睡眠环境智慧监测与调节系统的设计

高婉莹 胡恩泽 黄锦泉 潘玮 孙伟伟

摘 要：文中设计并实现了一种基于51单片机以及Android平台的智慧睡眠监测与调节系统。该系统包括主控芯片、数据采集模块、数据传输模块、数据显示模块及手机APP五部分。系统通过人工智能分析，对用户的睡眠环境进行调节，从而有效预防因用户生活压力过大而出现睡眠不良的情况。测试结果表明：该系统性能稳定，测量精度高，具有很强的推广应用价值。

关键词：51单片机;Android;睡眠环境;APP;数据传输;远程控制

中图分类号：TP272;TP319文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

人类生命的三分之一都处在睡眠中，睡眠是人类调整新陈代谢、进行身心恢复的重要环节。随着生活节奏的日益加快，越来越多的人因为生活压力而出现睡眠障碍。睡眠障碍是指在睡眠过程中出现的各种影响睡眠的异常表现，它因身体某系统的功能失调引起，能够直接影响人类的睡眠结构、质量及之后的恢复程度[1]。睡眠时间少、质量差、不规律等情况会使人疲惫劳累、精神不振并影响食欲[2]。在长期睡眠不佳的情况下，人们甚至会出现神志混乱、暴躁不安的症状。基于此，优化睡眠环境，提高睡眠质量对促进人们身心健康发展具有重要作用。

目前市场上的家居睡眠环境监测系统实现的功能有限，大多数停留在只监测不调节的阶段。但环境的变化具有不确定性，若不能及时对睡眠环境进行调节，则无法从根本上保障用户的睡眠质量。基于此，本研究开发了睡眠环境智慧监测与调节系统，该系统基于大数据的传感器感知及硬件控制技术，将采集到的温湿度、光照强度和烟雾浓度数据上传至APP中，根据用户上传至数据库中的数据进行人工智能分析，从而得到优化建议。该系统除能够完成对睡眠环境的实时监测外，还实现了对睡眠环境的智能调节，以保障用户睡眠环境，改善用户睡眠质量。

1 影响睡眠的主要环境因素

优化睡眠环境是提高睡眠质量的有效方法。通过文献调研，系统拟对部分睡眠环境因素进行调节。

（1）温度

经大量实验证明，人体最佳睡眠温度是20～22 ℃。温度过高，人体在睡眠过程中可能会出现血压升高、心慌等不良反应;温度过低，将导致人體出现打鼾、呼吸暂停、嗜睡等症状。因此，将温度维持在最适温度是本系统的核心功能之一。

（2）湿度

最适合人体的环境湿度为45 %RH～75 %RH，若湿度过高，短时间内会导致人体湿热、乏力，长时间甚至会导致风湿病和支气管炎等疾病的发生;若湿度过低，则会让人体产生口渴、皮肤干燥、眼睛干涩等不良反应，也不利于人体的睡眠。

（3）光照强度

过于明亮的环境可能会引起失眠。英国《生理学报告》杂志上发表的一项研究显示，褪黑素是一种能够促进睡眠的荷尔蒙，而睡眠时暴露在明亮光线下可能导致人体停止生成褪黑素，进而影响睡眠质量，引发失眠问题。

（4）空气粉尘浓度

调查结果显示，接触二氧化氮和PM2.5颗粒越多，睡眠效率低下的可能性越大。美国华盛顿大学医学助理教授马莎·比林斯说：“人的鼻子、鼻窦和嗓子后部都会受到这些污染物的刺激，因此可能导致睡眠中断，还有呼吸问题。”比林斯还说，污染物进入血液可能对大脑产生影响，并影响呼吸的稳定。所以，减少空气中的颗粒也是提高睡眠质量的有效途径之一。

2 系统总体设计

本系统以优化睡眠环境、提高睡眠质量为初衷，主要针对普通家庭用户和医院病房。系统整体结构由主控模块、数据捕捉模块、存储模块、显示模块、传输模块、控制模块、数据库模块和Android 客户端模块组成。

系统组成如图1所示。

3 系统硬件设计

系统硬件部分主要由主控模块、数据捕捉模块、传输模块、存储模块和显示模块组成[3]。

3.1 主控模块设计

系统采用STC89C51单片机作为主控模块，外围搭载了数据传输模块、数据捕捉模块、存储模块和显示模块，其作用是控制各模块间的数据交互和转换[4]。将STC89C51单片机作为连接DHT11温湿度传感器、蜂鸣器、LCD1602显示屏、CSR8635蓝牙模块和ESP8266 WiFi模块等部件的桥梁，协助完成各模块间的数据交互和转换。其中，DHT11温湿度传感器连接P3.7引脚，蜂鸣器连接P2.3引脚，LCD1602显示屏连接P0引脚，ESP8266连接P3.0和P3.1引脚。STC89C51单片机原理如图2所示[5]。

3.2 数据捕捉模块设计

该系统的数据采集模块由DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器和BH1750光照强度传感器组成。将传感器采集的非电量信息，如温湿度、烟雾浓度、光照强度等转换成电压值，再通过A/D转换成数字量。

