基于嵌入式技术实现人体睡眠控制功能的智能系统设计

吕超

摘 要：本文设计了一种薄膜脉冲传感器并基于嵌入式技术来实现睡眠监测。研究为发展基于嵌入式技术实现人体睡眠控制功能的智能系统提供新的思路，是计算机技术与生物医学信号处理技术的完美结合。

关键词：嵌入式技术;睡眠控制;智能检测;系统设计

1 概述

2016年以来，已经有很多媒体报道了关于睡眠障碍的新闻，随我社会节奏的加快，越来越多的年轻人存在无法正常睡眠的情况，这无疑加重了人们精神和工作生活的压力，所以，有效的监控睡眠成文最近几年来很多研究机构和团队关注的焦点内容。就目前来看，运用电子技术探测睡眠的生物信号主要采取的手段是：脉搏生理信号的电转换。也就是说脉搏信号引起电子器件的物理单元进行变换，从而检测电信号，并将此与正常的信号作对比。只有有效的对脉搏信号进行统计，才能达到有效的監控与预警，本文的研究就是弥补这块的技术空白，从而对行业有所启迪。

2 压电薄膜传感器的设计

PVDF（Poly Vinylidene Fluoride）薄膜脉冲传感器可以满足测量要求，还有以下几个缺点。（1）传感器取决于位置。为了有脉冲信号输出，我们只能精确定位传感器存在动脉表面的波动。（2）传感器对噪声敏感。由于传感器对于噪声非常敏感，它会放大微信号。所以身体的运动很容易陷入随机干扰。（3）50 Hz频率因直接接触而引入皮肤系统。

通过“液体输送压力”的性质，我们设计了一个封闭的流体橡胶囊。胶囊形状为扁平，橡胶壁厚0.5mm，腔厚度2 mm。传感器的贴在胶囊上表面。胶囊的下壁紧贴皮肤，通过胶囊的弹性，下壁对皮肤贴合的很近，增加传感器敏感区域。腕带两端穿透，传感器即可戴上手腕。并且只要有一点液压囊与腕桡动脉接触，脉冲波动将从胶囊液体转移传感器传导到传感器表面，以及传感器应用场合等相关问题也得到了解决。在我们的设计中，我们利用汽油或油作为压力转移介质。通过实验表明，能量油的物理特性不易受到瞬态传导的影响，弱波动起到了在低通滤波器中抗干扰的作用。随着大比热容，能量油的温度确实与人体温度没有明显的差别，提高了佩戴舒适性。由于油很厚，因此在防止惯性很大的随机干扰方面起一定作用。同时，它有衰减转移脉冲。通过实际测量发现它对于一个周期中的“强”和“弱”有不同的衰变波动。这个问题已经反映在形式上波谷脉冲的偏差很大。这个问题可以通过软件纠正。另外，使用液压橡胶保温胶囊无刺激皮肤，金属传感器直接接触皮肤被切断，50 Hz干扰也是如此。热导电性使表面透射手腕的温度测量可能，增加和增强了可测量生理信号。

3 传感器的信号处理

由于脉冲传感器的输出信号太弱，我们必须首先将其放大，然后将其传输到ADC转换器。低通放大器的设计符合运动后的人体每分钟最大跳动240次脉冲。交叉频率为由R07，C04，R08和C05确定，放大倍数为由R06和R08之间的比率确定。脉冲信号分析的研究对象是信号，特别是非平滑和时变信号。信号分析可采用时频分析方法。它的主要任务是描述信号频谱的内容改变时间，使信号的能量和强度可以在时间和频率轴上同时显示。在获得信号分布后，可以提取包含在信号和信号中的特征信息来进行处理和分析，从而获得一种具有预期视频的信号分布特征。

在本文中，采用时域分析。过去，通常采用人工阅读图的方法。也就是说，测量脉冲波等参数图，上限，脉冲的对应值等，直接从图中读出。通过脉冲幅度图分析，我们可以弄清楚频率和脉搏的节奏，脉冲强度，电位和实际脉冲形状的特征。Matlab在高效的计算能力和方面的功能完美，我们用它作为数学工具来实现直接处理获取的信号，从而获得时域。阅读省略了人工阅图过程，从而减少了由于缺乏经验和估计错误导致的误差。

4 睡眠监测报警的设备设计

为了解决无法抑制思绪不断的问题，我们可以在失控的情况下，提供适当的大脑刺激，基于计算机连续刺激思维状态的活动。抑制状态的结果可能由于注意它的行为而发生不断移动，直到最后消失。该单元的一大功能是打断思考活动从失眠到失控醒来。这些功能可以通过“嵌入式”微电脑系统来实现。

在这里，我们使用刺激器来产生声音中断源。刺激后，用户的反应刺激将通过传感器转换成电信号。放大和过滤后，来自传感器的弱信号将被发送到嵌入式计算机系统进行处理。一旦遇到了意外疾病（如脑血栓形成），嵌入式计算机系统可以发出“声音”警报或“语音”呼叫通过远程控制，以通知家庭成员和急救中心及时。

首先，硬件设计。睡眠监视器基于S3C44B0X的设备。S3C440X是由高速32位处理器生产的SAMSUNG公司基于ARM7 TDMI核心RISC系统。它的工作电压仅为3.3V，即核心电压ARM7 TDMI仅为2.5V。这些低功耗芯片非常适合磨损产品的开发。由于音频和电话语音报警电路是常见的，这里没有详细描述。

其次，软件设计。Linux是一种非常流行的操作系统兼容UNIX系统和开源。它最初是为桌面系统设计的，但现在却是广泛用于服务器领域。影响更大的它逐渐应用于嵌入式系统，uClinux就是在这种氛围中产生，它是Micro-Control-Linux，字面意思是“为微控制设计的Linux系统领域”。

5 结论

综上所述，本文主要对薄膜脉冲传感器与睡眠监测报警设备进行了研究。本文的主要创新之处在于：采用新型传感器结构。设备可以实现通过对象识别反应的测试。今后，可以在此系统上研发音频和电话语音报警。本文的研究为发展基于嵌入式技术实现人体睡眠控制功能的智能系统提供新的思路。

参考文献：

[1]闫剑.铁路司乘人员睡眠监测系统的研究[D].北京交通大学，2015.

[2]高明星.基于嵌入式睡眠监测平台的研究[D].陕西科技大学，2012.

项目支持：陕西省教育厅专项科学研究计划（基于嵌入式技术的睡眠过程监控系统研究18JK0930）