基于Arduino的自適應助眠系統設計

陶恒屹，湯志曹，車 行

（四川大學，四川 成都 610207）

0 引 言

如果每天按睡眠8 h計算，那么人的一生有1/3的時間是在睡眠中度過的。睡眠質量的好壞與人的心理和身體健康息息相關，而影響睡眠質量的重要因素之一就是睡眠環境。隨著物聯網技術的迅猛發展，帶動了傳感器網絡和智能家居的快速發展[1]。智能家居基于物聯網等技術，對家居環境內的家電控制、環境監控、信息處理、娛樂等功能進行集成化管理[2]，已成為人、物、環境之間互聯互通的重要表現[3]。現有與睡眠相關的物聯網產品幾乎均只能對睡眠質量進行監測，僅由傳感器采集睡眠數據，雖然可以得到睡眠質量的數據，但對改善睡眠質量并無裨益。因此依托智能家居的助眠系統便應運而生。

本文系統以改善睡眠質量為突破點，借助傳感器網絡進行數據采集，通過手機端程序進行數據分析，并經由Arduino實現對智能家居的控制，實時自適應調節睡眠環境，以達到改善睡眠質量的目的。

1 系統整體架構

基于健康行為學理論，并查閱相關文獻[4]對影響用戶睡眠質量的影響因子進行調查研究，并將其結果轉化為計算機可以處理的數據。

系統架構如圖1所示，主要包括如下幾方面。

圖1 系統架構

（1）監測系統：運用傳感器網絡對睡眠環境（例如環境光、溫濕度、氣壓等）進行實時監測，并通過WiFi模塊將數據上傳至小程序端。

（2）矯正系統：程序端接收到監測系統傳來的數據之后，通過Arduino控制智能家居（米家），對用戶睡眠環境中偏離正常值的環境因子進行矯正。

（3）反饋系統：通過手機內置的陀螺儀對用戶睡眠狀態進行檢測[5]，并作為反饋因子作用于前述矯正系統，實現系統的自適應調節。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器網絡

2.1.1 BMP180氣壓傳感器

BMP180是一款高精度、小體積、超低能耗的氣壓傳感器[6]，其工作電壓為1.8～3.6 V，典型工作電壓為2.5 V，內部包含電阻式壓力傳感器、A/D轉換器和控制單元，其中，控制單元包括E2PROM和I2C接口。讀取BMP180時會直接傳送沒有經過補償的溫度值和壓力值，而在E2PROM中則儲存了176位單獨的校準數據，這些數據將對讀取的溫度壓力值進行補償，176位的E2PROM被劃分為11個字，每個字16位，這樣就包含有11個校準系數，每個器件模塊都有自己單獨的校準系數，在每一次計算溫度、壓力數據之前，單片機先讀出E2PROM中這些校準數據，然后再開始采集溫度數據和壓力數據。

2.1.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11是一款有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器[7]，尺寸為28 mm×12 mm×7.2 mm，其濕度精度為±5 %RH，溫度精度為±2 ℃，濕度量程為20 %RH～90 %RH，溫度量程為0～50 ℃，它的數據端口帶上拉電阻，連線長度小于20 m時使用5 kΩ的上拉電阻，采用3.3 V供電時連線長度不得大于1 m，必要時在VCC和GND間連接一個0.1 μF的電容用于去耦濾波。

2.1.3 HC-SR04超聲波測距模塊

HC-SR04超聲波測距模塊提供了2～400 cm的非接觸式距離，性能穩定、測量精度高[8]。HC-SR04需要提供一個10 μs以上的脈沖觸發信號來激活模塊進入工作狀態，進入工作狀態后，模塊內部發出8個40 kHz周期電平并檢測回波，當檢測到有回波信號時輸出回響信號，回響信號脈沖寬度與所測距離呈線性相關，為了防止發射信號對回響信號的干擾，觸發信號周期取60 ms以上。

2.1.4 WiFi模塊

WiFi模塊保持了ESP-12F的優勢。ESP-12F使用的PCB板層為四層，使用上更加穩定，創樂博公司對其進行升級，增加了WiFi模式和遠程模式。WiFi模式下該模塊產生一個局域網，手機在同一個局域網內控制該模塊；而遠程模式下只需要模塊接入本地的WiFi，理論上就可以實現手機APP遠程控制該模塊。

