睡眠環境智慧監測與調節系統的設計

高婉瑩 胡恩澤 黃錦泉 潘瑋 孫偉偉

摘 要：文中設計并實現了一種基于51單片機以及Android平臺的智慧睡眠監測與調節系統。該系統包括主控芯片、數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據顯示模塊及手機APP五部分。系統通過人工智能分析，對用戶的睡眠環境進行調節，從而有效預防因用戶生活壓力過大而出現睡眠不良的情況。測試結果表明：該系統性能穩定，測量精度高，具有很強的推廣應用價值。

關鍵詞：51單片機;Android;睡眠環境;APP;數據傳輸;遠程控制

中圖分類號：TP272;TP319文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

人類生命的三分之一都處在睡眠中，睡眠是人類調整新陳代謝、進行身心恢復的重要環節。隨著生活節奏的日益加快，越來越多的人因為生活壓力而出現睡眠障礙。睡眠障礙是指在睡眠過程中出現的各種影響睡眠的異常表現，它因身體某系統的功能失調引起，能夠直接影響人類的睡眠結構、質量及之后的恢復程度[1]。睡眠時間少、質量差、不規律等情況會使人疲憊勞累、精神不振并影響食欲[2]。在長期睡眠不佳的情況下，人們甚至會出現神志混亂、暴躁不安的癥狀?；诖?，優化睡眠環境，提高睡眠質量對促進人們身心健康發展具有重要作用。

目前市場上的家居睡眠環境監測系統實現的功能有限，大多數停留在只監測不調節的階段。但環境的變化具有不確定性，若不能及時對睡眠環境進行調節，則無法從根本上保障用戶的睡眠質量。基于此，本研究開發了睡眠環境智慧監測與調節系統，該系統基于大數據的傳感器感知及硬件控制技術，將采集到的溫濕度、光照強度和煙霧濃度數據上傳至APP中，根據用戶上傳至數據庫中的數據進行人工智能分析，從而得到優化建議。該系統除能夠完成對睡眠環境的實時監測外，還實現了對睡眠環境的智能調節，以保障用戶睡眠環境，改善用戶睡眠質量。

1 影響睡眠的主要環境因素

優化睡眠環境是提高睡眠質量的有效方法。通過文獻調研，系統擬對部分睡眠環境因素進行調節。

（1）溫度

經大量實驗證明，人體最佳睡眠溫度是20～22 ℃。溫度過高，人體在睡眠過程中可能會出現血壓升高、心慌等不良反應;溫度過低，將導致人體出現打鼾、呼吸暫停、嗜睡等癥狀。因此，將溫度維持在最適溫度是本系統的核心功能之一。

（2）濕度

最適合人體的環境濕度為45 %RH～75 %RH，若濕度過高，短時間內會導致人體濕熱、乏力，長時間甚至會導致風濕病和支氣管炎等疾病的發生;若濕度過低，則會讓人體產生口渴、皮膚干燥、眼睛干澀等不良反應，也不利于人體的睡眠。

（3）光照強度

過于明亮的環境可能會引起失眠。英國《生理學報告》雜志上發表的一項研究顯示，褪黑素是一種能夠促進睡眠的荷爾蒙，而睡眠時暴露在明亮光線下可能導致人體停止生成褪黑素，進而影響睡眠質量，引發失眠問題。

（4）空氣粉塵濃度

調查結果顯示，接觸二氧化氮和PM2.5顆粒越多，睡眠效率低下的可能性越大。美國華盛頓大學醫學助理教授馬莎·比林斯說：“人的鼻子、鼻竇和嗓子后部都會受到這些污染物的刺激，因此可能導致睡眠中斷，還有呼吸問題。”比林斯還說，污染物進入血液可能對大腦產生影響，并影響呼吸的穩定。所以，減少空氣中的顆粒也是提高睡眠質量的有效途徑之一。

2 系統總體設計

本系統以優化睡眠環境、提高睡眠質量為初衷，主要針對普通家庭用戶和醫院病房。系統整體結構由主控模塊、數據捕捉模塊、存儲模塊、顯示模塊、傳輸模塊、控制模塊、數據庫模塊和Android 客戶端模塊組成。

