基于蓝牙通信传输的睡眠温湿度监测系统设计与实现

华英 黄阳阳

苏州市职业大学

1 设计背景

1.1 社会需求

随着人们消费能力的提高，消费结构正不断发生变化，对改善性产品的需求愈加旺盛。蚕丝被具有保暖透气、轻盈贴身、亲肤抗敏等诸多特点，是定位中高端的家纺产品，是智能纺织品的良好载体。在消费升级的大趋势下，蚕丝被市场虽然迎来了快速增长，但是行业整体技术水平不高、进入门槛低，产品同质严重，因此，蚕丝被行业企业都有着转型升级的迫切需求。将蚕丝被与电子设备、信息化产品相结合，发掘其更多的功能性，向智能家纺产品转型，成为蚕丝被产品转型升级的一个重要方向。

1.2 研究现状

根据前期的市场调研和有关文献查阅可知，目前，市面上对于被窝温度的监测系统还比较少，可查询的一款温度传感带产品，在被子中内嵌一条温度传感带，会产生明显的异物感，降低睡眠舒适度，而且传感带电辐射较高，存在一定的安全隐患；还有一款是贴在身上的钮扣式传感器，但只能监测一个部位，而且利用双面贴贴在身上容易脱落，获取数据的准确度较低。

1.3 总体设计

基于市场调研结果，吸取以上产品的不足，本产品将传感器和蚕丝被相结合，设计开发基于蓝牙传输的蚕丝被温湿度监测系统。本产品主要针对夏季空调蚕丝被，将其和传感器、移动应用App 结合，将传感器的监测数据以蓝牙通信的方式传输给手机端，可以实时监测、记录被窝的温湿度变化，并通过温湿度的数据来分析睡眠情况，针对踢被、出汗过度等场景实时报警。

2 相关技术

2.1 温湿度传感器

温湿度传感器节点的主要功能是采集环境温湿度，并将数据通过蓝牙协议发送到移动端。本产品温湿度传感器节点选用具有蓝牙功能的无线微控制器CC2640 和温湿度传感器SHT20，采用CR2032 钮扣电池供电，将其封装成直径3 cm、厚度小于1 cm 的扁圆形设备，既能满足本系统的数据采集需求，又不会影响睡眠的舒适度。

CC2640 是TI 公司生产的针对蓝牙智能应用的SimpleLink超低功耗无线微控制器（MCU）。SimpleLink Bluetooth 低功耗CC2640 器件含有一个32 位ARM®Cortex®-M3 内核（与主处理器工作频率同为48 MHz），并且具有丰富的外设功能集，包括一个独特的超低功耗传感器控制器。此传感器控制器非常适合连接外部传感器，还适合用于在系统其余部分处于睡眠模式的情况下自主收集模拟和数字数据。因此，CC2640 器件成为注重电池使用寿命、小型尺寸和简便实用性的各类应用的理想选择。

SHT20 是瑞士Sensirion 公司生产的一款温湿度传感器，可以测量空气温度和湿度值，具有功耗低、体积小（3 mm*3 mm）、测量精度准确等特点，湿度的精度范围在±3%，温度的精度范围为±0.3 ℃，且可以获取到0.01 精度的温湿度值，大大提高了本产品在温差判断时的准确度。

2.2 开发平台

原生移动应用开发平台兼容性差，开发周期长。随着 Web 技术的快速发展，使用HTML5 等标准Web 技术开发拥有原生体验和原生功能的App，Deep Engine 使用半翻译式原理，运行中将Web 翻译成Native API，强大的混合渲染引擎提供更佳的性能体验。本产品选择APICloud 开发平台，使用标准Web语言开发。该平台将大量移动应用所需的功能“模块化”封装，在开发App 时，采用“积木拼装”的开发方式，通过JavaScript 语言调用模块接口，无需单独开发，从而大幅缩短开发周期。

3 详细设计实现

3.1 传感器位置的选择

在蚕丝被中，传感器位置的选择对监测结果的正确与否有着非常大的影响。本系统的监测数据是睡眠时人体的温度变化，作为分析、报警的基础数据。蚕丝被有着极好的保温性，可以起到阻隔温度的作用，因此，蚕丝被靠近人体的一侧更接近人体睡眠时的温度，远离人体的一侧受人体温度变化较小，更接近环境温度。本系统选择把传感器布置在蚕丝被丝棉套内侧，与人体距离更近，对被窝环境温度的监测更加直接和迅速。

本系统的一个主要功能是根据温度变化判断是否踢被并报警。人体的腹部、胸部和腿部是保暖的主要部位，本系统选择这3 处作为监测的主要位置，3 个传感器对应胸、腹、腿的位置，如图1 所示，其中，将腹部传感器定位在蚕丝被纵向中轴线中心偏上的位置，胸部传感器定位在纵向中轴线距顶部1/4 位置，腿部传感器定位在纵向中轴线距底部1/4 位置。

图1 传感器位置

通过采集温度测试数据分析，如图2 所示，睡眠时胸、腹两部分和蚕丝被贴合比较紧密，在睡眠过程中温度稳定，但是一旦翻身或踢被，温度变化就较为明显，具体可参考图2中红色和黄色曲线。腿部本身的温度比腹部和胸部要低，同时，由于腿部与蚕丝被接触面积小，即使在盖被睡眠过程中，温度起伏也比较大，如图2 中蓝色曲线所示。

