智能防瞌仪的设计与探讨

摘  要：本设计是源于为学生犯困打瞌睡时提神醒脑而开发的，结合常见的基本单元电路，监测学生打瞌睡时的症状，发出触发电平信号，驱动执行刺激机构刺激学生，以达到提神醒脑的目的。还可以与手机互联通信，监测生理机能变化。

关键词：防瞌睡;智能互联;传感器;微控制器

中图分类号：TP368.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）28-0042-02

Abstract： This design is developed for the students to wake up when they doze off in the classroom. It combines the common basic unit circuit， monitors the students' symptoms when they doze off， sends out the trigger level signal， and drives the executive stimulation mechanism to stimulate the students， in order to realize the purpose of refreshing the mind. It can also communicate with mobile phone and monitor the change of physiological function.

Keywords： anti-dozing; intelligent interconnection; sensor; microcontroller

1 概述

“头悬梁锥刺股”。自古以来，莘莘学子都想着各种不同方法克服打瞌睡，希望有效利用课堂四十五分钟，达到最佳学习效果。有上课自己站起来克服打瞌睡，也有让同桌吓自己一下提神，还有同学利用自虐的形式克服，但是很多时候，由于长期的晚睡早起，次数多了这些效果都渐渐不太明显，起不到提神醒脑的目的。基于极力改善同学们打瞌睡的困境，启发于生物电按摩机与智能手环的工作理念，产生了设计智能防瞌睡的仪器贴理念。

2 硬件設计

2.1 设计方框图

整个装置由单片机控制系统、传感器及手机终端合力实现功能。系统结构方框图如图1所示，由口香糖锂电池给整个系统供电，通过传感器检测人体机能打瞌睡时的症状，发送指令给STC15F104W-35I单片机，再由单片机发出控制信号驱动储放电装置，发出麻麻的微电击信号，经过贴在皮肤上的硅胶片刺激人类皮肤神经，继而把犯困打瞌睡的人击醒，另外，带有不同档位的设计，以满足不同程度的犯困状态。在该装置上加载蓝牙模块，与智能手机互联通信，通过APP小程序，可设定刺激强度和刺激时间，最终唤醒同学们不再瞌睡;同时带些生理监测功能添加一定的趣味性，进而丰富产品，调节生活。

本设计根据监测传感器的不同可演化成一个简易防睡装置，一个高端防睡设备。简单防睡装置是将光传感器换成水银开关，然后用以监测打瞌睡时头会时不时下栽的动作，当发生下栽动作时就发出警示或者是脉冲电击刺激神经。同时，这样成本便可以下降提高性价比。高端设备，自然需要换比较高端的传感器，近年加州大学伯克利分校的研究人员开发了一种全新的微型无线传感器，植入人体监测健康的“神经灰尘”，若采用该方案，不仅提升产品的档次，更重要的是提高了监别的稳定性和准确性。对不同群体便可采用不同的监测模式，完成不同的效果。例如对防打瞌睡要求更高的司机群体就需要更佳的监测效果，用以避免交通事故的发生。

2.2 主要器件及模块介绍

导电硅胶电极片：可参考按摩仪器的电极硅胶贴片，既可以很好的吸附在皮肤上，又有较好的导电性能，从而达到可以通过电击刺激皮肤的目的。

STC15F104W-35I-SOP8单片机：增强型51单片机，贴片封装，处理速度快，是普通51单片机的10倍左右，工作电压3.3～5.5V，支持ISP/IAP编写，低功耗设计，带有低速模式，空闲模式，及停机模式/掉电模式，且带有唤醒功能，I/O口驱动能力可达到20mA，可良好的实现功能设计。

光检测传感器：光反射检测传感器测量心率如图2所示，光发射器向肌肤发射光，光检测器在肌肤的同一侧，接收肌肤反射的光。有医学研究，当脉搏跳动的时候，血液流过血管，人体生物组织的血液量会发生变化，因此会引起生物组织和反射光的性能发生变化，而由肌肤内反射出来的光的强度和变化也会随着血液脉搏的变化而变化。由光检测传感器检测记录肌肤反射光强度变化，经过信号放大变换处理，便可以测出人的心率，从而检测人的生体机能变化。

蓝牙模块：RSBRS02AA蓝牙模块，用于与智能设备（如手机等）进行通信互联，主要采用是RS02A1芯片，成本低，功耗小，连接方便，兼容性好，有效通信距离可达100m。应用于健康医疗，智能家居等。

智能手机端APP：智能手机APP，是该装置智能监测的辅助功能，可以监测心率，类似于手环一样，通过蓝牙通信互联，把监测的实时数据上传至数据终端，通过APP小程序显示出来。

刺激功能模块：该模块设置有三个级别的提醒刺激形式，初级形式就是当监测到人出现犯困打瞌睡时，启动震动模式，持续震动几十秒，若还没清醒，便启动类似警笛声的刺耳声音，用以刺激人清醒，若还是处在瞌睡状态，便启动更强的模式，进行终极刺激，电击多次，到达彻底清醒。利用脉冲原理产生连续性的瞬间电火花，借其电击来刺激神经以达到提神，该电流不会造成人体伤害。

3 软件设计

主控芯片主要采用超高速低功耗的新一代STC15F104W

单片机，指令代码完全兼容传统51单片机，采用c语言进行编程，程序中共使用了二组中断，由传感器监测人体机能状态，通过数据比对处理，低于正常活动时的心率值，判断并完成相应指令，发出控制信号，驱动脉冲器，以发出刺激的瞬间电击。程序设计流程图如图3所示。

4 结束语

该设计开发的缺陷有：一是监测灵敏度，因为监测心率的成功率不一定反应出是打瞌睡时的状态，导致误判断;二是成本投入与市场调研应用不能成正比，广泛应用的可能性不是很高。

本设计创新点就是可以通过设计实现防瞌睡的功能，解决信息时代背景下因缺睡眠导致打瞌睡误事的现象，可以用以应急，但不能依赖，需从根本上养成早睡早起的习惯，调节生活规律，以克服精神状态不佳的现象。具备基本功能的同时增加了智能健康的功能，可以利用手机APP观测，实现身体状态监测，增加乐趣。

参考文献：

[1]长途运输司机必备的防睡手环，三种方法叫醒你，一个比一个狠[EB/OL].https：//www.sohu.com/a/324838373_100137637.2019.7.4.

[2]科学家开发“神经灰尘”：在你体内监测健康状况[EB/OL].http：//tech.163.com/16/0909/02/C0G621U300097U81.html.2016.09.

[3]程智君，游雨云.一种智能电视挂架的设计与探讨[J].科技创新导报，2019（32）：73-75.