基于Arduino的壓力傳感智能助眠系統(tǒng)

摘 要：當(dāng)前，人們的生活節(jié)奏正日益加快，壓力水平也在不斷攀升，入睡困難、睡眠質(zhì)量欠佳成為困擾人們的問題，而睡眠質(zhì)量與人體健康息息相關(guān)，因此改善睡眠質(zhì)量具有重要意義。針對該問題，設(shè)計了一款能幫助用戶快速入睡且可檢測用戶睡眠質(zhì)量的智能助眠系統(tǒng)。該助眠系統(tǒng)將軟硬件結(jié)合，基于Arduino和Android開發(fā)環(huán)境，利用薄膜壓力傳感器實時監(jiān)測用戶睡覺時的壓力數(shù)據(jù)，與藍牙、時鐘、音樂播放等模塊協(xié)作，幫助用戶快速入睡，實現(xiàn)對用戶睡眠質(zhì)量的檢測并提供智能化喚醒服務(wù)，從而提升用戶的睡眠質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能助眠；睡眠監(jiān)測；壓力傳感；Arduino；Android；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP36 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.029

0 引 言

睡眠問題中最常見的是失眠障礙，失眠障礙最主要的三個癥狀是持續(xù)睡眠時間過短、早醒以及入睡困難[1]。研究表明，長期睡眠不足或睡眠不佳會引發(fā)抑郁癥、心血管疾病以及糖尿病等疾病[2-3]，嚴重危害人們的健康。因此，改善睡眠質(zhì)量具有重要意義。近年來，隨著移動通信技術(shù)和智能硬件設(shè)備的發(fā)展，為了滿足消費者對于提高睡眠質(zhì)量的需求，智能助眠產(chǎn)品應(yīng)運而生。市面上的助眠產(chǎn)品有播放助眠音樂的入耳式耳機，然而入耳式耳機存在易丟失、不透氣、舒適度低等問題。市面上還存在用于播放助眠音樂的骨傳導(dǎo)音響，然而該類產(chǎn)品置于枕下異物感明顯，不利于用戶入睡?，F(xiàn)有的智能助眠音響[4]，具備播放助眠音樂和鬧鐘功能，但是鬧鐘突然喚醒的特性容易引起用戶腎上腺激素飆升、神經(jīng)紊亂，且鬧鐘容易被處于昏沉狀態(tài)的用戶忽略或關(guān)閉而導(dǎo)致未能及時起床，上述問題體現(xiàn)了現(xiàn)有智能產(chǎn)品鬧鐘功能人性化關(guān)懷嚴重不足。

對于當(dāng)前智能助眠產(chǎn)品缺乏人性化關(guān)懷的現(xiàn)狀，為了更好地滿足消費者對提升睡眠質(zhì)量的需求，本文設(shè)計了一款基于Arduino的壓力傳感智能助眠系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用薄膜壓力傳感器實時監(jiān)測人睡覺時的壓力數(shù)據(jù)，多個模塊共同協(xié)作，實現(xiàn)幫助用戶快速入睡、智能化喚醒以及睡眠質(zhì)量檢測的功能，致力改善人們的睡眠質(zhì)量。不僅如此，該系統(tǒng)有著輕薄、扁平的特點，置于枕下異物感小，相較于入耳式耳機和骨傳導(dǎo)音響，能給用戶提供更舒適的睡眠體驗。該系統(tǒng)軟硬件結(jié)合，用戶可以通過手機APP控制該系統(tǒng)播放助眠音樂，幫助用戶更快入睡。此外，用戶還可以通過手機APP設(shè)置鬧鐘，實現(xiàn)智能喚醒，鬧鐘聲音從小到大循序漸進，確保用戶起床才停止，無需手動關(guān)閉鬧鐘，避免鬧鐘被忽略的情況出現(xiàn)。該智能助眠系統(tǒng)能滿足人們對于提升睡眠質(zhì)量的需求，也更加人性化。

