基于嵌入式微处理器的睡眠质量控制研究*

李 珍，张开生，于晓明

（陕西科技大学 电气与信息工程学院，陕西 西安 710021）

随着电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展，对睡眠的监控也迎来了新的机遇。传统的睡眠监控采用传导睡眠图，但是该方法操作复杂且需要在睡眠者头部固定电极，对正常睡眠造成不可忽视的影响，难以准确反应睡眠者的正常睡眠状况。因此，本文提出了利用其他生理参数对睡眠质量进行监控的方法[1-2]。脉搏信号中包含丰富的生理信息，各种脉搏传感器的出现使脉搏测量变得非常方便。嵌入式计算机系统具有体积小、功耗低、处理能力强等特点，因此非常适合于医疗设备的开发。如何将计算机技术和生物医学信号处理技术相互结合，有效地监测人们的睡眠状态，改善睡眠质量，是值得人们特别重视的。

1 设计思路

在睡眠过渡阶段中,“失控的认知活动”致使人们遭受不同程度的失眠困扰。在近年的研究中,有许多迹象显示,通过基于认知科学的心理控制,有可能使失控的认知活动中断，那些致使人们失眠的失控的认知活动会在外界刺激下导致注意转移从而被抑制[3]。在从觉醒状态向睡眠状态过渡时,脉搏会明显减慢且呈现出不同的特征。因此可以通过传感器采集脉搏信号，判断睡眠者的睡眠状态。可以通过嵌入式处理器不断依据脉搏信号所反映的睡眠状态提供刺激，中断从清醒到睡着这一过渡过程中的失控思维活动，使这些有害的思维活动持续地处于被抑制状态，直至最终失活。

2 系统总体设计

根据设计思路的基本认知原理，系统采用脉搏监测的方式来监控睡眠，在不影响正常睡眠的情况下，利用脉搏传感器采集人体脉搏信号，构建嵌入式系统监测使用者的睡眠状况[4]，在睡眠质量不佳的情况下，利用嵌入式微处理器发出合理的声音刺激以达到提高睡眠质量的目的。整个系统由脉搏采集模块、信号调理模块、微处理器模块、声音刺激模块、数据存储模块及数据显示分析处理平台等构成。系统结构框图如图1所示。

3 硬件设计

3.1 脉搏信号采集模块

人体的脉搏信号具有幅度小、干扰强、阻抗高、频率低等特点，采集过程中容易引入外界干扰（如工频干扰、人体活动、高频干扰和人体呼吸移动引起的基线漂移），常伴有严重的背景噪声[5]。因此，脉搏信号测量必须经过放大和滤波等处理，才能满足信号采集的要求。图2为脉搏信号调理电路。

脉搏信号的能量频段主要集中在2 Hz～20 Hz之间，最高频率不超过40 Hz。脉搏传感器采集到的电压信号幅度值在0～20 mV之间，系统所采用的LPC2103片内A/D转换器的输入电压值范围为0～+3.3 V。为了满足转换要求，脉搏电压信号需要被放大100～200倍。同时，为了更好地抗干扰，放大电路采用两级放大。信号调理电路由一级放大电路、基线漂移抑制电路、50 Hz陷波电路、低通滤波器、二级放大电路组成。

一级放大电路采用差分输入的方式,有效地抑制共模信号。差分放大器采用AD620，其具有极高的共模抑制比,可有效抑制工频噪声和人体静电干扰。集成运放

抑制基线漂移电路主要由U2和U4两个运放组成。为了降低工频干扰，设计陷波器取R5=R6=2R7=9.6 kΩ，C4=C5=2C6=0.33 μF，得陷波器频率：采用高输入阻抗型。在电路设计中，设置一级放大电路的放大倍数A为20倍，则：

