基于云连接技术的助眠床自动控制系统设计

费叶琦　温健鉴　齐加胜　焦立炜　牛子铭　郭峻伟

摘要：针对目前市场上助眠床存在个体适应性差、操作繁琐、不利于提高睡眠质量等问题，提出了在助眠床整体机构设计的基础上，基于云连接技术、具有人机交互界面的自动控制系统设计。设计中主要包括由气路控制器、电动伸缩杆组成的执行机构和由温度计、气压计、运动传感器组成的反馈机构2部分，实现对助眠床睡枕高度、床垫温度以及硬度的闭环控制;另外通过合宙2G通信模块、阿里云云端服务器及移动电话APP实现远程交互功能。通过对睡眠硬件环境的控制，有效地提高了用户睡眠舒适性并具备故障保护能力。相较于传统助眠床控制系统，设计的控制系统安全性以及智能化程度更高，用户交互体验良好，有一定的实用及市场推广价值。

关键词：助眠床;睡眠舒适性;角度控制;温度控制;硬度控制;人機交互

中图分类号：TP23 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0142—04

0引言

潘黎等调查结果显示，26℃下较适合睡眠，23℃时次之，但调研发现市场上的床体控制器很少具备对温度的控制功能。王鲁烨指出，普通人颈椎病发生概率与其睡枕高度有关，睡枕最适高度与自身右手掌宽、肩颧距有密切关系。任林燕等-引研究表明，床垫作为睡眠的平台，其支撑性能对人体健康和睡眠舒适性有着重要的影响。软硬度合适的床垫有利于人体腰部支撑，其中男性更适合使用较软的床垫，而女性更适合使用较硬的床垫。但是传统睡眠床作为量产产品，很难在成本限制的情况下考虑个体温度、枕高等因素，针对客户进行量身定制。本文设计的睡眠床配套有新型智能控制系统，可根据不同用户的体质特点和身体近况，通过控制睡眠温度、床垫硬度及头枕高度等来满足用户睡眠舒适性需求。

1控制系统总体设计

本设计预通过调节睡眠环境温度，使环境温度更加适宜睡眠;通过调节床垫软硬度，使用户身体各部位均匀承压;通过调节头枕仰起高度，使颈椎始终处于低承压状态;通过云连接设计，用户可使用移动电话APP调节助眠床各项参数，简化用户操作难度。最终在“用户友好”的前提下提高用户睡眠舒适性;同时在控制系统设计时，对助眠床做了故障保护设计。

该控制系统的硬件控制电路可分为强电控制部分和弱电控制部分：强电控制主要由继电器和继电器驱动器组成;弱电部分主要由基于ARM CORTEX-M0内核的STM32微控制器作为主控制器，AIR202 GPRS通信模块作为数据联网核心，另配有A04950双半桥驱动器、AD623高精密仪表放大器、GSM频段板载天线、XL1509 BUCK降压器、RT9193-3.0 LDO降压器等相关配件。一方面通过下位机基于C语言的STM32和基于LUA语言的AIR202通信模块的软件开发，通过多路执行机构、反馈机构实现对床垫温度、硬度、头部高度的闭环控制，精准地控制用户睡眠环境;另一方面，上位机通过安卓移动电话APP端，采用简单按键的交互式界面对助眠床下发指令，实现基于云连接的智能助眠床控制，减少了用户的使用难度。

2下位机设计

2.1工作原理

下位机的主要功能是响应云端下发的指令并实时反馈系统工作状态至云端。总体结构如图1所示，由2块10cm×10cm的独立印制电路板组成核心控制器，其余部分为执行器件和传感器件。电路板1主要负责弱电控制;电路板2主要负责强电驱动与高压隔离。电路板1输出弱电控制信号，通过电路板2驱动气泵、加热器等强电器件。

在下位机控制系统中，存在3路独立的闭环控制。（1）角度闭环控制。正常工作时角度变化范围为0°～40°，通过改变仰角来实现头枕部分高度调节。（2）床垫温度闭环控制。正常工作时床垫温度会在软件PID控制的20～30℃范围内由用户设定，温度控制精度±2℃。（3）床垫气压闭环控制。正常工作时气压控制范围在20～印kPa，具体气压值由用户设定，控制精度±1 kPa，通过床垫气压调节，从而改变床垫硬度。

