基于IoT的多功能睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉佳 邱達(dá) 徐建 黃漢卿 楊文杰 明新華 姚文彩

摘 要：為了幫助人們更好地了解自己的睡眠情況，文中設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)個(gè)人的睡眠質(zhì)量。該系統(tǒng)以傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過(guò)無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)終端顯示。相比較傳統(tǒng)的睡眠監(jiān)測(cè)設(shè)備，該設(shè)備能夠有效解決睡眠監(jiān)測(cè)儀器的醫(yī)用化及可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備的約束性等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有操作方便、節(jié)能、體積小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；IoT；CC3200；睡眠監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP274；TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）08-00-03

0 引 言

近20年來(lái)的醫(yī)學(xué)研究已經(jīng)證明，現(xiàn)代人類的許多重大疾病如高血壓、冠心病、心律失常、糖尿病、心腦血管意外，以及精神心理疾患等，往往與睡眠中常發(fā)生的睡眠呼吸暫停綜合征有關(guān)。因此，世界衛(wèi)生組織已將睡眠列為人類第五大社會(huì)醫(yī)學(xué)問(wèn)題，并明確提出關(guān)心健康首先從關(guān)注睡眠開(kāi)始。

1 多功能睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括基于體震信號(hào)的心率、呼吸率監(jiān)測(cè)、體溫監(jiān)測(cè)、用戶周圍環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理部分，分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件分為傳感器網(wǎng)絡(luò)和微處理器兩部分。

1.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)分為如下三部分：

（1）體震信號(hào)獲取電路部分采用E-touch柔性壓電薄膜傳感器構(gòu)建，其外圍電路包括阻抗匹配和屏蔽驅(qū)動(dòng)電路、前置放大電路、主放大電路、高通濾波電路、低通濾波電路、

50 Hz陷波電路、增益可調(diào)的電平抬升電路；

（2）用戶周圍環(huán)境質(zhì)量參數(shù)獲取電路部分采用DHT11和GP2Y1014AU傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度和PM2.5；

（3）用戶體溫獲取電路部分采用非接觸式紅外測(cè)溫模塊獲取用戶體溫。

1.1.2 微處理器選擇

微處理器分為如下兩部分：

（1）傳感器數(shù)據(jù)的獲取：采用TI公司設(shè)計(jì)的TM4C123GH6PM處理器獲取傳感器數(shù)據(jù)；

（2）傳感器數(shù)據(jù)的上傳：采用TI公司設(shè)計(jì)的CC3200處理器，通過(guò)與TM4C123GH6PM進(jìn)行串口通信獲取傳感器數(shù)據(jù)，再將其上傳到云端[1]。

1.1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為如下三部分：

（1）基于單片機(jī)的傳感器網(wǎng)絡(luò)程序的設(shè)計(jì)；

（2）體震信號(hào)的分離算法設(shè)計(jì)；

（3）云端數(shù)據(jù)處理、APP的設(shè)計(jì)。

1.2.1 傳感器程序設(shè)計(jì)

1.2.1.1 E-touch壓電傳感器數(shù)據(jù)獲取程序

本設(shè)計(jì)采用E-Touch柔性壓電LCL2218型傳感器，該傳感器由E-Touch壓電薄膜、上下電極、保護(hù)層薄膜構(gòu)成[2]。

E-Touch壓電傳感器概念圖如圖2所示。E-touch柔性壓電薄膜傳感器可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，雖然提高了壓電傳感器的輸出電荷，但由于體震信號(hào)幅值小，信號(hào)無(wú)法被直接檢出，所以本設(shè)計(jì)采用電荷放大模塊將信號(hào)放大，如圖3所示。

電荷放大器輸出電壓信號(hào)。若采用帶有ADC功能的單片機(jī)，便可通過(guò)編寫程序?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集。

1.2.1.2 紅外測(cè)溫傳感器數(shù)據(jù)獲取程序

為了不對(duì)用戶造成約束，我們決定采用GY-MLX90614-DCI長(zhǎng)遠(yuǎn)距離紅外測(cè)溫傳感器對(duì)用戶進(jìn)行非接觸式體溫測(cè)量。該傳感器通信協(xié)議為串口通信，每幀包含9 B，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2.1.3 PM2.5傳感器數(shù)據(jù)獲取程序

本系統(tǒng)采用GP2Y1014AU型號(hào)傳感器來(lái)檢測(cè)PM2.5。該傳感器是一款升級(jí)版光學(xué)質(zhì)量傳感器，可測(cè)量0.8 μm以上的微小粒子。具有體積小、重量輕、便于安裝等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于PM2.5的檢測(cè)[3]。采集數(shù)據(jù)與空氣質(zhì)量對(duì)照見(jiàn)表1所列。

1.2.1.4 溫濕度傳感器數(shù)據(jù)獲取程序

系統(tǒng)選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量。該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。采用單線制串行接口通信方式。通信時(shí)序如圖5所示。

1.2.2 體震信號(hào)分離算法設(shè)計(jì)

