分布式睡眠監測平臺的設計與實現

牛孟然 奚樂樂 梁國壯

摘 要：設計一種分布式睡眠監測平臺，利用MPU-6050工作電路和STM32F103微處理器電路組成的終端節點進行人體重力加速度信號的采集，實現同時對多個患者進行實時監測，通過ZigBee無線網絡傳輸將監測數據傳送至服務器，并結合患者生理參數對患者睡眠情況做出正確的評估，及時指導患者選擇最適宜的防治方法。

關鍵詞：睡眠監測；無線通信；采集模塊

1 前言

近年來失眠、打鼾、睡眠呼吸暫停等睡眠障礙疾患發病率高、危害面廣，已成為影響人們身心健康、工作效率和生活質量的公共衛生問題。目前的PSG監測要求病人在病房監測室內睡一整夜，一臺儀器一天只監測1名病人。眾多的失眠、打鼾、呼吸暫停等睡眠障礙患者只能預約排隊。這樣的監測方法因預約時間過長，監測的數量太少，遠不能滿足眾多睡眠障礙患者急需監測診治的要求。因此本文設計了一種基于重力加速度傳感器實時采集睡眠信號，結合用戶年齡、性別、體重、身高等生理參數，對睡眠質量和結果進行記錄、分析、專業指導，最后反饋給用戶的無線睡眠監測系統。

2 平臺的總體結構

本設計平臺由數據采集端、無線傳輸端、總服務器端3部分組成，各部分通過ZigBee進行傳輸。主要實現睡眠信號的采集、模數轉換，存儲及數據結果分析等功能。傳感器采集到生理信號經過A/D轉換后再做預處理，然后將所得結果通過無線傳輸發送給協調器，協調器通過RS232串行通訊接口將數據傳送至服務器，PC機根據接收到數據進行波形顯示和進一步處理，然后根據睡眠者的生理參數對其睡眠情況做出評估，并提出睡眠建議，最終將結果反饋回給用戶。

2.1 數據采集端

數據采集端主要由MPU-6050工作電路組成的信號采集模塊和STM32F103微處理器電路構成的預處理模塊組成。將重力加速度傳感器（MPU-6050）采集的睡眠腕動信號轉換為相應的電信號，然后在前置放大電路中利用信號調理電路增大信噪比，接著利用模數轉換將模擬信號轉換為相應的數字信號，完成生理信號的提取，并且向服務器端發送數據，供醫生查看用戶數據，及時分析用戶睡眠情況，指導用戶采取適當的防治方法。

2.2 無線傳輸端

無線傳輸端主要由網絡協調器和路由器、終端節點組成的無線通信模塊構成。它們之間通過ZigBee技術實現無線的信息交換，帶有射頻收發器的傳感器終端節點負責對數據的感知和處理并傳送給協調器，協調器負責將若干節點發過來的數據接收并進行初步分析處理再通過RS232串口發送至PC機。

2.3 服務器端

服務器端主要由數據接收模塊、數據儲存模塊和數據處理模塊組成，主要完成了對人體生理參數的接收、存儲、分析處理以及顯示等工作。接收模塊負責接無線傳輸端發送的數據，經解碼后存入數據庫中。存儲模塊用于存放用戶的數據信息，處理模塊主要通過數據處理模塊調用數據庫中用戶的生理參數，評估用戶的睡眠質量。

3 睡眠測試結果與處理

將集成了加速度傳感器監護設備佩戴于人體的非慣用手腕，獲得其睡眠時非慣性用手腕的腕動信息，根據腕動的加速度數據進行分析得到腕活動信息如圖1所示。

以60s為單位時間內腕活動次數來表示當前狀態，將加速值和參考值（0.3g）相比較，每過參考值一次即計數一次，單位時間內的過參考值次數就被當做腕活動次數值。對一分鐘內的腕活動進行計數，再將之前四分鐘、當前一分鐘和之后兩分鐘的腕活動計數作為睡眠決策算法的輸入，通過睡眠決策算法來估計當前一分鐘內的睡眠質量。睡眠決策算法依據式（1）：

（1）式中，D為當前一分鐘的睡眠決策結果，當D≥1為醒覺，當D<1為睡眠。A為一分鐘的活動計數，P是多項式的縮放因子，隨患者的生理參數變化可手動調整。PC機中的睡眠分析軟件將接收到的腕活動數據利用式（1）計算得到睡眠監測時間內每分鐘的D值，從而判斷出每分鐘的睡醒情況。

4 結束語

本設計結合ZigBee無線傳輸技術，利用重力加速度傳感器采集睡眠呼吸信號，在低功耗微處理器的平臺上，設計一種睡眠呼吸監測系統，實現了多個傳感器終端節點同時進行采集，并將數據通過協調器進行無線傳輸，最后PC機將接收到的數據進行波形顯示和進一步處理。經過實驗測試，證明該設備能穩定準確獲取生理參數，滿足輕度睡眠障礙者以及健康人群預防性監測的需求，為廣大睡眠呼吸障礙人群提供方便可靠、省時高效的人性化睡眠監測服務，并依據準確結果指導患者采取適當的防治方法。

參考文獻

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（作者單位：河北科技大學電氣工程學院）