系統組成如圖1所示。

3 系統硬件設計

系統硬件部分主要由主控模塊、數據捕捉模塊、傳輸模塊、存儲模塊和顯示模塊組成[3]。

3.1 主控模塊設計

系統采用STC89C51單片機作為主控模塊，外圍搭載了數據傳輸模塊、數據捕捉模塊、存儲模塊和顯示模塊，其作用是控制各模塊間的數據交互和轉換[4]。將STC89C51單片機作為連接DHT11溫濕度傳感器、蜂鳴器、LCD1602顯示屏、CSR8635藍牙模塊和ESP8266 WiFi模塊等部件的橋梁，協助完成各模塊間的數據交互和轉換。其中，DHT11溫濕度傳感器連接P3.7引腳，蜂鳴器連接P2.3引腳，LCD1602顯示屏連接P0引腳，ESP8266連接P3.0和P3.1引腳。STC89C51單片機原理如圖2所示[5]。

3.2 數據捕捉模塊設計

該系統的數據采集模塊由DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器和BH1750光照強度傳感器組成。將傳感器采集的非電量信息，如溫濕度、煙霧濃度、光照強度等轉換成電壓值，再通過A/D轉換成數字量。

DHT11溫濕度傳感器內部鑲嵌的NTC測溫元件用于測量溫度，電阻式感濕元件用于測量濕度。該溫濕度傳感器具有快速響應、抗干擾能力強等優勢。

MQ-2煙霧傳感器多被用于家庭和工廠，意在監測粉塵濃度或監測PM2.5的濃度。該傳感器具有壽命長、穩定性好等特點。

BH1750光照強度傳感器多被電子產品如手機、電腦、數碼攝像機等使用，其具有依賴光源性弱、反應靈敏、誤差小等優點。

3.3 傳輸模塊設計

本系統采用的ESP8266 WiFi數據傳輸模塊使用串口通信協議與單片機通信，其無線傳輸速率可達150 Mb/s，信道共有14個，頻率范圍為2.4 GHz～2.483 5 GHz，發射功率為12～15 dBm，其串口波特率在1 200～230 400 b/s之間，工作溫度為-20～70 ℃。該模塊的工作電壓為3.3 V，但單片機為5 V供電，為了使電源兼容，本設計通過兩個二極管將5 V電壓降壓到3.3 V后供ESP8266 WiFi模塊使用，電路如圖3所示[6]。

3.4 存儲模塊設計

本系統選用AT24C02作為數據存儲模塊，其可將WiFi模塊收到的數據與系統外圍傳感器捕捉到的數據進行臨時存儲。

本設計中使用的AT24C02芯片直接將A0，A1，A2及WP寫保護引腳連接到GND，方便讀/寫操作。AT24C02電路如圖4所示[7]。

3.5 顯示模塊設計

本系統采用LCD1602顯示屏作為數據顯示模塊。單片機發送指令到LCD1602就能夠完成清屏、開關顯示等特定功能?？刂芁CD1602液晶顯示器只對LCD1602進行讀狀態、寫指令、讀數據、寫數據操作即可，具體操作對應的引腳電平見表1所列。

4 系統軟件設計

系統軟件部分主要由控制模塊、數據庫模塊和Android客戶端模塊組成。

4.1 控制模塊設計

首先對單片機、傳輸模塊和顯示模塊進行初始化，讀取存儲模塊（AT24C02）中的數據，并檢查按鍵與WiFi模塊是否可以正常工作。若均可正常工作，則開始讀取數據，并通過WiFi對存儲在AT24C02中的數據進行交互;若無法正常工作，則LCD顯示設置界面，并重新檢查模塊的工作狀態。

4.2 數據庫設計

由于需要采集的數據結構并不復雜，所以本文選用MySQL數據庫存儲數據。數據庫要存儲的數據主要分為兩個部分，一是APP注冊及登錄所需的用戶名及密碼信息;二是采集的數據信息。采集的數據分為編號（id），表名（table-name），節點編號（node-no），傳感器類型（type），數值（data），時間（time），具體見表2，表3所列。捕捉的數據會及時上傳至云端存儲，一段時間后，本地數據將被刪除，以減少數據在本地需要占用的存儲空間，同時保障數據不會因操作失誤而丟失。

4.3 Android客戶端設計

用戶借助Android客戶端可手機遠程查看環境的溫濕度、煙塵濃度等數據，方便用戶以數據的形式更加直觀地了解自身所處環境的質量，從而判斷是否需要進行人為調整，以便獲得更優質的睡眠環境。

