智能防瞌儀的設(shè)計(jì)與探討

摘 ?要：本設(shè)計(jì)是源于為學(xué)生犯困打瞌睡時(shí)提神醒腦而開(kāi)發(fā)的，結(jié)合常見(jiàn)的基本單元電路，監(jiān)測(cè)學(xué)生打瞌睡時(shí)的癥狀，發(fā)出觸發(fā)電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行刺激機(jī)構(gòu)刺激學(xué)生，以達(dá)到提神醒腦的目的。還可以與手機(jī)互聯(lián)通信，監(jiān)測(cè)生理機(jī)能變化。

關(guān)鍵詞：防瞌睡;智能互聯(lián);傳感器;微控制器

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）28-0042-02

Abstract： This design is developed for the students to wake up when they doze off in the classroom. It combines the common basic unit circuit， monitors the students' symptoms when they doze off， sends out the trigger level signal， and drives the executive stimulation mechanism to stimulate the students， in order to realize the purpose of refreshing the mind. It can also communicate with mobile phone and monitor the change of physiological function.

Keywords： anti-dozing; intelligent interconnection; sensor; microcontroller

1 概述

“頭懸梁錐刺股”。自古以來(lái)，莘莘學(xué)子都想著各種不同方法克服打瞌睡，希望有效利用課堂四十五分鐘，達(dá)到最佳學(xué)習(xí)效果。有上課自己站起來(lái)克服打瞌睡，也有讓同桌嚇自己一下提神，還有同學(xué)利用自虐的形式克服，但是很多時(shí)候，由于長(zhǎng)期的晚睡早起，次數(shù)多了這些效果都漸漸不太明顯，起不到提神醒腦的目的。基于極力改善同學(xué)們打瞌睡的困境，啟發(fā)于生物電按摩機(jī)與智能手環(huán)的工作理念，產(chǎn)生了設(shè)計(jì)智能防瞌睡的儀器貼理念。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方框圖

整個(gè)裝置由單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器及手機(jī)終端合力實(shí)現(xiàn)功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示，由口香糖鋰電池給整個(gè)系統(tǒng)供電，通過(guò)傳感器檢測(cè)人體機(jī)能打瞌睡時(shí)的癥狀，發(fā)送指令給STC15F104W-35I單片機(jī)，再由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)放電裝置，發(fā)出麻麻的微電擊信號(hào)，經(jīng)過(guò)貼在皮膚上的硅膠片刺激人類皮膚神經(jīng)，繼而把犯困打瞌睡的人擊醒，另外，帶有不同檔位的設(shè)計(jì)，以滿足不同程度的犯困狀態(tài)。在該裝置上加載藍(lán)牙模塊，與智能手機(jī)互聯(lián)通信，通過(guò)APP小程序，可設(shè)定刺激強(qiáng)度和刺激時(shí)間，最終喚醒同學(xué)們不再瞌睡;同時(shí)帶些生理監(jiān)測(cè)功能添加一定的趣味性，進(jìn)而豐富產(chǎn)品，調(diào)節(jié)生活。

本設(shè)計(jì)根據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器的不同可演化成一個(gè)簡(jiǎn)易防睡裝置，一個(gè)高端防睡設(shè)備。簡(jiǎn)單防睡裝置是將光傳感器換成水銀開(kāi)關(guān)，然后用以監(jiān)測(cè)打瞌睡時(shí)頭會(huì)時(shí)不時(shí)下栽的動(dòng)作，當(dāng)發(fā)生下栽動(dòng)作時(shí)就發(fā)出警示或者是脈沖電擊刺激神經(jīng)。同時(shí)，這樣成本便可以下降提高性價(jià)比。高端設(shè)備，自然需要換比較高端的傳感器，近年加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種全新的微型無(wú)線傳感器，植入人體監(jiān)測(cè)健康的“神經(jīng)灰塵”，若采用該方案，不僅提升產(chǎn)品的檔次，更重要的是提高了監(jiān)別的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。對(duì)不同群體便可采用不同的監(jiān)測(cè)模式，完成不同的效果。例如對(duì)防打瞌睡要求更高的司機(jī)群體就需要更佳的監(jiān)測(cè)效果，用以避免交通事故的發(fā)生。

