基于單片機(jī)的智能助眠眼罩的設(shè)計(jì)與研究＊

練文慧，余嘉鳳，官麗臻，楊洋，陳梓昇

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510510）

根據(jù)2021 年中國(guó)睡眠研究會(huì)數(shù)據(jù)，超過(guò)3 億人存在睡眠障礙，成年人失眠發(fā)生率高達(dá)38.2%，助眠產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量節(jié)節(jié)攀升。其中，助眠眼罩是助眠產(chǎn)品中最具性價(jià)比與舒適度的品類，但市面上現(xiàn)有助眠眼罩存在功能單一的缺陷，只具備電極刺激穴位功能或加熱舒緩疲勞功能[1]。本設(shè)計(jì)運(yùn)用電極刺激、麥克風(fēng)與振動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)按摩助眠、鼾聲識(shí)別與止鼾及定時(shí)喚醒功能，實(shí)現(xiàn)輕便型多功能合一助眠眼罩創(chuàng)新。

1 系統(tǒng)模型總體設(shè)計(jì)

本文將32 位單片機(jī)作為控制單元，設(shè)計(jì)一種集助眠、止鼾、喚醒于一體的智能睡眠眼罩。系統(tǒng)分為麥克風(fēng)采集電路、電極控制電路、微動(dòng)馬達(dá)控制部分以及通訊模塊，采用500 mAh 鋰電池供電。通訊模塊采用藍(lán)牙，可以為APP 提供通訊和控制接口。實(shí)現(xiàn)鬧鐘、電刺激強(qiáng)度等參數(shù)的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。主控芯片采用意法半導(dǎo)體STM32F411CEU6。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制盒位于眼罩正前方，如圖2 所示。通過(guò)控制電路板和器件體積，保證各種睡姿下佩戴的舒適性。

圖2 眼罩正面示意圖

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 麥克風(fēng)采集電路設(shè)計(jì)

鼾聲識(shí)別主要基于麥克風(fēng)輸入信號(hào)，麥克風(fēng)采用駐極體式咪頭，駐極體麥克風(fēng)通過(guò)振動(dòng)膜實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，體積小巧，成本低廉，在電話、手機(jī)等設(shè)備中廣泛使用。

麥克風(fēng)后級(jí)采用WM8978 芯片實(shí)現(xiàn)AD 轉(zhuǎn)換。WM8978 是一個(gè)低功耗的CODEC 編解碼芯片，輸入支持line、MⅠC 和輸出處理。

兩路立體MⅠC 輸入，信號(hào)的路徑可以手動(dòng)控制，最大增益55.25 dB。本系統(tǒng)中只使用了一路MⅠC 輸入，輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)Ⅰ2S 總線發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。麥克風(fēng)采集電路如圖3 所示。

圖3 麥克風(fēng)采集電路

2.2 電極放電電路設(shè)計(jì)

采用二極管1N4148WS 和三極管SS8050 的組合實(shí)現(xiàn)電脈沖放電。電極放電電路如圖4 所示，VⅠN 端連接電池正極，PWR+、PWR-分別連接電極的正負(fù)極。E1 和E2 端控制電脈沖方向，E3_PWM 端控制脈沖的波形。

圖4 電極放電電路

放電電極布置在眼罩背面，貼緊使用者的穴位，其中電極正極布置在正中間，恰好位于印堂穴上，陰極一分為二，布置在左右太陽(yáng)穴的位置，通過(guò)輪流放電可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這2 個(gè)穴位的刺激，達(dá)到助眠的效果[2]，電極位置示意圖如圖5 所示。

圖5 眼罩背面電極位置示意圖

2.3 低功耗設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步延長(zhǎng)眼罩使用時(shí)間，降低眼罩充電頻率，避免長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人使用情況下繼續(xù)工作導(dǎo)致電量耗盡的情況，加入低功耗設(shè)計(jì)。采用ADXL362 加速度計(jì)作為使用判斷和低功耗喚醒源。ADXL362 是一款超低功耗、3 軸MEMS 加速度計(jì)，輸出數(shù)據(jù)速率為100 Hz時(shí)功耗低于2 μA，在運(yùn)動(dòng)觸發(fā)喚醒模式下功耗為270 nA。ADXL362 與單片機(jī)通過(guò)SPⅠ接口通訊，中斷輸出引腳ⅠNT1 連接到單片機(jī)PA0-WKUP 腳，如圖6 所示。

圖6 加速度計(jì)連接示意圖

當(dāng)加速度計(jì)檢測(cè)到長(zhǎng)時(shí)間加速度不超過(guò)一定值時(shí)（系統(tǒng)設(shè)定為30 min，閾值為±0.1g），判斷為眼罩未有人使用，MCU 進(jìn)入停止模式，此時(shí)芯片關(guān)閉所有時(shí)鐘，進(jìn)入低功耗模式，典型電流大概在20 μA 左右。當(dāng)檢測(cè)到有較大加速度時(shí)，判斷為眼罩開始有人使用，ⅠNT1 腳產(chǎn)生中斷信號(hào)，喚醒MCU，退出低功耗模式，進(jìn)入正常工作模式。

3 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 鼾聲識(shí)別算法

通過(guò)麥克風(fēng)采集鼾聲和各種環(huán)境噪聲得到先驗(yàn)知識(shí)：鼾聲事件具有一定的規(guī)律性，即相鄰兩個(gè)鼾聲的時(shí)間較為接近，且每個(gè)鼾聲具有一定的能量[3]。前期采集的信號(hào)如圖7 所示。

