葛 垚，陸新晨，梁凌峰，金斯伊，楊 柳

(南京工程學(xué)院 通信工程系，江蘇 南京 211167)

基于Android智能手機(jī)客戶端的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛 垚，陸新晨，梁凌峰，金斯伊，楊 柳

(南京工程學(xué)院 通信工程系，江蘇 南京 211167)

為了更方便地監(jiān)測(cè)個(gè)人的睡眠情況，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種小型低成本、簡(jiǎn)易便攜的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有睡眠環(huán)境信息和人體自身的信息2部分。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由STC516RD+單片機(jī)與外圍模塊2部分構(gòu)成，通過(guò)無(wú)線模塊將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到Android系統(tǒng)智能手機(jī)客戶端，繪制顯示環(huán)境和人體信息的變化曲線，根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)分析給出了睡眠質(zhì)量。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地對(duì)睡眠環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確地顯示數(shù)據(jù)曲線。

單片機(jī);Android;睡眠環(huán)境;人體信息

0 引言

睡眠質(zhì)量直接影響到個(gè)人的生活、工作狀態(tài)和身體健康［1］。目前，各種數(shù)據(jù)均表明國(guó)人的睡眠質(zhì)量在日益下降，而睡眠質(zhì)量的下降由多種因素引起，恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整這些因素，可以提高個(gè)人的睡眠質(zhì)量［2］。目前，市場(chǎng)上和醫(yī)學(xué)上使用的專業(yè)睡眠監(jiān)測(cè)儀器成本高，測(cè)量方式復(fù)雜，很難為個(gè)人提供長(zhǎng)期、便利的監(jiān)測(cè)服務(wù)。本文設(shè)計(jì)注重測(cè)量睡眠環(huán)境的關(guān)鍵因素，降低成本，旨在設(shè)計(jì)一個(gè)準(zhǔn)確可靠、方便操作、可長(zhǎng)周期地進(jìn)行睡眠監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)［3］，并能高效地反應(yīng)睡眠時(shí)環(huán)境因素的變化，對(duì)環(huán)境的調(diào)整做出引導(dǎo)［4］。

1 總體設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由前端監(jiān)測(cè)和客戶端基于Android系統(tǒng)的應(yīng)用2部分構(gòu)成［5］，其中前端監(jiān)測(cè)部分包括環(huán)境監(jiān)測(cè)的噪聲、溫度、濕度和光強(qiáng)度監(jiān)測(cè)模塊，人體生理特征的心率、震動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊以及相應(yīng)的控制模塊和無(wú)線發(fā)送模塊等［6］，如圖1所示。

圖1 睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架

1．1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)能夠記錄的睡眠環(huán)境因素包括溫度、濕度和光強(qiáng)度，人體信息包括心率和打鼾及翻身等動(dòng)作的發(fā)生次數(shù)。

1．1．1 控制模塊

控制模塊采用型號(hào)為 STC90C516RD+的單片機(jī)，利用其定時(shí)器，外部中斷，串口通信的功能搭配其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、保存和發(fā)送。STC90C516RD+系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代單片機(jī)，具有抗干擾、高速和低功耗的特點(diǎn)。工作頻率范圍為0～40 MHz，相當(dāng)于普通8051單片機(jī)的0～80 MHz。對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，普通8051單片機(jī)用戶應(yīng)用程序空間不足，而STC90C516RD+單片機(jī)的空間為最大為61 KB，滿足需求。

1．1．2 心率監(jiān)測(cè)模塊

心率測(cè)量模塊采用了松恩電子有限公司生產(chǎn)的SON1303光電式心率傳感器，其內(nèi)部集成高科技納米涂層環(huán)境光檢測(cè)傳感器，過(guò)濾不需要的光源，減少由其他光源干擾的誤判動(dòng)作，準(zhǔn)確度高?？煞胖糜谌梭w各部位測(cè)試人體心率和脈搏，增強(qiáng)了實(shí)用性。