1 系統(tǒng)概述

基于Arduino的壓力傳感智能助眠系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在Arduino系統(tǒng)中，Arduino作為系統(tǒng)的控制核心，負責(zé)接收、傳輸和處理壓力傳感器、音樂播放、OLED顯示屏、時鐘等模塊的數(shù)據(jù)和指令。壓力傳感模塊實時監(jiān)測用戶睡覺時的壓力；音樂播放模塊播放助眠音樂；OLED模塊顯示當(dāng)前設(shè)置的鬧鐘時間信息以及壓力傳感器的實時壓力數(shù)據(jù)；時鐘模塊獲取當(dāng)前時間、日期等信息。在Android系統(tǒng)平臺中，Android設(shè)備負責(zé)用戶交互和數(shù)據(jù)顯示，用戶可以通過手機APP設(shè)置用戶信息、選擇音樂播放、設(shè)置鬧鐘并查看睡眠質(zhì)量評估。Arduino系統(tǒng)和Android系統(tǒng)平臺通過藍牙模塊通信。Arduino將采集的壓力數(shù)據(jù)發(fā)送給藍牙模塊，藍牙模塊將壓力數(shù)據(jù)傳輸給用戶移動終端設(shè)備，再通過算法對壓力數(shù)據(jù)進行分析，生成用戶睡眠質(zhì)量評估報告。多個模塊協(xié)作，實現(xiàn)了智能化助眠和睡眠質(zhì)量的檢測。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

1.1 Arduino單片機

Arduino是一個由軟件和硬件組成的開源電子平臺，開發(fā)者可以使用Arduino IDE進行程序編寫[5]。系統(tǒng)選用Arduino UNO R3單片機。Arduino主要負責(zé)硬件控制和數(shù)據(jù)采集，在該系統(tǒng)中，Arduino接收和處理壓力傳感器、音樂播放、OLED顯示屏、時鐘等模塊的數(shù)據(jù)和指令。

1.2 音樂播放功能

系統(tǒng)使用Mini MP3 Player播放器模塊和0.5 W喇叭，用戶可以使用手機APP選擇助眠音樂。系統(tǒng)通過播放助眠音樂營造舒適的睡眠環(huán)境，幫助用戶快速入睡，當(dāng)通過壓力傳感數(shù)據(jù)檢測到用戶從入睡期過渡到淺睡期時，助眠音樂音量會自動逐步遞減到無聲。在到達用戶設(shè)定的鬧鐘時間后，系統(tǒng)自行啟動輕柔喚醒功能。

1.3 壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測功能

系統(tǒng)使用RP-L-400薄膜壓力傳感器，量程為20 g～10 kg。

薄膜壓力傳感器能實時監(jiān)測用戶睡覺時進行不同動作時的壓力數(shù)據(jù)，為睡眠質(zhì)量檢測提供數(shù)據(jù)支持。

1.4 時鐘功能

系統(tǒng)選用DS1307高精度時鐘模塊和CR1220紐扣電池。時鐘模塊獲取當(dāng)前時間和日期，為用戶設(shè)置鬧鐘提供時間參考。當(dāng)?shù)竭_設(shè)定的鬧鐘時間時，檢測到壓力數(shù)值不為0，則說明用戶未起床，播放音樂的音量會逐步增大，直到用戶起床，系統(tǒng)檢測到的壓力數(shù)值為0，則音樂自動關(guān)閉。該系統(tǒng)實現(xiàn)了輕柔喚醒用戶，且確保用戶起床才停止鬧鐘，避免了傳統(tǒng)鬧鐘容易被忽略或關(guān)閉而導(dǎo)致用戶未能及時起床的情況，彰顯了系統(tǒng)的人性化和智能化。

1.5 無線通信功能

藍牙可以為Arduino和Android設(shè)備提供便捷的無線通信功能[6]。系統(tǒng)使用HC-05藍牙模塊實現(xiàn)Arduino與Android設(shè)備之間的通信功能。Arduino將采集的壓力數(shù)據(jù)傳輸給藍牙模塊，藍牙模塊再將用戶睡眠時的壓力數(shù)據(jù)傳輸給Android設(shè)備，通過算法處理壓力數(shù)據(jù)，建立用戶睡眠質(zhì)量檢測算法模型，從而評估用戶的睡眠質(zhì)量，用戶可以通過手機APP查看自己的睡眠質(zhì)量評估報告。

