物聯網床帳系統的設計與研究

杜佳佳，呂元元，王 芮，何雨桐，姜

（重慶郵電大學，重慶 400065）

0 引 言

隨著社會的發展，其節奏越來越快，生活和學習壓力與日俱增，淺眠及失眠問題日益嚴重。集體住宿環境下，此類問題更加突出。與此同時，消費者對于改善睡眠類產品的需求多樣化，單一功能床帳已不能滿足人們的需求。傳統床帳并不能隔絕噪聲及燈光照射，鬧鐘鈴聲不僅讓使用者起床經歷刺激性體驗而且嚴重影響同寢室友的休息睡眠。移動互聯的“智能”應用模式廣泛應用于生活的方方面面，并引發床帳功能性變革。

本系統采用全包裹式床帳結構，結合碳晶遠紅外技術，增強了噪聲及燈光的抑制效果，同時提供了舒適的睡眠環境。基于聲光喚醒技術，并結合模擬太陽光調制算法，設計出聲光喚醒鬧鐘，結合降噪算法等技術進行融合創新，使用藍牙模塊與智能終端進行通信，從而構成物聯網床帳系統方案設計。此設計實現了隔音、制熱、助眠、聲光喚醒等功能，為用戶提供了更加科學健康的睡眠及喚醒體驗。

1 智能床帳總體結構設計

1.1 功能需求分析

根據大學生睡眠質量調查報告的數據統計，我國大學生普遍面臨學習、就業、情感等壓力，部分大學生甚至出現淺眠或失眠現象。在寢室公共環境下，鍵盤敲擊、鼠標點擊、音頻外放、人聲、書籍翻閱等環境噪聲嚴重影響大學生的睡眠質量[1]。質量不佳的睡眠不僅影響學生的身體健康，而且造成學習效率低下，學習生活受到嚴重干擾。本團隊針對此類問題設計并開發出多功能智能床帳，從而緩解學生的睡眠問題。

1.2 結構組成及工作原理

系統結構組成框圖如圖1所示，物聯網床帳系統外觀與普通床帳外觀類似。本系統在床帳底部增加溫度控制系統，采用DS18B20溫度傳感器實時檢測床帳內部空間溫度，并通過脈沖調制信號控制加熱材料的功率，從而完成溫度的調控。采用石墨烯材料構成碳晶遠紅外加熱系統。多項檢測數據表明，碳晶遠紅外加熱系統采用波長為9.3 μm的紅外線，此波長對人體最為有益，并安全無害，可提供無光、無噪聲、無味、無耗氧的優良溫暖環境。床帳頂部增加聲光喚醒系統。該系統使用LED燈珠，加上均光板，通過PWM控制方式逐漸增強亮光，采用模擬太陽光調制算法，調查分析隨時間的變化太陽光的強弱，研發模擬太陽光調制算法，以達到太陽光喚醒效果，進而模擬清晨的陽光，燈光顏色從日出前的灰白色，逐步過渡到日出橙紅色，再從橙紅色逐漸過渡到明亮的橘色[2]。3D環繞式音響結構設計，貼合用戶喜好，采用具有針對性的ASMR音頻幫助用戶盡快入睡并在喚醒用戶時給予適量的自然環境聲刺激。主控系統安裝于床帳頂部，通過控制線連接溫度控制系統、聲光喚醒系統、人機交互系統。床帳四周貼合高密度閉孔發泡隔音棉，當聲音進入發泡小孔時就被小孔內空氣摩擦震動吸收；表面經過設備特殊處理形成一面凹凸波浪形，能更大面積地吸收聲波能量，并配合全包裹式床帳結構解決隔音遮光問題。

