基于巴特沃斯滤波器的特殊人群防睡眠窒息提醒装置设计

冯恒莉

摘要：有一种特殊人群，他们在晚上处于睡眠状态时，易出现睡眠窒息现象。一旦出现睡眠窒息，将会对人体生命构成威胁。针对此问题，文章设计了一种可在睡眠窒息初期发出声、光、振动报警提示信号的系统。通过及时报警，系统能够唤醒睡眠人员，解决特殊人群面临的健康安全隐患。

关键词：巴特沃斯滤波器；声波传感器；单片机

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.018

中图分类号：TN 713          文献标志码：A            文章编码：1672-7274（2024）04-00-03

Design of Anti Sleep Suffocation Reminder Device for Special Populations

Based on Butterworth Filter

FENG Hengli1，2

（1.Suzhou Industrial Park Industrial Technology School， Suzhou 215123， China；

2.Jiangsu United Vocational and Technical College Industrial Park Branch， Suzhou 215123， China）

Abstract： There is a special group of people who are prone to sleep apnea when they are in a sleep state at night. Once sleep apnea occurs， it will pose a threat to human life. A system has been designed to address this issue， which can emit sound， light， and vibration alarm signals during the early stages of sleep asphyxia. By providing timely alarms， the system can awaken sleepers and solve health and safety hazards faced by special populations.

Keywords： butterworth filter; sound wave sensor; singlechip

有一類特殊人群，夜间易出现睡眠窒息，对生命安全构成威胁。在独居状态下，这一现象更加危险。医学上将这种睡眠呼吸暂停现象定义为连续7小时内发生30次以上的呼吸暂停，每次中断10秒以上，或每小时低通气次数超过5次，导致慢性低氧血症和高碳酸血症[1]。高危患者一旦发病，无法及时发现、叫醒，容易出现事故，这对独居人群而言更为危险。

为此，本文设计了一钟基于巴特沃斯滤波器的防止睡眠窒息提醒装置，通过采集呼吸声音信号，使用巴特沃斯滤波器对信号进行优化，与正常呼吸信号比较，及时检测呼吸异常，发出声、光、振动报警，及时唤醒睡眠者，防范发生意外。

1   系统设计的目标和设计框图

1.1 设计任务

采用单片机作为核心控制元件，通过声波传感器捕捉人体正常呼吸频率，并进行A/D转换，将数据存储在单片机中[2，3]。在特殊人群出现睡眠窒息初期症状时，呼吸频率会加快，与正常状态有差异。单片机处理动态信息，识别窒息初期症状，输出控制信号。控制信号触发蜂鸣器发出报警声，同时驱动发光二极管闪光，以及振动器发出震动提醒信号。这一多重提醒系统可及时唤醒特殊人群，防范安全风险。

1.2 设计要求

（1）设定一定时间为基准，记录基准时间内的正常呼吸次数，经A/D转换后将数据储存在单片机中。

（2）在正常使用时，提取呼吸信号并通过预设的滤波器进行信号处理，以提高信号准确度。

（3）提取呼吸信号并与基准数据进行对比。当动态数据与基准数据差异超过30%时，单片机处理后发出报警信号。通过外部元件放大，驱动发声元件发出报警提醒信号。同时，单片机输出闪光信号，通过外部元件放大、驱动发光二极管发出闪光报警信号。此外，单片机输出振动信号，通过外部元件放大、驱动振动元件发出振动提醒信号。

（4）在声、光报警及振动提醒信号的作用下，使窒息初期的人群及时醒来，从而避免不良后果的发生。

1.3 设计框图

本设计由单片机、声波传感器、声波信号放大电路、A/D转换电路、提醒音电路、光信号提示电路、振动提醒电路和5V直流电源几个部分组成一个完整的控制电路系统。具体设计如图1所示。

2   呼吸声提取

本设计采用STC89C52单片机作为控制核心，通过呼吸声检测实现监测功能的系统。系统的主要功能包括监测和提醒。通过声波传感器检测获取响应数据，并进行对比分析，以判断是否存在异常情况。在异常情况下，系统会触发警示机制，通过报警提醒方式，实现对异常情况的监测和叫醒功能。

以准确提取呼吸声为设计重点。采用声波传感器提取基本信号。运用运算放大器，实现对声波信号的放大，保证失真度小，提高控制精度[4]。通过巴特沃斯滤波器对信号进行进一步的精度提升，确保信号的准确性。

2.1 声波传感器

对声音信号的处理前提条件是对声音信号的采集，本设计采用声波传感器对声音进行采集，声波传感器主要由驻极体话筒和LM393组成。

驻极体话筒的主要作用是将声音信号转换为电信号，它由话筒壳、电容式传感器、放大器组成[5]。它的工作原理基于一个电容式传感器，当有声音时，声波产生振动，传感器内的电容值会发生变化，从而改变电信号的强度。LM393S是三端稳压器，在输入电压范围内的稳压输出，若输入电压超过范围，则起到限压的作用。两者配合使得声波传感器具有信号稳定、采集更准确的优点。

