可監測睡眠質量的智能枕頭的設計與實現

李丹丹 田白雪 石雪杰 奚峻領 史金杰

摘要：當下人們快速的生活方式帶來許多睡眠質量的問題，為了更為簡單便捷的測量睡眠狀況，通過借助心率傳感器和血氧模塊等來實現物理量的測量，在用Arduino板燒錄程序，串口通信實現與藍牙對接。在通過藍牙模塊與手機APP對接，從而實現對用戶睡眠數據的采集。本設備還可以自主擴展OLED、繼電器模塊，實現可視化、無線化的智能家居控制。

關鍵詞：心率傳感器；藍牙通信；智能枕頭

1 概述

在快節奏的工作壓力下，睡眠問題逐漸成為青年一代的主要苦惱。而在智能家居逐漸走進大眾視野的當下，越來越多的人開始注意到其給生活帶來的便捷。對于很多人，利用全新的智能控制方法，以實現對生活質量更便捷準確的把握，是許多現代家庭都在嘗試的智能生活體驗。隨著計算機技術的迅速發展和睡眠監測需求量的增加，低侵擾的非腦電睡眠監測成為一種發展趨勢，僅僅依賴心電等生理信號，能大大減輕被測者的不舒適度，同時具有使用效率高、體積小、輕便、舒適度高等優點，對使用環境和操作人員無特殊要求。市場上普遍使用的非腦電睡眠監測產品主要是基于體動和心率的智能監測手環。這些監測設備雖然使用方便，但內置的睡眠監測算法主要是基于運動和心率的進行睡眠時分期的，分期無標準的參考依據，監測準確性不是很高，且容易出錯。有些設備甚至存在無法進行自動睡眠判斷的問題。在本文中，采取主控模塊微處理器將心率傳感器檢測到的波動通過串口發給藍牙XM-26B并顯示在OLED顯示屏上監測，在通過藍牙模塊發送給相同波特率的手機藍牙APP，記錄下每個時間的心跳狀態，進行分析處理，提出建議。主控模塊設置外部開關，藍牙模塊則通過APP發聲相關的控制指令。

2 設計構想

開發智能枕頭分為三個主要模塊：主控模塊、藍牙模塊、傳感器模塊。本文選擇Arduino開發板作為主控系統是因為是目前比較受歡迎的單片機，其主控芯片ATmega328包括了片上32KB Flash，其中0.5KB用于Bootloader。同時還有2KB SRAM和1KB EEPROM。其中最主要的是Arduino能夠直接讀取傳感器輸入的模擬量，比較簡單。而與睡眠質量有關的身體參數選取心率和血氧，通過這兩個參數選擇合適的傳感器模塊。最后要實現設備測量數據的輸出，則需要WiFi信號或者藍牙模塊來進行手機端的數據采集。對比WiFi信號，采取更為簡便和穩定的藍牙

3 技術實現

3.1 控制電路設計

本實驗包括枕頭本體、光電式心率傳感器、壓電傳感器、主控模塊、藍牙通訊模塊、電源模塊、電壓模塊、電源開關、藍牙開關，所述光電式心率傳感器、血氧傳感器、存儲器、藍牙通訊模塊、電源模塊設置在枕頭本體的內部，主控模塊包括嵌入式微處理器與穩壓電路。光電式心率傳感器用于對使用者進行心率測量，血氧傳感器用于測量使用者的血氧含量，主控模塊用于接收光電式心率傳感器和血氧傳感器的測量數據并儲存在儲存器中，通過連接外設OLED顯示屏實時顯示。

藍牙通訊模塊用于與外部通信傳送光電式心率傳感器和血氧傳感器的測量數據。取代數據電纜的短距離無線通信技術，藍牙支持點對點以及點對多點的通信。對藍牙模塊設置參數，將SET部分短接進入設置模式，波特率調至與傳感器一致。設置完成恢復，當其指示燈常亮則表示其已成功連接。將考慮到當下藍牙的穩定性和傳輸快速性，采用BLE4.0低功耗藍牙無線透傳模塊。

在枕頭中內置的血氧傳感器和光電式心率傳感器來搜集心跳、血氧含量數據等從而判斷用戶在床上的體動記錄，人在睡眠狀態比其他任何狀態活動都小，所以若在一定時間內采集數據的變化幅度小于某一特定值，那么就把這段時間前開始計算為睡眠狀態。若數據變化頻率和幅度大說明睡眠質量不是很好。枕頭可以與手機通過低功耗藍牙（BLE）實時連接，將數據同步至手機APP中。采用此方案設計的系統如圖2。

3.2 控制程序設計

本程序用C語言編程。傳感器HXDZ-30102-ACC血氧呼吸模塊，首先連接開發板的COM端口，波特率設置為115200，無奇偶校驗位。上電后，單片機復位MAX30102并開始對MAX30102進行功能初始化，此時REDLED和IRLED交替點亮 來檢測人體皮膚下血液的搏動和df氧含量（此時可以看到MAX30102有紅光亮起，說明初始化成功）。單片機將一段時間內MAX30102采集的LED反射數據儲存在內部RAM中，然后分別計算RED LED和IR LED的直流成分（DC）和交流成分（AC），最后算出數值R并通過預先儲存在FLASH中的查找表來確定當前的SP02。而心率值可以通過對單個LED的交流成分相鄰兩波峰之間的時間差T來確定，每分鐘心跳數BPM=60/T。其中red和ir是紅光LED，紅外LED的原始數據，HR表示心率值，HRvalid是心率是否有效標識，SP02是血氧數值，SP02valid 是血氧是否有效標識。傳感器模塊子程序主要完成數據的采集，以及和單片機直接的數據通信等，此部分程序的完成是整個系統軟件設計成功與否的關鍵所在。藍牙通信模塊子程序主要完成手機藍牙指令的接收，以及和單片機直接的數據通信等。

4 結論

本文通過對Arduino的擴展開發，設計出了能夠檢測睡眠質量的智能枕頭。可以簡單快捷的了解自己某個階段的睡眠質量和習慣，節約了去醫院傳統測量的時間。本系統還用藍牙模塊開發了手機移動端的控制、分析效果，能夠更為有效的滿足更多人的需求。

參考文獻

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（作者單位：江南大學）