睡眠環(huán)境智慧監(jiān)測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計

1、    睡眠環(huán)境智慧監(jiān)測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計    高婉瑩 胡恩澤 黃錦泉 潘瑋 孫偉偉摘 要：文中設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于51單片機(jī)以及android平臺的智慧睡眠監(jiān)測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主控芯片、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及手機(jī)app五部分。系統(tǒng)通過人工智能分析，對用戶的睡眠環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而有效預(yù)防因用戶生活壓力過大而出現(xiàn)睡眠不良的情況。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高，具有很強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：51單片機(jī);android;睡眠環(huán)境;app;數(shù)據(jù)傳輸;遠(yuǎn)程控制中圖分類號：tp272;tp319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a文章編號：2095-

2、1302（2020）11-00-040 引 言人類生命的三分之一都處在睡眠中，睡眠是人類調(diào)整新陳代謝、進(jìn)行身心恢復(fù)的重要環(huán)節(jié)。隨著生活節(jié)奏的日益加快，越來越多的人因為生活壓力而出現(xiàn)睡眠障礙。睡眠障礙是指在睡眠過程中出現(xiàn)的各種影響睡眠的異常表現(xiàn)，它因身體某系統(tǒng)的功能失調(diào)引起，能夠直接影響人類的睡眠結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及之后的恢復(fù)程度1。睡眠時間少、質(zhì)量差、不規(guī)律等情況會使人疲憊勞累、精神不振并影響食欲2。在長期睡眠不佳的情況下，人們甚至?xí)霈F(xiàn)神志混亂、暴躁不安的癥狀?；诖?，優(yōu)化睡眠環(huán)境，提高睡眠質(zhì)量對促進(jìn)人們身心健康發(fā)展具有重要作用。目前市場上的家居睡眠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有限，大多數(shù)停留在只監(jiān)測不調(diào)

3、節(jié)的階段。但環(huán)境的變化具有不確定性，若不能及時對睡眠環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，則無法從根本上保障用戶的睡眠質(zhì)量?；诖耍狙芯块_發(fā)了睡眠環(huán)境智慧監(jiān)測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)的傳感器感知及硬件控制技術(shù)，將采集到的溫濕度、光照強(qiáng)度和煙霧濃度數(shù)據(jù)上傳至app中，根據(jù)用戶上傳至數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工智能分析，從而得到優(yōu)化建議。該系統(tǒng)除能夠完成對睡眠環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測外，還實(shí)現(xiàn)了對睡眠環(huán)境的智能調(diào)節(jié)，以保障用戶睡眠環(huán)境，改善用戶睡眠質(zhì)量。1 影響睡眠的主要環(huán)境因素優(yōu)化睡眠環(huán)境是提高睡眠質(zhì)量的有效方法。通過文獻(xiàn)調(diào)研，系統(tǒng)擬對部分睡眠環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。（1）溫度經(jīng)大量實(shí)驗證明，人體最佳睡眠溫度是2022 。溫度過高，人

4、體在睡眠過程中可能會出現(xiàn)血壓升高、心慌等不良反應(yīng);溫度過低，將導(dǎo)致人體出現(xiàn)打鼾、呼吸暫停、嗜睡等癥狀。因此，將溫度維持在最適溫度是本系統(tǒng)的核心功能之一。（2）濕度最適合人體的環(huán)境濕度為45 %rh75 %rh，若濕度過高，短時間內(nèi)會導(dǎo)致人體濕熱、乏力，長時間甚至?xí)?dǎo)致風(fēng)濕病和支氣管炎等疾病的發(fā)生;若濕度過低，則會讓人體產(chǎn)生口渴、皮膚干燥、眼睛干澀等不良反應(yīng)，也不利于人體的睡眠。（3）光照強(qiáng)度過于明亮的環(huán)境可能會引起失眠。英國生理學(xué)報告雜志上發(fā)表的一項研究顯示，褪黑素是一種能夠促進(jìn)睡眠的荷爾蒙，而睡眠時暴露在明亮光線下可能導(dǎo)致人體停止生成褪黑素，進(jìn)而影響睡眠質(zhì)量，引發(fā)失眠問題。（4）空氣粉塵濃度

5、調(diào)查結(jié)果顯示，接觸二氧化氮和pm2.5顆粒越多，睡眠效率低下的可能性越大。美國華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)助理教授馬莎·比林斯說：“人的鼻子、鼻竇和嗓子后部都會受到這些污染物的刺激，因此可能導(dǎo)致睡眠中斷，還有呼吸問題?！北攘炙惯€說，污染物進(jìn)入血液可能對大腦產(chǎn)生影響，并影響呼吸的穩(wěn)定。所以，減少空氣中的顆粒也是提高睡眠質(zhì)量的有效途徑之一。2 系統(tǒng)總體設(shè)計本系統(tǒng)以優(yōu)化睡眠環(huán)境、提高睡眠質(zhì)量為初衷，主要針對普通家庭用戶和醫(yī)院病房。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由主控模塊、數(shù)據(jù)捕捉模塊、存儲模塊、顯示模塊、傳輸模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和android 客戶端模塊組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件部分主要由

