基于嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)人體睡眠控制功能的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂超

摘?要：本文設(shè)計(jì)了一種薄膜脈沖傳感器并基于嵌入式技術(shù)來實(shí)現(xiàn)睡眠監(jiān)測(cè)。研究為發(fā)展基于嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)人體睡眠控制功能的智能系統(tǒng)提供新的思路，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)的完美結(jié)合。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù);睡眠控制;智能檢測(cè);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 概述

2016年以來，已經(jīng)有很多媒體報(bào)道了關(guān)于睡眠障礙的新聞，隨我社會(huì)節(jié)奏的加快，越來越多的年輕人存在無法正常睡眠的情況，這無疑加重了人們精神和工作生活的壓力，所以，有效的監(jiān)控睡眠成文最近幾年來很多研究機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)關(guān)注的焦點(diǎn)內(nèi)容。就目前來看，運(yùn)用電子技術(shù)探測(cè)睡眠的生物信號(hào)主要采取的手段是：脈搏生理信號(hào)的電轉(zhuǎn)換。也就是說脈搏信號(hào)引起電子器件的物理單元進(jìn)行變換，從而檢測(cè)電信號(hào)，并將此與正常的信號(hào)作對(duì)比。只有有效的對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，才能達(dá)到有效的監(jiān)控與預(yù)警，本文的研究就是彌補(bǔ)這塊的技術(shù)空白，從而對(duì)行業(yè)有所啟迪。

2 壓電薄膜傳感器的設(shè)計(jì)

PVDF（Poly Vinylidene Fluoride）薄膜脈沖傳感器可以滿足測(cè)量要求，還有以下幾個(gè)缺點(diǎn)。（1）傳感器取決于位置。為了有脈沖信號(hào)輸出，我們只能精確定位傳感器存在動(dòng)脈表面的波動(dòng)。（2）傳感器對(duì)噪聲敏感。由于傳感器對(duì)于噪聲非常敏感，它會(huì)放大微信號(hào)。所以身體的運(yùn)動(dòng)很容易陷入隨機(jī)干擾。（3）50 Hz頻率因直接接觸而引入皮膚系統(tǒng)。

通過“液體輸送壓力”的性質(zhì)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)封閉的流體橡膠囊。膠囊形狀為扁平，橡膠壁厚0.5mm，腔厚度2 mm。傳感器的貼在膠囊上表面。膠囊的下壁緊貼皮膚，通過膠囊的彈性，下壁對(duì)皮膚貼合的很近，增加傳感器敏感區(qū)域。腕帶兩端穿透，傳感器即可戴上手腕。并且只要有一點(diǎn)液壓囊與腕橈動(dòng)脈接觸，脈沖波動(dòng)將從膠囊液體轉(zhuǎn)移傳感器傳導(dǎo)到傳感器表面，以及傳感器應(yīng)用場(chǎng)合等相關(guān)問題也得到了解決。在我們的設(shè)計(jì)中，我們利用汽油或油作為壓力轉(zhuǎn)移介質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)表明，能量油的物理特性不易受到瞬態(tài)傳導(dǎo)的影響，弱波動(dòng)起到了在低通濾波器中抗干擾的作用。隨著大比熱容，能量油的溫度確實(shí)與人體溫度沒有明顯的差別，提高了佩戴舒適性。由于油很厚，因此在防止慣性很大的隨機(jī)干擾方面起一定作用。同時(shí)，它有衰減轉(zhuǎn)移脈沖。通過實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)它對(duì)于一個(gè)周期中的“強(qiáng)”和“弱”有不同的衰變波動(dòng)。這個(gè)問題已經(jīng)反映在形式上波谷脈沖的偏差很大。這個(gè)問題可以通過軟件糾正。另外，使用液壓橡膠保溫膠囊無刺激皮膚，金屬傳感器直接接觸皮膚被切斷，50 Hz干擾也是如此。熱導(dǎo)電性使表面透射手腕的溫度測(cè)量可能，增加和增強(qiáng)了可測(cè)量生理信號(hào)。

