基于云連接技術的助眠床自動控制系統設計

費葉琦　溫健鑒　齊加勝　焦立煒　牛子銘　郭峻偉

摘要：針對目前市場上助眠床存在個體適應性差、操作繁瑣、不利于提高睡眠質量等問題，提出了在助眠床整體機構設計的基礎上，基于云連接技術、具有人機交互界面的自動控制系統設計。設計中主要包括由氣路控制器、電動伸縮桿組成的執行機構和由溫度計、氣壓計、運動傳感器組成的反饋機構2部分，實現對助眠床睡枕高度、床墊溫度以及硬度的閉環控制;另外通過合宙2G通信模塊、阿里云云端服務器及移動電話APP實現遠程交互功能。通過對睡眠硬件環境的控制，有效地提高了用戶睡眠舒適性并具備故障保護能力。相較于傳統助眠床控制系統，設計的控制系統安全性以及智能化程度更高，用戶交互體驗良好，有一定的實用及市場推廣價值。

關鍵詞：助眠床;睡眠舒適性;角度控制;溫度控制;硬度控制;人機交互

中圖分類號：TP23 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0142—04

0引言

潘黎等調查結果顯示，26℃下較適合睡眠，23℃時次之，但調研發現市場上的床體控制器很少具備對溫度的控制功能。王魯燁指出，普通人頸椎病發生概率與其睡枕高度有關，睡枕最適高度與自身右手掌寬、肩顴距有密切關系。任林燕等-引研究表明，床墊作為睡眠的平臺，其支撐性能對人體健康和睡眠舒適性有著重要的影響。軟硬度合適的床墊有利于人體腰部支撐，其中男性更適合使用較軟的床墊，而女性更適合使用較硬的床墊。但是傳統睡眠床作為量產產品，很難在成本限制的情況下考慮個體溫度、枕高等因素，針對客戶進行量身定制。本文設計的睡眠床配套有新型智能控制系統，可根據不同用戶的體質特點和身體近況，通過控制睡眠溫度、床墊硬度及頭枕高度等來滿足用戶睡眠舒適性需求。

1控制系統總體設計

本設計預通過調節睡眠環境溫度，使環境溫度更加適宜睡眠;通過調節床墊軟硬度，使用戶身體各部位均勻承壓;通過調節頭枕仰起高度，使頸椎始終處于低承壓狀態;通過云連接設計，用戶可使用移動電話APP調節助眠床各項參數，簡化用戶操作難度。最終在“用戶友好”的前提下提高用戶睡眠舒適性;同時在控制系統設計時，對助眠床做了故障保護設計。

該控制系統的硬件控制電路可分為強電控制部分和弱電控制部分：強電控制主要由繼電器和繼電器驅動器組成;弱電部分主要由基于ARM CORTEX-M0內核的STM32微控制器作為主控制器，AIR202 GPRS通信模塊作為數據聯網核心，另配有A04950雙半橋驅動器、AD623高精密儀表放大器、GSM頻段板載天線、XL1509 BUCK降壓器、RT9193-3.0 LDO降壓器等相關配件。一方面通過下位機基于C語言的STM32和基于LUA語言的AIR202通信模塊的軟件開發，通過多路執行機構、反饋機構實現對床墊溫度、硬度、頭部高度的閉環控制，精準地控制用戶睡眠環境;另一方面，上位機通過安卓移動電話APP端，采用簡單按鍵的交互式界面對助眠床下發指令，實現基于云連接的智能助眠床控制，減少了用戶的使用難度。

2下位機設計

2.1工作原理

下位機的主要功能是響應云端下發的指令并實時反饋系統工作狀態至云端?？傮w結構如圖1所示，由2塊10cm×10cm的獨立印制電路板組成核心控制器，其余部分為執行器件和傳感器件。電路板1主要負責弱電控制;電路板2主要負責強電驅動與高壓隔離。電路板1輸出弱電控制信號，通過電路板2驅動氣泵、加熱器等強電器件。

在下位機控制系統中，存在3路獨立的閉環控制。（1）角度閉環控制。正常工作時角度變化范圍為0°～40°，通過改變仰角來實現頭枕部分高度調節。（2）床墊溫度閉環控制。正常工作時床墊溫度會在軟件PID控制的20～30℃范圍內由用戶設定，溫度控制精度±2℃。（3）床墊氣壓閉環控制。正常工作時氣壓控制范圍在20～印kPa，具體氣壓值由用戶設定，控制精度±1 kPa，通過床墊氣壓調節，從而改變床墊硬度。