2.1.5 雨滴傳感器

雨滴傳感器是一個模擬/數字輸入模塊，也叫雨水、雨量傳感器，常用于農業[9]檢測是否下雨及雨量的大小，轉成數字信號（DO）和模擬信號（AO）輸出，AO模擬輸出可以連接單片機的模擬I/O口，檢測滴在上面的雨量大小。DO數字輸出可以連接單片機的數字I/O口，檢測是否有雨。

2.1.6 光敏傳感器

光敏傳感器是對外界光信號或光輻射有響應或轉換功能的敏感裝置。光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可。

2.2 效應器網絡

考慮到可靠性和成本，本文選擇米家效應器[10]。米家基于家庭網關和系統軟件建立智能家居平臺[11]，在測試中表現優異。但由于米家暫時不支持個人開發者接入，因此本文選擇點燈科技的Blinker庫作為中繼站，接入小愛音響，進而接入米家智能家居系統，小程序通過前述傳感器網絡的數據智能調度米家設備，實現環境調節。

3 系統軟件設計

助眠系統通過Arduino IDE集成環境完成對睡眠環境數據的采集和處理，系統工作流程如圖2所示。系統工作步驟具體如下：將WiFi模塊和傳感器接入Arduino開發板之后，各個模塊開始初始化并準備接受Arduino IDE信號輸入；Arduino IDE信號經過串口指令發送給Arduino開發板和各個模塊；手機通過APP輸出規定標準廣播信號，WiFi模塊識別信號并開始執行操作；各個傳感器傳回檢測到的睡眠環境變化數據。

圖2 系統工作流程

3.1 WiFi模塊和手機連接

綜合性能和成本，本項目最終采取創樂博公司提供的通信解決方案。通信方案有局域網和遠程模式兩種連接方式，由于本系統要求持久的信號連接且信號控制的范圍較大，因此選擇遠程模式。在連接遠程模式之前，先要將WiFi模塊的開關撥到局域網模式，等待WiFi模塊上的指示燈長亮，說明已產生熱點信息，通過手機搜索熱點，再將WiFi模塊的開關撥到遠程模式，指示燈快速閃爍說明正在配對，輸入WiFi密碼和模塊密碼之后，控制手機產生一個廣播信號，當WiFi模塊指示燈的閃爍頻率變慢，說明連接成功。

3.2 手機和各個模塊傳輸通信

手機發送的信息由WiFi模塊識別，而WiFi模塊和手機的通信滿足規定的格式化輸出，在該格式化的規劃內實現自由通信。

遠程控制RGB燈的輸出輸入格式如圖3所示。

圖3 遠程控制RGB燈的輸出輸入格式

在圖3中：設備發送的數據以“#”結尾；手機發送的數據以“^”結尾；“$”符號后為模塊的名稱；RGB代表紅、綠、藍三通道的顏色占比；Arduino開發板讀取到WiFi模塊中的數據之后，會控制I/O輸出，最終控制RGB燈不同顏色的變化。

經測試，傳感器模塊數據可以上傳到手機APP中保存，存儲于數據庫中方便后續分析和數據處理。

3.3 可視化界面的使用

在程序端輸入設備ID，即WiFi模塊密碼，便可進入后臺數據界面。在界面上可以發送手機信號，顯示采集的傳感器參數，方便用戶查看睡眠環境的參數，同時也有利于程序迭代。遠程溫濕度采集與曲線的可視化界面如圖4所示。

圖4 遠程溫濕度采集與曲線的可視化界面

3.4 系統測試

各個傳感器模塊均搭建完成并經過多次的環境測試和數據采集后，與集成度較高的小米傳感器相比，該系統傳感器對室內環境變化響應快，數據和米家傳感器一致，同時，可視化界面的數據樣本采集快、顯示迅速，APP運行穩定，該系統可以滿足用戶的長期使用需求，未出現不良記錄的現象。所有數據均存儲于本地服務器后臺，供后期分析睡眠質量的影響因素，為改善睡眠環境提供建議，以達到改善用戶睡眠質量的目的。

同時，考慮到心理因素對于睡眠質量的影響（例如工作壓力）[12]，在程序端加入了白噪音，通過舒緩的音樂引導用戶減輕壓力，提高睡眠質量。

4 結 語

本文采用Arduino開發板、WiFi模塊和手機端程序設計了高效率、低成本、高可靠性、高精度的自適應助眠系統。經一定規模樣本測試后證明，本文所設計系統可以在一般環境中正常運行，并能起到較好的助眠效果。