基于單片機的智能助眠眼罩的設計與研究＊

練文慧，余嘉鳳，官麗臻，楊洋，陳梓昇

（廣東工貿職業技術學院，廣東廣州 510510）

根據2021 年中國睡眠研究會數據，超過3 億人存在睡眠障礙，成年人失眠發生率高達38.2%，助眠產品的市場需求量節節攀升。其中，助眠眼罩是助眠產品中最具性價比與舒適度的品類，但市面上現有助眠眼罩存在功能單一的缺陷，只具備電極刺激穴位功能或加熱舒緩疲勞功能[1]。本設計運用電極刺激、麥克風與振動馬達實現按摩助眠、鼾聲識別與止鼾及定時喚醒功能，實現輕便型多功能合一助眠眼罩創新。

1 系統模型總體設計

本文將32 位單片機作為控制單元，設計一種集助眠、止鼾、喚醒于一體的智能睡眠眼罩。系統分為麥克風采集電路、電極控制電路、微動馬達控制部分以及通訊模塊，采用500 mAh 鋰電池供電。通訊模塊采用藍牙，可以為APP 提供通訊和控制接口。實現鬧鐘、電刺激強度等參數的遠程調節。主控芯片采用意法半導體STM32F411CEU6。系統整體結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構

控制盒位于眼罩正前方，如圖2 所示。通過控制電路板和器件體積，保證各種睡姿下佩戴的舒適性。

圖2 眼罩正面示意圖

2 系統硬件模塊設計

2.1 麥克風采集電路設計

鼾聲識別主要基于麥克風輸入信號，麥克風采用駐極體式咪頭，駐極體麥克風通過振動膜實現聲電轉換，體積小巧，成本低廉，在電話、手機等設備中廣泛使用。

麥克風后級采用WM8978 芯片實現AD 轉換。WM8978 是一個低功耗的CODEC 編解碼芯片，輸入支持line、MⅠC 和輸出處理。

兩路立體MⅠC 輸入，信號的路徑可以手動控制，最大增益55.25 dB。本系統中只使用了一路MⅠC 輸入，輸出數字信號經Ⅰ2S 總線發送給單片機進行處理。麥克風采集電路如圖3 所示。

圖3 麥克風采集電路

2.2 電極放電電路設計

采用二極管1N4148WS 和三極管SS8050 的組合實現電脈沖放電。電極放電電路如圖4 所示，VⅠN 端連接電池正極，PWR+、PWR-分別連接電極的正負極。E1 和E2 端控制電脈沖方向，E3_PWM 端控制脈沖的波形。

圖4 電極放電電路

放電電極布置在眼罩背面，貼緊使用者的穴位，其中電極正極布置在正中間，恰好位于印堂穴上，陰極一分為二，布置在左右太陽穴的位置，通過輪流放電可以實現對這2 個穴位的刺激，達到助眠的效果[2]，電極位置示意圖如圖5 所示。

圖5 眼罩背面電極位置示意圖

2.3 低功耗設計

為了進一步延長眼罩使用時間，降低眼罩充電頻率，避免長時間無人使用情況下繼續工作導致電量耗盡的情況，加入低功耗設計。采用ADXL362 加速度計作為使用判斷和低功耗喚醒源。ADXL362 是一款超低功耗、3 軸MEMS 加速度計，輸出數據速率為100 Hz時功耗低于2 μA，在運動觸發喚醒模式下功耗為270 nA。ADXL362 與單片機通過SPⅠ接口通訊，中斷輸出引腳ⅠNT1 連接到單片機PA0-WKUP 腳，如圖6 所示。

圖6 加速度計連接示意圖

當加速度計檢測到長時間加速度不超過一定值時（系統設定為30 min，閾值為±0.1g），判斷為眼罩未有人使用，MCU 進入停止模式，此時芯片關閉所有時鐘，進入低功耗模式，典型電流大概在20 μA 左右。當檢測到有較大加速度時，判斷為眼罩開始有人使用，ⅠNT1 腳產生中斷信號，喚醒MCU，退出低功耗模式，進入正常工作模式。

3 系統軟件模塊設計

3.1 鼾聲識別算法

通過麥克風采集鼾聲和各種環境噪聲得到先驗知識：鼾聲事件具有一定的規律性，即相鄰兩個鼾聲的時間較為接近，且每個鼾聲具有一定的能量[3]。前期采集的信號如圖7 所示。