圖7 前期采集的鼾聲和環(huán)境噪聲

圍繞這些特征設(shè)計(jì)鼾聲識(shí)別算法，時(shí)域上采用滑窗（100 ms）計(jì)算聲音的能量，當(dāng)能量超過(guò)一定值時(shí)標(biāo)記為一個(gè)發(fā)聲事件，比較相鄰5 個(gè)發(fā)聲事件兩兩間隔時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差，若低于一定值（設(shè)定為1.5 s），則判斷為一次鼾聲事件。更進(jìn)一步，為提高判斷準(zhǔn)確性，對(duì)于每個(gè)發(fā)聲事件，通過(guò)頻域分析，提取梅爾倒譜系數(shù)（MFCC），通過(guò)比較發(fā)聲事件間MFCC 相似性，判斷發(fā)聲事件是否屬于同一個(gè)人[4]。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，鼾聲判斷準(zhǔn)確率達(dá)86.4%。

3.2 電脈沖輸出控制

在使用者入睡前，可以開啟電極刺激穴位，促進(jìn)褪黑素分泌。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，電極輸出端相比電極輸入端刺激感更強(qiáng)烈，為保證印堂穴和太陽(yáng)穴均勻刺激，對(duì)電極極性進(jìn)行輪流切換[5]。

具體做法是：如圖4 所示，當(dāng)E1、E2 電平為一高一低時(shí)電極導(dǎo)通放電，當(dāng)E1、E2 電平相同時(shí)電極不導(dǎo)通，每隔0.5～1 s 觸發(fā)放電，開啟窗口50 ms，就能實(shí)現(xiàn)電極極性輪流切換。在E3_PWM 端輸入100 Hz 的脈沖信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖占空比（20%～50%）可以實(shí)現(xiàn)脈沖幅值的高低，調(diào)節(jié)范圍為5～20 V，實(shí)現(xiàn)刺激強(qiáng)度的分段調(diào)節(jié)。

最終輸出的電極間電壓波形如圖8 所示。

圖8 實(shí)際電極間輸出脈沖波形

3.3 自然喚醒

該智能眼罩還具有自然喚醒功能。大多數(shù)人采用鬧鐘的方式喚醒起床，鬧鐘響起時(shí)，人的神經(jīng)接到指令后會(huì)從睡眠狀態(tài)瞬間反應(yīng)。對(duì)于患有心血管疾病的患者，比如高血壓、冠心病等，長(zhǎng)期突然驚醒會(huì)加重心血管疾病。而在喚醒時(shí)間點(diǎn)附近，即人處于淺睡和清醒之間的狀態(tài)時(shí)喚醒，最接近自然喚醒，有利于人體機(jī)體的恢復(fù)。軟件上的實(shí)現(xiàn)方式如下：通過(guò)藍(lán)牙設(shè)定起床時(shí)間點(diǎn)，在起床時(shí)間點(diǎn)前10 min 內(nèi)監(jiān)測(cè)加速度計(jì)的體動(dòng)時(shí)間。當(dāng)體動(dòng)時(shí)間超過(guò)一定數(shù)量時(shí)，判斷為使用者即將醒來(lái)，此時(shí)開啟微動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生振動(dòng)，通過(guò)PWM 波頻率由低到高，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)馬達(dá)由弱到強(qiáng)的變化，實(shí)現(xiàn)自然喚醒。

4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)電刺激助眠、止鼾效果、自然喚醒功能進(jìn)行主觀和客觀結(jié)合測(cè)試。

首先測(cè)試電刺激效果，對(duì)5 名測(cè)試者采用相同的刺激強(qiáng)度，睡前刺激10 min，評(píng)價(jià)刺激的舒適度；在相同的睡眠時(shí)間后，評(píng)價(jià)睡眠的效果。5 分為滿分，0分為最低分。電刺激效果評(píng)價(jià)表如表1 所示。從測(cè)試結(jié)果得出，電刺激對(duì)睡眠質(zhì)量產(chǎn)生正面效果，但電刺激過(guò)程中測(cè)試者會(huì)有一定不適感，需要后續(xù)通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率和波形繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。

表1 電刺激效果評(píng)價(jià)表

然后對(duì)止鼾效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，同樣選取5 名中重度鼾聲患者，分2 d 進(jìn)行測(cè)試，用錄音筆記錄整晚睡眠聲音，分別統(tǒng)計(jì)不開啟止鼾功能和開啟止鼾功能時(shí)鼾聲的時(shí)長(zhǎng)，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。結(jié)果顯示鼾聲識(shí)別和止鼾系統(tǒng)對(duì)減少鼾聲作用明顯。

表2 止鼾效果評(píng)價(jià)表

最后測(cè)試自然喚醒功能的舒適性，對(duì)5 名測(cè)試者，在佩戴眼罩的同時(shí)開啟自然喚醒功能，在醒來(lái)后根據(jù)自己的感受給喚醒打分，5 分為滿分表示非常舒適，0分為最低分表示非常不適，結(jié)果如表3 所示。結(jié)果表面測(cè)試者對(duì)自然喚醒的效果表示滿意，該種方式對(duì)身體的喚醒和恢復(fù)有所幫助。

表3 自然喚醒舒適度評(píng)價(jià)表

5 結(jié)語(yǔ)

該智能眼罩從功能性、輕便性、舒適性的角度出發(fā)，利用麥克風(fēng)采集電路、電極放電電路與微電馬達(dá)實(shí)現(xiàn)鼾聲識(shí)別、睡姿干預(yù)、按摩助眠與自然喚醒功能，通過(guò)主客觀相結(jié)合的測(cè)試，驗(yàn)證了該方案的有效性。本方案原理簡(jiǎn)單、成本較低、效果顯著，具有一定的開發(fā)前景。