執行機構主要包括2個部分。（1）雙路恒溫氣墊硬度調節系統。系統氣體管路中設置有溫度調控設備，可調節氣路中氣體溫度，同時此氣路中配備有5個閥門、1個氣泵和1個熱交換器，分別對枕部、床身兩部分的氣墊進行壓力調控，如圖2所示。（2）頸椎姿態調節系統。設備中利用能無聲穩定傳動的電動伸縮桿改變頭板角度，以實現在不影響用戶睡眠的基礎上高效調節頭枕高度的需求。

反饋機構主要由氣體壓力傳感器、溫度傳感器和角度傳感器組成。其中氣體壓力傳感器，采用擴散硅芯片實現;溫度傳感器采用較為普通的模擬量溫度探頭，由于此類溫度探頭具有溫度一電阻值的非線性特性且個體差異也不容忽視，所以在本設計中采用數字溫度探頭DS18820對模擬量溫度計進行數據擬合及標定;角度傳感器采用MPU6050芯片，在本系統利用芯片內陀螺儀和加速度計互補濾波進行角度反饋，這種設計能夠提高傳感器精度。

2.2子系統設計

2.2.1多級變壓電源系統

多級變壓電源系統為系統內部分器件提供穩壓工作電源，為適應國內常用電壓，本設計中選擇220V市電作為助眠床控制器唯一供電源;使用筆記本電源實現了從220V市電到Vin的變換;從Vin到Vair的變換過程中由于輸入輸出壓差較大，并且對電流有所要求，故選擇上海芯龍的XL1509 BUCK降壓方案;Vair到Vmcu的壓差不大，并且Vmcu的負載級對電流要求不高，故使用RT9193 LDO方案實現;Vanalog要求高輸入電壓、低電流、低紋波，故通過齊納二極管穩壓的方式獲取Vanalog電源，電源拓撲如圖3所示。

2.2.2主控制器程序運行框架

本設計所使用的主控制器內運行了一套基于協程的任務分配框架，用以實現單控制器內多任務運行的需求，任務調度順序如圖4所示。

2.2.3 GPRS通信系統

下位機與云端的連接依靠GPRS通信，在本設計中依靠合宙通信提供的AIR202模塊實現，模塊具體電路如圖5所示。

D6是瞬態抑制二極管，用以抑制可能通過K4引入的ESD干擾，同時也避免了PCB布線時產生伴生自感高壓的風險。模塊提供了多路UART通信接口，通過使用UART1與STM32進行數據通信，并在數據發射腳和數據接收腳分別串聯了470Ω電阻，進一步確保通信模塊和STM32間的通信電平兼容性。

AIR202射頻頻率分為兩段，一段約900 MHz，另一段約1800 MHz。吳欣慧等對GSM雙頻微帶天線的研究進行了板載PCB天線設計。設計中，天線信號傳輸線采用微帶結構，其銅皮厚度35μm，要求傳輸阻抗為50Ω，由于其對板材無特殊要求，所以選用電路設計中通用板材FR-4，板材相對空氣的介電常數約4.5。根據合宙提供的設計參考資料，最終選取設計參數為：傳輸線距離同層參考平面0.15 mm，微帶線寬度0.7mm。

2.2.4機械部件驅動系統

由于控制機械部件的運動需要不同的控制電壓、驅動功率，主控制器無法直接驅動這些部件，故系統通過使用不同驅動方式來驅動相應機械部件，以實現各部分所需功能。通過使用4個MOS管形成的H橋驅動電路，在滿足電動伸縮桿驅動功率基礎上，改變電流方向來實現“伸”和“縮”2種運動;氣泵、加熱器等由于供電電壓高，功率大，所以使用繼電器控制;電磁閥對驅動功率要求較低，但是屬于感性元件，同時存在多路控制的需求，故使用ULN2803達林頓陣列進行驅動，其內含感生電流泄放回路，省去了外置泄放回路的麻煩。

2.2.5頭枕高度控制系統

頭枕高度是通過一個大推力的電動伸縮桿控制用戶頭枕部仰起角度，同時使用角度傳感器進行角度反饋。角度傳感器的主要作用是對助眠床的頭板部分進行角度測量，與電動伸縮桿形成閉環控制。本設計中同時采用加速度計和陀螺儀進行角度反饋，并對角度數據進行互補融合處理，最終使頭枕部分的角度數據同時擁有精度高、響應速度快的特點。