DHT11温湿度传感器内部镶嵌的NTC测温元件用于测量温度，电阻式感湿元件用于测量湿度。该温湿度传感器具有快速响应、抗干扰能力强等优势。

MQ-2烟雾传感器多被用于家庭和工厂，意在监测粉尘浓度或监测PM2.5的浓度。该传感器具有寿命长、稳定性好等特点。

BH1750光照强度传感器多被电子产品如手机、电脑、数码摄像机等使用，其具有依赖光源性弱、反应灵敏、误差小等优点。

3.3 传输模块设计

本系统采用的ESP8266 WiFi数据传输模块使用串口通信协议与单片机通信，其无线传输速率可达150 Mb/s，信道共有14个，频率范围为2.4 GHz～2.483 5 GHz，发射功率为12～15 dBm，其串口波特率在1 200～230 400 b/s之间，工作温度为-20～70 ℃。该模块的工作电压为3.3 V，但单片机为5 V供电，为了使电源兼容，本设计通过两个二极管将5 V电压降压到3.3 V后供ESP8266 WiFi模块使用，电路如图3所示[6]。

3.4 存储模块设计

本系统选用AT24C02作为数据存储模块，其可将WiFi模块收到的数据与系統外围传感器捕捉到的数据进行临时存储。

本设计中使用的AT24C02芯片直接将A0，A1，A2及WP写保护引脚连接到GND，方便读/写操作。AT24C02电路如图4所示[7]。

3.5 显示模块设计

本系统采用LCD1602显示屏作为数据显示模块。单片机发送指令到LCD1602就能够完成清屏、开关显示等特定功能。控制LCD1602液晶显示器只对LCD1602进行读状态、写指令、读数据、写数据操作即可，具体操作对应的引脚电平见表1所列。

4 系统软件设计

系统软件部分主要由控制模块、数据库模块和Android客户端模块组成。

4.1 控制模块设计

首先对单片机、传输模块和显示模块进行初始化，读取存储模块（AT24C02）中的数据，并检查按键与WiFi模块是否可以正常工作。若均可正常工作，则开始读取数据，并通过WiFi对存储在AT24C02中的数据进行交互;若无法正常工作，则LCD显示设置界面，并重新检查模块的工作状态。

4.2 数据库设计

由于需要采集的数据结构并不复杂，所以本文选用MySQL数据库存储数据。数据库要存储的数据主要分为两个部分，一是APP注册及登录所需的用户名及密码信息;二是采集的数据信息。采集的数据分为编号（id），表名（table-name），节点编号（node-no），传感器类型（type），数值（data），时间（time），具体见表2，表3所列。捕捉的数据会及时上传至云端存储，一段时间后，本地数据将被删除，以减少数据在本地需要占用的存储空间，同时保障数据不会因操作失误而丢失。

4.3 Android客户端设计

用户借助Android客户端可手机远程查看环境的温湿度、烟尘浓度等数据，方便用户以数据的形式更加直观地了解自身所处环境的质量，从而判断是否需要进行人为调整，以便获得更优质的睡眠环境。

APP的具体设计思路：建立连接，第一次建立连接时需要输入IP地址和端口号登录，登录后即可打开或关闭继电器，实时接收环境数据。连接界面如图5所示。

用户可根据自身的实际情况，设置最适合自己的睡眠环境参数区间。人体的最佳睡眠温度区间为20～22 ℃，若环境温度不处于该区间，则系统自动调整，将温度维持在最佳范围。湿度和烟尘浓度同理。

系统可根据用户长时间的设置习惯，结合大数据的底层支持，综合分析后给予用户合理的建议，提供最适合用户的睡眠环境。

5 系统使用步骤与功能测试

在记录IP地址和端口号后，APP与系统底板成功对接，一旦环境发生变化，系统都会向APP返回最新一次数据以达到实时监控的效果。通过APP上的按钮也可以远程控制家居空气设备，提前营造优质的睡眠环境。

5.1 远程监测与控制

用户通过APP连接系统后，可以通过APP查看当前睡眠环境的具体情况（湿度、温度、粉尘浓度、光照强度）。如果用户此时不在家中，可以通过APP远程控制空气设备提前进行环境优化。远程控制界面如图6所示。

5.2 智能调节

用户可以根据自身的实际情况在APP中设置最适合自己的睡眠优化方案，也可同时设置温度、湿度、粉尘浓度、光照强度的最适区间。若这四种参数有一种或者多种不在最适范围内，与系统相连的外围设备开始工作，使环境保持最优。例如：某用户提前将温度设置为22～24 ℃，若深夜降温后，温度低于22 ℃，那么便会触发空调运作，使温度回升至22～24 ℃区间。湿度、粉尘浓度、光照强度同理。

5.3 智能分析

用户使用三次及以上后，系统会进行综合AI分析，把用户习惯设置的温度、湿度、粉尘浓度、光照强度与总数据库中的数据一一比对，并结合医学常识给用户推荐更加健康、安全的环境优化方案。

PC端控制窗口界面如图7所示，APP温湿度显示界面如图8所示，智能分析界面如图9所示。

6 结 语

本设计基于大数据技术实现了睡眠环境智慧监测与调节系统，利用感知设备可以对捕捉的数据进行综合分析处理，给予用户最适合自身的环境优化建议。用户可以通过APP远程控制与系统相连的空气设备，从而达到提前营造优质睡眠环境的目的。本系统以用户提前设置的参数区间对当前温湿度等参数进行智能化调整，让睡眠环境长时间处于较佳状态，从而有效提高使用者的睡眠质量。

注：本文通讯作者为潘玮。

参考文献

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