高婉瑩 胡恩澤 黃錦泉 潘瑋 孫偉偉

摘 要：文中設計并實現了一種基于51單片機以及Android平臺的智慧睡眠監(jiān)測與調節(jié)系統。該系統包括主控芯片、數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據顯示模塊及手機APP五部分。系統通過人工智能分析，對用戶的睡眠環(huán)境進行調節(jié)，從而有效預防因用戶生活壓力過大而出現睡眠不良的情況。測試結果表明：該系統性能穩(wěn)定，測量精度高，具有很強的推廣應用價值。

關鍵詞：51單片機;Android;睡眠環(huán)境;APP;數據傳輸;遠程控制

中圖分類號：TP272;TP319文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

人類生命的三分之一都處在睡眠中，睡眠是人類調整新陳代謝、進行身心恢復的重要環(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睡眠障礙。睡眠障礙是指在睡眠過程中出現的各種影響睡眠的異常表現，它因身體某系統的功能失調引起，能夠直接影響人類的睡眠結構、質量及之后的恢復程度[1]。睡眠時間少、質量差、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，人們甚至會出現神志混亂、暴躁不安的癥狀?；诖?，優(yōu)化睡眠環(huán)境，提高睡眠質量對促進人們身心健康發(fā)展具有重要作用。

目前市場上的家居睡眠環(huán)境監(jiān)測系統實現的功能有限，大多數停留在只監(jiān)測不調節(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)境進行調節(jié)，則無法從根本上保障用戶的睡眠質量?；诖?，本研究開發(fā)了睡眠環(huán)境智慧監(jiān)測與調節(jié)系統，該系統基于大數據的傳感器感知及硬件控制技術，將采集到的溫濕度、光照強度和煙霧濃度數據上傳至APP中，根據用戶上傳至數據庫中的數據進行人工智能分析，從而得到優(yōu)化建議。該系統除能夠完成對睡眠環(huán)境的實時監(jiān)測外，還實現了對睡眠環(huán)境的智能調節(jié)，以保障用戶睡眠環(huán)境，改善用戶睡眠質量。

1 影響睡眠的主要環(huán)境因素

優(yōu)化睡眠環(huán)境是提高睡眠質量的有效方法。通過文獻調研，系統擬對部分睡眠環(huán)境因素進行調節(jié)。

（1）溫度

經大量實驗證明，人體最佳睡眠溫度是20～22 ℃。溫度過高，人體在睡眠過程中可能會出現血壓升高、心慌等不良反應;溫度過低，將導致人體出現打鼾、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的核心功能之一。

（2）濕度

最適合人體的環(huán)境濕度為45 %RH～75 %RH，若濕度過高，短時間內會導致人體濕熱、乏力，長時間甚至會導致風濕病和支氣管炎等疾病的發(fā)生;若濕度過低，則會讓人體產生口渴、皮膚干燥、眼睛干澀等不良反應，也不利于人體的睡眠。

（3）光照強度

過于明亮的環(huán)境可能會引起失眠。英國《生理學報告》雜志上發(fā)表的一項研究顯示，褪黑素是一種能夠促進睡眠的荷爾蒙，而睡眠時暴露在明亮光線下可能導致人體停止生成褪黑素，進而影響睡眠質量，引發(fā)失眠問題。

（4）空氣粉塵濃度

調查結果顯示，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。美國華盛頓大學醫(yī)學助理教授馬莎·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，因此可能導致睡眠中斷，還有呼吸問題。”比林斯還說，污染物進入血液可能對大腦產生影響，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量的有效途徑之一。

2 系統總體設計

本系統以優(yōu)化睡眠環(huán)境、提高睡眠質量為初衷，主要針對普通家庭用戶和醫(yī)院病房。系統整體結構由主控模塊、數據捕捉模塊、存儲模塊、顯示模塊、傳輸模塊、控制模塊、數據庫模塊和Android 客戶端模塊組成。

系統組成如圖1所示。

3 系統硬件設計

系統硬件部分主要由主控模塊、數據捕捉模塊、傳輸模塊、存儲模塊和顯示模塊組成[3]。

3.1 主控模塊設計

系統采用STC89C51單片機作為主控模塊，外圍搭載了數據傳輸模塊、數據捕捉模塊、存儲模塊和顯示模塊，其作用是控制各模塊間的數據交互和轉換[4]。將STC89C51單片機作為連接DHT11溫濕度傳感器、蜂鳴器、LCD1602顯示屏、CSR8635藍牙模塊和ESP8266 WiFi模塊等部件的橋梁，協助完成各模塊間的數據交互和轉換。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單片機原理如圖2所示[5]。

3.2 數據捕捉模塊設計

該系統的數據采集模塊由DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器和BH1750光照強度傳感器組成。將傳感器采集的非電量信息，如溫濕度、煙霧濃度、光照強度等轉換成電壓值，再通過A/D轉換成數字量。

DHT11溫濕度傳感器內部鑲嵌的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、抗干擾能力強等優(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。

