智能睡眠監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傅國強(qiáng) 鄔偉峰

摘 ?要：為了實(shí)現(xiàn)睡眠的監(jiān)測，利用脈搏和加速度傳感器獲取用戶的脈搏數(shù)和動作數(shù)，通過分析這兩組時(shí)間序列數(shù)據(jù)變化趨勢，并利用脈搏和加速度相互驗(yàn)證的方法準(zhǔn)確捕捉狀態(tài)變化的轉(zhuǎn)折時(shí)間點(diǎn)，從而找出用戶由清醒轉(zhuǎn)變?yōu)樗郀顟B(tài)時(shí)間點(diǎn)和睡眠時(shí)脈搏數(shù)和動作數(shù)，即睡眠時(shí)脈搏數(shù)閾值和動作數(shù)閾值，實(shí)現(xiàn)了全自動睡眠監(jiān)測，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)按用戶要求和用戶睡眠狀態(tài)智能控制電器開關(guān)等應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：脈搏傳感;加速度傳感;智能;睡眠監(jiān)測

中圖分類號：TN911.7;TH789 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）23-0126-04

Design and Implementation of Intelligent Sleep Monitoring System

FU Guoqiang1，WU Weifeng2

（1.Educational Technology and Information Center，Shenzhen Polytechnic，Shenzhen ?518055，China;

2.Guangzhou Branch of Audit Bureau of Agricultural Bank of China，Guangzhou ?510620，China）

Abstract：In order to realize the monitoring of sleep，pulse and acceleration sensors are used to obtain the pulse number and action number of users. By analyzing the change trend of these two groups of time series data，and using the method of mutual verification of pulse and acceleration，the turning point of state change can be accurately captured，so as to find out the time point when the user changes from awake to sleep state and the pulse number and action number during sleep，that is，the pulse number threshold and action number threshold during sleep，so as to realize the full-automatic sleep monitoring，and then realize the application of intelligent control of electrical switches according to the users requirements and users sleep state.

Keywords：pulse sensing;acceleration sensor;intelligence;sleep monitoring

0 ?引 ?言

睡眠每天占據(jù)了人們?nèi)梢陨系臅r(shí)間，它是不可或缺的生理需求。人的許多器官通過睡眠才能得到充分的休息和修復(fù)，人的健康離不開良好的睡眠。睡眠不足等睡眠問題會不同程度地影響人的日常生活，且可能導(dǎo)致很多相關(guān)疾病[1]。

近年來隨著社會的生活節(jié)奏的加快，越來越多的人都程度不同地受到睡眠問題的困擾。睡眠是否充足是國際社會給健康定義的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之一。世衛(wèi)組織通過在全球范圍內(nèi)大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有27%的人受到睡眠問題困擾[2，3]。由于音樂有一定的助眠效果，可以使人更好更快地進(jìn)入睡眠狀態(tài)，因此，部分中老年人戴著耳機(jī)睡覺，通過聽音樂以快速入睡，達(dá)到緩解失眠的效果，但睡著后，耳機(jī)發(fā)出的聲音又成了噪音，反而會影響睡眠質(zhì)量。

一些青少年充分利用睡前時(shí)間學(xué)習(xí)英語等知識，他們常躺在床上戴著耳機(jī)聽英語音頻。但是，由于耳膜距離耳機(jī)振動片很近，聲波集中地小范圍傳導(dǎo)對耳膜聽覺神經(jīng)刺激較大，易引起耳鳴、聽力減弱、頭暈等。此外，使用耳機(jī)的時(shí)間過長，可能產(chǎn)生對耳膜不可逆轉(zhuǎn)的損傷。

如果能夠讓耳機(jī)在用戶睡著前正常播放，在睡著后及時(shí)將耳機(jī)關(guān)閉，這樣既減少聲音對睡眠質(zhì)量的不良影響，達(dá)到幫助睡眠的目的，同時(shí)又減少對耳朵本身的傷害。這樣就實(shí)現(xiàn)了幫助睡眠和保護(hù)耳朵的功能。

另外，用戶在有些時(shí)候不能走神，必須思想集中，但由于工作比較單調(diào)很容易瞌睡。如正在值夜班的工作人員、正在開車的司機(jī)等等。這種場景，如果有一個(gè)聲音提醒、叫醒將要進(jìn)入睡眠狀態(tài)用戶，將減少事故的發(fā)生、保障用戶的安全。這種情況就可以利用耳機(jī)在用戶將睡著而未睡著前，通過聲音叫醒用戶。這樣可實(shí)現(xiàn)防止瞌睡的功能。