图2 睡眠时温度变化

3.2 温度变化规律

在室温20～26 ℃的环境下做了大量测试数据，并对其进行分析，总结出温度的变化规律如下（1）入睡时盖上蚕丝被，3 个采集点温度会不断上升，腿部温度会略低于胸、腹部温度，但3 个采集点最终会稳定在30 ℃以上。（2）进入睡眠阶段，如果没有翻身移动，温度会平稳地恒定。（3）如果出现翻身移动，会因为空气流通、热量损耗而导致温度下降，但是只要被子没有离开身体，下降一段时间后会重新升温。本文截取了正常睡眠状态下温度下降时间最长的一组数据，如表1 所示，可知，3 个传感器温度或持平或下降持续了7 min，随后传感器3 出现了升温。（4）如出现踢被情况，蚕丝被离开人体，没有了人体的热度，受室温影响，被子温度会出现持续下降趋势，只要在此过程被子没有被重新盖上，整个下降过程中不会出现升温的情况。但由于蚕丝被本身的保温性，踢被后温度先会明显下降，后面会趋于平缓，如要完全降至室温，需要持续数小时，温度变化如图3 所示。

表1 正常睡眠翻身温度变化数据

图3 踢被后温度变化

3.3 数据采集显示

图表可以更清晰地反映每个睡眠过程的温度变化情况。本系统移动端App 利用图表插件Chart.js 显示采集数据，Chart.js 使用HTML5 画布canvas 元素生成图表，不仅可以兼容所有浏览器，也可以很方便地实现不同终端的适配。本系统需要同时读取3 个传感器温湿度值，而蓝牙连接在同一时刻只能以一对一的方式连接，因此，选择将温湿度值以蓝牙广播的方式传递。传感器每秒钟发送实时获取的温湿度数据，移动端利用APICloud 提供的ble 模块实现蓝牙交互。ble 模块提供的getPeripheral（）方法获取当前扫描到的所有外围设备信息，通过name 属性筛选蚕丝被中的传感器，可以选择读取3 个传感器中任意一个数据，如图4所示只选择了腹部和腿部两个传感器。

manufacturerData 属性值即是发送的广播数据。传感器发送的蓝牙广播数据是以十六进制数表示的，本系统发送的蓝牙广播数据值如图5 所示，其中，5—8 位是温度值的十六进制表示，9—12 位是湿度值的十六进制表示。通过如下代码，转换为精确到1%的十进制温湿度值。

通过计时器setInterval（）每分钟更新Chart 对象的数据集并显示。由于手机屏幕尺寸小，每次能看到的数据量有限，本系统将每次更新的数据插入到数据集最前端，以保证看到的曲线能反映最新的数据值。每次更新数据时动态增加图表宽度，通过DIV 嵌套隐藏屏幕外内容，可以通过左右滑动的方式查看早些时候的图表曲线。

3.4 数据分析

本系统提供的数据分析功能包括对睡眠安稳度分析、踢被报警和出汗报警。

（1）睡眠安稳度分析。通过对每小时内采集温度数据进行分析，给出用户每晚睡眠翻身移动频率较高的时间段。方差是用来衡量数据波动的有效手段，方差越大，数据的波动越大；方差越小，数据的波动就越小。睡眠开始时，温度会升高至一个稳定值，作为均值。每个整时段采集到的60 个数值运用方差可以看出温度波动较大的时段。波动较小的时段睡眠安稳度高，波动较大的时段翻身移动频率较高。

（2）踢被报警。通过判断温度值和降温情况，符合踢被条件时发出警报提醒用户。根据温度变化规律可知，踢被后温度会持续下降，通过温度是否持续下降可以判断被子是否被踢开。但是由于正常睡眠翻身移动过程也会出现温度波动，报警判断不能只判断温度是否下降，对此，本系统增加了持续降温时长和温差两个辅助条件。持续降温时长设置得越长，越能保证踢被报警的精确度，但踢被报警的功能设置是为了及时发现被子被踢开，防止受凉感冒，如果时间设置过长，就失去了这个功能的意义。由温度变化规律可知，在正常睡眠过程中的降温时间，尤其是3 个传感器持续降温的时间不会超过7 min。本系统把判断条件中时长默认设置为8 min，也为用户提供了自由设置时长的功能，用户可以在5～30 min间任意设置时长。正常睡眠时，由于蚕丝被本身具有保暖性，温度波动范围较小，踢被后受室温影响大，温度下降较为明显，因此，本系统增加温差条件，在当前温度和最高温度温差达到4 ℃以上并持续降温时间大于设定时长时，以响铃和震动方式提醒用户。

图4 温度图表显示

图5 蓝牙广播数据

（3）出汗报警。通过判断湿度值变化报警提醒用户出汗情况。出汗会引起环境湿度值升高，传感器检测到湿度值持续上升时，以震动方式提醒用户。

4 应用前景

本系统在蚕丝被芯中适当位置植入3 个微型、低功耗的温度传感器，结合移动端App 对采集的数据进行分析处理，实现了具有监测睡眠状况功能的智能蚕丝被新产品，有效填补了目前市场的空白，也为传统真丝家纺行业的转型升级作了有益的探索。本系统主要面向幼童，针对幼童自我控制能力较差和抵抗力较弱、容易因踢被子受凉生病等问题，增加了监测系统的蚕丝被，帮助父母了解幼童的睡眠情况，也可以在幼童踢被或出汗过多的第一时间提醒父母及时发现。本系统在目前温湿度监测的基础上，还将继续完善功能。智能蚕丝被有希望成为一种重要的婴童寝具用品出现在大众市场，也将会朝着更加高端化的方向不断探索。