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(wèn)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(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款能幫助用戶(hù)快速入睡且可檢測(cè)用戶(hù)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(kāi)發(fā)環(huán)境，利用薄膜壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶(hù)睡覺(jué)時(shí)的壓力數(shù)據(jù)，與藍(lán)牙、時(shí)鐘、音樂(lè)播放等模塊協(xié)作，幫助用戶(hù)快速入睡，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)睡眠質(zhì)量的檢測(cè)并提供智能化喚醒服務(wù)，從而提升用戶(hù)的睡眠質(zhì)量。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）06-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.029

0 引 言

睡眠問(wèn)題中最常見(jiàn)的是失眠障礙，失眠障礙最主要的三個(gè)癥狀是持續(xù)睡眠時(shí)間過(guò)短、早醒以及入睡困難[1]。研究表明，長(zhǎng)期睡眠不足或睡眠不佳會(huì)引發(fā)抑郁癥、心血管疾病以及糖尿病等疾病[2-3]，嚴(yán)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(lái)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)和智能硬件設(shè)備的發(fā)展，為了滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)于提高睡眠質(zhì)量的需求，智能助眠產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。市面上的助眠產(chǎn)品有播放助眠音樂(lè)的入耳式耳機(jī)，然而入耳式耳機(jī)存在易丟失、不透氣、舒適度低等問(wèn)題。市面上還存在用于播放助眠音樂(lè)的骨傳導(dǎo)音響，然而該類(lèi)產(chǎn)品置于枕下異物感明顯，不利于用戶(hù)入睡?，F(xiàn)有的智能助眠音響[4]，具備播放助眠音樂(lè)和鬧鐘功能，但是鬧鐘突然喚醒的特性容易引起用戶(hù)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(hù)忽略或關(guān)閉而導(dǎo)致未能及時(shí)起床，上述問(wèn)題體現(xiàn)了現(xiàn)有智能產(chǎn)品鬧鐘功能人性化關(guān)懷嚴(yán)重不足。

對(duì)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(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)提升睡眠質(zhì)量的需求，本文設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人睡覺(jué)時(shí)的壓力數(shù)據(jù)，多個(gè)模塊共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)幫助用戶(hù)快速入睡、智能化喚醒以及睡眠質(zhì)量檢測(cè)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(diǎn)，置于枕下異物感小，相較于入耳式耳機(jī)和骨傳導(dǎo)音響，能給用戶(hù)提供更舒適的睡眠體驗(yàn)。該系統(tǒng)軟硬件結(jié)合，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)APP控制該系統(tǒng)播放助眠音樂(lè)，幫助用戶(hù)更快入睡。此外，用戶(hù)還可以通過(guò)手機(jī)APP設(shè)置鬧鐘，實(shí)現(xiàn)智能喚醒，鬧鐘聲音從小到大循序漸進(jìn)，確保用戶(hù)起床才停止，無(wú)需手動(dòng)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(mǎn)足人們對(duì)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(fù)責(zé)接收、傳輸和處理壓力傳感器、音樂(lè)播放、OLED顯示屏、時(shí)鐘等模塊的數(shù)據(jù)和指令。壓力傳感模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶(hù)睡覺(jué)時(shí)的壓力；音樂(lè)播放模塊播放助眠音樂(lè)；OLED模塊顯示當(dāng)前設(shè)置的鬧鐘時(shí)間信息以及壓力傳感器的實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)；時(shí)鐘模塊獲取當(dāng)前時(shí)間、日期等信息。在Android系統(tǒng)平臺(tái)中，Android設(shè)備負(fù)責(zé)用戶(hù)交互和數(shù)據(jù)顯示，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)APP設(shè)置用戶(hù)信息、選擇音樂(lè)播放、設(shè)置鬧鐘并查看睡眠質(zhì)量評(píng)估。Arduino系統(tǒng)和Android系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)藍(lán)牙模塊通信。Arduino將采集的壓力數(shù)據(jù)發(fā)送給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊將壓力數(shù)據(jù)傳輸給用戶(hù)移動(dòng)終端設(shè)備，再通過(guò)算法對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成用戶(hù)睡眠質(zhì)量評(píng)估報(bào)告。多個(gè)模塊協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了智能化助眠和睡眠質(zhì)量的檢測(cè)。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