上面兩種功能：助睡和防瞌睡功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確找出由清醒狀態(tài)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)的臨界時(shí)間點(diǎn)，也就如何識別睡眠狀態(tài)。

1 ?睡眠監(jiān)測原理

由于睡眠對人類的重要性，與所有人的日常生活、健康、工作息息相關(guān)，科學(xué)家對睡眠的研究從未中斷，通過持續(xù)的研究，目前發(fā)現(xiàn)了睡眠與人的一系列生理指標(biāo)的相關(guān)性。

根據(jù)腦電圖的變化，正常生理睡眠可分為非快動眼睡眠（NREMS）和快動眼睡眠（REMS），前者又可分為1、2、3、4期，可以簡單理解為入睡、淺度、中度和深度睡眠，3、4期為慢波睡眠（SWS）。

監(jiān)測睡眠的原理是根據(jù)1、2期入睡和淺度睡眠時(shí)人的脈搏變慢，動作減少的特點(diǎn)，利用脈搏傳感器和加速度傳感器監(jiān)測用戶脈搏和肢體的動作，不自覺的翻身、蓋被等微小的動作會引起的重力變化（大小、方向），這些都可被加速度傳感器監(jiān)測到。因此可以利用脈搏傳感器監(jiān)測脈搏數(shù)據(jù)，利用加速度傳感器監(jiān)測用戶身體運(yùn)動次數(shù)，結(jié)合兩個(gè)數(shù)據(jù)來判斷用戶是否處在進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

脈搏傳感器可以檢測心率。使用脈搏傳感器監(jiān)測睡眠需要確定一個(gè)值，即閾值。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)小于閾值時(shí)，可確定佩戴者處于睡眠狀態(tài)，所以閾值對睡眠監(jiān)測的準(zhǔn)確性起決定性作用。但每個(gè)人的正常脈搏不同，睡眠時(shí)脈搏能降低多少也因人而異，很難確定一個(gè)統(tǒng)一值，用戶自己也無法測量自己睡著時(shí)的脈搏數(shù)是多少，不能確定自己的脈搏閾值。使用加速度傳感器的測量動作數(shù)也存在類似的問題。為此，作者提出以下方法實(shí)現(xiàn)自動設(shè)置睡眠監(jiān)測閾值，以實(shí)現(xiàn)睡眠自動監(jiān)測。

2 ?睡眠參數(shù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析算法

根據(jù)睡眠時(shí)人體動作數(shù)明顯減少的特征，我們利用每個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)的加速度方差判斷用戶的運(yùn)動狀態(tài)。用戶在睡眠狀態(tài)時(shí)通常處于靜止?fàn)顟B(tài)，用戶進(jìn)入睡眠時(shí)間的加速度方差值不斷減少，減少到一個(gè)相對穩(wěn)定的數(shù)值后做小幅變化。

同樣對于睡眠時(shí)脈搏數(shù)明顯減少的特征，我們利用每個(gè)窗口內(nèi)的脈搏數(shù)均值變化趨勢判斷用戶睡眠狀態(tài)，用戶進(jìn)入睡眠時(shí)間的脈搏數(shù)不斷減少，減少到一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值后做小幅變化。

使用加速度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)動作次數(shù)減少到一個(gè)相對穩(wěn)定的數(shù)值，且動作數(shù)值的變化率小于3%時(shí)，則判斷用戶進(jìn)入睡眠狀態(tài)，將此時(shí)測定的脈搏數(shù)確定為用戶睡眠脈搏閾值，實(shí)現(xiàn)自動找出睡眠脈搏閾值。

對于加速度閾值的確定，當(dāng)監(jiān)測到脈搏減少到一個(gè)相對穩(wěn)定的數(shù)值，且脈搏數(shù)值的變化率小于3%時(shí)，如脈搏繼續(xù)降低到一個(gè)值后，脈搏的變化不超出以這個(gè)值為中心的以0.06為長度的小區(qū)間，則判斷用戶進(jìn)入睡眠狀態(tài)，并將此時(shí)測定的加速度定為用戶加速度閾值。

2.1 ?傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理

加速度傳感器把X、Y、Z三個(gè)方向相互垂直的傳感器集成到一起，使傳感器能夠感知物體在三維空間的運(yùn)動情況[5，6]。

（1）歸一化：為了后面數(shù)據(jù)處理方便，對求得的加速度以9.8 m/s2作歸一化處理，歸一化后的數(shù)據(jù)都是9.8 m/s2的倍數(shù)，變成標(biāo)量。