圖1 系統結構框圖

2 控制系統硬件設計

根據物聯網床帳系統的功能需求和工作原理，對控制系統的硬件進行設計，其結構框圖如圖2所示。采用STM32F103ZET6為主控制器，通過控制石墨烯調溫模塊的導通角來調節溫度，溫度傳感器將溫度反饋給控制器，從而實現溫度調節的閉環控制；同時，通過PWM調制聲光喚醒裝置的光線亮度和音效、音量變化，用RTC準確定位時間來進行反饋控制。另外，物聯網床帳系統裝配顯示裝置、藍牙接口、操作按鍵等。整個硬件系統的電源模塊采用市電供電，并配置5 V/1 A直流電源和220 V交流電源接口。

圖2 控制系統硬件結構

2.1 電源模塊

為了提升用戶使用體驗效果，產品的供電采用220 V市電供電，輸入系統經過變壓器和濾波電路，得到12 V直流電壓。經過驗證，該電源電路能提供高達6 A的工作電流。輸出的12 V電壓經過示波器電源分析，約含有50 mVrms的電源噪聲。為了抑制電源噪聲，設計EMI濾波電路，配合總量為2 000 μF的輸出電容，將電源噪聲降至10 mVrms。

直流電源處理電路圖如圖3所示。利用DC/DC開關電源TPS54331將12 V降壓至5 V，為顯示屏供電。使用低壓差線性穩壓器TLV757將5 V穩壓至3.3 V，為系統主控STM32F103供電。實驗驗證，該電源模塊工作正常，效率高達80%，滿足系統設計要求。

圖3 直流電源處理電路圖

2.2 石墨烯調溫控制模塊

石墨烯材料采用市電供電，通過雙向可控硅以小功率控制大功率的調制，實現無接觸運行、無火花、無噪聲和響應時間短的目的。石墨烯調溫控制模塊如圖4所示。首先，通過H11A817光電耦合器件，將正弦交流電壓的過零點轉換成脈沖信號以zero signal傳遞給主控器，進而捕獲zero signal信號的上升沿來判斷零點。依據溫度反饋，計算導通角的角度和給出開啟脈沖信號的延時時間，通過temp給出開啟導通角的脈沖信號，導通三極管Q，激發光耦EL3083隔離控制雙向可控硅TRI的導通，實現石墨烯材料的溫度控制。

圖4 石墨烯調溫控制模塊

2.3 RTC模塊

圖5為DS3231的時鐘電路圖，該圖使用集成的溫度補償的高精度I2C控制時鐘器件。該器件包含電池輸入端，并在斷開主電源時仍保持精確計時，其內部集成的晶體振蕩器可提高器件長期工作的穩定性。DS3231的寄存器可保存秒、分、時、星期、日期、月、年和鬧鐘設置等信息。少于31天的月份，可自動調整月末日期，包括閏年補償[3]。根據精準的時鐘確保聲光喚醒的時間準確性。

圖5 DS3231時鐘電路圖

3 交互系統軟件設計

3.1 軟件總體設計

基于床帳各個模塊的硬件設計，設計配套的軟件系統，并完成代碼編寫和功能調試。

客戶終端：

（1）客戶在微信端注冊登錄賬戶。

（2）設置鬧鐘、溫度，選擇喚醒的聲光模式。

（3）將指令數據通過藍牙傳送給單片機處理。

單片機端：

（1）系統初始化。

（2）實時接收客戶端指令。

（3）根據鬧鐘設置指令調動RTC模塊，到時后發啟喚醒模式；用PWM波控制燈珠模擬太陽光；依據用戶選擇模式播放相應的存儲音樂。

（4）設定溫度，用戶進入睡眠模式后，調制相應脈沖波從而控制雙向可控硅導通角，驅動石墨烯發熱，達到恒溫效果。

3.2 軟件程序設計

根據交互系統程序流程要求，使用主控單片機STM32F103ZET6固件庫對應的Keil5軟件編程，編程界面如圖6所示。圖中，分別進行了藍牙模塊、脈沖調制模塊、PWM調制模塊、音頻數據存儲模塊的程序編寫；微信小程序采用微信開發者工具編程軟件，進行界面設計、賬戶登錄、藍牙連接、傳輸數據的程序編寫。程序流程如圖7所示。