6、主控模塊、數(shù)據(jù)捕捉模塊、傳輸模塊、存儲模塊和顯示模塊組成3。3.1 主控模塊設(shè)計系統(tǒng)采用stc89c51單片機(jī)作為主控模塊，外圍搭載了數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)捕捉模塊、存儲模塊和顯示模塊，其作用是控制各模塊間的數(shù)據(jù)交互和轉(zhuǎn)換4。將stc89c51單片機(jī)作為連接dht11溫濕度傳感器、蜂鳴器、lcd1602顯示屏、csr8635藍(lán)牙模塊和esp8266 wifi模塊等部件的橋梁，協(xié)助完成各模塊間的數(shù)據(jù)交互和轉(zhuǎn)換。其中，dht11溫濕度傳感器連接p3.7引腳，蜂鳴器連接p2.3引腳，lcd1602顯示屏連接p0引腳，esp8266連接p3.0和p3.1引腳。stc89c51單片機(jī)原理如圖2所示5。3.2

7、 數(shù)據(jù)捕捉模塊設(shè)計該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由dht11溫濕度傳感器、mq-2煙霧傳感器和bh1750光照強(qiáng)度傳感器組成。將傳感器采集的非電量信息，如溫濕度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度等轉(zhuǎn)換成電壓值，再通過a/d轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。dht11溫濕度傳感器內(nèi)部鑲嵌的ntc測溫元件用于測量溫度，電阻式感濕元件用于測量濕度。該溫濕度傳感器具有快速響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢。mq-2煙霧傳感器多被用于家庭和工廠，意在監(jiān)測粉塵濃度或監(jiān)測pm2.5的濃度。該傳感器具有壽命長、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。bh1750光照強(qiáng)度傳感器多被電子產(chǎn)品如手機(jī)、電腦、數(shù)碼攝像機(jī)等使用，其具有依賴光源性弱、反應(yīng)靈敏、誤差小等優(yōu)點(diǎn)。3.3 傳輸模塊設(shè)計本系

8、統(tǒng)采用的esp8266 wifi數(shù)據(jù)傳輸模塊使用串口通信協(xié)議與單片機(jī)通信，其無線傳輸速率可達(dá)150 mb/s，信道共有14個，頻率范圍為2.4 ghz2.483 5 ghz，發(fā)射功率為1215 dbm，其串口波特率在1 200230 400 b/s之間，工作溫度為-2070 。該模塊的工作電壓為3.3 v，但單片機(jī)為5 v供電，為了使電源兼容，本設(shè)計通過兩個二極管將5 v電壓降壓到3.3 v后供esp8266 wifi模塊使用，電路如圖3所示6。3.4 存儲模塊設(shè)計本系統(tǒng)選用at24c02作為數(shù)據(jù)存儲模塊，其可將wifi模塊收到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)外圍傳感器捕捉到的數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時存儲。本設(shè)計中使用的at

9、24c02芯片直接將a0，a1，a2及wp寫保護(hù)引腳連接到gnd，方便讀/寫操作。at24c02電路如圖4所示7。3.5 顯示模塊設(shè)計本系統(tǒng)采用lcd1602顯示屏作為數(shù)據(jù)顯示模塊。單片機(jī)發(fā)送指令到lcd1602就能夠完成清屏、開關(guān)顯示等特定功能?？刂苐cd1602液晶顯示器只對lcd1602進(jìn)行讀狀態(tài)、寫指令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)操作即可，具體操作對應(yīng)的引腳電平見表1所列。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件部分主要由控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和android客戶端模塊組成。4.1 控制模塊設(shè)計首先對單片機(jī)、傳輸模塊和顯示模塊進(jìn)行初始化，讀取存儲模塊（at24c02）中的數(shù)據(jù)，并檢查按鍵與wifi模塊是否可以正常工

10、作。若均可正常工作，則開始讀取數(shù)據(jù)，并通過wifi對存儲在at24c02中的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互;若無法正常工作，則lcd顯示設(shè)置界面，并重新檢查模塊的工作狀態(tài)。4.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計由于需要采集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，所以本文選用mysql數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫要存儲的數(shù)據(jù)主要分為兩個部分，一是app注冊及登錄所需的用戶名及密碼信息;二是采集的數(shù)據(jù)信息。采集的數(shù)據(jù)分為編號（id），表名（table-name），節(jié)點(diǎn)編號（node-no），傳感器類型（type），數(shù)值（data），時間（time），具體見表2，表3所列。捕捉的數(shù)據(jù)會及時上傳至云端存儲，一段時間后，本地數(shù)據(jù)將被刪除，以減少數(shù)據(jù)在本地需要占用的存

