物联网床帐系统的设计与研究

杜佳佳，吕元元，王 芮，何雨桐，姜

（重庆邮电大学，重庆 400065）

0 引 言

随着社会的发展，其节奏越来越快，生活和学习压力与日俱增，浅眠及失眠问题日益严重。集体住宿环境下，此类问题更加突出。与此同时，消费者对于改善睡眠类产品的需求多样化，单一功能床帐已不能满足人们的需求。传统床帐并不能隔绝噪声及灯光照射，闹钟铃声不仅让使用者起床经历刺激性体验而且严重影响同寝室友的休息睡眠。移动互联的“智能”应用模式广泛应用于生活的方方面面，并引发床帐功能性变革。

本系统采用全包裹式床帐结构，结合碳晶远红外技术，增强了噪声及灯光的抑制效果，同时提供了舒适的睡眠环境。基于声光唤醒技术，并结合模拟太阳光调制算法，设计出声光唤醒闹钟，结合降噪算法等技术进行融合创新，使用蓝牙模块与智能终端进行通信，从而构成物联网床帐系统方案设计。此设计实现了隔音、制热、助眠、声光唤醒等功能，为用户提供了更加科学健康的睡眠及唤醒体验。

1 智能床帐总体结构设计

1.1 功能需求分析

根据大学生睡眠质量调查报告的数据统计，我国大学生普遍面临学习、就业、情感等压力，部分大学生甚至出现浅眠或失眠现象。在寝室公共环境下，键盘敲击、鼠标点击、音频外放、人声、书籍翻阅等环境噪声严重影响大学生的睡眠质量[1]。质量不佳的睡眠不仅影响学生的身体健康，而且造成学习效率低下，学习生活受到严重干扰。本团队针对此类问题设计并开发出多功能智能床帐，从而缓解学生的睡眠问题。

1.2 结构组成及工作原理

系统结构组成框图如图1所示，物联网床帐系统外观与普通床帐外观类似。本系统在床帐底部增加温度控制系统，采用DS18B20温度传感器实时检测床帐内部空间温度，并通过脉冲调制信号控制加热材料的功率，从而完成温度的调控。采用石墨烯材料构成碳晶远红外加热系统。多项检测数据表明，碳晶远红外加热系统采用波长为9.3 μm的红外线，此波长对人体最为有益，并安全无害，可提供无光、无噪声、无味、无耗氧的优良温暖环境。床帐顶部增加声光唤醒系统。该系统使用LED灯珠，加上均光板，通过PWM控制方式逐渐增强亮光，采用模拟太阳光调制算法，调查分析随时间的变化太阳光的强弱，研发模拟太阳光调制算法，以达到太阳光唤醒效果，进而模拟清晨的阳光，灯光颜色从日出前的灰白色，逐步过渡到日出橙红色，再从橙红色逐渐过渡到明亮的橘色[2]。3D环绕式音响结构设计，贴合用户喜好，采用具有针对性的ASMR音频帮助用户尽快入睡并在唤醒用户时给予适量的自然环境声刺激。主控系统安装于床帐顶部，通过控制线连接温度控制系统、声光唤醒系统、人机交互系统。床帐四周贴合高密度闭孔发泡隔音棉，当声音进入发泡小孔时就被小孔内空气摩擦震动吸收；表面经过设备特殊处理形成一面凹凸波浪形，能更大面积地吸收声波能量，并配合全包裹式床帐结构解决隔音遮光问题。

图1 系统结构框图

2 控制系统硬件设计

根据物联网床帐系统的功能需求和工作原理，对控制系统的硬件进行设计，其结构框图如图2所示。采用STM32F103ZET6为主控制器，通过控制石墨烯调温模块的导通角来调节温度，温度传感器将温度反馈给控制器，从而实现温度调节的闭环控制；同时，通过PWM调制声光唤醒装置的光线亮度和音效、音量变化，用RTC准确定位时间来进行反馈控制。另外，物联网床帐系统装配显示装置、蓝牙接口、操作按键等。整个硬件系统的电源模块采用市电供电，并配置5 V/1 A直流电源和220 V交流电源接口。

图2 控制系统硬件结构

2.1 电源模块

为了提升用户使用体验效果，产品的供电采用220 V市电供电，输入系统经过变压器和滤波电路，得到12 V直流电压。经过验证，该电源电路能提供高达6 A的工作电流。输出的12 V电压经过示波器电源分析，约含有50 mVrms的电源噪声。为了抑制电源噪声，设计EMI滤波电路，配合总量为2 000 μF的输出电容，将电源噪声降至10 mVrms。

直流电源处理电路图如图3所示。利用DC/DC开关电源TPS54331将12 V降压至5 V，为显示屏供电。使用低压差线性稳压器TLV757将5 V稳压至3.3 V，为系统主控STM32F103供电。实验验证，该电源模块工作正常，效率高达80%，满足系统设计要求。

图3 直流电源处理电路图

2.2 石墨烯调温控制模块

石墨烯材料采用市电供电，通过双向可控硅以小功率控制大功率的调制，实现无接触运行、无火花、无噪声和响应时间短的目的。石墨烯调温控制模块如图4所示。首先，通过H11A817光电耦合器件，将正弦交流电压的过零点转换成脉冲信号以zero signal传递给主控器，进而捕获zero signal信号的上升沿来判断零点。依据温度反馈，计算导通角的角度和给出开启脉冲信号的延时时间，通过temp给出开启导通角的脉冲信号，导通三极管Q，激发光耦EL3083隔离控制双向可控硅TRI的导通，实现石墨烯材料的温度控制。