圖6 Keil5編譯界面

圖7 程序流程

3.3 模擬太陽光調制模塊

運用調光公式編寫的程序，STM32ZET6可控制R/G/B/WW LED光源模塊混合比例，實現對混合光相關色溫、光通量等參數的控制[4]，調制出適合的PWM波，從而模擬適合刺激人體褪黑素減少的類太陽光，用以喚醒用戶。

根據二通道和三通道脈沖寬度調制PWM特點，采用黑體軌跡的Chebyshev方法，在優化目標一般顯色指數（CRI）最佳時，建立了混合光的色坐標與占空比、相關色溫與占空比的函數關系[4-6]。假定輸入驅動的占空比與光源輸出的光通量成正比，結合格拉斯曼顏色定律，根據混色原理及國際照明委員會（CIE），1931色坐標計算方法，推導出n種已知色混光方程組：

式中：(xG,yG)，(xW,yW)為綠、暖白（G/WW）LED模塊的色坐標；YG，YW分別為其光通量；DG，DW為綠、暖白LED模塊的占空比[4]。

解出最終的yGW為：

3.4 恒溫模塊設計

為了滿足項目關于石墨烯的恒溫要求，電源模塊需要加入雙向可控硅控制交流電。軟件內容使用STM32F1ZET6的定時器中斷捕獲輸入的上升沿信號，與輸入信號同步，延遲與調定溫度適配的時間，持續輸出脈沖波驅動雙向可控硅工作，并采用PID溫度控制算法調制溫度處于智能終端設置溫度。

初始化程序預設PID比例系數KP、積分系數KI、微分系數KD的值。主控首先讀取智能終端設置的目標溫度，通過PID系數控制脈沖調制信號，驅動雙向可控硅工作；通過DS18B20溫度傳感器獲取溫度信息，返回與目標值的溫度差，根據返回值調整PID系數，對差量進行調節并修正脈沖調制信號占空比。主控持續檢測溫度信息，當與目標溫度的差量大于0.5 ℃時，再次開啟PID控制循環，如圖8所示。初始設定KP為較大的值，KI，KD設置為0，溫度將以較快的速度達到目標值附近，并開始振蕩。當出現振蕩時調節KI，波動時增大KI，恢復速度過慢時減小KI。最后進行KD的設置，偏離目標值且恢復慢時，加大KD；單位時間內偏離目標值誤差不大但振蕩[7]頻繁時，減小KD。

圖8 PID溫控流程

本系統采用DS18B20溫度傳感器。低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器；高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數器的脈沖輸入。高溫度系數振蕩器決定計數門的開啟時間。每次測量前，將-55 ℃所對應的計數分別置入減法計數器和溫度寄存器中。減法計數器對低溫系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，減法計數器的預制將重新被裝入，減法計數器重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數[8-9]。

斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數器的預置值，只要計數門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度，實現DS18B20的測溫。

3.5 時間校準模塊

本系統對時間的精度要求極高，時間系統采用STM32F103ZET6的RTC模塊。為使時間精準運行，采用WiFi模塊獲取網絡時間校準RTC時鐘，每隔24 h校準一次。主機啟動后臺程序，單片機向時間服務器NTP發送校對時間請求，NTP服務器則送出當前標準時間給單片機[10]，單片機接收到服務器的時間，進而調整自己的時間，達成了網絡校時。

4 結 語

對床帳系統整體結構進行設計，使用者通過智能終端對床帳系統進行設置，從而實現溫度控制、降噪、聲光喚醒等功能。床帳采用全包裹式床帳結構，使用優良的高密度閉孔發泡隔音棉，達到隔音遮光目的。該系統以STM32F103ZET6單片機為控制核心，結合電源模塊、恒溫模塊、PWM調制模塊、藍牙通信模塊、降噪模塊完成硬件設計，采用模擬太陽光調制算法、PID溫度算法等完成對硬件模塊的控制以及功能實現，達到隔音效果良好、溫度適宜、可正常無刺激喚醒試用者的預期設計目標。

注：本文通訊作者為呂元元。