（2）求取合加速度：為了減少加速度傳感器放置方位等對采集數(shù)據(jù)的影響，將三維數(shù)據(jù)合成為一維加速度，以準(zhǔn)確反映人體整體的運(yùn)動狀態(tài)。用Hx、Hy、Hz分別表示X、Y、Z三軸的加速度，則合加速度為：H2=H2x+H2y+H2z。

傳感器數(shù)據(jù)每5秒采集一條，經(jīng)過歸一化處理后求出合加速度，以1分鐘時(shí)間窗口求出合加速度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得到加速度數(shù)列{xn}。

脈搏數(shù)據(jù)以脈搏傳感器每5秒采集一條，原始數(shù)據(jù)的分析價(jià)值不大，需要對原采集數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理：以1分鐘時(shí)間窗口將采集數(shù)據(jù)的求均值，得到脈搏數(shù)據(jù)列{yn}。

2.2 ?數(shù)據(jù)趨勢分析算法

以1分鐘時(shí)間窗口將采集數(shù)據(jù)的求均值，再以3分鐘為步長進(jìn)行移動平均值計(jì)算得到系列數(shù)據(jù)的數(shù)列，對數(shù)列進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和特征提取。由于從清醒到入睡的過渡時(shí)期的時(shí)間長度平均為10分鐘，所以選用3分鐘窗口作為基本分析單位可以捕捉睡眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

x1，x2，……xn為原始采集數(shù)據(jù)，以3為步長求均值{bn}。

均值數(shù)列：

{bn}，bn=（xn+xn+1+xn+2）/3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

標(biāo)準(zhǔn)差：

Dn= ? ? ? ? ?（2）

數(shù)組乖離率：

Rn=Dn/bn ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

當(dāng)bn≥bn+1≥bn+2，繼續(xù)進(jìn)行三次檢驗(yàn)，如果三次均通過檢驗(yàn)，且Rn≤0.03，則監(jiān)測另一個(gè)傳感數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)乖離率，如果通過乖離率檢驗(yàn)，則此時(shí)得到傳感數(shù)據(jù)的均值為睡眠閾值：

b=（bn+bn+1+bn+2）/3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

2.3 ?睡眠傳感器閾值獲取算法

為了實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測用戶睡眠狀態(tài)，系統(tǒng)需要通過以下兩個(gè)算法獲得睡眠閾值：

（1）睡眠脈搏測定法：對睡眠數(shù)列進(jìn)行趨勢計(jì)算后得到脈搏數(shù)列{bn}，當(dāng)bn≥bn+1≥bn+2，繼續(xù)進(jìn)行三次數(shù)列遞減檢驗(yàn);如果三次均通過檢驗(yàn)，再監(jiān)測加速度并進(jìn)行乖離率檢驗(yàn);直到Rn≤0.03后，改為進(jìn)行加速度傳感的數(shù)據(jù)監(jiān)測，并檢驗(yàn)加速度乖離率，如果滿足乖離率檢驗(yàn)Ln≤0.03，則此時(shí)得到脈搏傳感數(shù)據(jù)的均值為睡眠閾值。程序流程圖如圖1所示，其中，i、j、m為時(shí)間變量，yn、An為加速度均值。

（2）睡眠加速度測定法：對加速度數(shù)列進(jìn)行趨勢計(jì)算后得到加速度數(shù)列{bn}，當(dāng)bn≥bn+1≥bn+2，繼續(xù)進(jìn)行三次數(shù)列遞減檢驗(yàn);如果三次均通過檢驗(yàn)，再監(jiān)測加速度并進(jìn)行乖離率檢驗(yàn);直到Rn≤0.03后，改為進(jìn)行脈搏傳感的數(shù)據(jù)監(jiān)測，并檢驗(yàn)脈搏乖離率，如果滿足乖離率檢驗(yàn)Ln≤0.03，則此時(shí)得到加速度傳感數(shù)據(jù)的均值為睡眠閾值。算法流程圖與圖1中的流程類似。