执行机构主要包括2个部分。（1）双路恒温气垫硬度调节系统。系统气体管路中设置有温度调控设备，可调节气路中气体温度，同时此气路中配备有5个阀门、1个气泵和1个热交换器，分别对枕部、床身两部分的气垫进行压力调控，如图2所示。（2）颈椎姿态调节系统。设备中利用能无声稳定传动的电动伸缩杆改变头板角度，以实现在不影响用户睡眠的基础上高效调节头枕高度的需求。

反馈机构主要由气体压力传感器、温度传感器和角度传感器组成。其中气体压力传感器，采用扩散硅芯片实现;温度传感器采用较为普通的模拟量温度探头，由于此类温度探头具有温度一电阻值的非线性特性且个体差异也不容忽视，所以在本设计中采用数字温度探头DS18820对模拟量温度计进行数据拟合及标定;角度传感器采用MPU6050芯片，在本系统利用芯片内陀螺仪和加速度计互补滤波进行角度反馈，这种设计能够提高传感器精度。

2.2子系统设计

2.2.1多级变压电源系统

多级变压电源系统为系统内部分器件提供稳压工作电源，为适应国内常用电压，本设计中选择220V市电作为助眠床控制器唯一供电源;使用笔记本电源实现了从220V市电到Vin的变换;从Vin到Vair的变换过程中由于输入输出压差较大，并且对电流有所要求，故选择上海芯龙的XL1509 BUCK降压方案;Vair到Vmcu的压差不大，并且Vmcu的负载级对电流要求不高，故使用RT9193 LDO方案实现;Vanalog要求高输入电压、低电流、低纹波，故通过齐纳二极管稳压的方式获取Vanalog电源，电源拓扑如图3所示。

2.2.2主控制器程序运行框架

本设计所使用的主控制器内运行了一套基于协程的任务分配框架，用以实现单控制器内多任务运行的需求，任务调度顺序如图4所示。

2.2.3 GPRS通信系统

下位机与云端的连接依靠GPRS通信，在本设计中依靠合宙通信提供的AIR202模块实现，模块具体电路如图5所示。

D6是瞬态抑制二极管，用以抑制可能通过K4引入的ESD干扰，同时也避免了PCB布线时产生伴生自感高压的风险。模块提供了多路UART通信接口，通过使用UART1与STM32进行数据通信，并在数据发射脚和数据接收脚分别串联了470Ω电阻，进一步确保通信模块和STM32间的通信电平兼容性。

AIR202射频频率分为两段，一段约900 MHz，另一段约1800 MHz。吴欣慧等对GSM双频微带天线的研究进行了板载PCB天线设计。设计中，天线信号传输线采用微带结构，其铜皮厚度35μm，要求传输阻抗为50Ω，由于其对板材无特殊要求，所以选用电路设计中通用板材FR-4，板材相对空气的介电常数约4.5。根据合宙提供的设计参考资料，最终选取设计参数为：传输线距离同层参考平面0.15 mm，微带线宽度0.7mm。

2.2.4机械部件驱动系统

由于控制机械部件的运动需要不同的控制电压、驱动功率，主控制器无法直接驱动这些部件，故系统通过使用不同驱动方式来驱动相应机械部件，以实现各部分所需功能。通过使用4个MOS管形成的H桥驱动电路，在满足电动伸缩杆驱动功率基础上，改变电流方向来实现“伸”和“缩”2种运动;气泵、加热器等由于供电电压高，功率大，所以使用继电器控制;电磁阀对驱动功率要求较低，但是属于感性元件，同时存在多路控制的需求，故使用ULN2803达林顿阵列进行驱动，其内含感生电流泄放回路，省去了外置泄放回路的麻烦。

2.2.5头枕高度控制系统

头枕高度是通过一个大推力的电动伸缩杆控制用户头枕部仰起角度，同时使用角度传感器进行角度反馈。角度传感器的主要作用是对助眠床的头板部分进行角度测量，与电动伸缩杆形成闭环控制。本设计中同时采用加速度计和陀螺仪进行角度反馈，并对角度数据进行互补融合处理，最终使头枕部分的角度数据同时拥有精度高、响应速度快的特点。

