改善睡眠质量的智能家居系统的开发

鲍建科

松下家电研究开发（杭州）有限公司 浙江杭州 310018

1 引言

春眠不觉晓，处处闻啼鸟。春天的夜晚人们能够一觉睡到天亮，是因为春天凉爽适宜的温湿度、婆娑的月影和沁人心脾的花香促进了人体的睡眠，在一晚的充足睡眠后伴随着悦耳的虫鸣鸟啼开始美好的一天，这样高质量的睡眠使我们感到身心愉悦、精神饱满。身体是革命的本钱，睡眠则是身体的本钱。除了生理意义的重要性之外，更重要的意义是使我们在高质量的睡眠中能缓解白天因为压力而积累的浮躁和不安情绪。然而，目前中国居民睡眠健康状况令人担忧，中国成年人失眠的发生率已达到38.2%，其中老年人的失眠发生率高达60%。由于人口基数庞大，中国失眠人数已占全球第一。上海、北京、杭州、深圳、广州跻身五大失眠城市之最。2001年，国际精神卫生和神经科学基金会发起了一项全球睡眠和健康计划，将每年的3月21日定为“世界睡眠日”(World Sleep Day)，其目的就是要唤起全民对睡眠重要性的认识和对睡眠质量的重视。2003年，中国睡眠研究会将世界睡眠日正式引入中国，睡眠与健康的关系也日益引起了中国人的重视。

睡眠健康产业具有巨大需求潜力，从最初的可穿戴设备（如智能手环和智能手表）助力睡眠监测，到今天健康睡眠产业的生态系统创建，如何将产品和技术与不同的应用场景相结合，开发出可以改善睡眠质量提高生活品质的应用，才能使消费者自然的接受和购买这样的产品。同时，失眠可以通过物理的方法治疗已经得到人们的普遍认识，如果未来睡眠产业出现了全新的增长点，那就很有可能产生于睡眠相关的智能产品领域。

2 睡眠质量和健康的关系

身体和大脑在睡觉时得到休息和复原。科学家使用所谓的脑电图仪（EEG）的设备记录睡眠期间的大脑活动，来观测睡觉的时候身体里发生了什么。脑电图仪发现了两种基本的睡眠模式：REM睡眠（快速眼动睡眠），以及NREM睡眠（非快速眼动睡眠）。这两种类型的睡眠模式对于健康至关重要，并且对身体有不同影响。身体在REM和NREM这两个主要睡眠周期之间交替。通常在刚入睡时，进入NREM睡眠，持续大约90～110分钟。接下来的是REM睡眠，持续时间在5～15分钟。一般来说，REM睡眠时，身体虽然休息，但是大脑还在活动。在这期间，肌肉的紧张感消失，身体处于类似瘫痪的完全放松状态，身体机能得到休息；大脑却在这时异常的活跃，将自行学习类似自行车骑行方式等运动的记忆。但是，因为这时身体的暂时性“瘫痪”状态可以让我们以最自然的方式来确保我们不会将梦中行为付诸行动。NREM睡眠是大脑也处于休息的放松状态的睡眠，在这期间，分泌成长激素，促进身体的成长和修复，恢复疲劳；将白天从书本和教科书中得到的知识实现记忆、整理和巩固，同时消除不必要的记忆，减轻精神压力。

在夜间睡眠时，身体会在REM和NREM之间循环，但大多数时间处于NREM睡眠。在睡眠的最初阶段，NREM睡眠的时间持续长，深度睡眠集中，大脑得到好的休息，因此在刚开始入睡的3个小时十分重要，在这段时期深度睡眠占了约90%左右。越往后，REM睡眠时间持续越长，也就更容易做梦。请参考图1。

因此，睡眠有消除身心疲惫的作用，睡眠不足和睡眠质量的恶化将导致“生活习惯病”和“类似抑郁症一样的心理疾病”的风险。睡眠不足会降低注意力和工作效率，降低生产率，增加人为因素造成错误和事故的发生。而且，当睡眠不足长期持续的话，疲劳恢复会变得很困难。为了防止睡眠不足的疲劳的积累，高质量的睡眠是必须的。所谓高质量的睡眠，本文将其定义为快速的入眠、中途不会无缘无故醒来、起床时没有身体的疲惫感。

