分布式睡眠监测平台的设计与实现

牛孟然 奚乐乐 梁国壮

摘 要：设计一种分布式睡眠监测平台，利用MPU-6050工作电路和STM32F103微处理器电路组成的终端节点进行人体重力加速度信号的采集，实现同时对多个患者进行实时监测，通过ZigBee无线网络传输将监测数据传送至服务器，并结合患者生理参数对患者睡眠情况做出正确的评估，及时指导患者选择最适宜的防治方法。

关键词：睡眠监测；无线通信；采集模块

1 前言

近年来失眠、打鼾、睡眠呼吸暂停等睡眠障碍疾患发病率高、危害面广，已成为影响人们身心健康、工作效率和生活质量的公共卫生问题。目前的PSG监测要求病人在病房监测室内睡一整夜，一台仪器一天只监测1名病人。众多的失眠、打鼾、呼吸暂停等睡眠障碍患者只能预约排队。这样的监测方法因预约时间过长，监测的数量太少，远不能满足众多睡眠障碍患者急需监测诊治的要求。因此本文设计了一种基于重力加速度传感器实时采集睡眠信号，结合用户年龄、性别、体重、身高等生理参数，对睡眠质量和结果进行记录、分析、专业指导，最后反馈给用户的无线睡眠监测系统。

2 平台的总体结构

本设计平台由数据采集端、无线传输端、总服务器端3部分组成，各部分通过ZigBee进行传输。主要实现睡眠信号的采集、模数转换，存储及数据结果分析等功能。传感器采集到生理信号经过A/D转换后再做预处理，然后将所得结果通过无线传输发送给协调器，协调器通过RS232串行通讯接口将数据传送至服务器，PC机根据接收到数据进行波形显示和进一步处理，然后根据睡眠者的生理参数对其睡眠情况做出评估，并提出睡眠建议，最终将结果反馈回给用户。

2.1 数据采集端

数据采集端主要由MPU-6050工作电路组成的信号采集模块和STM32F103微处理器电路构成的预处理模块组成。将重力加速度传感器（MPU-6050）采集的睡眠腕动信号转换为相应的电信号，然后在前置放大电路中利用信号调理电路增大信噪比，接着利用模数转换将模拟信号转换为相应的数字信号，完成生理信号的提取，并且向服务器端发送数据，供医生查看用户数据，及时分析用户睡眠情况，指导用户采取适当的防治方法。

2.2 无线传输端

无线传输端主要由网络协调器和路由器、终端节点组成的无线通信模块构成。它们之间通过ZigBee技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的传感器终端节点负责对数据的感知和处理并传送给协调器，协调器负责将若干节点发过来的数据接收并进行初步分析处理再通过RS232串口发送至PC机。

2.3 服务器端

服务器端主要由数据接收模块、数据储存模块和数据处理模块组成，主要完成了对人体生理参数的接收、存储、分析处理以及显示等工作。接收模块负责接无线传输端发送的数据，经解码后存入数据库中。存储模块用于存放用户的数据信息，处理模块主要通过数据处理模块调用数据库中用户的生理参数，评估用户的睡眠质量。

3 睡眠测试结果与处理

将集成了加速度传感器监护设备佩戴于人体的非惯用手腕，获得其睡眠时非惯性用手腕的腕動信息，根据腕动的加速度数据进行分析得到腕活动信息如图1所示。

以60s为单位时间内腕活动次数来表示当前状态，将加速值和参考值（0.3g）相比较，每过参考值一次即计数一次，单位时间内的过参考值次数就被当做腕活动次数值。对一分钟内的腕活动进行计数，再将之前四分钟、当前一分钟和之后两分钟的腕活动计数作为睡眠决策算法的输入，通过睡眠决策算法来估计当前一分钟内的睡眠质量。睡眠决策算法依据式（1）：

（1）式中，D为当前一分钟的睡眠决策结果，当D≥1为醒觉，当D<1为睡眠。A为一分钟的活动计数，P是多项式的缩放因子，随患者的生理参数变化可手动调整。PC机中的睡眠分析软件将接收到的腕活动数据利用式（1）计算得到睡眠监测时间内每分钟的D值，从而判断出每分钟的睡醒情况。

4 结束语

本设计结合ZigBee无线传输技术，利用重力加速度传感器采集睡眠呼吸信号，在低功耗微处理器的平台上，设计一种睡眠呼吸监测系统，实现了多个传感器终端节点同时进行采集，并将数据通过协调器进行无线传输，最后PC机将接收到的数据进行波形显示和进一步处理。经过实验测试，证明该设备能稳定准确获取生理参数，满足轻度睡眠障碍者以及健康人群预防性监测的需求，为广大睡眠呼吸障碍人群提供方便可靠、省时高效的人性化睡眠监测服务，并依据准确结果指导患者采取适当的防治方法。

参考文献

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[2]钟旭，肖毅.多导睡眠图监测系统[J].现代仪器，2002，（3）：32-35.

[3]欧阳顺林，郑佩霞，褚玉敏，等.便携式多导睡眠呼吸监测在成人阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊断中的应用[J].中国耳鼻咽喉颅底外科杂志，2012，18（2）：111-113.

（作者单位：河北科技大学电气工程学院）