图4 石墨烯调温控制模块

2.3 RTC模块

图5为DS3231的时钟电路图，该图使用集成的温度补偿的高精度I2C控制时钟器件。该器件包含电池输入端，并在断开主电源时仍保持精确计时，其内部集成的晶体振荡器可提高器件长期工作的稳定性。DS3231的寄存器可保存秒、分、时、星期、日期、月、年和闹钟设置等信息。少于31天的月份，可自动调整月末日期，包括闰年补偿[3]。根据精准的时钟确保声光唤醒的时间准确性。

图5 DS3231时钟电路图

3 交互系统软件设计

3.1 软件总体设计

基于床帐各个模块的硬件设计，设计配套的软件系统，并完成代码编写和功能调试。

客户终端：

（1）客户在微信端注册登录账户。

（2）设置闹钟、温度，选择唤醒的声光模式。

（3）将指令数据通过蓝牙传送给单片机处理。

单片机端：

（1）系统初始化。

（2）实时接收客户端指令。

（3）根据闹钟设置指令调动RTC模块，到时后发启唤醒模式；用PWM波控制灯珠模拟太阳光；依据用户选择模式播放相应的存储音乐。

（4）设定温度，用户进入睡眠模式后，调制相应脉冲波从而控制双向可控硅导通角，驱动石墨烯发热，达到恒温效果。

3.2 软件程序设计

根据交互系统程序流程要求，使用主控单片机STM32F103ZET6固件库对应的Keil5软件编程，编程界面如图6所示。图中，分别进行了蓝牙模块、脉冲调制模块、PWM调制模块、音频数据存储模块的程序编写；微信小程序采用微信开发者工具编程软件，进行界面设计、账户登录、蓝牙连接、传输数据的程序编写。程序流程如图7所示。

图6 Keil5编译界面

图7 程序流程

3.3 模拟太阳光调制模块

运用调光公式编写的程序，STM32ZET6可控制R/G/B/WW LED光源模块混合比例，实现对混合光相关色温、光通量等参数的控制[4]，调制出适合的PWM波，从而模拟适合刺激人体褪黑素减少的类太阳光，用以唤醒用户。

根据二通道和三通道脉冲宽度调制PWM特点，采用黑体轨迹的Chebyshev方法，在优化目标一般显色指数（CRI）最佳时，建立了混合光的色坐标与占空比、相关色温与占空比的函数关系[4-6]。假定输入驱动的占空比与光源输出的光通量成正比，结合格拉斯曼颜色定律，根据混色原理及国际照明委员会（CIE），1931色坐标计算方法，推导出n种已知色混光方程组：

式中：(xG,yG)，(xW,yW)为绿、暖白（G/WW）LED模块的色坐标；YG，YW分别为其光通量；DG，DW为绿、暖白LED模块的占空比[4]。

解出最终的yGW为：

3.4 恒温模块设计

为了满足项目关于石墨烯的恒温要求，电源模块需要加入双向可控硅控制交流电。软件内容使用STM32F1ZET6的定时器中断捕获输入的上升沿信号，与输入信号同步，延迟与调定温度适配的时间，持续输出脉冲波驱动双向可控硅工作，并采用PID温度控制算法调制温度处于智能终端设置温度。

初始化程序预设PID比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD的值。主控首先读取智能终端设置的目标温度，通过PID系数控制脉冲调制信号，驱动双向可控硅工作；通过DS18B20温度传感器获取温度信息，返回与目标值的温度差，根据返回值调整PID系数，对差量进行调节并修正脉冲调制信号占空比。主控持续检测温度信息，当与目标温度的差量大于0.5 ℃时，再次开启PID控制循环，如图8所示。初始设定KP为较大的值，KI，KD设置为0，温度将以较快的速度达到目标值附近，并开始振荡。当出现振荡时调节KI，波动时增大KI，恢复速度过慢时减小KI。最后进行KD的设置，偏离目标值且恢复慢时，加大KD；单位时间内偏离目标值误差不大但振荡[7]频繁时，减小KD。

图8 PID温控流程

本系统采用DS18B20温度传感器。低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入。高温度系数振荡器决定计数门的开启时间。每次测量前，将-55 ℃所对应的计数分别置入减法计数器和温度寄存器中。减法计数器对低温系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器的预制将重新被装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数[8-9]。

斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度，实现DS18B20的测温。

3.5 时间校准模块

本系统对时间的精度要求极高，时间系统采用STM32F103ZET6的RTC模块。为使时间精准运行，采用WiFi模块获取网络时间校准RTC时钟，每隔24 h校准一次。主机启动后台程序，单片机向时间服务器NTP发送校对时间请求，NTP服务器则送出当前标准时间给单片机[10]，单片机接收到服务器的时间，进而调整自己的时间，达成了网络校时。

4 结 语

对床帐系统整体结构进行设计，使用者通过智能终端对床帐系统进行设置，从而实现温度控制、降噪、声光唤醒等功能。床帐采用全包裹式床帐结构，使用优良的高密度闭孔发泡隔音棉，达到隔音遮光目的。该系统以STM32F103ZET6单片机为控制核心，结合电源模块、恒温模块、PWM调制模块、蓝牙通信模块、降噪模块完成硬件设计，采用模拟太阳光调制算法、PID温度算法等完成对硬件模块的控制以及功能实现，达到隔音效果良好、温度适宜、可正常无刺激唤醒试用者的预期设计目标。

注：本文通讯作者为吕元元。