基于Yumiot 的智慧助眠醫療系統設計

孫慧心，張益原，張明揚，高昊昊，張浩松

（黃河科技學院，河南鄭州， 450063）

0 引言

社會發展到今天，生活中到處都有壓力相伴，成年人為獲得更大工作機遇和晉升空間而不斷壓縮休息時間到社會中工作、居住等，在其他種種強壓下，僅有的睡眠休息時間往往還伴有失眠和焦慮[1]。《中國睡眠研究報告2022》發布的數據表明，國人睡眠時間逐年減少，睡眠質量不斷下降，2021 年度人們睡眠指數達到64.78 分（百分制），只是略高于及格線。睡眠不足的原因除生活作息不規律、工作壓力較大、刷手機視頻過度等社會環境因素及行為問題外，23.93%的被調查者認為寢具不適會影響睡眠質量[2]。近年來，隨著生活節奏快、生活壓力大以及大眾健康意識日益提高，睡眠問題似乎已經成為最受關注的熱點問題之一，開展睡眠監測，及時發現身體健康問題是非常關鍵的。傳統睡眠監測設備由于存在設備復雜，高成本，體積龐大以及操作復雜等局限性特征，不能推廣到廣大人民群眾中去，便攜性與實用性已經成為睡眠監測設備日益重視的要素，本次設計正是基于這一思想來設計與制造的，以便服務大眾生活所需。因此開發出操作方便，低成本的輕便式睡眠監測設備就顯得十分必要。

1 硬件設計

■1.1 系統整體方案設計

本文設計出一款新型助眠醫療控制系統，本設計主要功能如下：

（1）檢測睡眠的環境，檢測睡眠環境中的噪聲大小、二氧化碳濃度和溫濕度；

（2）監測人體在睡眠狀態下的溫度、睡眠時間、血氧飽和度和心率、體動次數，并通過數據對睡眠質量進行分析，當睡眠質量較差時將會自動播放已經存儲的白噪聲來進行助眠，緩解失眠者的焦慮；

（3）通過WiFi 模塊將檢測到的數據傳輸至手機APP，監護者可以實時掌握被監護者的睡眠情況，以便判斷身體的健康情況，進行適當醫療救助。

STM32 是主控芯片，傳感器傳輸的各種信息通過其接收和處理[5]。此系統不但可以檢測睡眠的環境，包括空氣溫濕度，二氧化碳濃度，噪聲大小；還可監測人體在睡眠狀態下的溫度、睡眠時間、血氧飽和度和心率、體動次數，并分析睡眠質量，當睡眠質量較差時將會自動播放已經存儲的白噪聲來進行助眠，緩解失眠者的焦慮。該系統整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統整體框圖

■1.2 STM32 主控芯片電路設計

考慮到本設計所采用的傳感器種類繁多，因此決定采用STM32 作為主控芯片，該芯片擁有豐富的I/O 接口，可同時連接多個傳感器，從而實現更加高效的功能。該芯片配備了多種外部設備，并且內置了ADC 轉換功能。該助眠醫療系統中STM32 芯片是系統的核心，起著大腦的作用，負責整體程序運行和邏輯處理。主控芯片的引腳圖如圖2 所示。

圖2 STM32F103C8T6 主控芯片引腳圖

在本系統中，每個模塊檢測到的數據被傳入上述STM32F103C8T6 主控芯片中，通過內部燒錄的程序對所接收到的數據進行處理，進而進行輸出，通過WiFi 模塊將處理結果傳給手機APP，同時，如果所接收到的數據超過手機APP 所設置的閾值的話，蜂鳴器將會進行報警。在本系統中，STM32F103C8T6 芯片作為主要的處理數據的模塊，以達到處理且傳遞各種功能數據的作用。

■1.3 溫濕度模塊設計

溫濕度監測在本設計中是一個非常重要的功能，對靈敏度要求較高，所以選擇了在市面上常見的溫濕度傳感器DHT11 傳感器，此外，該數字溫濕度傳感器模塊的芯片模塊上的引腳可直接與STM32F103C8T6 單片機系統上的引腳相連，連接起來非常便捷。其連接圖如圖3 所示。

圖3 溫濕度檢測模塊連接圖

在本系統中，DHT11 上的數據引腳與STM32 上的PB13引腳進行相連，將DHT11 所檢測到的數據傳入STM32 中，經其處理最終將DHT11 所檢測到的數據進行上傳，傳至手機APP，以便及時獲取數據。

■1.4 二氧化碳檢測模塊設計

本系統采用SGP30 檢測模塊，SGP30 是一種基于電化學傳感器技術的二氧化碳檢測模塊。它不僅能檢測二氧化碳濃度，而且還能檢測空氣中的甲醛、揮發性有機化合物等有害氣體的功能。