1.1 Arduino單片機(jī)

Arduino是一個(gè)由軟件和硬件組成的開(kāi)源電子平臺(tái)，開(kāi)發(fā)者可以使用Arduino IDE進(jìn)行程序編寫(xiě)[5]。系統(tǒng)選用Arduino UNO R3單片機(jī)。Arduino主要負(fù)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(lè)播放、OLED顯示屏、時(shí)鐘等模塊的數(shù)據(jù)和指令。

1.2 音樂(lè)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(hù)可以使用手機(jī)APP選擇助眠音樂(lè)。系統(tǒng)通過(guò)播放助眠音樂(lè)營(yíng)造舒適的睡眠環(huán)境，幫助用戶(hù)快速入睡，當(dāng)通過(guò)壓力傳感數(shù)據(jù)檢測(cè)到用戶(hù)從入睡期過(guò)渡到淺睡期時(shí)，助眠音樂(lè)音量會(huì)自動(dòng)逐步遞減到無(wú)聲。在到達(dá)用戶(hù)設(shè)定的鬧鐘時(shí)間后，系統(tǒng)自行啟動(dòng)輕柔喚醒功能。

1.3 壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶(hù)睡覺(jué)時(shí)進(jìn)行不同動(dòng)作時(shí)的壓力數(shù)據(jù)，為睡眠質(zhì)量檢測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

1.4 時(shí)鐘功能

系統(tǒng)選用DS1307高精度時(shí)鐘模塊和CR1220紐扣電池。時(shí)鐘模塊獲取當(dāng)前時(shí)間和日期，為用戶(hù)設(shè)置鬧鐘提供時(shí)間參考。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的鬧鐘時(shí)間時(shí)，檢測(cè)到壓力數(shù)值不為0，則說(shuō)明用戶(hù)未起床，播放音樂(lè)的音量會(huì)逐步增大，直到用戶(hù)起床，系統(tǒng)檢測(cè)到的壓力數(shù)值為0，則音樂(lè)自動(dòng)關(guān)閉。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輕柔喚醒用戶(hù)，且確保用戶(hù)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(hù)未能及時(shí)起床的情況，彰顯了系統(tǒng)的人性化和智能化。

1.5 無(wú)線(xiàn)通信功能

藍(lán)牙可以為Arduino和Android設(shè)備提供便捷的無(wú)線(xiàn)通信功能[6]。系統(tǒng)使用HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)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(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊再將用戶(hù)睡眠時(shí)的壓力數(shù)據(jù)傳輸給Android設(shè)備，通過(guò)算法處理壓力數(shù)據(jù)，建立用戶(hù)睡眠質(zhì)量檢測(cè)算法模型，從而評(píng)估用戶(hù)的睡眠質(zhì)量，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)APP查看自己的睡眠質(zhì)量評(píng)估報(bào)告。

1.6 OLED顯示功能

為了進(jìn)一步提升用戶(hù)的使用體驗(yàn)，系統(tǒng)設(shè)置了OLED顯示模塊，顯示用戶(hù)設(shè)置的鬧鐘信息，用戶(hù)用手機(jī)設(shè)置好鬧鐘后，就可以把手機(jī)放置到遠(yuǎn)離床鋪的位置，減少睡眠時(shí)手機(jī)對(duì)人體的輻射。此外，為了方便用戶(hù)檢測(cè)硬件是否發(fā)生故障，OLED顯示模塊實(shí)時(shí)顯示壓力傳感模塊檢測(cè)的壓力數(shù)據(jù)。

2 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

2.1 手機(jī)APP功能設(shè)計(jì)