当电动伸缩杆在超过限定行程时会出现相邻气垫挤压、气路管道断裂、相连接机构破坏等问题，设计中在软件设计上对此进行了优化：对角度传感器失联等特殊情况进行识别和处理，如根据角度传感器和主控制器间的约定，无论角度是否发生变化，角度传感器必须在窗口时间内（100 ms）向主控制器发来新的角度值数据，否则视为数据接收超时，此时触发伸缩杆保护，禁止伸缩杆继续运动。

2.2.6床垫硬度控制系统

床垫硬度的调节是通过改变床垫内气压来实现。在整个助眠床系统中有2个独立的气垫，分别负责用户头枕部和肩部以下的软硬度调节。通过大流量静音气泵、气阀和气压传感器实现气压反馈控制。为防止气泵工作噪声影响用户睡眠，选择工作噪声小于40dB的海利V-30超静音气泵。充气时控制系统会定时地切换充气对象，以确保两路气垫都能有足够且均衡的气体压力。气压传感器采用扩散硅传感器，传感器信号通路描述如图6所示。

床垫硬度控制系统中包括故障检测和故障保护。

（1）故障检测

扩散硅传感器可以用一个桥臂阻值随外部受压变化而变化的电桥电路等效，OUT+和OUT-为电桥信号输出，OUT+和OUT-的差值与作用在传感器上的气体压力呈正比关系。由于制作工艺误差原因，无论外界有无压力作用在传感器表面，电桥总是处于非平衡态，所以OUT+和OUT-总存在一定电压差。利用这一特性，若电桥线路断开，仪表放大器两端输入电平相等，根据差分放大器特性，会输出一个极其接近0V的单端信号，可以通过这一特征判定传感器断开。同理，在扩散硅出现过压等意外情况下电桥出现任意电阻短路，在放大器两端会出现一个超额电压差，此时放大器会输出一个接近满量程的单端信号，通过这一特征亦可判断传感器故障。

（2）故障保护

为防止气垫气压过高，可通过气路系统中自身配置的安全阀进行溢流保护，同时也会触发控制继电器断开来锁定气泵，实现对气路的双重保护。

2.2.7床垫温度控制系统

床垫的温度控制是通过改变床垫内气囊循环气体温度来实现的。加热器由高安全系数的陶瓷发热芯（PTC）和铝制热交换器组成，发热芯通过热交换器间接地给循环气体加热，其中热交换器含有一个气体入口和一个气体出口。因为数字温度计具有精度高、一致性好的特点，模拟温度计具有价格低廉的特点，所以为了兼顾两种温度计的优点，本控制系统同时支持数字温度计和模拟温度计，并且使用数字温度计标定模拟温度计。在产品组装时将数字温度计和模拟温度计置于同一温度环境下，然后在一定范围内缓慢改变环境温度，单片机会自动地完成这一标定过程。标定逻辑如图7所示。

在软件控制失效时，热交换器最高温度会由于PTC发热器的自限温特性被限制在约150℃，热交换器人口与出口接口处使用耐高温200℃的硅胶管，此時机械结构不会因为热失控而损坏。

2.2.8科学助眠模式控制系统

刘海琴等调查显示，打鼾会降低睡眠质量，故在设计睡眠床时可以通过检测鼾声的方法获得用户当前睡眠质量状况。在启动科学助眠模式后，通过不断调节床垫软硬度、温度和头枕高度，让用户处于最佳睡眠状态。控制中调整频次F取决于3个互相独立的参数，分别为床垫硬度等级X、温度等级X和头部仰角等级墨，三者关系为F=X·X·X墨，在对睡眠时参数的不断反馈和改进下，助眠床控制系统会逐渐迭代出用户的最佳睡眠参数。自动调整逻辑如图8所示。