1．1．3 溫度監(jiān)測(cè)模塊

溫度測(cè)量模塊采用DS18B20傳感器，與主控芯片之間采用單總線方式進(jìn)行通信。美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器具有體積小、硬件開(kāi)銷低、抗干擾能力強(qiáng)和精度高的特點(diǎn)，測(cè)溫范圍－55～+125℃，固有測(cè)溫誤差1℃，滿足本系統(tǒng)在室內(nèi)應(yīng)用的溫度范圍。

1．1．4 濕度監(jiān)測(cè)模塊

DHT11是廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的一款濕度溫度一體化的數(shù)字傳感器。該傳感器包括一個(gè)電阻式測(cè)濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，由于其溫度測(cè)量精度不如DS18B20，所以僅用來(lái)測(cè)試濕度數(shù)據(jù)。

1．1．5 光強(qiáng)度監(jiān)測(cè)模塊

光強(qiáng)度測(cè)量采用了TSL2561傳感器。TSL2561是由TAOS公司生產(chǎn)的高速、低功耗、寬量程和可編程靈活配置的光強(qiáng)傳感器芯片，能夠自動(dòng)抑制50 Hz/60 Hz的光照波動(dòng)，共有4種封裝:PACKAGE CS6-LEAD CHIPSCALE、PACKAGE T 6-LEAD TMB、PACKAGE FNDUAL FLAT NO-LEAD和PACKAGE CL6-LEAD ChipLED。對(duì)于4種封裝，有2種計(jì)算光強(qiáng)度的方法。本次設(shè)計(jì)采用的是 PACKAGE T 6-LEAD TMB封裝。

1．1．6 噪聲和震動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊

聲音傳感器和震動(dòng)傳感器這2個(gè)傳感器根據(jù)閾值來(lái)判斷情況是否發(fā)生，給出相應(yīng)的信號(hào)。閾值由模塊上的電位器調(diào)節(jié)。

1．1．7 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊采用Sumsung公司生產(chǎn)的2 G容量的MicroSD Card和SD卡讀寫(xiě)電路，可以保存長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)。在 Android客戶端發(fā)出獲取數(shù)據(jù)命令后，能夠讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送。

1．1．8 無(wú)線模塊發(fā)送模塊

考慮了連接多個(gè)客戶端的情況，無(wú)線通信方式選擇了WiFi，使用的是ESP8266模塊。ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠搭載軟件應(yīng)用，或通過(guò)另一個(gè)應(yīng)用處理器卸載所有WiFi網(wǎng)絡(luò)功能。ESP8266在搭載應(yīng)用并作為設(shè)備中唯一的應(yīng)用處理器時(shí)，能夠直接從外接閃存中啟動(dòng)。內(nèi)置的高速緩沖存儲(chǔ)器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。

1．2 軟件設(shè)計(jì)

睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括硬件前端驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)和 Android客戶端的應(yīng)用程序編寫(xiě) 2部分。

1．2．1 硬件前端程序設(shè)計(jì)

睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分由主程序和若干中斷服務(wù)程序構(gòu)成［7］，程序流程如圖2和圖3所示。

圖2 前端軟件主流程

圖3 前端軟件中斷流程

上電之后的初始化過(guò)程包括中斷的初始化、噪聲判別、震動(dòng)判別和連接判別，分別對(duì)應(yīng)于單片機(jī)的外部中斷0、外部中斷1和串口中斷。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)。測(cè)量溫度、濕度、光強(qiáng)度和數(shù)據(jù)在主程序中進(jìn)行。測(cè)量心率時(shí)用到了定時(shí)器的定時(shí)功能，將定時(shí)時(shí)間作為一個(gè)周期，在周期內(nèi)測(cè)量心跳次數(shù)，在周期結(jié)束時(shí)換算成心率。

心率計(jì)算方式為:心率=周期內(nèi)的心跳次數(shù)÷周期長(zhǎng)度×60。

周期的時(shí)長(zhǎng)可以通過(guò)客戶端進(jìn)行修改。如周期設(shè)置為10 s，在周期內(nèi)測(cè)得心跳次數(shù)為11次，則心率為:11÷10×60=66(次/min)。

