基于物聯(lián)網(wǎng)的家居睡眠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝 靜，蔣秀林，朱文婕

蚌埠醫(yī)學(xué)院公共基礎(chǔ)學(xué)院，蚌埠，233030

1 引言

隨著生活水平的提高，人們?cè)絹碓街匾曌约旱纳眢w健康，家居環(huán)境監(jiān)測(cè)正越來越多地受到人們的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)( Internet of things，IOT) 是將識(shí)別感知技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和信息處理技術(shù)高度融合的新一代信息技術(shù)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[1-3]和智慧醫(yī)療領(lǐng)域[4,5]有著廣泛的應(yīng)用。

睡眠環(huán)境是保證睡眠能夠正常進(jìn)行的外部條件，良好的睡眠環(huán)境，是健康睡眠的重要保障。睡眠養(yǎng)生學(xué)強(qiáng)調(diào)應(yīng)以人為本，人應(yīng)與睡眠環(huán)境相協(xié)調(diào)，并提倡睡眠應(yīng)有舒適的臥具、枕具等，從而使人能夠在適合的睡眠環(huán)境中獲得良好的睡眠[6]。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的家居睡眠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)的感知技術(shù)采集睡眠環(huán)境數(shù)據(jù)；利用物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器；用戶通過手機(jī)APP可隨時(shí)查看睡眠環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過對(duì)睡眠環(huán)境的監(jiān)測(cè)研究，對(duì)比分析影響睡眠的環(huán)境因素，幫助用戶了解哪些環(huán)境因素會(huì)對(duì)自身的睡眠產(chǎn)生影響以及對(duì)這些因素的敏感程度如何。基于此，一方面，用戶可以通過調(diào)節(jié)控制敏感因素，使其處于可以接受范圍，減少對(duì)自身睡眠的影響；另一方面，通過觀察對(duì)影響因素的敏感程度，對(duì)自身的睡眠情況有更深入的了解。

2 睡眠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的睡眠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)家庭用戶。本系統(tǒng)根據(jù)家庭睡眠環(huán)境需要設(shè)計(jì)需求分析。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器、家庭網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、Android手機(jī)終端模塊組成。系統(tǒng)工作流程如下：將傳感器接在ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上，將終端節(jié)點(diǎn)放在睡眠環(huán)境中合適的位置，ZigBee協(xié)調(diào)器通過USB線與家庭網(wǎng)關(guān)相連；協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)并等待終端節(jié)點(diǎn)的加入；終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)ZigBee網(wǎng)絡(luò)搭建完成。在此系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)將傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將收到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)給家庭網(wǎng)關(guān)處理；

家庭網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)通過Internet 網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫；最后，手機(jī)APP 應(yīng)用通過http 協(xié)議與阿里云服務(wù)器通信，發(fā)送請(qǐng)求并將接受來自云服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要由終端節(jié)點(diǎn)層、ZigBee模塊和家庭網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。

(1)終端節(jié)點(diǎn)層

終端節(jié)點(diǎn)層即信息采集層，主要負(fù)責(zé)向協(xié)調(diào)器發(fā)送傳感器采集來的各種信息。該層由多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，微處理器與無線傳輸模塊是終端節(jié)點(diǎn)的核心部分。本設(shè)計(jì)采用的微處理器是ST公司的STM32F103C8處理器，該處理器的核心是cortex-M3處理器，擁有32位CPU，采用并行總線結(jié)構(gòu)，并嵌套中斷向量控制單元，調(diào)試系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)映射。支持ZigBee協(xié)議并自帶ADC轉(zhuǎn)換通道，為無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備提供了完整的解決方案；支持多種工作模式，可有效降低功耗，延長(zhǎng)電池的使用壽命。終端節(jié)點(diǎn)層的另一重要組成部分是傳感器。傳感器將采集到的非電量信息，如溫度、濕度等轉(zhuǎn)換成電量，再通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[7]。

本系統(tǒng)用來采集溫、濕度的傳感器為DHT11，該傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫、濕度傳感技術(shù)，以確保產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)采用STM32的PB10與DHT11的pin2引腳連接用于數(shù)據(jù)的通信與同步。