11、儲空間，同時保障數(shù)據(jù)不會因操作失誤而丟失。4.3 android客戶端設(shè)計用戶借助android客戶端可手機(jī)遠(yuǎn)程查看環(huán)境的溫濕度、煙塵濃度等數(shù)據(jù)，方便用戶以數(shù)據(jù)的形式更加直觀地了解自身所處環(huán)境的質(zhì)量，從而判斷是否需要進(jìn)行人為調(diào)整，以便獲得更優(yōu)質(zhì)的睡眠環(huán)境。app的具體設(shè)計思路：建立連接，第一次建立連接時需要輸入ip地址和端口號登錄，登錄后即可打開或關(guān)閉繼電器，實(shí)時接收環(huán)境數(shù)據(jù)。連接界面如圖5所示。用戶可根據(jù)自身的實(shí)際情況，設(shè)置最適合自己的睡眠環(huán)境參數(shù)區(qū)間。人體的最佳睡眠溫度區(qū)間為2022 ，若環(huán)境溫度不處于該區(qū)間，則系統(tǒng)自動調(diào)整，將溫度維持在最佳范圍。濕度和煙塵濃度同理。系統(tǒng)可根據(jù)用戶長時間的

12、設(shè)置習(xí)慣，結(jié)合大數(shù)據(jù)的底層支持，綜合分析后給予用戶合理的建議，提供最適合用戶的睡眠環(huán)境。5 系統(tǒng)使用步驟與功能測試在記錄ip地址和端口號后，app與系統(tǒng)底板成功對接，一旦環(huán)境發(fā)生變化，系統(tǒng)都會向app返回最新一次數(shù)據(jù)以達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的效果。通過app上的按鈕也可以遠(yuǎn)程控制家居空氣設(shè)備，提前營造優(yōu)質(zhì)的睡眠環(huán)境。5.1 遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制用戶通過app連接系統(tǒng)后，可以通過app查看當(dāng)前睡眠環(huán)境的具體情況（濕度、溫度、粉塵濃度、光照強(qiáng)度）。如果用戶此時不在家中，可以通過app遠(yuǎn)程控制空氣設(shè)備提前進(jìn)行環(huán)境優(yōu)化。遠(yuǎn)程控制界面如圖6所示。5.2 智能調(diào)節(jié)用戶可以根據(jù)自身的實(shí)際情況在app中設(shè)置最適合自己的睡眠優(yōu)

13、化方案，也可同時設(shè)置溫度、濕度、粉塵濃度、光照強(qiáng)度的最適區(qū)間。若這四種參數(shù)有一種或者多種不在最適范圍內(nèi)，與系統(tǒng)相連的外圍設(shè)備開始工作，使環(huán)境保持最優(yōu)。例如：某用戶提前將溫度設(shè)置為2224 ，若深夜降溫后，溫度低于22 ，那么便會觸發(fā)空調(diào)運(yùn)作，使溫度回升至2224 區(qū)間。濕度、粉塵濃度、光照強(qiáng)度同理。5.3 智能分析用戶使用三次及以上后，系統(tǒng)會進(jìn)行綜合ai分析，把用戶習(xí)慣設(shè)置的溫度、濕度、粉塵濃度、光照強(qiáng)度與總數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一一比對，并結(jié)合醫(yī)學(xué)常識給用戶推薦更加健康、安全的環(huán)境優(yōu)化方案。pc端控制窗口界面如圖7所示，app溫濕度顯示界面如圖8所示，智能分析界面如圖9所示。6 結(jié) 語本設(shè)計基于大數(shù)

14、據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了睡眠環(huán)境智慧監(jiān)測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用感知設(shè)備可以對捕捉的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，給予用戶最適合自身的環(huán)境優(yōu)化建議。用戶可以通過app遠(yuǎn)程控制與系統(tǒng)相連的空氣設(shè)備，從而達(dá)到提前營造優(yōu)質(zhì)睡眠環(huán)境的目的。本系統(tǒng)以用戶提前設(shè)置的參數(shù)區(qū)間對當(dāng)前溫濕度等參數(shù)進(jìn)行智能化調(diào)整，讓睡眠環(huán)境長時間處于較佳狀態(tài)，從而有效提高使用者的睡眠質(zhì)量。注：本文通訊作者為潘瑋。參考文獻(xiàn)1黃美夢，董光輝.學(xué)齡兒童睡眠障礙與環(huán)境因素關(guān)系的研究進(jìn)展j.環(huán)境與健康雜志，2014，31（6）：560-564.2沈芳，丁小容，何承元，等.成人阻塞性睡眠呼吸暫?；颊呱钯|(zhì)量的研究進(jìn)展j.中國護(hù)理管理，2019，19（11）：1742-1747.3高延超，王九龍，王悅.一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的宇航智能家居系統(tǒng)設(shè)計j.載人航天，2018，24（4）：541-545.4鄭江送，徐建軍，李世中，等.運(yùn)用單片機(jī)及gsm模塊的遠(yuǎn)程溫度采集系統(tǒng)設(shè)計j.現(xiàn)代制造工程，2012，35（11）：84-86.5梁金鑫，劉海英，王蘭超，等.基于51單片機(jī)的智能大棚卷簾機(jī)控制系統(tǒng)j.齊魯工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，33（6）：69-73.6姚星宇，王春梅，郭宗昊，等.基于gprs與esp8266的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程煙霧報警器j.電子世界，2019，41（2