2.2 主要器件及模塊介紹

導(dǎo)電硅膠電極片：可參考按摩儀器的電極硅膠貼片，既可以很好的吸附在皮膚上，又有較好的導(dǎo)電性能，從而達(dá)到可以通過(guò)電擊刺激皮膚的目的。

STC15F104W-35I-SOP8單片機(jī)：增強(qiáng)型51單片機(jī)，貼片封裝，處理速度快，是普通51單片機(jī)的10倍左右，工作電壓3.3～5.5V，支持ISP/IAP編寫，低功耗設(shè)計(jì)，帶有低速模式，空閑模式，及停機(jī)模式/掉電模式，且?guī)в袉拘压δ埽琁/O口驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)到20mA，可良好的實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)。

光檢測(cè)傳感器：光反射檢測(cè)傳感器測(cè)量心率如圖2所示，光發(fā)射器向肌膚發(fā)射光，光檢測(cè)器在肌膚的同一側(cè)，接收肌膚反射的光。有醫(yī)學(xué)研究，當(dāng)脈搏跳動(dòng)的時(shí)候，血液流過(guò)血管，人體生物組織的血液量會(huì)發(fā)生變化，因此會(huì)引起生物組織和反射光的性能發(fā)生變化，而由肌膚內(nèi)反射出來(lái)的光的強(qiáng)度和變化也會(huì)隨著血液脈搏的變化而變化。由光檢測(cè)傳感器檢測(cè)記錄肌膚反射光強(qiáng)度變化，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大變換處理，便可以測(cè)出人的心率，從而檢測(cè)人的生體機(jī)能變化。

藍(lán)牙模塊：RSBRS02AA藍(lán)牙模塊，用于與智能設(shè)備（如手機(jī)等）進(jìn)行通信互聯(lián)，主要采用是RS02A1芯片，成本低，功耗小，連接方便，兼容性好，有效通信距離可達(dá)100m。應(yīng)用于健康醫(yī)療，智能家居等。

智能手機(jī)端APP：智能手機(jī)APP，是該裝置智能監(jiān)測(cè)的輔助功能，可以監(jiān)測(cè)心率，類似于手環(huán)一樣，通過(guò)藍(lán)牙通信互聯(lián)，把監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)終端，通過(guò)APP小程序顯示出來(lái)。

刺激功能模塊：該模塊設(shè)置有三個(gè)級(jí)別的提醒刺激形式，初級(jí)形式就是當(dāng)監(jiān)測(cè)到人出現(xiàn)犯困打瞌睡時(shí)，啟動(dòng)震動(dòng)模式，持續(xù)震動(dòng)幾十秒，若還沒(méi)清醒，便啟動(dòng)類似警笛聲的刺耳聲音，用以刺激人清醒，若還是處在瞌睡狀態(tài)，便啟動(dòng)更強(qiáng)的模式，進(jìn)行終極刺激，電擊多次，到達(dá)徹底清醒。利用脈沖原理產(chǎn)生連續(xù)性的瞬間電火花，借其電擊來(lái)刺激神經(jīng)以達(dá)到提神，該電流不會(huì)造成人體傷害。

3 軟件設(shè)計(jì)

主控芯片主要采用超高速低功耗的新一代STC15F104W

單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)51單片機(jī)，采用c語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序中共使用了二組中斷，由傳感器監(jiān)測(cè)人體機(jī)能狀態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)處理，低于正常活動(dòng)時(shí)的心率值，判斷并完成相應(yīng)指令，發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)脈沖器，以發(fā)出刺激的瞬間電擊。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的缺陷有：一是監(jiān)測(cè)靈敏度，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)心率的成功率不一定反應(yīng)出是打瞌睡時(shí)的狀態(tài)，導(dǎo)致誤判斷;二是成本投入與市場(chǎng)調(diào)研應(yīng)用不能成正比，廣泛應(yīng)用的可能性不是很高。

本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)就是可以通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)防瞌睡的功能，解決信息時(shí)代背景下因缺睡眠導(dǎo)致打瞌睡誤事的現(xiàn)象，可以用以應(yīng)急，但不能依賴，需從根本上養(yǎng)成早睡早起的習(xí)慣，調(diào)節(jié)生活規(guī)律，以克服精神狀態(tài)不佳的現(xiàn)象。具備基本功能的同時(shí)增加了智能健康的功能，可以利用手機(jī)APP觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)身體狀態(tài)監(jiān)測(cè)，增加樂(lè)趣。

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