3 影响睡眠质量的环境因素

创造优质睡眠有三大必要的因素：一是有规律的生活节奏，保持健康无压力的身体状态；二是舒适的适合自己的寝具，好的床上用品对于高质量的睡眠也很重要；三是舒适的睡眠环境，具体的说就是卧室的温度、湿度、声音、光线、颜色、香气等环境。本文研究的对象是第三点因素——舒适的睡眠环境。

3.1 温度对睡眠质量的影响

优质的睡眠与体温，尤其是脑部、内脏、身体中心的“深部体温”息息相关。在一天中，深部体温会在白天升高，夜晚降低，以这个节奏每日重复，如图2所示。想要获得优质的睡眠，就必须掌握好这个节奏，夜晚降低深部体温是关键，相反，由于温度和湿度过高，深部体温无法有效地下降，则深睡眠就会减少，中途觉醒就会增加。睡眠与体温的关系已经被越来越多的科学家证实。容易入眠的温度和湿度，夏季为温度25～28℃、湿度70%以下；冬季为温度16～20℃、湿度50%以上，老人、孩子、成年人等不同人群间略有区别。

3.2 光照对睡眠质量的影响

图1 NREM睡眠和REM睡眠循环交替

图2 深部体温一天周期的节奏

图3 “褪黑色素”一天分泌的节奏

图4 基于空调、照明和音响的睡眠质量改善系统

图5 适合深部体温的室温控制

图6 通过睡眠状态和室温判断睡眠困难，自动调整室温

人体的体温、心跳、激素分泌是24小时周期变化的，这称为身体的昼夜节奏，人的这种日出而作、日落而息的生活方式如果不进行管理的话，这个周期变化时间就会变长，进而容易导致夜型的生活方式。例如，早上如果在昏暗的卧室里度过的时间长的话，体内生物钟无法调整，夜晚的睡眠准备时间就变长了，这就助长了睡懒觉的倾向。因此可以通过照明调节生活节奏，早上起床的时候，慢慢地使房间变得明亮，明亮的光线刺激交感神经，大脑被激活并且昼夜节奏被重置，然后在15～16小时后出现嗜睡，进入容易入睡的身体状态，促进健康节奏的复位。晚上用暗的暖色系的照明，可以促进“褪黑色素”的分泌，使身体变得容易入睡。被称为睡眠激素的“褪黑色素”分泌，能够促进体温下降，走向自然的睡眠，关于“褪黑色素”分泌的节奏请参考图3。相反，睡前如果长时间待在明亮的白色灯光下，则会抑制黑色素的分泌，变得难以入睡。

3.3 声音对睡眠质量的影响

音乐可以帮助我们改善睡眠，音乐对人体生理功能有显著的影响，音乐的节奏、模式和旋律可影响听者的心率、呼吸和血压。也就是说，当音乐作为一种外部刺激进入听觉器官，经传入的神经中枢，大脑皮层，皮层下中枢和植物神经系统都会参与作出各种反射活动。随着音乐的节奏、旋律、音量的不断变化，人体的呼吸、循环、内分泌和神经肌肉都会随之发生变化。

正是由于音乐具有调节身心的作用，才能用做改善睡眠的重要手段之一。目前，国内外的医学工作者利用音乐疗法治疗失眠已取得了明显效果。临床实践证明，神经衰弱和失眠者听一些舒缓轻柔的民乐和轻音乐，可起到调节心率和呼吸，缓解精神紧张的作用，使人达到心平气和、情绪平稳的状态，从而改善睡眠质量。当我们在起床前能够听到欢快的音乐时，则能够使我们做好起床的准备，迎接美好的一天。

4 基于智能家居的睡眠改善服务系统的开发

移动物联网在家电领域的发展，最终是为人们提供健康舒适的生活而服务的。通过空调、空气净化器、照明和音响等设备的连携，发挥家电在改善睡眠因素（温度、湿度、光、声音等）中的作用，实现舒适睡眠环境。支持本系统的构成中包括了云服务器、手机APP和空调、空气净化器、照明和音响等，如图4所示。