由于脉搏信号的最高频率不超过40 Hz，因此低通滤波的截止频率设为40 Hz，采用二阶低通滤波来实现。设 R8=R9=R，C1=C2=C，则：

其中f0为自然频率。由图2可知，传递函数Au为：

根据 fp=40 Hz得 C=0.1 μF，R=15 kΩ。 电压增益为：

R10取 25 kΩ，R11取 5 kΩ。按上述设计调理电路的放大能力约为120倍，满足设计需要。

3.2 微处理器

系统选用Philips公司推出的基于ARM7TDMI-S内核、LQFP48封装的LPC2103处理器作为嵌入式系统核心。LPC2103采用3.3 V和1.8 V双电源供电，最高工作频率可达70 MHz，内部集成8 KB的片内静态RAM和32 KB的片内Flash程序存储器。10 bit A/D转换器提供8路模拟输入使得调理后的脉搏信号可直接完成A/D转化[6]。LPC2103价格低廉、低功耗以及小封装充分满足了系统设计的要求。复位电路设计中采用专用电源监控复位芯片CAT1025，以保证系统工作的稳定性。

3.3 声音刺激模块

根据人在睡眠和清醒时的脉搏信号的不同，利用嵌入式微处理器控制刺激器来产生声音刺激，利用微处理器产生特定频率的方波使得扬声器发出声响作为声音刺激。只有合适响度的声音才能抑制有害的思维活动，过弱的声音刺激不能很好地转移使用者的注意，而过强的声音刺激会成为自然入睡新的干扰源。所以选取响度为使用者刚好能听到的声音作为刺激，通过编程来调节方波的频率可得到需要的声音刺激。

3.4 数据存储模块

系统采用SD卡存储睡眠过程中的相关数据。SD卡大量应用于数码相机、手机等大容量存储设备，作为这些便携式设备的存储载体，具有功耗低、非易失性、保存数据无需消耗能量等特点，同样适用于本系统设计。系统的硬件电路如图3所示。

4 软件设计

根据系统的设计要求，软件设计分为下位机软件和上位机软件。下位机软件部分主要完成脉搏信号的采集、分析、传输以及发出声音刺激，上位机软件主要是脉搏数据的显示和存储。

4.1 下位机软件设计

下位机软件以ADS1.2为开发环境，采用C语言编写。ADS（ARM Developer Suite）支持 ARM10之前的所有ARM系列微控制器，具有编译效率高、系统库功能强等特点。系统通过分析采集到的脉搏信号，根据脉搏信号变化判断使用者的睡眠状态，在睡眠异常时发出合理的声音刺激。系统的软件控制框图如图4示。

4.2 上位机软件设计

上位机软件采用LabVIEW8.5为开发环境，实验室虚拟仪器工作平台(LabVIEW)采用图形化的程序编程语言(即G语言)，编写程序时，流程图取代了以往复杂的程序代码[7]。上位机软件主要完成脉搏数据的采集显示、存储等功能，通过监测脉搏信号的变化对睡眠状态进行监测，而且嵌入式系统可借助上位机软件平台监测脉搏变化，结合使用者的反应，反复试验，研究睡眠状态与脉搏变化的相互关系，协助系统找到合适的声音刺激来改善睡眠质量。

基于上述技术建立的嵌入式系统，具有性能高、体积小、功耗低、价格便宜的优点，可佩戴于手上对睡眠过渡过程进行监测。在大量的实验中，声音刺激对使用者睡眠没有造成干扰，并且能使他们较快入睡。通过采集人体脉搏信号并从中获取睡眠信息，利用声音刺激来干扰失眠机制，对于提高人们的睡眠质量、保证身心健康有着深远的意义。

[1]SHIN J，CHEE Y，PARK K.Long-term sleep monitoring system and long-term sleep parameters using unconstrained method[J].IEEE Circuits and Systems Society，2007(3)：217-227.

[2]郑慧君，俞梦孙.基于微动敏感床垫式睡眠监测系统的心率检测[J].北京生物医学工程，2009，28(5)：486-489.

[3]王瑞瑛，邵卫，曾鹤琼.机-脑接口研究[J].现代电子技术，2010(2)：47-50.

[4]范志祥，田学隆.腕活动睡眠监测仪的设计[J].仪器仪表学报，2007，28(8)：45-48.

[5]乜国荃，方祖祥.人体脉搏的测量与分析[J].上海生物医学工程，2006，27(2).

[6]郭国法，张开生.基于脉象传感器的睡眠监控报警系统研究[J].微计算机信息，2008，24(5-1)：146-147.

[7]朱志强.LabVIEW及其在生物医学工程中的应用[J].国外医学：生物医学工程分册，2001，24(2)：59，64.