基于藍牙通信傳輸的睡眠溫濕度監測系統設計與實現

華英 黃陽陽

蘇州市職業大學

1 設計背景

1.1 社會需求

隨著人們消費能力的提高，消費結構正不斷發生變化，對改善性產品的需求愈加旺盛。蠶絲被具有保暖透氣、輕盈貼身、親膚抗敏等諸多特點，是定位中高端的家紡產品，是智能紡織品的良好載體。在消費升級的大趨勢下，蠶絲被市場雖然迎來了快速增長，但是行業整體技術水平不高、進入門檻低，產品同質嚴重，因此，蠶絲被行業企業都有著轉型升級的迫切需求。將蠶絲被與電子設備、信息化產品相結合，發掘其更多的功能性，向智能家紡產品轉型，成為蠶絲被產品轉型升級的一個重要方向。

1.2 研究現狀

根據前期的市場調研和有關文獻查閱可知，目前，市面上對于被窩溫度的監測系統還比較少，可查詢的一款溫度傳感帶產品，在被子中內嵌一條溫度傳感帶，會產生明顯的異物感，降低睡眠舒適度，而且傳感帶電輻射較高，存在一定的安全隱患；還有一款是貼在身上的鈕扣式傳感器，但只能監測一個部位，而且利用雙面貼貼在身上容易脫落，獲取數據的準確度較低。

1.3 總體設計

基于市場調研結果，吸取以上產品的不足，本產品將傳感器和蠶絲被相結合，設計開發基于藍牙傳輸的蠶絲被溫濕度監測系統。本產品主要針對夏季空調蠶絲被，將其和傳感器、移動應用App 結合，將傳感器的監測數據以藍牙通信的方式傳輸給手機端，可以實時監測、記錄被窩的溫濕度變化，并通過溫濕度的數據來分析睡眠情況，針對踢被、出汗過度等場景實時報警。

2 相關技術

2.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器節點的主要功能是采集環境溫濕度，并將數據通過藍牙協議發送到移動端。本產品溫濕度傳感器節點選用具有藍牙功能的無線微控制器CC2640 和溫濕度傳感器SHT20，采用CR2032 鈕扣電池供電，將其封裝成直徑3 cm、厚度小于1 cm 的扁圓形設備，既能滿足本系統的數據采集需求，又不會影響睡眠的舒適度。

CC2640 是TI 公司生產的針對藍牙智能應用的SimpleLink超低功耗無線微控制器（MCU）。SimpleLink Bluetooth 低功耗CC2640 器件含有一個32 位ARM?Cortex?-M3 內核（與主處理器工作頻率同為48 MHz），并且具有豐富的外設功能集，包括一個獨特的超低功耗傳感器控制器。此傳感器控制器非常適合連接外部傳感器，還適合用于在系統其余部分處于睡眠模式的情況下自主收集模擬和數字數據。因此，CC2640 器件成為注重電池使用壽命、小型尺寸和簡便實用性的各類應用的理想選擇。

SHT20 是瑞士Sensirion 公司生產的一款溫濕度傳感器，可以測量空氣溫度和濕度值，具有功耗低、體積小（3 mm*3 mm）、測量精度準確等特點，濕度的精度范圍在±3%，溫度的精度范圍為±0.3 ℃，且可以獲取到0.01 精度的溫濕度值，大大提高了本產品在溫差判斷時的準確度。

2.2 開發平臺

原生移動應用開發平臺兼容性差，開發周期長。隨著 Web 技術的快速發展，使用HTML5 等標準Web 技術開發擁有原生體驗和原生功能的App，Deep Engine 使用半翻譯式原理，運行中將Web 翻譯成Native API，強大的混合渲染引擎提供更佳的性能體驗。本產品選擇APICloud 開發平臺，使用標準Web語言開發。該平臺將大量移動應用所需的功能“模塊化”封裝，在開發App 時，采用“積木拼裝”的開發方式，通過JavaScript 語言調用模塊接口，無需單獨開發，從而大幅縮短開發周期。

