基于物联网的智能枕头系统

唐晓菀 荆 锐 张士武 周萌萌 朱 慧

（安徽新华学院<电子通信工程学院>，安徽 合肥 230088）

0 引言

基于物联网的智能枕头系统提出了一种设计方案，在设定了监测位点、监测指标和监测报警阈值等相关条件后，通过选择合适的传感器，如温度传感器、红外传感器、陀螺仪、角速度传感器、麦克风及单片机电路设计以实现模数转换以及信号的处理进行睡眠监测，通过通信模块和显示模块进行数据的发送接收和显示。该系统通过嵌入式技术及传感器技术实现睡眠时的姿态采集，采用拉杆电机而非气囊膨胀的方式调节枕头的高度，震动电机进行对颈椎部位的按摩。具有成本低，操作简单的特点。可有效帮助亚健康人群、慢性病人群及重大疾病人群通过睡眠监测给予针对性的健康指导，长期提供健康保护。

如今，人们的生活压力越来越大，精神需求越来越高，对生活服务的要求也越来越高。睡眠问题是现代人遇到的严重问题之一，如失眠、头痛等。[1]为了解决提高睡眠质量的问题，借助先进的生物医学传感器技术，收集处理信息，分析使用者的健康状况，并通过睡眠枕头来改善这一状况具有重要意义[2]。目前，市场上的智能枕头在使用时仍然存在缺陷且价格高昂，例如，现有的智能枕头主体部分，难以安装至使用者家里现有枕头中，致使装置实用性低下，此外，多数智能枕头在调节高度时，多是通过气囊充气膨胀的方式，由于气囊易产生漏气现象，致使智能枕头的高度调节机构难以长时间稳定使用[3]。因此，有必要以较低的价格实现传统枕头的智能化。

1 整体设计

基于物联网的智能枕头的整体结构组成分为：数据采集模块、控制电路模块，通信模块和输出外设模块。

数据采集模块：用于采集枕头的数据信息，将传感器采集到的模拟量转换为数字信号，以便控制整个系统。

控制电路模块：采用嵌入式主控制器进行数据的采集与处理，传送给通信模块的输入端，由通信模块进行传输处理。

通信模块是控制电路与上位机及进行数据传输的主要模块，嵌入式主控制器通过串口与其连接，通过相关协议将所要发送或者接收的数据传输给蓝牙设备。

输出外设模块是整个系统受控制的部分，负责下位机的输出与显示。

2 系统软硬件实现

2.1 数据获取模块

图1 智能枕头系统设计图

数据获取模块主要是生物医学传感器的选择，传感器的精度往往易受外部环境的影响，如温度湿度。所以在选用相应传感器时，需要考虑外部环境的影响，使其在系统中达到工作所需精度。[4]在参考相关文献后，考虑国内大部分区域的温度以及使用场合，认为0～46℃是合理的温度范围。

本系统采用RFP薄膜压力传感器用于采集头部与枕头接触面的数据，RFP薄膜压力传感器厚度仅为0.1 mm～0.3 mm，具有很好的柔性，可以为数据的采集创造良好的条件。当外力作用于传感器表面时，阻值变小，压力越大阻值越小。为实现监测的准确性，可通过在枕头内放置多个不同密度的传感器，实现分辨率的提高。

采用麦克风对收集到的鼾声信号进行滤波，进行无监督检测，判断睡眠障碍。

测量睡姿上，采用MPU6050模块，可直接测得加速度和角速度的值，可通过计算反映静态的姿态角。从而判断是否躺下并测出使用者躺下的角度和位移。

2.2 控制电路模块

本系统控制电路数据处理模块采用Cypress公司的4XX8_BLE系列包括可编程和可配置的模拟和数字模块，并集成了低功耗蓝牙和蓝牙智能无线电及子系统。其他功能包括数字可编程逻辑，高性能ADC，具有比较模式的运算放大器，标准通信和定时外设，并且可以对传感器模块传输的高低电平信号进行放大处理。[5]可用于心率信号检测和滤波，并提供详细的心率检测解决方案和IDE，以便于开发。

外围电路控制部分采用STM32F系列单片机，STM32F系列是32位ARM微控制器。可以进行高低电平判断，并与蓝牙模块进行整合。

2.3 通信模块的实现

本系统采用两组蓝牙模块，分别与该系统的上位机与下位机连接。与下位机连接的模块作为从机，与上位机连接的作为主机，通过软件初始化可使蓝牙模块建立数据传送，实现物联网控制。

图2 蓝牙模块整体设计

2.4 用户界面软件部分

手机端采用Android系统作为开发方向，通过手机应用软件的图形界面实现交互[6]。人机交互界面的结构如图3所示。在应用软件里，用户可以查看系统运行状况，查看传感器采集的数据，及对枕头进行控制。

图3 硬件整体框图

2.5 整体系统的测试与搭建

最终搭建系统进行测试，测试采用串口进行数据测试，然后运行上位机进行操作。经过测试后，系统可以正常运行。并且可以完成设计方案的预期目标。

2.6 可行性分析

据相关调查数据显示，截至2019年年底，我国枕头市场规模已经突破1 180亿元，其中智能枕头在枕头总体销量中所占比率正加速上升[7]。同时，随着人工智能、物联网等前沿技术的发展，智能枕头有望结合智能家居系统实现融合发展，推动智能家居领域实现新增长，为人们的未来智能生活带来更佳体验[8]。

图4 交互界面结构图

本设计针对市场需求结合智能手机与平板电脑的特点，将分析主流的手持移动设备的操作系统系统架构、应用组件和开发配置，开发了以Android.IOS系统为核心的手机App，实现对枕头的控制，有操作简单应用便利的特点，具备非常好的市场前景，同时该项目成本低廉未来产品用户接受度将会较好。

3 结语

智能枕头系统使用蓝牙连接手机App，实现调节枕头高度，开关按摩，播放音乐产生催眠效果，心率记录及分析，自然唤醒等功能。同时将生物医学传感器收集的健康数据，上传至云服务器，经过大数据分析可计算出健康状况，并在手机App中显示，提供远程关怀，健康风险预警等功能。智能枕头系统在一定程度上可以给予亚健康人群、慢性病人群及重大疾病人群针对性的健康指导和长期的健康保护。