當電動伸縮桿在超過限定行程時會出現相鄰氣墊擠壓、氣路管道斷裂、相連接機構破壞等問題，設計中在軟件設計上對此進行了優化：對角度傳感器失聯等特殊情況進行識別和處理，如根據角度傳感器和主控制器間的約定，無論角度是否發生變化，角度傳感器必須在窗口時間內（100 ms）向主控制器發來新的角度值數據，否則視為數據接收超時，此時觸發伸縮桿保護，禁止伸縮桿繼續運動。

2.2.6床墊硬度控制系統

床墊硬度的調節是通過改變床墊內氣壓來實現。在整個助眠床系統中有2個獨立的氣墊，分別負責用戶頭枕部和肩部以下的軟硬度調節。通過大流量靜音氣泵、氣閥和氣壓傳感器實現氣壓反饋控制。為防止氣泵工作噪聲影響用戶睡眠，選擇工作噪聲小于40dB的海利V-30超靜音氣泵。充氣時控制系統會定時地切換充氣對象，以確保兩路氣墊都能有足夠且均衡的氣體壓力。氣壓傳感器采用擴散硅傳感器，傳感器信號通路描述如圖6所示。

床墊硬度控制系統中包括故障檢測和故障保護。

（1）故障檢測

擴散硅傳感器可以用一個橋臂阻值隨外部受壓變化而變化的電橋電路等效，OUT+和OUT-為電橋信號輸出，OUT+和OUT-的差值與作用在傳感器上的氣體壓力呈正比關系。由于制作工藝誤差原因，無論外界有無壓力作用在傳感器表面，電橋總是處于非平衡態，所以OUT+和OUT-總存在一定電壓差。利用這一特性，若電橋線路斷開，儀表放大器兩端輸入電平相等，根據差分放大器特性，會輸出一個極其接近0V的單端信號，可以通過這一特征判定傳感器斷開。同理，在擴散硅出現過壓等意外情況下電橋出現任意電阻短路，在放大器兩端會出現一個超額電壓差，此時放大器會輸出一個接近滿量程的單端信號，通過這一特征亦可判斷傳感器故障。

（2）故障保護

為防止氣墊氣壓過高，可通過氣路系統中自身配置的安全閥進行溢流保護，同時也會觸發控制繼電器斷開來鎖定氣泵，實現對氣路的雙重保護。

2.2.7床墊溫度控制系統

床墊的溫度控制是通過改變床墊內氣囊循環氣體溫度來實現的。加熱器由高安全系數的陶瓷發熱芯（PTC）和鋁制熱交換器組成，發熱芯通過熱交換器間接地給循環氣體加熱，其中熱交換器含有一個氣體入口和一個氣體出口。因為數字溫度計具有精度高、一致性好的特點，模擬溫度計具有價格低廉的特點，所以為了兼顧兩種溫度計的優點，本控制系統同時支持數字溫度計和模擬溫度計，并且使用數字溫度計標定模擬溫度計。在產品組裝時將數字溫度計和模擬溫度計置于同一溫度環境下，然后在一定范圍內緩慢改變環境溫度，單片機會自動地完成這一標定過程。標定邏輯如圖7所示。

在軟件控制失效時，熱交換器最高溫度會由于PTC發熱器的自限溫特性被限制在約150℃，熱交換器人口與出口接口處使用耐高溫200℃的硅膠管，此時機械結構不會因為熱失控而損壞。

2.2.8科學助眠模式控制系統

劉海琴等調查顯示，打鼾會降低睡眠質量，故在設計睡眠床時可以通過檢測鼾聲的方法獲得用戶當前睡眠質量狀況。在啟動科學助眠模式后，通過不斷調節床墊軟硬度、溫度和頭枕高度，讓用戶處于最佳睡眠狀態。控制中調整頻次F取決于3個互相獨立的參數，分別為床墊硬度等級X、溫度等級X和頭部仰角等級墨，三者關系為F=X·X·X墨，在對睡眠時參數的不斷反饋和改進下，助眠床控制系統會逐漸迭代出用戶的最佳睡眠參數。自動調整邏輯如圖8所示。