3 詳細設計實現

3.1 傳感器位置的選擇

在蠶絲被中，傳感器位置的選擇對監測結果的正確與否有著非常大的影響。本系統的監測數據是睡眠時人體的溫度變化，作為分析、報警的基礎數據。蠶絲被有著極好的保溫性，可以起到阻隔溫度的作用，因此，蠶絲被靠近人體的一側更接近人體睡眠時的溫度，遠離人體的一側受人體溫度變化較小，更接近環境溫度。本系統選擇把傳感器布置在蠶絲被絲棉套內側，與人體距離更近，對被窩環境溫度的監測更加直接和迅速。

本系統的一個主要功能是根據溫度變化判斷是否踢被并報警。人體的腹部、胸部和腿部是保暖的主要部位，本系統選擇這3 處作為監測的主要位置，3 個傳感器對應胸、腹、腿的位置，如圖1 所示，其中，將腹部傳感器定位在蠶絲被縱向中軸線中心偏上的位置，胸部傳感器定位在縱向中軸線距頂部1/4 位置，腿部傳感器定位在縱向中軸線距底部1/4 位置。

圖1 傳感器位置

通過采集溫度測試數據分析，如圖2 所示，睡眠時胸、腹兩部分和蠶絲被貼合比較緊密，在睡眠過程中溫度穩定，但是一旦翻身或踢被，溫度變化就較為明顯，具體可參考圖2中紅色和黃色曲線。腿部本身的溫度比腹部和胸部要低，同時，由于腿部與蠶絲被接觸面積小，即使在蓋被睡眠過程中，溫度起伏也比較大，如圖2 中藍色曲線所示。

圖2 睡眠時溫度變化

3.2 溫度變化規律

在室溫20～26 ℃的環境下做了大量測試數據，并對其進行分析，總結出溫度的變化規律如下（1）入睡時蓋上蠶絲被，3 個采集點溫度會不斷上升，腿部溫度會略低于胸、腹部溫度，但3 個采集點最終會穩定在30 ℃以上。（2）進入睡眠階段，如果沒有翻身移動，溫度會平穩地恒定。（3）如果出現翻身移動，會因為空氣流通、熱量損耗而導致溫度下降，但是只要被子沒有離開身體，下降一段時間后會重新升溫。本文截取了正常睡眠狀態下溫度下降時間最長的一組數據，如表1 所示，可知，3 個傳感器溫度或持平或下降持續了7 min，隨后傳感器3 出現了升溫。（4）如出現踢被情況，蠶絲被離開人體，沒有了人體的熱度，受室溫影響，被子溫度會出現持續下降趨勢，只要在此過程被子沒有被重新蓋上，整個下降過程中不會出現升溫的情況。但由于蠶絲被本身的保溫性，踢被后溫度先會明顯下降，后面會趨于平緩，如要完全降至室溫，需要持續數小時，溫度變化如圖3 所示。

表1 正常睡眠翻身溫度變化數據

圖3 踢被后溫度變化

3.3 數據采集顯示

圖表可以更清晰地反映每個睡眠過程的溫度變化情況。本系統移動端App 利用圖表插件Chart.js 顯示采集數據，Chart.js 使用HTML5 畫布canvas 元素生成圖表，不僅可以兼容所有瀏覽器，也可以很方便地實現不同終端的適配。本系統需要同時讀取3 個傳感器溫濕度值，而藍牙連接在同一時刻只能以一對一的方式連接，因此，選擇將溫濕度值以藍牙廣播的方式傳遞。傳感器每秒鐘發送實時獲取的溫濕度數據，移動端利用APICloud 提供的ble 模塊實現藍牙交互。ble 模塊提供的getPeripheral（）方法獲取當前掃描到的所有外圍設備信息，通過name 屬性篩選蠶絲被中的傳感器，可以選擇讀取3 個傳感器中任意一個數據，如圖4所示只選擇了腹部和腿部兩個傳感器。

manufacturerData 屬性值即是發送的廣播數據。傳感器發送的藍牙廣播數據是以十六進制數表示的，本系統發送的藍牙廣播數據值如圖5 所示，其中，5—8 位是溫度值的十六進制表示，9—12 位是濕度值的十六進制表示。通過如下代碼，轉換為精確到1%的十進制溫濕度值。