BH1750光照強度傳感器多被電子產品如手機、電腦、數碼攝像機等使用，其具有依賴光源性弱、反應靈敏、誤差小等優(yōu)點。

3.3 傳輸模塊設計

本系統采用的ESP8266 WiFi數據傳輸模塊使用串口通信協議與單片機通信，其無線傳輸速率可達150 Mb/s，信道共有14個，頻率范圍為2.4 GHz～2.483 5 GHz，發(fā)射功率為12～15 dBm，其串口波特率在1 200～230 400 b/s之間，工作溫度為-20～70 ℃。該模塊的工作電壓為3.3 V，但單片機為5 V供電，為了使電源兼容，本設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 存儲模塊設計

本系統選用AT24C02作為數據存儲模塊，其可將WiFi模塊收到的數據與系統外圍傳感器捕捉到的數據進行臨時存儲。

本設計中使用的AT24C02芯片直接將A0，A1，A2及WP寫保護引腳連接到GND，方便讀/寫操作。AT24C02電路如圖4所示[7]。

3.5 顯示模塊設計

本系統采用LCD1602顯示屏作為數據顯示模塊。單片機發(fā)送指令到LCD1602就能夠完成清屏、開關顯示等特定功能?？刂芁CD1602液晶顯示器只對LCD1602進行讀狀態(tài)、寫指令、讀數據、寫數據操作即可，具體操作對應的引腳電平見表1所列。

4 系統軟件設計

系統軟件部分主要由控制模塊、數據庫模塊和Android客戶端模塊組成。

4.1 控制模塊設計

首先對單片機、傳輸模塊和顯示模塊進行初始化，讀取存儲模塊（AT24C02）中的數據，并檢查按鍵與WiFi模塊是否可以正常工作。若均可正常工作，則開始讀取數據，并通過WiFi對存儲在AT24C02中的數據進行交互;若無法正常工作，則LCD顯示設置界面，并重新檢查模塊的工作狀態(tài)。

4.2 數據庫設計

由于需要采集的數據結構并不復雜，所以本文選用MySQL數據庫存儲數據。數據庫要存儲的數據主要分為兩個部分，一是APP注冊及登錄所需的用戶名及密碼信息;二是采集的數據信息。采集的數據分為編號（id），表名（table-name），節(jié)點編號（node-no），傳感器類型（type），數值（data），時間（time），具體見表2，表3所列。捕捉的數據會及時上傳至云端存儲，一段時間后，本地數據將被刪除，以減少數據在本地需要占用的存儲空間，同時保障數據不會因操作失誤而丟失。

4.3 Android客戶端設計

用戶借助Android客戶端可手機遠程查看環(huán)境的溫濕度、煙塵濃度等數據，方便用戶以數據的形式更加直觀地了解自身所處環(huán)境的質量，從而判斷是否需要進行人為調整，以便獲得更優(yōu)質的睡眠環(huán)境。

APP的具體設計思路：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閉繼電器，實時接收環(huán)境數據。連接界面如圖5所示。

用戶可根據自身的實際情況，設置最適合自己的睡眠環(huán)境參數區(qū)間。人體的最佳睡眠溫度區(qū)間為20～22 ℃，若環(huán)境溫度不處于該區(qū)間，則系統自動調整，將溫度維持在最佳范圍。濕度和煙塵濃度同理。

系統可根據用戶長時間的設置習慣，結合大數據的底層支持，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 系統使用步驟與功能測試

在記錄IP地址和端口號后，APP與系統底板成功對接，一旦環(huán)境發(fā)生變化，系統都會向APP返回最新一次數據以達到實時監(jiān)控的效果。通過APP上的按鈕也可以遠程控制家居空氣設備，提前營造優(yōu)質的睡眠環(huán)境。

5.1 遠程監(jiān)測與控制

用戶通過APP連接系統后，可以通過APP查看當前睡眠環(huán)境的具體情況（濕度、溫度、粉塵濃度、光照強度）。如果用戶此時不在家中，可以通過APP遠程控制空氣設備提前進行環(huán)境優(yōu)化。遠程控制界面如圖6所示。

5.2 智能調節(jié)

用戶可以根據自身的實際情況在APP中設置最適合自己的睡眠優(yōu)化方案，也可同時設置溫度、濕度、粉塵濃度、光照強度的最適區(qū)間。若這四種參數有一種或者多種不在最適范圍內，與系統相連的外圍設備開始工作，使環(huán)境保持最優(yōu)。例如：某用戶提前將溫度設置為22～24 ℃，若深夜降溫后，溫度低于22 ℃，那么便會觸發(fā)空調運作，使溫度回升至22～24 ℃區(qū)間。濕度、粉塵濃度、光照強度同理。

5.3 智能分析

用戶使用三次及以上后，系統會進行綜合AI分析，把用戶習慣設置的溫度、濕度、粉塵濃度、光照強度與總數據庫中的數據一一比對，并結合醫(yī)學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 語

本設計基于大數據技術實現了睡眠環(huán)境智慧監(jiān)測與調節(jié)系統，利用感知設備可以對捕捉的數據進行綜合分析處理，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遠程控制與系統相連的空氣設備，從而達到提前營造優(yōu)質睡眠環(huán)境的目的。本系統以用戶提前設置的參數區(qū)間對當前溫濕度等參數進行智能化調整，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量。

注：本文通訊作者為潘瑋。

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