2.2 信号处理

由于环境中存在较多的其他声音信号，为了更准确地采集到呼吸信号，本文设计了巴特沃斯滤波器，对信号进行进一步的处理。

巴特沃斯数字滤波器最先由英国工程师Stephen Butterworth发表在《无线电工程》上的一篇论文中提出来的。巴特沃斯数字滤波器在通频带以内的频率响应曲线符合最大限度平坦，没有起伏，在阻频带以内却是缓慢下降至零为止。通过研究发现，巴特沃斯数字滤波器特别适合低频信号处理，这种滤波器对于保持增益的平坦特性尤为关键［6，7］。巴特沃斯数字滤波器是一种经典的数字滤波器，常用于对信号进行频域处理，以滤除特定频率范围内的噪声或干扰信号[6，7]。它具有最大平滑的频率响应波形，因此可以减少滤波后信号的失真。巴特沃斯数字滤波器的传输函数一般用如下振幅的平方对频率的公式表示：

（1）

式中，为滤波器的阶数；为截止频率。

巴特沃斯带通滤波器是在巴特沃斯滤波器的基础上进行改进而来的，它可以在一定范围内传递特定的频率，同时在其他频率上进行衰减。巴特沃斯带通滤波器的传输函数为：

（2）

式中，为频带中心；为频带宽度；和分别是带通的低频和高频。

本文使用了巴特沃斯带通滤波器对呼吸声语音信号进行去噪处理，通过对呼吸声语音信号的功率谱密度进行分析，得知呼吸声频率集中在1000～3000 Hz范围之内[8，9]，选取作为滤波器的带通范围，采用5阶的巴特沃斯带通滤波器进行去噪处理。滤波前后的信号功率谱、信号幅值变化如图2、图3所示：

从对比图2和图3可见，通过设计的巴特沃斯带通滤波器，实现了呼吸声语音信号的去噪，在功率谱图中，有效滤除了之外的噪声信号；在幅值图中可清晰呈现呼吸声信号的呼气-吸气过程，播放处理后的语音信号，可明显感觉背景噪声得到有效去除。

3   控制电路设计及工作原理

本设计的电路由单片机、声波传感器、声波信号放大电路、A/D转换电路、提醒音电路、光信号提示电路、振动提醒电路和5 V直流电源几个部分组成一个完整的控制电路系统。

单片机（IC1）是本设计电路的核心。单片机P3.2口和P3.3口为声波信号的输入口，同时作为A/D转换的控制口。声波传感器信号，经放大电路放大后，进行整形及电压比较。处理后的信号进行進一步的算法优化后，与基准信号进行比较。比较后，超出设定值，单片机即刻输出声、光、振动信号。

使用运算放大器，使声波信号的放大效果失真度变小，控制精度得以提高。A/D转换，使声波传感器信号得以量化，以便于对基准信号的存储，同时便于对动态信息进行收集、比较。

单片机的P3.0口输出信号，经三极管放大后驱动蜂鸣器发出提示音。单片机的P3.1口输出信号，驱动发光二极管发出光提示。单片机的P3.4口输出信号，经三极管放大后驱动振动元件发出振动提醒信号。三重提醒叠加，保障能将睡眠者叫醒。

4   结束语

“基于巴特沃斯滤波器的特殊人群防睡眠窒息提醒装置”，可在特殊人群出现睡眠窒息初期，及时发出声、光、振动报警提示信号，叫醒睡眠人员，从而防范安全健康隐患。该装置能在呼吸发生异常的第一时间就发出警报，其警报的及时性较一般装置更高。这种良性的提示效果，对保障人们的健康具有积极意义，而且这种控制装置没有操作门槛，特殊人群可以使用，其他人群也可以使用，所以具有一定的普及性和推广价值。

参考文献

[1] 肖华.揭开睡眠呼吸暂停的神秘面纱[J].家庭生活指南，2023，39（11）：22-23.

[2] 卢超．基于单片机的睡眠定时实验装置[J]．医疗设备信息，2007（8）：16-18.

[3] 王琛磊．基于DSP的睡眠监测系统设计与实现[D]．广州：华南理工大学，2013.

[4] 张志勇，孟祥柏，赵广平，等．声波信号采集电路检测装置的设计[C]．西安石油大学，陕西省石油学会，北京振威展览有限公司编．2022国际石油石化技术会议暨新能源及节能技术国际会议论文集，2022：202-209.

[5] 易天龙．驻极体话筒的原理及检测法[J]．家庭电子，2005（7）：26.

[6] 黄波．巴特沃斯数字滤波器的设计与仿真实现[J]．河南科技，2021，40（36）：10-12.

[7] 姚林杰，王耀斌，蒋伟．巴特沃斯高通滤波器的优化设计与仿真实现[J]．机电工程技术，2023（2）：292-296.

[8] 罗瀛，曾庆宁，龙超．基于软语音存在概率的噪声互功率谱估计[J]．科学技术与工程，2019，19（23）：126-130.

[9] 高钟毓，苑春法，萧蕴诗．巴特沃斯数字滤波器在自动测试中的应用[J]．航空学报，1987（6）：278-286.