通過計時器setInterval（）每分鐘更新Chart 對象的數據集并顯示。由于手機屏幕尺寸小，每次能看到的數據量有限，本系統將每次更新的數據插入到數據集最前端，以保證看到的曲線能反映最新的數據值。每次更新數據時動態增加圖表寬度，通過DIV 嵌套隱藏屏幕外內容，可以通過左右滑動的方式查看早些時候的圖表曲線。

3.4 數據分析

本系統提供的數據分析功能包括對睡眠安穩度分析、踢被報警和出汗報警。

（1）睡眠安穩度分析。通過對每小時內采集溫度數據進行分析，給出用戶每晚睡眠翻身移動頻率較高的時間段。方差是用來衡量數據波動的有效手段，方差越大，數據的波動越大；方差越小，數據的波動就越小。睡眠開始時，溫度會升高至一個穩定值，作為均值。每個整時段采集到的60 個數值運用方差可以看出溫度波動較大的時段。波動較小的時段睡眠安穩度高，波動較大的時段翻身移動頻率較高。

（2）踢被報警。通過判斷溫度值和降溫情況，符合踢被條件時發出警報提醒用戶。根據溫度變化規律可知，踢被后溫度會持續下降，通過溫度是否持續下降可以判斷被子是否被踢開。但是由于正常睡眠翻身移動過程也會出現溫度波動，報警判斷不能只判斷溫度是否下降，對此，本系統增加了持續降溫時長和溫差兩個輔助條件。持續降溫時長設置得越長，越能保證踢被報警的精確度，但踢被報警的功能設置是為了及時發現被子被踢開，防止受涼感冒，如果時間設置過長，就失去了這個功能的意義。由溫度變化規律可知，在正常睡眠過程中的降溫時間，尤其是3 個傳感器持續降溫的時間不會超過7 min。本系統把判斷條件中時長默認設置為8 min，也為用戶提供了自由設置時長的功能，用戶可以在5～30 min間任意設置時長。正常睡眠時，由于蠶絲被本身具有保暖性，溫度波動范圍較小，踢被后受室溫影響大，溫度下降較為明顯，因此，本系統增加溫差條件，在當前溫度和最高溫度溫差達到4 ℃以上并持續降溫時間大于設定時長時，以響鈴和震動方式提醒用戶。

圖4 溫度圖表顯示

圖5 藍牙廣播數據

（3）出汗報警。通過判斷濕度值變化報警提醒用戶出汗情況。出汗會引起環境濕度值升高，傳感器檢測到濕度值持續上升時，以震動方式提醒用戶。

4 應用前景

本系統在蠶絲被芯中適當位置植入3 個微型、低功耗的溫度傳感器，結合移動端App 對采集的數據進行分析處理，實現了具有監測睡眠狀況功能的智能蠶絲被新產品，有效填補了目前市場的空白，也為傳統真絲家紡行業的轉型升級作了有益的探索。本系統主要面向幼童，針對幼童自我控制能力較差和抵抗力較弱、容易因踢被子受涼生病等問題，增加了監測系統的蠶絲被，幫助父母了解幼童的睡眠情況，也可以在幼童踢被或出汗過多的第一時間提醒父母及時發現。本系統在目前溫濕度監測的基礎上，還將繼續完善功能。智能蠶絲被有希望成為一種重要的嬰童寢具用品出現在大眾市場，也將會朝著更加高端化的方向不斷探索。