1．2．2 Android客戶端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

客戶端的設(shè)計(jì)目的是通過(guò)Android軟件與前端建立TCP通信［8］，獲取前端測(cè)得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、呈現(xiàn)并能通過(guò)客戶端控制前端的測(cè)量周期?？蛻舳说脑O(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)的分析是為了將每幀的各種數(shù)據(jù)分離，形成每種數(shù)據(jù)的多個(gè)離散值。分析完成后，用SharePreference將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文件中［9］，并用HelloCharts圖表庫(kù)提供的接口進(jìn)行繪圖［10］。

圖4 客戶端軟件流程

2 需要解決的問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)

2．1 光強(qiáng)度的精確測(cè)量

由于睡眠時(shí)通常為無(wú)光環(huán)境或弱光環(huán)境，所以光強(qiáng)度在0～10 Lux內(nèi)的測(cè)量精度就尤其重要。本次設(shè)計(jì)采用的光強(qiáng)度測(cè)量芯片 TSL2561是PACKAGE T 6-LEAD TMB封裝，可以讀出 CH0、CH1兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)。根據(jù)讀出的2個(gè)數(shù)，具體的光強(qiáng)度計(jì)算公式如下:

當(dāng) 0＜CH1/CH0≤ 0．50時(shí)，Lux=0．0304×CH0－0．062× CH0×((CH1/CH0)1．4);

當(dāng)0．50＜CH1/CH0≤0．61時(shí)，Lux=0．0224×CH0－0．031 ×CH1;

當(dāng) 0．61＜CH1/CH0≤ 0．80時(shí)，Lux=0．0128×CH0－0．0153×CH1;

當(dāng) 0．80＜CH1/CH0≤ 1．30時(shí)，Lux=0．00146×CH0－0．00112×CH1;

當(dāng)CH1/CH0＞1．30時(shí)，Lux=0。

2．2 傳輸協(xié)議的制定

綜合考慮數(shù)據(jù)的測(cè)量周期、SD卡的存儲(chǔ)效率、WiFi的通信效率、Android客戶端對(duì)接收數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)效率，制訂了一種方便存儲(chǔ)與解析，發(fā)送效率較高的通信協(xié)議。

將一次測(cè)量的數(shù)據(jù)封裝成為一個(gè)數(shù)據(jù)幀，為了方便測(cè)量數(shù)據(jù)的增加和對(duì)SD卡的讀寫(xiě)，定義數(shù)據(jù)幀的大小為32 Bytes［11］，格式組成如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

為方便客戶端解析，在每種數(shù)據(jù)后面添加符號(hào)‘－’，將每幀的最后一個(gè)字節(jié)寫(xiě)入符號(hào)‘E’。將剩下的字節(jié)填充符號(hào)‘*’。如封裝的一幀為:21．6－4．2－72．0－65－04－01－＊＊＊＊＊＊＊＊E，則表示測(cè)量的溫度為 21．6℃，光強(qiáng)度為 4．2 Lux，心率為72．0次/min，濕度為65%，周期內(nèi)的噪聲出現(xiàn)4次，震動(dòng)出現(xiàn)1次。

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及應(yīng)用分析

將制作的電路板焊接完成，上電后，經(jīng)過(guò)約5 s的初始化，開(kāi)始循環(huán)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，如圖5所示，同時(shí)作為服務(wù)器等待WIFI連接。每構(gòu)成512組數(shù)據(jù)幀，就將其一次性寫(xiě)入SD卡。SD的2 G容量，足夠存儲(chǔ)一次完整的睡眠過(guò)程數(shù)據(jù)。當(dāng)Android客戶端進(jìn)行TCP連接成功，指示燈亮起，服務(wù)器將SD卡中的數(shù)據(jù)和還未存入SD卡中的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端應(yīng)用程序進(jìn)行繪圖顯示，如圖6所示。

最終完成的系統(tǒng)大小為14 cm×10 cm×5 cm。達(dá)到了輕型、便攜的要求。相比于目前市場(chǎng)上的小米手環(huán)等僅關(guān)注人體狀況的輔助睡眠硬件，此系統(tǒng)能夠更全面地監(jiān)測(cè)睡眠環(huán)境。通過(guò)與互聯(lián)網(wǎng)查詢的天氣數(shù)據(jù)(溫度、濕度)、專業(yè)心率測(cè)試儀的測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)噪聲、震動(dòng)情況的人為記錄對(duì)比，此系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)基本保持一致。