本系統將SGP30 中的兩個數據引腳分別與STM32 單片機的PB10，PB11 兩個引腳相連，將所檢測到的睡眠環境中的二氧化碳濃度進行傳輸以及處理，以便于睡眠者及時看到所在環境的優良，從而保持良好的睡眠環境。其連接圖如圖4 所示。

圖4 二氧化碳檢測模塊連接圖

■1.5 噪聲檢測模塊設計

本系統采用聲音檢測模塊KY-037 對環境噪聲進行檢測，可檢測到環境中的噪聲強度，以便為營造良好的睡眠環境提供有力的數據。在本系統中，將聲音檢測模塊的數據輸出引腳與單片機的PA0 引腳進行相連，低電平輸出檢測數據，傳入主控芯片進行處理，以完成噪聲強度檢測，其連接圖如圖5 所示。

圖5 噪聲檢測模塊連接圖

■1.6 壓力檢測模塊設計

本系統采用電阻式薄膜壓力傳感器Keyes 對人體的體動次數以及睡眠時間進行檢測，可將其置于床墊中部，以便檢測人體的反動次數，將檢測到的數據通過與主控芯片的PB0 引腳傳給主控芯片，進行處理，其連接圖如圖6 所示。

圖6 壓力檢測模塊連接圖

■1.7 溫度檢測模塊設計

DS18B20 是一款數字溫度傳感器，可以通過串行接口進行多點測量，同時測量多個溫度點，可根據設計需求設定閾值，也可以在待機狀態下消耗極少的電能，大大地提高了測量效率，適用于醫療監測系統長時間的運行性能。因此，本系統采用DS18B20 來檢測人體的溫度，其連接圖如圖7 所示。

圖7 溫度檢測模塊連接圖

在本系統中將DS18B20 的數據引腳與STM32 單片機的PC13 引腳進行相連，然后將所檢測到的睡眠者的體溫進行實時傳輸與處理，以便及時發現睡眠者的溫度異常，為實時檢測睡眠者的身體情況提供了重要保障。

■1.8 語音模塊設計

本系統選擇JQ8400 音頻模塊，它可以播放存儲在TF卡中的音頻文件。該模塊具有多種功能，包括音量控制、播放模式選擇、EQ 調節、循環播放等。它可以通過串口通信與其他設備進行通信。JQ8400 模塊廣泛應用于各種音頻播放設備，例如語音提示設備、音樂播放器、廣告機等。JQ8400 模塊通過串口與單片機進行數據通信，該模塊總共需要4 根線，5V 供電，其連接圖如圖8 所示。

圖8 語音模塊連接圖

在此設計中，將語音模塊的其中兩個引腳與一個喇叭相連，在設定數據超過閾值時，將會播放已經存好的白噪音來進行助眠。

■1.9 心率血氧檢測模塊設計

MAX30102 是一種集成了紅外LED、光電傳感器和信號處理電路的心率模塊。心率傳感器MAX30102 模塊通過I2C 與單片機通信，供電電壓為3.3V。

在本系統中，將MAX30102 的兩個引腳分別與單片機的PA1，PA6 進行連接，將所檢測的睡眠者心率血氧的數據傳輸至單片機，經其處理，將其顯示到手機APP 上，以便及時觀察睡眠者的心率血氧狀態，為實時檢測睡眠者的身體情況提供了有力的保障，具體如圖9 所示。

圖9 心率血氧檢測模塊連接圖

■1.10 WiFi 模塊設計

WiFi 通信模塊采用集成模塊，通過串口進行通信，WiFi 電路引出了復位引腳，當WiFi 模塊宕機或者不能正常工作時進行軟件復位，不需要進行系統斷電，不影響其他傳感器電路的正常工作。WiFi 通信硬件電路設計符合本次設計要求。具體原理圖如圖10 所示。

圖10 WiFi 模塊連接圖

■2.2 整體程序設計

■1.11 蜂鳴器模塊設計

聲音報警模塊采用了蜂鳴器報警電路，當蜂鳴器兩端有電壓差時，蜂鳴器內壓片振動發出聲音。同時蜂鳴器運行要求有一定電流，若直接采用單片機端口控制不能帶動蜂鳴器，因此要用NPN 管作為驅動，來控制蜂鳴器的開關。由于NPN 管是電流驅動型的器件，所以直接將單片機的端口加載三極管的基極是無法控制的，因此串聯了一個限流電阻在單片機的端口與三極管的基極之間，為防止電路電流過大損壞其他器件。其原理圖如圖11 所示。