系統(tǒng)采用BH1750采集光照強(qiáng)度。BH1750是一種數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，其內(nèi)置一個(gè)接近人眼反應(yīng)的光敏二極管，具有接近視覺靈敏度的光譜特性，可探測(cè)大范圍的光強(qiáng)度變化。設(shè)計(jì)采用STM32的PA6與BH170的pin4連接用于傳輸命令與數(shù)據(jù)，STM32的PA7和BH170的pin6引腳連接用于時(shí)鐘同步。

系統(tǒng)采用MP-135作為空氣質(zhì)量傳感器。當(dāng)該傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，氣敏電阻的阻值隨空氣中污染氣體濃度的升高而減小。設(shè)計(jì)將MP-135的輸出信號(hào)通過兩個(gè)10 kΩ的電阻分壓后與STM32的PA4口連接，以將氣體濃度變化產(chǎn)生的模擬量輸入STM32中。

(2)ZigBee模塊

因家居環(huán)境傳輸距離的要求比較低，并且環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，因此采用具有低功耗，低成本，可靠性高，可自組網(wǎng)等特點(diǎn)的ZigBee技術(shù)來組建無線室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用Zigbee 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)代替有線通信方式，布線簡(jiǎn)單且無須進(jìn)行太多線路變動(dòng)，可以有效解決線路改造時(shí)重新布線的問題。

此環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由若干個(gè)普通的終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。該協(xié)調(diào)器與所有終端節(jié)點(diǎn)組成了一個(gè)星形的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)可與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收終端傳來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給家庭網(wǎng)關(guān)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的核心組成部分包括微控制器和無線收發(fā)模塊。本設(shè)計(jì)的微控制器采用TI公司的CC2530芯片，該芯片能夠以非常低的成本建立功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并結(jié)合了增強(qiáng)型的8051 CPU，具有8KB RAM，提供4個(gè)可選閃存版本，有21個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳，且具有不同的運(yùn)行模式，非常適合低功耗、低傳輸速率的系統(tǒng)。

(3)家庭網(wǎng)關(guān)模塊

家庭網(wǎng)關(guān)作為系統(tǒng)信息的處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。目前，嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速，嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)逐漸凸顯出來，嵌入式處理器的芯片更新?lián)Q代頻繁，嵌入式處理器的性能越來越強(qiáng)。本系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)采用了三星公司的型號(hào)為的s3c6410的arm芯片。其價(jià)格低廉，性能優(yōu)越，功耗低，成本低，體積小，相比于以往的通用計(jì)算機(jī)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)的入網(wǎng)方式。

2.3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要由ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和Android客戶端模塊組成。

(1)ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的組建和信息的收發(fā)。首先上電進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化完成后ZigBee協(xié)調(diào)器搜索附近有無入網(wǎng)需求的終端節(jié)點(diǎn)，若有終端節(jié)點(diǎn)則將該節(jié)點(diǎn)地址(每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一并且固定的節(jié)點(diǎn)地址)加入已聯(lián)網(wǎng)的地址表中，即組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后，協(xié)調(diào)器將更新的地址表發(fā)送給服務(wù)器，無線網(wǎng)絡(luò)組建成功。此后，該程序會(huì)一直監(jiān)聽是否有入網(wǎng)請(qǐng)求的終端節(jié)點(diǎn)。一旦檢測(cè)到有入網(wǎng)需求的合法節(jié)點(diǎn)時(shí)，協(xié)調(diào)器會(huì)將該節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)。圖2為協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建成功后，軟件就會(huì)分別對(duì)ZigBee和串口進(jìn)行監(jiān)聽。終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)由串口上傳給家庭網(wǎng)關(guān)。而家庭網(wǎng)關(guān)的控制命令將通過串口傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee發(fā)送給指定的終端節(jié)點(diǎn)。

