基于arduino的睡眠自动收纳式耳机

卢龙 钟坚飞 王亚飞 北京信息科技大学

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高,人们对生活质量的要求也越来越高,对于消费时的用户体验的标准也随之提高。而科学技术的发展和电子时代的到来使得人们的生活变得更加便利而舒适,也更大程度上满足了人们的基本需求。很多人喜欢听音乐，还有的人为了帮助自己更早进入梦乡，会在睡之前戴上耳机听一些轻音乐或者小故事。音乐令人镇静、放松，有助于睡眠。对付失眠的既安全又便宜良药就是那些轻松的古典音乐。研究人员发现，在睡前听四十五分钟轻松的音乐，能让你安睡一夜。改善情绪，减轻抑郁。轻松的音乐减轻交感神经的张力，减轻焦虑，降低血压、心率和呼吸频率，同时通过放松肌张力和消除杂乱的思绪而有助于入睡。这也是对一天劳累的放松，这是一种享受、安逸。还有一部分热爱英语的人，他们也会在睡前听听英语听力，锻炼语感。但我们经常会戴着耳机听歌时不小心睡着，耳机却依然播放着音频，耳机线也需收纳好，避免耳机被压坏的同时也杜绝了身体被耳机线缠绕。此时就需要一款可在人体睡着时自动脱离耳朵并自动把耳机线收纳好的设备。它可以使人们在睡觉之前放心地戴上耳机听音频，不会担心睡着了还戴着耳机，也就不会在睡梦中被耳机播放的音频吵醒，自然耳朵也不会被挤一晚上而感到不适。

2 耳机结构

2.1 睡眠检测器原理

当今已有检测人体是否睡着的先进设备，但大多体积较大，结构复杂且大多要与人体接触才可检测。现在的智能穿戴设备如智能手环等虽拥有方便的睡眠检测功能，但戴其睡觉还是有些不舒适。睡眠自动收纳式耳机就需要将睡眠检测设备小型化的同时，最好也能将睡眠监测设备一起收纳，且减少整个设备对人体的接触点，让耳机线收纳得更顺畅、简便。所以我们将睡眠检测器的传感器与耳机的扬声器结合，最小化与人体的接触点。判断人体是否睡着的方法有多种，如“脑电波检测法”、“体温检测法”等。这里我们采用简便的“心率判断式”。正常人安静时的心率，成年男性约为60--80次/分；女性约为70--90次/分；入睡状态时心率减少，男性为50--70次/分；女性为60--70次/分。而且入睡的前期心率相当稳定，利用心率在睡前和睡着后的差异性，判断出人体是否睡着。

图1 稳定的静息时心率

图2 光电传感器

心率的测量采用了光电传感器，利用了人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量，传感器由光源和光电变换器两部分组成，当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变化器的电信号变化周期就是心率。

当测出瞬间心率低于平常值时，且连续5分钟稳定在某一数值或与该值相差为2的范围的其他值时，我们即可判定为人体进入睡眠。

图3 心率传感耳机

2.2 收纳装置

判定到人体睡着后，此时启动耳机线收纳装置，将耳机线收纳并断电。人们睡着时的翻身动作，都是进入深度睡眠后的行为。该睡眠自动收纳耳机是在判断人体睡着后的5分钟后立即启动收纳的，杜绝了人体进入深度睡眠后的无意识翻身对耳机线收纳的干扰，保障对耳机线收纳的顺利进行。收纳装置是一个内嵌arduino开发板的手机壳，将耳机线收纳后进行保存的同时，也对手机进行保护，避免人体翻身将耳机、手机压坏。通过传感器采集的心率模拟信号，经arduino开发板的AD口转换为数字电压。再执行程序对人体是否睡眠进行判断，若判断睡眠，则启动电机数秒，将耳机线进行盘绕收纳，收纳完毕后自行断电节能。

图3 收纳装置

1.光电传感器；2.耳机扬声器；3耳机线收纳装置；4.手机保护壳

3 总结和展望

随着时代和人类社会的的发展，科技在不断地进步，耳机不再仅仅只是一个针对使用者一人的设备，只能营造独自地、私密地获取声音的环境，它的功能逐渐扩充，逐渐演变成了在听取声音的基础上还可以通话，拍照等多功能集一身。耳机的主要消费人群喜欢音乐的人和用此工作的人，当然对于大众来说也是不可或缺的。大部分喜欢音乐的人都喜欢的忙里偷闲地听个歌曲，在起床后、在散步时、等车过程中、坐在地铁或者公交车里时、洗衣服的时候等等不一而足。一切产品的发明创造都是为了满足人们的需求，随着人的需求层次的提高，产品也在不断地更新变化。如今，产品不只是止步于满足基本的使用需求，更向着便于人们、改善生活的方向发展，其中心思想是服务于人而不是要求人来适应产品的弊端，而睡眠自动收纳耳机的出现，也带给了众多常常戴着耳机睡着的人一份便利。为那些有睡前带耳机听轻音乐、小故事习惯和联系外语听力的人带来了便捷，不会在睡着了之后又被耳机的音频吵醒，也不会带着困意去收拾耳机，使人们得到更充分、安逸的睡眠。

本课题研究的睡眠自动耳机只使用了心率在人体睡着前后差异来判断是否睡眠，对判断结果还是没有百分百的准确性。在检测人体是否睡眠的方面，尚缺设备精准化的改良。在耳机的改进上还要考虑产品、用户、环境之间的关系，最终达到科技服务与人的目的。

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