基于单片机的智能睡眠监测系统设计
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作者:白娜 李文举 任少丙
摘要：本系统利用物联网D1 WiFi开发平台结合薄膜微动传感器、声音检测传感器、心电图传感器、心率脉搏传感器、血氧浓度传感器构建电路，实现对人体睡眠过程中的呼吸、心跳、体动、鼾声、心电图等信息的采集。采集到的睡眠数据通过无线传输模块上传至云服务器，进行睡眠质量分析，并将分析结果返回至移动终端，用户利用手机App可以随时随地查看睡眠质量分析数据。
关键词：睡眠监测;物联网;单片机技术;无线通信
0引言
随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始关注睡眠健康。通过新兴物联网思维帮助人们解决睡眠质量问题，对人们的睡眠过程进行数据监测，并且通过科学的数据分析，为人们提供睡眠健康指导分析是非常有必要的。本文提出的基于单片机的智能睡眠监测系统是利用传感器对睡眠过程中的5种数据进行实时监测和统计，再通过数据整合后，上传至服务器，经过数据分析与数据转发后，通过移动终端App向人们传达睡眠过程分析结果，帮助人们及时关注自己的睡眠情况，通过分析结果，判断是否出现睡眠障碍问题，并以此来帮助改善睡眠[1-3]。
1系统的整体方案设计
本设计提出的基于单片机的智能睡眠监测系统主要由硬件端睡眠数据监测部分、云服务端数据处理部分和移动App终端三大部分组成。
1.1整体设计方案
本文提出了一种结合非接触式和接触式监测两者优点的新型智能睡眠监测系统。通过搭载少量的接触式传感器对被监测者心率、心电图、血氧浓度信息进行监测。同时，搭载声音传感器、压力薄膜传感器对被监测者的鼾声、体动进行监测，丰富睡眠数据的可靠性，以实现更为精准的睡眠信息分析。系统框如图1 所示。
1.2系统主要功能
1.2.1睡眠数据实时监测功能
本系统主要利用物联网技术、传感器技术对睡眠相关数据进行实时监控。通过单片机控制心率脉搏传感器、心电图传感器、声音传感器、压电薄膜传感器、血氧浓度传感器，对被监测对象的心率、心电图、鼾声、体动、血氧浓度数据进行实时监测，并利用无线传输模块将监测数据实时上传至云服务器做进一步的分析处理，以实现帮助人们对睡眠过程中的相关情况进监控[4-7]。
1.2.2睡眠异常预警功能
若在对睡眠监测对象进行数据监控的过程中，检测到血氧浓度变化异常，代表病患呼吸不畅，同时结合其他传感器监测数据对病患的鼾声频率、心率变化、心电图数据进行分析，以判断监控对象出现间歇性呼吸综合征、阻塞性呼吸暂停等健康问题。如果发现异常
情况时，会通过手机App发送报警信息，提醒监护人及时对睡眠监测对象进行看护，以避免危险情况的产生。异常数据也会实时记录在云服掌髦校用户通过手机App就可以查看历史异常信息。同时，本系统云服务端通过数据接口进行数据交互，可以与其他监管平台进行数据对接，以实现更为丰富的功能[8]。
1.2.3睡眠数据分析和远程监控功能
考虑到整个系统在运行过程中不能对被监测对象的睡眠过程产生干扰，所以本设计通过搭建服务器和移动端App，实现了远程监控功能。当硬件设备检测到睡眠数据后，会通过无线传输模块将数据上传到服务器，服务器会进行数据转发，移动端App可以随时查询当前睡眠监测数据。如果发现被检测对象出现异常信息，App会立即生成异常通知，提醒监护人进行查看。被监测对象睡醒后也可以通过App查询历史睡眠信息，查看分析结果和健康建议[9-11]。
系统采集到的睡眠监测数据利用无线传输模块实时上传至云服务器。云服务器中的数据分析接口会针对不同传感器监测的数据进行睡眠数据处理。系统主要通过鼾声分析、体动分析、心电图分析、血氧浓度分析过程实现睡眠质量分析。
2系统硬件设计
2.1总体硬件设计
本课题硬件系统电路结构包括核心D1 WiFi模块、无线网络模块、薄膜微动传感器、声音检测传感器、心电图传感器、血氧浓度传感器、心率脉搏传感器等，通过这些传感器模块实现对睡眠信息进行监测的功能。硬件系统电路，如图2所示。
2.2D1 WiFi
D1 WiFi是一种新兴的开发平台，D1 WiFi板载ESP8266无线传输模块。用户只需要调用ESP8266 的WiFiMulti.h库和HTTPClient.h库，创建WiFi连接和HTTP无线网络通信，实现无线网络连接和数据传输功能。D1 WiFi的核心控制器为ATmega328处理芯片，其属于8位处理器，拥有32 kB的闪存和读写能力，具有多种开放功能。其带有5个模拟信号引脚、15个数字信号引脚和多个供电引脚，可以完成对传感器的控制。数字信号引脚中带有两组I2C引脚，即D4、D5和D14、D15引脚，通过SDA数据线和SCL 时钟线路构成串行总线，对每一个连接到总线的设备定义唯一地址，可以完成多组传感器数据识别而且相互间互不干扰。
2.3血氧浓度传感器
MAX30102血氧浓度传感器的额定供电电压为3.3～5.0 V，可以直接利用D1 WiFi板载供电，通过检测探头直接接触人体指尖、手掌、耳垂、腕部和胸口的皮肤就可以快速识别人体的心率及血氧浓度信息。此传感器采用IIC通信，需将其SCL、SDA引脚分别接入主控模块D13、D14引脚。
2.4脉搏心率传感器
PulseSensor脉搏心率传感器封装体积小、结构简单，主要由光电模块和滤波电路构成。整个传感器搭载3个外部引脚，分别为模拟数据输出、电源正、负极。3个外部引脚分别接D5引脚和电源正负极。连接建立后，传感器会通过模拟信号引脚输出采集到的心率模拟值。
2.5HL8059心电图传感器
为了检测睡眠中人的心电数据变化，以实现数据全方位检测，本设计加入了HL8059心电图传感器。HL8059传感器可以控制外部分布的检测电极，实现对运动生物个体心电变化数据的实时检测、信号滤波、信号放大功能，同时板载A/D转换电路，其功耗低、工作状态稳定，有较好的生物电信号检测效果。2.6薄膜微动传感器为实现对被检测对象睡眠过程中体动数据的检测，本设计加入薄膜微动传感器。当传感器感知到外界压力时，传感器电阻值发生变化，采用电路将传感器感知压力变化的压力信号转换成相应变化强度的电信号输出。这样通过检测电信号变化就可以得到被监测对象的体动变化情况。
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