云服务器在整个系统中起到决策的作用，云服务器接收来自手机、手环或者床垫中睡眠监测传感器的实时睡眠监测数据以及各家电当前设定的温度、照明亮度、音乐音量等的数据作为决策的依据。根据用户在就寝前、就寝中或者起床前三个阶段中当前的睡眠状态决定开启或关闭空调，调整空调的温度、风向；决定开启或关闭空气净化器的睡眠模式；决定开启或关闭照明，调整照明的明暗度；决定开启或关闭音响，调整音响的音量。手机APP在整个系统中起到显示、操作、设定的作用，部分拥有睡眠传感器的智能手机，同时也起到实时监测并上传睡眠数据的作用，若手机没有睡眠传感器，也可以佩戴有睡眠传感器的智能手环或智能床垫。就寝前，只要通过APP开启“舒适睡眠”模式，就开启了整个系统的运行，就寝结束还能通过APP回顾自己的睡眠状况。空调、空气净化器、照明和音响等家居搭载了Wi-Fi模块，能够和云服务器实现通信，根据云服务的指令执行软件设定的机能，并上传当前状态给服务器，是整个系统机能实现的执行者。

4.1 空调在系统中的设置方式

根据深部体温与睡眠的关系，夏季中，本系统在就寝前将空调温度降低到25℃，同时打开空气净化器，将湿度设置为70%，使用户容易在凉爽的环境中快速入眠；入眠之后，稍微提高温度防止过度寒冷；起床前，设定温度上升，开始起床前的准备，使身体暖和开始兴奋。此过程的温度控制请参考图5。在就寝过程中，若睡眠传感器监测到用户辗转反侧难以入眠，则调整空调温度下降，帮助用户再次入眠，此过程的温度控制请参考图6。

4.2 照明在系统中的设置方式

照明过程的控制原理是模仿日出日落的变光、变色过程，来帮助人们在应该睡觉的时间产生睡意。进入卧室后，开始时发出让我们保持清醒的波长的蓝光，这一系统中照明由开启到最亮为2分钟；之后由用户自由设定最亮时间；然后就寝前照明进入20分钟的逐渐熄灭状态，因为20分钟是让人入睡的标准时间。在这一过程中、蓝光逐渐减退而转变为更“暖调”的黄光，眼睛受到这个过程的暗示，被抑制的松果体释放分泌褪黑素，感觉到乏困、告诉我们的身体准备睡觉。起床前照明的控制过程则设置成与就寝前相反。就寝前的照明亮灭曲线如图7所示。

此系统还能检测到用户睡眠中途的起夜，安装在床尾的起夜灯自动点亮60秒后自动熄灭，足够穿衣和离开卧室，离开卫生间进入卧室时夜灯自动点亮60秒后自动熄灭，足够脱衣上床盖好被子。

4.3 音响在系统中的设置方式

由于人们通常会在躺下后的5分钟到半小时内入眠，因此我们将音响设置为30分钟内音量逐渐降低，最后淡出。这样我们既能在音乐的陪伴中入睡，又不至于让自己在睡眠中受到干扰。同时，建议选择较为舒缓和熟悉的纯音乐，因为如果音乐伴有歌词且声调跌宕起伏，你可能会因此醒过来，且随着时间，音乐越来越柔和。而在起床前，设置音乐淡入，可以选择一些自己喜爱的欢快的音乐，使人保持心情舒畅，准备愉快的起床。开发时选择使用的音乐需要特别注意著作权等法律问题。

图7 就寝前的照明亮灭曲线

当前，市场上的智能音响层出不穷，都具备良好的音响效果和互联网功能，比如“天x精灵”、“小x同学”、“叮x音响”等等，开发时，可以选择与这些智能音响厂商连携，利用智能音响的语音控制作为开启进入睡眠模式的方法，而摆脱对手机APP的依赖。

4.4 睡眠改善效果的检证

关于睡眠改善效果的检证，因为家电厂商实验室一般没有实施睡眠检证的条件，需要寻找专门的医院和大学委托检证。根据睡眠状况对温度、湿度、照明和音乐的控制，确认对于睡眠质量的改善效果。在睡眠前和睡眠中可以通过EEG测定脑电波，根据进入睡眠所需时间和深度睡眠的时间长度判断睡眠质量的好坏，起床后则可通过实验人员的主观感受进行评价。

5 结语

传统的家居产品制造企业在智能制造2025的改革过程中，坚持创新要从用户实际需求出发。本系统利用睡眠监测传感器收集到的用户睡眠监测数据，应用到智能家居系统中，切入到睡眠服务产业中，建立以智能家居为基础的改善睡眠质量的服务平台。在这样的产业框架下，产品与服务将是无法分割的，传统制造企业可以在这之中寻找突破传统家居产品销售模式盈利困境的方法，寻找全新的盈利机会。宏观上整合行业资源实现智能化转型、符合产业进化的趋势，微观上提高了产品的附加价值，提高了企业的核心竞争力。