3上位機設計

3.1工作原理

上位機的主要功能是給云端發出用戶指令并接受云端轉發的下位機實時工作狀態。上位機APP的開發基于非原生SDK包，開發平臺為阿里云提供的IOT studio。助眠床批量生產時，每個用戶都可以注冊一個獨立的賬號，每個賬號下可以管理多個助眠床。上位機運行時呈現用戶登錄界面，用戶登陸后，可通過界面修改助眠床的頭枕高度、床墊硬度和溫度的期望值。其中移動電話APP到阿里云服務器的數據傳輸是通過HTTP協議實現的，阿里云服務器到助眠床控制系統的數據傳輸是通過MQTT協議實現的。數據傳輸邏輯如圖9所示。

3.2 APP界面

APP登錄界面采用安卓原生界面，有賬號密碼輸入框以及“登錄”、“忘記密碼”、“免費注冊”等多個選項，如圖10（a）所示。

用戶成功登入后，自動進入“首頁”，在“首頁”中可以對多個助眠床實體進行分別控制，目前僅使用1個助眠床設備進行測試，如圖10（b）所示。

用戶進入助眠床配置界面后，可以看到頁面主體分為3個部分，從上至下分別是頭枕高度、氣墊硬度和氣墊溫度。可通過頁面文字提示獲取助眠床運行狀態，也可通過文字下方配置按鈕進行狀態設定，如頭部高度實現了8～12cm的階段調節;床墊硬度實現了20～60kPa的階段調節;床墊溫度實現了20～30℃的步進調節，其步進溫度為1℃。上述調節量范圍都覆蓋了人體睡眠環境的舒適區間，能滿足用戶對睡眠舒適性的要求。科學助眠模式的開啟和關閉由頁面最下方按鈕決定。開啟科學助眠模式后，系統會根據本文2.2.8節所描述的自動適應算法給出推薦床墊溫度、硬度和頭枕高度，配置界面如圖10（c）所示。圖中，右下角的小爬蟲標志是DEBUG按鈕，可以通過點擊此按鈕進入開發者模式，用以在程序出現問題時對程序運行日志進行分析，如圖10（d）所示，日志界面下方有多個常用的輔助功能，如刷新、復制、保存。

4系統測試與分析

系統設計完畢后，為了確保系統各部分功能正常運行，對系統進行測試。首先接通系統電源，連接ST-Link調試器，插入角度傳感器、氣壓傳感器、數字溫度計和模擬量溫度計，對傳感器數值進行測試。以垂直于地面為Z軸建立三維坐標系，以X、Y、Z3個互相垂直的方向為轉動軸，分別在3個轉動軸上轉動角度傳感器，可以在串口打印界面看到相應數值發生變化，此處僅打印X和Y軸角度數據為例，如圖11（a）所示;手動在氣壓傳感器的金屬膜片上施加壓力，可以在調試界面看到壓力值隨著施壓力度不同而變化，如圖11（b）所示;將數字溫度計和模擬量溫度計放在同一杯約90℃的水中，隨著自然冷卻，可以通過串口打印界面打印出模擬溫度計到真實溫度值的映射數據，如圖11（c）所示。去除數字溫度計后重啟控制系統，可以看到在僅有模擬溫度計的情況下，調試界面得到正確的環境溫度值，如圖11（b）所示。

助眠床控制系統硬件設計如圖12所示。系統上電后AIR202通信模塊進入開機啟動階段，待其成功附著GPRS網絡后，在移動電話APP可以看到下位機的最新狀態值。通過移動電話APP界面的控制按鈕，可使下位機在一定范圍內調節頭部高度、氣墊硬度以及溫度。

5結束語

針對傳統氣墊床在控制靈活性、安全性等方面的缺失，本文提出了一種基于云連接技術的助眠床自動控制系統，方便用戶調整床體參數，能針對用戶個體需求給出最適睡眠環境。

在人們日益追求精致睡眠的背景下，助眠床能有效地提高用戶睡眠舒適性。助眠床的突出優勢除了能在家居環境使用外，也可用于醫療領域，替代傳統醫用氣墊床。通過繼續挖掘本控制器的智能化優勢，可使用動態氣墊硬度控制，進一步緩解患者長期臥床所導致的褥瘡問題。同時后期將從以下幾個方面進行產品改進：（1）使用RT-Thread操作系統對主控制器進行代碼重構，以增強程序可移植性和實時性;（2）運用機器學習實現呼嚕聲識別和分析，從而進一步增加控制器判斷人體睡眠狀態及質量的準確性、實時性，以便更好地對硬件參數進行控制;（3）增加柔性睡姿傳感器，實現不同睡姿下自動調節頭枕硬度，進一步減少睡眠時頸椎壓力。