1.6 OLED顯示功能

為了進一步提升用戶的使用體驗，系統(tǒng)設(shè)置了OLED顯示模塊，顯示用戶設(shè)置的鬧鐘信息，用戶用手機設(shè)置好鬧鐘后，就可以把手機放置到遠離床鋪的位置，減少睡眠時手機對人體的輻射。此外，為了方便用戶檢測硬件是否發(fā)生故障，OLED顯示模塊實時顯示壓力傳感模塊檢測的壓力數(shù)據(jù)。

2 手機APP設(shè)計

2.1 手機APP功能設(shè)計

在該智能助眠系統(tǒng)中，手機APP采用Google專為移動設(shè)備設(shè)計的軟件平臺Android[7]。手機APP界面如圖3所示，分別是主頁、鬧鐘、音樂和設(shè)置界面。在實際操作中，用戶需先通過手機APP與系統(tǒng)進行藍牙配對，隨后可設(shè)定鬧鐘、挑選助眠音樂、查看之前的睡眠情況或更改個人信息。當(dāng)用戶睡覺時，薄膜壓力傳感器開始實時監(jiān)測用戶睡覺時的壓力，壓力數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送給移動終端設(shè)備，壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過算法處理后，用戶可在APP上查看自己的睡眠時長和睡眠質(zhì)量情況。

2.2 睡眠監(jiān)測算法

為了解決睡眠相關(guān)問題，專家將睡眠進行分期，以便更為精準地對睡眠質(zhì)量進行檢測[8]。睡眠可以分為2個關(guān)鍵階段：非快速眼動期（入睡期、淺睡期和深睡期）和快速眼動期，1個睡眠周期持續(xù)時間90～110 min，每夜通常有4～5個

睡眠周期[9]。在睡眠的不同階段，人們會產(chǎn)生不同的動作，這些動作可以通過傳感器監(jiān)測。在淺睡期，由于心率快、呼吸速率快，此時人們?nèi)菀桩a(chǎn)生比較大的肢體動作，如翻身；進入深睡期后，人們的呼吸變得緩慢，產(chǎn)生的動作比較細微，往往不明顯；在快速眼動期，人們則經(jīng)常出現(xiàn)頭部擺動等動作[10]。因此，可以使用壓力傳感器監(jiān)測用戶睡覺時壓力的變化幅度來判斷用戶的睡眠狀況。系統(tǒng)采集了1名用戶睡眠全過程的壓力數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換并繪制成圖，如圖4所示。

通過分析特定動作在一段時間內(nèi)出現(xiàn)的頻率，推斷出用戶所處的睡眠階段和持續(xù)時間，從而對用戶的睡眠質(zhì)量進行評估。此外，系統(tǒng)還可以通過讀取壓力值是否為0來計算用戶的睡眠時長。當(dāng)壓力值等于0，則判斷睡眠結(jié)束。

3 結(jié) 語

本文所設(shè)計的基于Arduino的壓力傳感智能助眠系統(tǒng)能夠為人們提供智能化助眠和睡眠質(zhì)量檢測報告，提升人們的睡眠體驗。未來，系統(tǒng)還可以與窗簾、照明燈等智能家居聯(lián)動，為用戶提供更加智能化且人性化的睡眠以及喚醒體驗。

注：本文通訊作者為畢曉琳。

參考文獻

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作者簡介：黃群娜（2004—），女，研究方向為軟件工程與物聯(lián)網(wǎng)工程。

錢禹橋（2004—），女，研究方向為軟件工程與物聯(lián)網(wǎng)工程。

畢曉琳（1997—），女，碩士，助教，研究方向為數(shù)據(jù)科學(xué)與圖像處理。

收稿日期：2024-04-18 修回日期：2024-05-21

基金項目：國家自然科學(xué)基金（61935010）；廣東省科技基金項目（2018B030323017）；廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃（2020B009922006）