圖2 ZigBee程序流程圖

(2)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

因家庭睡眠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)量不大，故采用MySQL數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)庫中主要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)表有：用戶信息表、傳感器數(shù)據(jù)表和已采集數(shù)據(jù)表。用戶信息表主要用來存儲(chǔ)用戶的注冊(cè)信息，如用戶名、密碼等；傳感器數(shù)據(jù)表用來存儲(chǔ)從無線傳感器采集到的各種數(shù)據(jù)及時(shí)間信息，如表2所示；已采集數(shù)據(jù)表用來存儲(chǔ)按照日期采集的信息表，如表3所示。為方便使用，本系統(tǒng)采用阿里服務(wù)器作為云服務(wù)器，在云服務(wù)器上部署代碼就可以與Android客戶端通信，數(shù)據(jù)傳輸采用json數(shù)據(jù)格式，服務(wù)器每60秒自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

表1 用戶數(shù)據(jù)表

表2 傳感器數(shù)據(jù)表

表3 已采集數(shù)據(jù)表

服務(wù)器每天都會(huì)以當(dāng)日的時(shí)間為表名新建一個(gè)表，即在已采集數(shù)據(jù)表中創(chuàng)建一個(gè)新表。如表2中所示，采集到一號(hào)節(jié)點(diǎn)的溫度為22 ℃，序列號(hào)是用來做表的關(guān)鍵字。通過已采集數(shù)據(jù)表，可以很方便地查詢某天的環(huán)境數(shù)據(jù)。

(3)Android客戶端設(shè)計(jì)

Android客戶端的設(shè)計(jì)是方便用戶實(shí)時(shí)查看睡眠環(huán)境的各個(gè)數(shù)據(jù)，以便更好地了解自身所處的環(huán)境并對(duì)環(huán)境做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

本設(shè)計(jì)中Android客戶端軟件的界面設(shè)計(jì)思路如下：

首先在登錄界面登錄(圖3)，輸入正確的用戶名和密碼后，就會(huì)跳轉(zhuǎn)到初始主界面。初始主界面提供當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。在這個(gè)界面上可以直接看到當(dāng)前數(shù)據(jù)和查詢歷史數(shù)據(jù)。初始主界面跟其他所有的界面都可以互相跳轉(zhuǎn)。

圖3 登錄界面

系統(tǒng)軟件的開始界面即為登錄界面，用戶需要在界面中輸入用戶名和密碼，經(jīng)過系統(tǒng)驗(yàn)證后界面才會(huì)跳轉(zhuǎn)，第一次使用還需要進(jìn)行注冊(cè)。然后點(diǎn)擊登錄按鈕，手機(jī)將用戶名與密碼通過4G/Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器，等待反饋，驗(yàn)證成功后即進(jìn)入到操作界面初始界面。圖3為登錄界面。

用戶登錄成功后進(jìn)入主界面，智能控制終端應(yīng)用APP對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，對(duì)文件是否存在進(jìn)行判斷，若文件不存在則提示無相應(yīng)數(shù)據(jù)。若文件已經(jīng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，則將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在用戶主界面上，如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

3 系統(tǒng)測(cè)試

該睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的意義就在于為用戶提供一份直觀的睡眠環(huán)境數(shù)據(jù),用戶可結(jié)合自身的睡眠質(zhì)量和睡眠環(huán)境數(shù)據(jù)作對(duì)比分析,以找到最佳的睡眠環(huán)境。系統(tǒng)軟硬件調(diào)試完畢后，可在PC機(jī)及手機(jī)APP上實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)。如圖5所示為pc上監(jiān)測(cè)的溫、數(shù)據(jù)。

圖5 串口測(cè)試1

圖6為光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。圖6為手機(jī)APP顯示的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖6 串口測(cè)試2

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)睡眠環(huán)境信息，一方面將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送給服務(wù)器，方便用戶實(shí)時(shí)查看睡眠環(huán)境的具體數(shù)值信息；另一方面，用戶可以根據(jù)一段時(shí)間的環(huán)境信息和睡眠質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出最佳的睡眠環(huán)境。該系統(tǒng)運(yùn)用目前較為流行的Android平臺(tái)作為客戶端開發(fā)平臺(tái)，使用云服務(wù)器作為客戶端和數(shù)據(jù)庫之間的紐帶，系統(tǒng)具有實(shí)用性和先進(jìn)性，不僅具有良好的交互性，而且功耗低、實(shí)時(shí)性好，便于擴(kuò)充。