通過上面的方法獲得睡眠閾值后，用戶就可以選擇其中一個(gè)值進(jìn)行睡眠判斷，當(dāng)用戶睡眠過程中翻身等活動比較多時(shí)，就可以選擇根據(jù)脈搏進(jìn)行判斷，當(dāng)監(jiān)測到時(shí)間窗口內(nèi)的脈搏均值小于脈搏閾值時(shí)，判斷用戶處于睡眠狀態(tài)。同樣，也可以使用加速度閾值監(jiān)測睡眠。

3 ?系統(tǒng)與功能設(shè)計(jì)

作者設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)具有以下兩個(gè)功能：

（1）助睡功能，當(dāng)用戶希望在睡著后，自動將耳機(jī)關(guān)閉，減少噪聲對睡眠的影響，提高用戶睡眠質(zhì)量。

（2）防瞌睡功能，當(dāng)用戶不希望睡著時(shí)，一旦監(jiān)測到用戶進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，立即發(fā)出聲音叫醒用戶，防止用戶瞌睡。

硬件部分主要三部分組成：手環(huán)、可控耳機(jī)、微處理器。手環(huán)包括：脈搏傳感器、加速度傳感器、藍(lán)牙。可控耳機(jī)包括：耳機(jī)、音量調(diào)控器，藍(lán)牙。微處理器包括：藍(lán)牙、功能控制面板。

軟件分為：脈搏優(yōu)先睡眠監(jiān)測法、加速度優(yōu)先睡眠監(jiān)測法、音樂庫和監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。

各部件間及相關(guān)軟件的連接方式如圖2所示。監(jiān)測軟件功能如圖3所示。

兩種睡眠監(jiān)測法具有各自特點(diǎn)，用戶可根據(jù)個(gè)人使用情況，選擇適應(yīng)合自己的監(jiān)測方法。由于監(jiān)測動作需要的時(shí)間比較長，如果需要較早的發(fā)現(xiàn)睡眠狀態(tài)讓系統(tǒng)及時(shí)作出反應(yīng)，就應(yīng)選擇脈搏優(yōu)先睡眠監(jiān)測法。例如當(dāng)用戶因工作的原因需要防瞌睡時(shí)等，均可選用脈搏優(yōu)先法。加速度優(yōu)先睡眠監(jiān)測法時(shí)間長，但相對結(jié)果更可靠。當(dāng)用戶需要睡前借助耳機(jī)的助睡功能，等待用戶睡眠狀態(tài)更深時(shí)關(guān)閉耳機(jī)，就可選加速度優(yōu)先法。軟件界面如圖4所示。

為測試系統(tǒng)效果，選擇三組人參與測試，第一組為年齡在18～23歲的學(xué)生5人，第二組為年齡在30～45歲的中青年教工5人，第三組為年齡在45～60歲的中老年教工5人。第一組監(jiān)測準(zhǔn)確率為91%，第二組監(jiān)測為準(zhǔn)確率95%，第三組監(jiān)測準(zhǔn)確率為92%，總體效果較好。

4 ?結(jié) ?論

作者設(shè)計(jì)了一個(gè)解決睡眠狀態(tài)監(jiān)測的問題的算法，利用數(shù)據(jù)趨勢分析算法對脈搏傳感器和加速度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，自動得出用戶睡眠時(shí)的脈搏和加速度數(shù)據(jù)，避免用戶自己設(shè)置睡眠閾值的麻煩或統(tǒng)一設(shè)置造成的監(jiān)測不準(zhǔn)確。綜合兩類傳感器數(shù)據(jù)，利用兩個(gè)數(shù)據(jù)互相驗(yàn)證，增加系統(tǒng)監(jiān)測的準(zhǔn)確度，大大方便用戶使用。在自動睡眠監(jiān)測算法的基礎(chǔ)上，本文還設(shè)計(jì)了一套自動控制耳機(jī)的系統(tǒng)，幫助用戶提高睡眠質(zhì)量，也可以防止瞌睡引起事故等。系統(tǒng)測試表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對不同類別人群智能睡眠監(jiān)測。

作者的研究對睡眠狀態(tài)監(jiān)測方法，具有大量的應(yīng)用場景，可以用于電器控制、電源控制、溫度控制等，并提供不同監(jiān)測方法適用各類人群，使用方便，可推廣使用到其他各相關(guān)領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡介：傅國強(qiáng)（1966—），男，漢族，江西豐城人，高級實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、智能感知、醫(yī)療健康、智能管理系統(tǒng)等;鄔偉峰（1966—），男，漢族，江西于都人，高級審計(jì)，高級工程師，碩士，研究方向：大數(shù)據(jù)分析、IT審計(jì)。