3 傳感器的信號(hào)處理

由于脈沖傳感器的輸出信號(hào)太弱，我們必須首先將其放大，然后將其傳輸?shù)紸DC轉(zhuǎn)換器。低通放大器的設(shè)計(jì)符合運(yùn)動(dòng)后的人體每分鐘最大跳動(dòng)240次脈沖。交叉頻率為由R07，C04，R08和C05確定，放大倍數(shù)為由R06和R08之間的比率確定。脈沖信號(hào)分析的研究對(duì)象是信號(hào)，特別是非平滑和時(shí)變信號(hào)。信號(hào)分析可采用時(shí)頻分析方法。它的主要任務(wù)是描述信號(hào)頻譜的內(nèi)容改變時(shí)間，使信號(hào)的能量和強(qiáng)度可以在時(shí)間和頻率軸上同時(shí)顯示。在獲得信號(hào)分布后，可以提取包含在信號(hào)和信號(hào)中的特征信息來進(jìn)行處理和分析，從而獲得一種具有預(yù)期視頻的信號(hào)分布特征。

在本文中，采用時(shí)域分析。過去，通常采用人工閱讀圖的方法。也就是說，測(cè)量脈沖波等參數(shù)圖，上限，脈沖的對(duì)應(yīng)值等，直接從圖中讀出。通過脈沖幅度圖分析，我們可以弄清楚頻率和脈搏的節(jié)奏，脈沖強(qiáng)度，電位和實(shí)際脈沖形狀的特征。Matlab在高效的計(jì)算能力和方面的功能完美，我們用它作為數(shù)學(xué)工具來實(shí)現(xiàn)直接處理獲取的信號(hào)，從而獲得時(shí)域。閱讀省略了人工閱圖過程，從而減少了由于缺乏經(jīng)驗(yàn)和估計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的誤差。

4 睡眠監(jiān)測(cè)報(bào)警的設(shè)備設(shè)計(jì)

為了解決無法抑制思緒不斷的問題，我們可以在失控的情況下，提供適當(dāng)?shù)拇竽X刺激，基于計(jì)算機(jī)連續(xù)刺激思維狀態(tài)的活動(dòng)。抑制狀態(tài)的結(jié)果可能由于注意它的行為而發(fā)生不斷移動(dòng)，直到最后消失。該單元的一大功能是打斷思考活動(dòng)從失眠到失控醒來。這些功能可以通過“嵌入式”微電腦系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

在這里，我們使用刺激器來產(chǎn)生聲音中斷源。刺激后，用戶的反應(yīng)刺激將通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。放大和過濾后，來自傳感器的弱信號(hào)將被發(fā)送到嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。一旦遇到了意外疾病（如腦血栓形成），嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以發(fā)出“聲音”警報(bào)或“語音”呼叫通過遠(yuǎn)程控制，以通知家庭成員和急救中心及時(shí)。

首先，硬件設(shè)計(jì)。睡眠監(jiān)視器基于S3C44B0X的設(shè)備。S3C440X是由高速32位處理器生產(chǎn)的SAMSUNG公司基于ARM7 TDMI核心RISC系統(tǒng)。它的工作電壓僅為3.3V，即核心電壓ARM7 TDMI僅為2.5V。這些低功耗芯片非常適合磨損產(chǎn)品的開發(fā)。由于音頻和電話語音報(bào)警電路是常見的，這里沒有詳細(xì)描述。

其次，軟件設(shè)計(jì)。Linux是一種非常流行的操作系統(tǒng)兼容UNIX系統(tǒng)和開源。它最初是為桌面系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但現(xiàn)在卻是廣泛用于服務(wù)器領(lǐng)域。影響更大的它逐漸應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，uClinux就是在這種氛圍中產(chǎn)生，它是Micro-Control-Linux，字面意思是“為微控制設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng)領(lǐng)域”。

5 結(jié)論

綜上所述，本文主要對(duì)薄膜脈沖傳感器與睡眠監(jiān)測(cè)報(bào)警設(shè)備進(jìn)行了研究。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于：采用新型傳感器結(jié)構(gòu)。設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)通過對(duì)象識(shí)別反應(yīng)的測(cè)試。今后，可以在此系統(tǒng)上研發(fā)音頻和電話語音報(bào)警。本文的研究為發(fā)展基于嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)人體睡眠控制功能的智能系統(tǒng)提供新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆劍.鐵路司乘人員睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].北京交通大學(xué)，2015.

[2]高明星.基于嵌入式睡眠監(jiān)測(cè)平臺(tái)的研究[D].陜西科技大學(xué)，2012.

項(xiàng)目支持：陜西省教育廳專項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃（基于嵌入式技術(shù)的睡眠過程監(jiān)控系統(tǒng)研究18JK0930）