3上位机设计

3.1工作原理

上位机的主要功能是给云端发出用户指令并接受云端转发的下位机实时工作状态。上位机APP的开发基于非原生SDK包，开发平台为阿里云提供的IOT studio。助眠床批量生产时，每个用户都可以注册一个独立的账号，每个账号下可以管理多个助眠床。上位机运行时呈现用户登录界面，用户登陆后，可通过界面修改助眠床的头枕高度、床垫硬度和温度的期望值。其中移动电话APP到阿里云服务器的数据传输是通过HTTP协议实现的，阿里云服务器到助眠床控制系统的数据传输是通过MQTT协议实现的。数据传输逻辑如图9所示。

3.2 APP界面

APP登录界面采用安卓原生界面，有账号密码输入框以及“登录”、“忘记密码”、“免费注册”等多个选项，如图10（a）所示。

用户成功登入后，自动进入“首页”，在“首页”中可以对多个助眠床实体进行分别控制，目前仅使用1个助眠床设备进行测试，如图10（b）所示。

用户进入助眠床配置界面后，可以看到页面主体分为3个部分，从上至下分别是头枕高度、气垫硬度和气垫温度。可通过页面文字提示获取助眠床运行状态，也可通过文字下方配置按钮进行状态设定，如头部高度实现了8～12cm的阶段调节;床垫硬度实现了20～60kPa的阶段调节;床垫温度实现了20～30℃的步进调节，其步进温度为1℃。上述调节量范围都覆盖了人体睡眠环境的舒适区间，能满足用户对睡眠舒适性的要求。科学助眠模式的开启和关闭由页面最下方按钮决定。开启科学助眠模式后，系统会根据本文2.2.8节所描述的自动适应算法给出推荐床垫温度、硬度和头枕高度，配置界面如图10（c）所示。图中，右下角的小爬虫标志是DEBUG按钮，可以通过点击此按钮进入开发者模式，用以在程序出现问题时对程序运行日志进行分析，如图10（d）所示，日志界面下方有多个常用的辅助功能，如刷新、复制、保存。

4系统测试与分析

系统设计完毕后，为了确保系统各部分功能正常运行，对系统进行测试。首先接通系统电源，连接ST-Link调试器，插入角度传感器、气压传感器、数字温度计和模拟量温度计，对传感器数值进行测试。以垂直于地面为Z轴建立三维坐标系，以X、Y、Z3个互相垂直的方向为转动轴，分别在3个转动轴上转动角度传感器，可以在串口打印界面看到相应数值发生变化，此处仅打印X和Y轴角度数据为例，如图11（a）所示;手动在气压传感器的金属膜片上施加压力，可以在调试界面看到压力值随着施压力度不同而变化，如图11（b）所示;将数字温度计和模拟量温度计放在同一杯约90℃的水中，随着自然冷却，可以通过串口打印界面打印出模拟温度计到真实温度值的映射数据，如图11（c）所示。去除数字温度计后重启控制系统，可以看到在仅有模拟温度计的情况下，调试界面得到正确的环境温度值，如图11（b）所示。

助眠床控制系统硬件设计如图12所示。系统上电后AIR202通信模块进入开机启动阶段，待其成功附着GPRS网络后，在移动电话APP可以看到下位机的最新状态值。通过移动电话APP界面的控制按钮，可使下位机在一定范围内调节头部高度、气垫硬度以及温度。

5结束语

针对传统气垫床在控制灵活性、安全性等方面的缺失，本文提出了一种基于云连接技术的助眠床自動控制系统，方便用户调整床体参数，能针对用户个体需求给出最适睡眠环境。

在人们日益追求精致睡眠的背景下，助眠床能有效地提高用户睡眠舒适性。助眠床的突出优势除了能在家居环境使用外，也可用于医疗领域，替代传统医用气垫床。通过继续挖掘本控制器的智能化优势，可使用动态气垫硬度控制，进一步缓解患者长期卧床所导致的褥疮问题。同时后期将从以下几个方面进行产品改进：（1）使用RT-Thread操作系统对主控制器进行代码重构，以增强程序可移植性和实时性;（2）运用机器学习实现呼噜声识别和分析，从而进一步增加控制器判断人体睡眠状态及质量的准确性、实时性，以便更好地对硬件参数进行控制;（3）增加柔性睡姿传感器，实现不同睡姿下自动调节头枕硬度，进一步减少睡眠时颈椎压力。