圖11 蜂鳴器模塊連接圖

2 軟件設計

■2.1 手機APP的設計

本系統的手機APP 通過使 用Yumiot平臺設置了一款專屬于本系統的APP，可實時觀測到睡眠者的身體監測數據，以及睡眠環境。同時，也可通過手機APP 設置各個數據的閾值，通過WiFi 模塊與主控芯片處理，從而將所設置的閾值與檢測到的數據進行對比，若所檢測到的數據超過閾值，則會通過報警電路進行報警，蜂鳴器鳴響，相反，則不報警。其初始界面如圖12 所展示。

圖12 手機APP 顯示頁面

基于單片機的智慧助眠系統工作流程圖如圖13 所示。系統開始被供電，單片機初把外設設備初始化，設置硬件設備通過WiFi 與手機APP 連接，如果連接不正常，等待WiFi 連接。WiFi 連接正常后檢測手機APP 是否有數據下發，如果有數據下發，單片機處理下發數據，檢測命令是不是控制的，如果是控制命令執行相應的程序，如果不是控制命令則繼續循環。單片機沒有檢測到手機APP 下發數據就，讀取空氣溫濕度、人體溫度數據，檢測人體的心率數據，檢測空氣中的CO2濃度和噪聲大小，然后將數據上傳到手機APP，如果檢測的參數值大于設置的閾值范圍，智慧助眠系統執行報警動作，并且把異常數據上傳到手機APP。

3 系統測試及結果

將程序燒錄到芯片后，接著對各功能進行測試，首先測試該控制系統中本地控制方式功能，因此先不需要讓WiFi模塊配網及與芯片數據連接通訊。該本地控制方式功能中有手動控制功能與自動控制功能，我們先調試手動控制功能，首先對各按鍵進行操作一下，看是否能正常工作，在調試各部分功能同時觀察手機APP 上是否有對應功能顯示變化，其功能調試圖如圖14 所示。

圖14 實物調試圖

圖15 手機APP 顯示頁面

經過實物測試，溫度傳感器模擬人體溫度檢測正常DHT11 檢測空氣溫濕度正常，心率檢測正常，WiFi 上傳數據到手機APP 正常，驗證手機APP 通信正常，語音模塊正常，CO2檢測正常。本次測試下來，系統功能符合設計要求。

溫度傳感器檢測人體體溫：通過將溫度傳感器放在手上，然后拿開，通過手機APP 查看溫度變化，手機APP 溫度顯示動態變化，經過多次實驗驗證溫度檢測正常。

溫濕度檢測：通過將DHT11 傳感器置于空氣中，檢測大氣中的溫濕度，通過手機APP 查看溫濕度變化情況，經過多次實驗驗證溫濕度檢測正常。

心率檢測：通過將心率模塊放在手中，通過心率模塊檢測人的心率跳動，然后通過手機APP 查看，經過多次實驗驗證心率檢測正常。

蜂鳴器測試：通過將單片機檢測的傳感器模塊檢測的參數超過設置的值，蜂鳴器進行報警，經過多次實驗驗證蜂鳴器檢測正常。

CO2測試：通過將單片機檢測的CO2傳感器模塊檢測的空氣中CO2濃度，經過多次實驗驗證CO2濃度檢測正常。

手機測試：通過WiFi 上傳實時的溫度、二氧化碳、空氣溫濕度數據，噪聲數據等，通過實際測試手機APP 與硬件設備通信正常。手機APP 顯示頁面如圖15 所示。

4 結論

本次系統開發經過努力，反復實驗驗證，多次修改后，達到了預期效果。該系統不但可以檢測睡眠的環境，包括空氣溫濕度，二氧化碳濃度，噪聲大小；還可監測人體在睡眠狀態下的溫度、睡眠時間、血氧飽和度和心率、體動次數，并分析睡眠質量，當睡眠質量較差時將會自動播放已經存儲的白噪聲來進行助眠，緩解失眠者的焦慮。同時，可以通過手機APP 遠程監控設備傳感器檢測的數據，也可以通過手機APP 下發參數給到硬件設備。此設計通過現有條件，實現以下功能：

（1）該設計檢測睡眠環境，包括環境中的溫濕度，噪音大小；

（2）該設計可檢測到睡眠者的在睡眠狀態下的身體各項數據，以及睡眠時間和體動次數，以便判斷睡眠狀態的好壞，若檢測的體動次數較多，超過系統提前設置的最大限制次數，則會判斷為睡眠質量差，系統將會自動播放已經存好的白噪聲進行助眠，這也是本設計的最大創新之處；

（3）該設計在檢測和處理各項數據的同時，也可以通過WiFi 模塊將數據上傳至手機APP，以便實時觀察。