基于物聯網的智能枕頭系統

唐曉菀 荊 銳 張士武 周萌萌 朱 慧

（安徽新華學院<電子通信工程學院>，安徽 合肥 230088）

0 引言

基于物聯網的智能枕頭系統提出了一種設計方案，在設定了監測位點、監測指標和監測報警閾值等相關條件后，通過選擇合適的傳感器，如溫度傳感器、紅外傳感器、陀螺儀、角速度傳感器、麥克風及單片機電路設計以實現模數轉換以及信號的處理進行睡眠監測，通過通信模塊和顯示模塊進行數據的發送接收和顯示。該系統通過嵌入式技術及傳感器技術實現睡眠時的姿態采集，采用拉桿電機而非氣囊膨脹的方式調節枕頭的高度，震動電機進行對頸椎部位的按摩。具有成本低，操作簡單的特點。可有效幫助亞健康人群、慢性病人群及重大疾病人群通過睡眠監測給予針對性的健康指導，長期提供健康保護。

如今，人們的生活壓力越來越大，精神需求越來越高，對生活服務的要求也越來越高。睡眠問題是現代人遇到的嚴重問題之一，如失眠、頭痛等。[1]為了解決提高睡眠質量的問題，借助先進的生物醫學傳感器技術，收集處理信息，分析使用者的健康狀況，并通過睡眠枕頭來改善這一狀況具有重要意義[2]。目前，市場上的智能枕頭在使用時仍然存在缺陷且價格高昂，例如，現有的智能枕頭主體部分，難以安裝至使用者家里現有枕頭中，致使裝置實用性低下，此外，多數智能枕頭在調節高度時，多是通過氣囊充氣膨脹的方式，由于氣囊易產生漏氣現象，致使智能枕頭的高度調節機構難以長時間穩定使用[3]。因此，有必要以較低的價格實現傳統枕頭的智能化。

1 整體設計

基于物聯網的智能枕頭的整體結構組成分為：數據采集模塊、控制電路模塊，通信模塊和輸出外設模塊。

數據采集模塊：用于采集枕頭的數據信息，將傳感器采集到的模擬量轉換為數字信號，以便控制整個系統。

控制電路模塊：采用嵌入式主控制器進行數據的采集與處理，傳送給通信模塊的輸入端，由通信模塊進行傳輸處理。

通信模塊是控制電路與上位機及進行數據傳輸的主要模塊，嵌入式主控制器通過串口與其連接，通過相關協議將所要發送或者接收的數據傳輸給藍牙設備。

輸出外設模塊是整個系統受控制的部分，負責下位機的輸出與顯示。

2 系統軟硬件實現

2.1 數據獲取模塊

圖1 智能枕頭系統設計圖

數據獲取模塊主要是生物醫學傳感器的選擇，傳感器的精度往往易受外部環境的影響，如溫度濕度。所以在選用相應傳感器時，需要考慮外部環境的影響，使其在系統中達到工作所需精度。[4]在參考相關文獻后，考慮國內大部分區域的溫度以及使用場合，認為0～46℃是合理的溫度范圍。

本系統采用RFP薄膜壓力傳感器用于采集頭部與枕頭接觸面的數據，RFP薄膜壓力傳感器厚度僅為0.1 mm～0.3 mm，具有很好的柔性，可以為數據的采集創造良好的條件。當外力作用于傳感器表面時，阻值變小，壓力越大阻值越小。為實現監測的準確性，可通過在枕頭內放置多個不同密度的傳感器，實現分辨率的提高。

采用麥克風對收集到的鼾聲信號進行濾波，進行無監督檢測，判斷睡眠障礙。

測量睡姿上，采用MPU6050模塊，可直接測得加速度和角速度的值，可通過計算反映靜態的姿態角。從而判斷是否躺下并測出使用者躺下的角度和位移。

2.2 控制電路模塊

本系統控制電路數據處理模塊采用Cypress公司的4XX8_BLE系列包括可編程和可配置的模擬和數字模塊，并集成了低功耗藍牙和藍牙智能無線電及子系統。其他功能包括數字可編程邏輯，高性能ADC，具有比較模式的運算放大器，標準通信和定時外設，并且可以對傳感器模塊傳輸的高低電平信號進行放大處理。[5]可用于心率信號檢測和濾波，并提供詳細的心率檢測解決方案和IDE，以便于開發。

外圍電路控制部分采用STM32F系列單片機，STM32F系列是32位ARM微控制器。可以進行高低電平判斷，并與藍牙模塊進行整合。

2.3 通信模塊的實現

本系統采用兩組藍牙模塊，分別與該系統的上位機與下位機連接。與下位機連接的模塊作為從機，與上位機連接的作為主機，通過軟件初始化可使藍牙模塊建立數據傳送，實現物聯網控制。

圖2 藍牙模塊整體設計

2.4 用戶界面軟件部分

手機端采用Android系統作為開發方向，通過手機應用軟件的圖形界面實現交互[6]。人機交互界面的結構如圖3所示。在應用軟件里，用戶可以查看系統運行狀況，查看傳感器采集的數據，及對枕頭進行控制。

圖3 硬件整體框圖

2.5 整體系統的測試與搭建

最終搭建系統進行測試，測試采用串口進行數據測試，然后運行上位機進行操作。經過測試后，系統可以正常運行。并且可以完成設計方案的預期目標。

2.6 可行性分析

據相關調查數據顯示，截至2019年年底，我國枕頭市場規模已經突破1 180億元，其中智能枕頭在枕頭總體銷量中所占比率正加速上升[7]。同時，隨著人工智能、物聯網等前沿技術的發展，智能枕頭有望結合智能家居系統實現融合發展，推動智能家居領域實現新增長，為人們的未來智能生活帶來更佳體驗[8]。

圖4 交互界面結構圖

本設計針對市場需求結合智能手機與平板電腦的特點，將分析主流的手持移動設備的操作系統系統架構、應用組件和開發配置，開發了以Android.IOS系統為核心的手機App，實現對枕頭的控制，有操作簡單應用便利的特點，具備非常好的市場前景，同時該項目成本低廉未來產品用戶接受度將會較好。

3 結語

智能枕頭系統使用藍牙連接手機App，實現調節枕頭高度，開關按摩，播放音樂產生催眠效果，心率記錄及分析，自然喚醒等功能。同時將生物醫學傳感器收集的健康數據，上傳至云服務器，經過大數據分析可計算出健康狀況，并在手機App中顯示，提供遠程關懷，健康風險預警等功能。智能枕頭系統在一定程度上可以給予亞健康人群、慢性病人群及重大疾病人群針對性的健康指導和長期的健康保護。