圖7 前期采集的鼾聲和環境噪聲

圍繞這些特征設計鼾聲識別算法，時域上采用滑窗（100 ms）計算聲音的能量，當能量超過一定值時標記為一個發聲事件，比較相鄰5 個發聲事件兩兩間隔時間的標準差，若低于一定值（設定為1.5 s），則判斷為一次鼾聲事件。更進一步，為提高判斷準確性，對于每個發聲事件，通過頻域分析，提取梅爾倒譜系數（MFCC），通過比較發聲事件間MFCC 相似性，判斷發聲事件是否屬于同一個人[4]。經過實際測試，鼾聲判斷準確率達86.4%。

3.2 電脈沖輸出控制

在使用者入睡前，可以開啟電極刺激穴位，促進褪黑素分泌。經實際測試，電極輸出端相比電極輸入端刺激感更強烈，為保證印堂穴和太陽穴均勻刺激，對電極極性進行輪流切換[5]。

具體做法是：如圖4 所示，當E1、E2 電平為一高一低時電極導通放電，當E1、E2 電平相同時電極不導通，每隔0.5～1 s 觸發放電，開啟窗口50 ms，就能實現電極極性輪流切換。在E3_PWM 端輸入100 Hz 的脈沖信號，通過調節脈沖占空比（20%～50%）可以實現脈沖幅值的高低，調節范圍為5～20 V，實現刺激強度的分段調節。

最終輸出的電極間電壓波形如圖8 所示。

圖8 實際電極間輸出脈沖波形

3.3 自然喚醒

該智能眼罩還具有自然喚醒功能。大多數人采用鬧鐘的方式喚醒起床，鬧鐘響起時，人的神經接到指令后會從睡眠狀態瞬間反應。對于患有心血管疾病的患者，比如高血壓、冠心病等，長期突然驚醒會加重心血管疾病。而在喚醒時間點附近，即人處于淺睡和清醒之間的狀態時喚醒，最接近自然喚醒，有利于人體機體的恢復。軟件上的實現方式如下：通過藍牙設定起床時間點，在起床時間點前10 min 內監測加速度計的體動時間。當體動時間超過一定數量時，判斷為使用者即將醒來，此時開啟微動馬達產生振動，通過PWM 波頻率由低到高，實現微動馬達由弱到強的變化，實現自然喚醒。

4 測試結果

對電刺激助眠、止鼾效果、自然喚醒功能進行主觀和客觀結合測試。

首先測試電刺激效果，對5 名測試者采用相同的刺激強度，睡前刺激10 min，評價刺激的舒適度；在相同的睡眠時間后，評價睡眠的效果。5 分為滿分，0分為最低分。電刺激效果評價表如表1 所示。從測試結果得出，電刺激對睡眠質量產生正面效果，但電刺激過程中測試者會有一定不適感，需要后續通過調節脈沖頻率和波形繼續優化改進。

表1 電刺激效果評價表

然后對止鼾效果進行評價，同樣選取5 名中重度鼾聲患者，分2 d 進行測試，用錄音筆記錄整晚睡眠聲音，分別統計不開啟止鼾功能和開啟止鼾功能時鼾聲的時長，測試結果如表2 所示。結果顯示鼾聲識別和止鼾系統對減少鼾聲作用明顯。

表2 止鼾效果評價表

最后測試自然喚醒功能的舒適性，對5 名測試者，在佩戴眼罩的同時開啟自然喚醒功能，在醒來后根據自己的感受給喚醒打分，5 分為滿分表示非常舒適，0分為最低分表示非常不適，結果如表3 所示。結果表面測試者對自然喚醒的效果表示滿意，該種方式對身體的喚醒和恢復有所幫助。

表3 自然喚醒舒適度評價表

5 結語

該智能眼罩從功能性、輕便性、舒適性的角度出發，利用麥克風采集電路、電極放電電路與微電馬達實現鼾聲識別、睡姿干預、按摩助眠與自然喚醒功能，通過主客觀相結合的測試，驗證了該方案的有效性。本方案原理簡單、成本較低、效果顯著，具有一定的開發前景。