款臥室智能喚醒燈可以通過手機APP進行個性化燈光亮度和音樂選擇，并提供必要的個性化信息提醒服務[9]。通過燈光亮度和音樂音量的控制，模擬日出日落，輔助用戶自然蘇醒。同時，此款燈可感應人的進出，當人進入房間時，燈光將自動打開;當人離開房間時，燈光將自動關閉。

1 臥室智能喚醒燈系統結構

臥室智能喚醒燈系統結構如圖1所示。其中，Arduino板及拓展模塊為系統的控制中心，負責程序的執行，接收傳感器發送的數據以及發送LED燈與音頻模塊的控制指令，Arduino UNO R3如圖2所示。紅外模塊通過數據是否有變化判斷臥室是否有人活動，實現人進燈開，人走燈滅的功能。WiFi模塊將智能喚醒燈系統接入網絡，并實現與手機APP的連接。音頻模塊與揚聲器協同作用，播放語音。LED燈是本文系統的光源。光敏傳感器通過感應光照強度判斷天黑或天亮，溫濕度傳感器則可直觀地觀察臥室溫濕度。以上各個模塊協同作用，組成了臥室智能喚醒燈系統。

系統工作流程如圖3所示。首先，接入電源啟動系統，連接WiFi，各傳感器模塊開始工作，并將采集到的數據發送到Arduino模塊中進行數據處理。其次，系統根據接收到的手機APP控制指令，改變或維持當前工作狀態。最后，通過斷開電源或手機APP控制的方式關閉該系統。手機APP通過ESP8266 WiFi模塊[10]實現與智能喚醒燈系統的通信。手機APP不僅能控制燈光的開啟與關閉，還可選擇音樂、音量及燈光亮度的漸變變化范圍。用戶可通過手機APP設置人性化的起床音樂與燈光亮度，且該系統還支持在線音樂選擇。

該系統各功能的具體實現方法如下。

（1）燈光鬧鐘功能

系統利用脈寬調制基本原理對燈光亮度進行調制[11]。LED燈在設置的鬧鐘時間點之前自動模擬自然日出，逐漸變亮，在鬧鐘音樂響起時，亮度達到最大值。漸變的燈光使得用戶能夠逐漸適應，避免了傳統鬧鐘突然鬧醒的不適。

（2）音樂播放功能

系統設計了語音模塊與揚聲器模塊，用戶通過手機APP選取該系統自帶音樂為鬧鐘音樂，當到達鬧鐘時間時，音樂自動響起，實現了個性化鬧鈴的功能。

（3）智能開關功能

系統通過紅外傳感器模塊、光敏傳感器模塊及溫濕度傳感器模塊，獲取多種影響人體睡眠的數據，實現智能喚醒燈的智能開關功能。紅外傳感器模塊根據數據是否有變化判定用戶是否在臥室活動，自動控制鬧鐘和燈光。光敏傳感器模塊協同紅外模塊，根據外界光線變化自動控制燈光亮滅。當夜間或外界光線較暗時，用戶進入房間后，喚醒燈將自動亮起燈光。此外，通過溫濕度傳感器模塊可直觀地了解當前房間的溫濕度，并在LED顯示屏上顯示數據和提醒信息，輔助用戶選擇開關空調和模式調整。

（4）無線遠程控制功能

WiFi模塊是網絡通信、數據交互的基礎，本文系統利用該模塊實現手機APP對智能喚醒燈系統的遠程控制，如設置燈光強度、選擇音樂、設置鬧鐘時間和模式、啟動或關閉系統等。

2 服務器程序設計

在智能喚醒燈整體架構中，服務器程序寫入手機APP中，通過WiFi連接到智能喚醒燈系統。WiFi模塊根據TCP/IP協議[12]將用戶設置的鬧鐘時間、音樂和備忘事件等數據發送至Arduino開發板，Arduino開發板根據接收到的數據進行處理，在用戶設置的時間點播放用戶選擇的音樂及備忘事件。服務器程序使用易安卓[13]編寫，可多線程運行，實現智能喚醒燈同時與多個客戶（手機APP）進行數據交互的功能，便于家庭中多成員的共同使用。智能喚醒燈、服務器與APP架構如圖4所示。

系統在服務器程序中加入取現行時間函數，因此，服務器將在用戶設置的鬧鐘時間之前向喚醒燈發送亮燈指令，當現行時間等于用戶設置時間時，服務器向喚醒燈發送播放音樂指令，音樂播放完畢發送播放備忘事件指令。數據接收端的部分代碼如圖5所示。

3 手機APP設計

在智能喚醒燈系統中，手機APP采用基于Google完全可視化編程語言GoogleBlockly的中文可視化安卓編程-易安卓（E4A）開發平臺。手機APP是用戶使用喚醒燈的第一媒介，用戶通過APP控制喚醒燈的不同工作狀態，滿足各種個性化需求。手機APP界面如圖6所示。

在實際使用中，手機APP首先啟動服務器，用戶可設置鬧鐘時間，選擇鬧鐘音樂，調節音量大小，還可通過文本或語音錄入備忘事件，在鬧鐘響后，進行重要事件提醒。設置完成后，手機APP服務器通過WiFi通信的TCP/IP協議向基于Arduino的系統段發送各部分設置文件數據，完成系統段各功能的設置。用戶還可利用手機APP端的滑動開關控制喚醒燈的亮滅。

4 結 語

本文基于對Arduino硬件及其他硬件模塊的使用，結合服務器與手機APP的運用，設計了臥室智能喚醒系統。該系統利用多種傳感器協同作用以采集臥室的溫濕度、光照強度等多種對睡眠有影響的數據，并根據PWM基本原理實現燈光漸變，采用WiFi無線通信技術實現數據通信，通過手機APP對臥室智能喚醒燈實現遠程控制，以此實現臥室睡眠環境和喚醒燈的智能調整。通過光照和音樂的結合解決了當前大多語音鬧鐘強制叫醒人們帶來的健康隱患及光照鬧鐘叫不醒的問題，給用戶提供了更加方便的操作模式，建立了個性化且符合人類自然蘇醒方式的智能喚醒系統，提高了人們的生活質量。

參 考 文 獻

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