1.2.2.1 信號(hào)預(yù)處理，分離得到呼吸波和胸部沖擊信號(hào)

本設(shè)計(jì)采用零相位濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，原理如

圖6所示。

由上述可知，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)具有相同的相位，但零相位濾波器的實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過(guò)兩次濾波[4]。

1.2.2.2 心率提取算法

BCG隨心動(dòng)周期呈現(xiàn)一定的周期性變化，但與ECG不同的是，BCG的周期性并不嚴(yán)格，所以稱BCG的周期為偽周

期[5]。如果能確定BCC的偽周期就可以確定心率。我們查閱到一種通過(guò)計(jì)算BCG最大上升幅度來(lái)計(jì)算偽周期并提取心率的方法，只需計(jì)算局部極大值即可檢測(cè)心率。新的心率檢測(cè)算法步驟如下：

（1）去瞬后的BCG另存為x（n），n=1，…，N1；

（2）從左到右搜索序列x（n），計(jì)算局部極大值點(diǎn)。保存為

局部極大值序列l(wèi)max（n），n=1，…，N1，記錄該點(diǎn)位置；

（3）由小到大排列局部極大值序列，并令其為閾值序列threshold（i），i=1，…，N1；

（4）從左到右搜索lmax（n），若lmax（n）> threshold（i）則保留；

（5）計(jì)算（4）中每2個(gè)局部極大值點(diǎn)間的時(shí)間長(zhǎng)度，將其記為一個(gè)偽周期。若第一個(gè)局部極大值點(diǎn)與起始點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)度大于偽周期的最大值，也記為1個(gè)偽周期；

（6）計(jì)算所有偽周期的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的商q（i），i=1，…，N1，并保存；

（7）返回第（3）步，直至取完所有閾值，找到使q最小的閾值。

1.2.2.3 呼吸率提取算法

呼吸率是判斷睡眠呼吸暫停的重要生理參數(shù)，同時(shí)呼吸率對(duì)心率分析和睡眠結(jié)構(gòu)分析結(jié)果都具有重要的修正、補(bǔ)充作用。本設(shè)計(jì)目前主要應(yīng)用了呼吸運(yùn)動(dòng)中的頻率信息，其提取算法步驟如下：

（1）計(jì)算呼吸波所有極大值及其位置，分別存入Max1和Position1；

（2）若極大值之間的間隔小于2 s，則去掉幅度較小的極值點(diǎn)，結(jié)果存入Max2和Position2中；

（3）求剩余極值點(diǎn)的左右斜率，并記錄該極值的斜率為左右斜率的平均值，結(jié)果存入slope中；

（4）若slope中的斜率值小于前后6個(gè)斜率均值的50%，則去掉該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極值點(diǎn)，結(jié)果存入Max3和Position3中；

（5）求峰點(diǎn)間隔，若間隔大于前后20個(gè)間隔的平均值的20%，則去掉該點(diǎn)；

（6）對(duì)經(jīng)過(guò)上述步驟處理后的整晚呼吸間隔值進(jìn)行線性插值，獲得整晚等間隔每秒的呼吸率，采樣頻率為1 Hz。

1.2.3 數(shù)據(jù)傳輸與Web設(shè)計(jì)

1.2.3.1 數(shù)據(jù)傳輸

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用CC3200實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，本設(shè)計(jì)采用TCP套接字傳輸方式[3]。套接字流程如圖7所示。

1.2.3.2 Web設(shè)計(jì)

Eclipse是一個(gè)開(kāi)放源代碼的軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，專注于為高度集成的工具開(kāi)發(fā)提供一個(gè)全功能的、具有商業(yè)品質(zhì)的工業(yè)平臺(tái)。它提供建造塊和構(gòu)造并運(yùn)行集成軟件開(kāi)發(fā)工具的基礎(chǔ)[6]。本系統(tǒng)主要利用Eclipse完成整個(gè)Web的后臺(tái)開(kāi)發(fā)[4]，其功能框圖如圖8所示。

2 整體測(cè)試

圖9所示為測(cè)試者所居住環(huán)境的PM2.5濃度曲線，圖10所示為環(huán)境溫度曲線，圖11所示為環(huán)境濕度曲線。

當(dāng)人體進(jìn)入睡眠一段時(shí)間后，體溫溫度曲線如圖12所示，呼吸率曲線如圖13所示，心率曲線如圖14所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提供了一種新思路，即睡眠質(zhì)量不僅與人體自身相關(guān)，也可能與外在環(huán)境有關(guān)。而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在現(xiàn)有睡眠監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IoT），加入環(huán)境監(jiān)測(cè)這一功能，使得系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地反應(yīng)被測(cè)對(duì)象每晚的睡眠情況。并且隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，我相信外界環(huán)境等因素在一個(gè)人的睡眠質(zhì)量評(píng)估中會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，這時(shí)就越發(fā)需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。希望本設(shè)計(jì)能夠?yàn)榻鉀Q大眾的睡眠問(wèn)題提供參考。

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