在該智能助眠系統(tǒng)中，手機(jī)APP采用Google專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)Android[7]。手機(jī)APP界面如圖3所示，分別是主頁(yè)、鬧鐘、音樂(lè)和設(shè)置界面。在實(shí)際操作中，用戶(hù)需先通過(guò)手機(jī)APP與系統(tǒng)進(jìn)行藍(lán)牙配對(duì)，隨后可設(shè)定鬧鐘、挑選助眠音樂(lè)、查看之前的睡眠情況或更改個(gè)人信息。當(dāng)用戶(hù)睡覺(jué)時(shí)，薄膜壓力傳感器開(kāi)始實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶(hù)睡覺(jué)時(shí)的壓力，壓力數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給移動(dòng)終端設(shè)備，壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)算法處理后，用戶(hù)可在APP上查看自己的睡眠時(shí)長(zhǎng)和睡眠質(zhì)量情況。

2.2 睡眠監(jiān)測(cè)算法

為了解決睡眠相關(guān)問(wèn)題，專(zhuān)家將睡眠進(jìn)行分期，以便更為精準(zhǔn)地對(duì)睡眠質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)[8]。睡眠可以分為2個(gè)關(guān)鍵階段：非快速眼動(dòng)期（入睡期、淺睡期和深睡期）和快速眼動(dòng)期，1個(gè)睡眠周期持續(xù)時(shí)間90～110 min，每夜通常有4～5個(gè)

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

通過(guò)分析特定動(dòng)作在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的頻率，推斷出用戶(hù)所處的睡眠階段和持續(xù)時(shí)間，從而對(duì)用戶(hù)的睡眠質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。此外，系統(tǒng)還可以通過(guò)讀取壓力值是否為0來(lái)計(jì)算用戶(hù)的睡眠時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)壓力值等于0，則判斷睡眠結(jié)束。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于Arduino的壓力傳感智能助眠系統(tǒng)能夠?yàn)槿藗兲峁┲悄芑吆退哔|(zhì)量檢測(cè)報(bào)告，提升人們的睡眠體驗(yàn)。未來(lái)，系統(tǒng)還可以與窗簾、照明燈等智能家居聯(lián)動(dòng)，為用戶(hù)提供更加智能化且人性化的睡眠以及喚醒體驗(yàn)。

注：本文通訊作者為畢曉琳。

參考文獻(xiàn)

[1]葉增杰，梁木子，胡蕖，等.失眠障礙的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展[J].醫(yī)學(xué)與哲學(xué)（B），2017，38（5）：60-63.

[2]韓亦俍. 睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2017.

[3]佚名.睡眠不足的八大危害[J].安全與健康，2014（7）：55.

[4]姜靚雯. 聲音在智能助眠產(chǎn)品中的研究與應(yīng)用[D].北京：北京服裝學(xué)院，2022.

[5]崔曉夢(mèng).基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)接入器的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2016.

[6]鄭昊，鐘志峰，郭昊，等.基于Arduino/Android的藍(lán)牙通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（5）：50-51.

[7]公磊，周聰.基于Android的移動(dòng)終端應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)與研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2008（8）：85-89.

[8]唐晨斌. 睡眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)換以及睡眠呼吸暫停綜合癥的影響[D].南京：南京大學(xué)，2015.

[9]劉雙艷. 睡眠呼吸暫停病人HRV和PRV的相關(guān)性研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2017.

[10]王鵬程. 基于睡眠檢測(cè)的睡枕系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].黃石：湖北師范大學(xué)，2022.

作者簡(jiǎn)介：黃群娜（2004—），女，研究方向?yàn)檐浖こ膛c物聯(lián)網(wǎng)工程。

錢(qián)禹橋（2004—），女，研究方向?yàn)檐浖こ膛c物聯(lián)網(wǎng)工程。

畢曉琳（1997—），女，碩士，助教，研究方向?yàn)閿?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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61935010）；廣東省科技基金項(xiàng)目（2018B030323017）；廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃（2020B009922006）