圖5 睡眠環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)

圖6 顯示界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)構(gòu)建了輕型的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲取的人體動(dòng)作和睡眠環(huán)境數(shù)據(jù)有確實(shí)的應(yīng)用價(jià)值，能夠迎合人們對(duì)高質(zhì)量睡眠的呼吁。但在如宿舍等集體睡眠的環(huán)境下，一個(gè)人打鼾產(chǎn)生的噪聲會(huì)對(duì)他人的睡眠造成很大障礙。本系統(tǒng)還加了可開(kāi)關(guān)的微型風(fēng)扇，當(dāng)打鼾情況較為嚴(yán)重時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)片刻，產(chǎn)生微風(fēng)吹向發(fā)聲者，造成輕微的抑制效果，希望在不吵醒發(fā)聲者的情況下，保證他人的睡眠。但是實(shí)際測(cè)試結(jié)果欠佳。因此，集體環(huán)境下合理有效地保證睡眠質(zhì)量的方案還有待下一步研究。

［1］ 林榮茂，嚴(yán)由偉，唐向東．近15年中國(guó)青少年學(xué)生匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)調(diào)查結(jié)果的元分析［J］．中國(guó)心理衛(wèi)生雜志，2010(11):839－844．

［2］ 童 萍，吳承紅．大學(xué)生睡眠質(zhì)量與健康狀況的相關(guān)研究［J］．中國(guó)健康心理學(xué)雜志，2010(2):181－184．

［3］ 歐 瓊，高興林，鄭勤偉，等．便攜式睡眠監(jiān)測(cè)與多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)兩種方法的應(yīng)用比較［J］．國(guó)際呼吸雜志，2005 (8):561－562．

［4］ 張孝林，張翰博．智慧家居解決方案分析［J］．移動(dòng)通信，2014，38(21):38－41．

［5］ 馮艷紅，何加銘，楊任爾，等．基于 Android技術(shù)的社區(qū)服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．移動(dòng)通信，2014，38(5):90－93．

［6］ 張毅剛．單片機(jī)原理及接口技術(shù)(C51編程)［M］．北京:人民郵電出版社，2011．

［7］ 徐愛(ài)鈞．Keil C51單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言應(yīng)用編程技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2015．

［8］ 尹圣雨．TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程［M］．北京:人民郵電出版社，2014．

［9］ 何紅輝，關(guān)愛(ài)民．Android源碼設(shè)計(jì)模式解析與實(shí)戰(zhàn)［M］．北京:人民郵電出版社，2015．

［10］黃彬華．Android 5．X App開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2016．

［11］于振南．嵌入式FAT32文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2014．

Design on Sleep Monitoring System Based on Android Platfrom

GE Yao，LU Xin-chen，LIANG Ling-feng，JIN Si-yi，YANG Liu
(Communication Engineering Department，Nanjing Institute of Technology，Nanjing Jiangsu 211167，China)

In order to monitor conveniently the personal sleeping condition，this paper designs and implements a small-scale，simple and portable sleep monitor system．The monitoring data include information of sleep environment and human body．The system is composed of STC516RD+MCU and external module．The monitored data is sent to the Android smart phone client through wireless module，and the curve about environment and body information is drawn．The sleep quality is obtained based on relative data analysis．The test resuls show that this system can monitor reliably the sleep environment for a long time，and draw the data curve accurately．

MCU;Android;sleeping environment;body information

TP277

A

1003－3106(2017)02－0007－04

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．02

葛 垚，陸新晨，梁凌峰，等．基于Android智能手機(jī)客戶端的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．無(wú)線電工程，2017，47(2):7－10．

2016-11-05

南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(TB201606043)。

葛 垚男，(1995—)，本科。主要研究方向:網(wǎng)絡(luò)通信。

陸新晨男，(1994—)，本科。主要研究方向:網(wǎng)絡(luò)通信。