APP的具體設計思路：建立連接，第一次建立連接時需要輸入IP地址和端口號登錄，登錄后即可打開或關閉繼電器，實時接收環境數據。連接界面如圖5所示。

用戶可根據自身的實際情況，設置最適合自己的睡眠環境參數區間。人體的最佳睡眠溫度區間為20～22 ℃，若環境溫度不處于該區間，則系統自動調整，將溫度維持在最佳范圍。濕度和煙塵濃度同理。

系統可根據用戶長時間的設置習慣，結合大數據的底層支持，綜合分析后給予用戶合理的建議，提供最適合用戶的睡眠環境。

5 系統使用步驟與功能測試

在記錄IP地址和端口號后，APP與系統底板成功對接，一旦環境發生變化，系統都會向APP返回最新一次數據以達到實時監控的效果。通過APP上的按鈕也可以遠程控制家居空氣設備，提前營造優質的睡眠環境。

5.1 遠程監測與控制

用戶通過APP連接系統后，可以通過APP查看當前睡眠環境的具體情況（濕度、溫度、粉塵濃度、光照強度）。如果用戶此時不在家中，可以通過APP遠程控制空氣設備提前進行環境優化。遠程控制界面如圖6所示。

5.2 智能調節

用戶可以根據自身的實際情況在APP中設置最適合自己的睡眠優化方案，也可同時設置溫度、濕度、粉塵濃度、光照強度的最適區間。若這四種參數有一種或者多種不在最適范圍內，與系統相連的外圍設備開始工作，使環境保持最優。例如：某用戶提前將溫度設置為22～24 ℃，若深夜降溫后，溫度低于22 ℃，那么便會觸發空調運作，使溫度回升至22～24 ℃區間。濕度、粉塵濃度、光照強度同理。

5.3 智能分析

用戶使用三次及以上后，系統會進行綜合AI分析，把用戶習慣設置的溫度、濕度、粉塵濃度、光照強度與總數據庫中的數據一一比對，并結合醫學常識給用戶推薦更加健康、安全的環境優化方案。

PC端控制窗口界面如圖7所示，APP溫濕度顯示界面如圖8所示，智能分析界面如圖9所示。

6 結 語

本設計基于大數據技術實現了睡眠環境智慧監測與調節系統，利用感知設備可以對捕捉的數據進行綜合分析處理，給予用戶最適合自身的環境優化建議。用戶可以通過APP遠程控制與系統相連的空氣設備，從而達到提前營造優質睡眠環境的目的。本系統以用戶提前設置的參數區間對當前溫濕度等參數進行智能化調整，讓睡眠環境長時間處于較佳狀態，從而有效提高使用者的睡眠質量。

注：本文通訊作者為潘瑋。

參考文獻

[1]黃美夢，董光輝.學齡兒童睡眠障礙與環境因素關系的研究進展[J].環境與健康雜志，2014，31（6）：560-564.

[2]沈芳，丁小容，何承元，等.成人阻塞性睡眠呼吸暫?；颊呱钯|量的研究進展[J].中國護理管理，2019，19（11）：1742-1747.

[3]高延超，王九龍，王悅.一種基于物聯網技術的宇航智能家居系統設計[J].載人航天，2018，24（4）：541-545.

[4]鄭江送，徐建軍，李世中，等.運用單片機及GSM模塊的遠程溫度采集系統設計[J].現代制造工程，2012，35（11）：84-86.

[5]梁金鑫，劉海英，王蘭超，等.基于51單片機的智能大棚卷簾機控制系統[J].齊魯工業大學學報，2019，33（6）：69-73.

[6]姚星宇，王春梅，郭宗昊，等.基于GPRS與ESP8266的物聯網遠程煙霧報警器[J].電子世界，2019，41（23）：189-190.

[7]宋德杰.AT24C02在單片機中的應用[J].電子制作，2005，12（4）：17-19.

[8]張文斌，周康，石國偉，等.一種智能睡眠免擾服務系統I-SIAS的設計與開發[J].物聯網技術，2016，6（10）：70-73.

[9]王偉力.基于監測技術的智能助眠產品系統設計探究[D].杭州：中國美術學院，2017.

[10]彭團結，蘭橋科，陳新元，等.基于物聯網的睡眠環境監測智能控制系統設計[J].中國高新區，2019，19（12）：19-20.