智能健康助眠系统的研究与开发

裘珊珊 曾历 瞿玮 符珂

【摘  要】现如今，睡眠健康问题已成为社会谈论的焦点问题。调查研究显示，全球约1/3的人或多或少地经历过或正在经历失眠等睡眠障碍。不健康的睡眠习惯会诱发一系列的身心问题，进而影响工作学习生活。该系统通过智能化的管理与辅助，借助数字化的手段将用户的睡眠状态记录下来，并有针对性地给出助眠方案，从而达到缓解睡眠问题的目标。论文先从现有技术方面进行分析，介绍了睡眠监测的技术支持，而后在需求方面对整个程序的功能性及非功能性需求的分析研究作了详细介绍，继而对整个系统的设计与实现作出了详细的阐述。

【Abstract】Nowadays， the problem of sleep health has become the focus of social discussion. Research shows that about a third of the world's population has experienced or is experiencing a sleep disorder such as insomnia at some point. Unhealthy sleeping habits will cause a series of physical and mental problems， and then affect work， study and life. This system through intelligent management and assistance， with the help of digital means to record the sleep state of users， and targeted to provide sleep assistance program， so as to achieve the goal of alleviating sleep problems. This paper firstly analyzes the existing technology， introduces the technical support of sleep monitoring， and then analyzes and studies the functional and non-functional requirements of the whole program on the demand side in detail， and then elaborates on the design and implementation of the whole system.

【关键词】睡眠健康;智能化;助眠

【Keywords】sleep health; intelligent; sleeping

【中图分类号】TP212.9                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）10-0158-02

1 研究背景

人的一生大约有1/3的时间是在睡眠中度过的，睡眠对于人的记忆力的巩固和整合、身体各项机能的恢复有重要作用。研究表明，睡眠不足会导致免疫力功能障碍，慢性疾病和新陈代谢紊乱。据调查，全世界范围内约有1/3的人存在睡眠问题。这其中，青年人的睡眠问题尤为严重，由于生活节奏越来越快，压力不断加大，青年人睡眠问题频发[1]。中国睡眠研究协会日前发布《2017中国青年睡眠状况报告》中指出，“睡个好觉”现已成为青年们的奢望[2]。76%的受訪者表示入睡艰难，只有24%的受访者表示睡眠情况不错，一觉睡到天亮的只有11%。仅有5%的受访者作息时间规律，而93%的受访者睡前玩手机。

正是由于睡前手机的使用率极高，而大多数人无法戒除“睡前手机瘾”，针对该问题，论文设计并开发出这一套睡眠健康管理系统。通过对人们睡眠问题的研究，设计出舒缓睡眠的音乐铺助工具;通过对用户睡眠规律的记录分析，为用户制定并培养良好的睡眠习惯;通过对界面的色调及动画设计，协助用户进入睡眠状态，以达到辅助睡眠的效果。本系统对于改善睡眠质量、提高睡眠效率、促进身心健康具有现实意义。

2 睡眠检测依据

对于睡眠状态的检测，本文将心理治疗、药物治疗、物理治疗等运用于智能APP，使系统更加科学合理。对于本系统的睡眠监测功能，论文采用几个检测方法的组合进行。

2.1 陀螺仪

依靠陀螺仪内部陀罗轮子的角动量，及其不依从方向改变的特殊属性，由于陀螺效应，它的轴始终与初始方位平行，根据其在初始方向上的偏差，可计算出实际方向。手机陀螺仪也是一个构造十分精密的芯片，包括超微小的陀螺在其内部，其测量的参考标准是内部中间在与地面垂直的方向上进行转动的陀螺依靠设备与陀螺的夹角计算得到结果[3]。根据陀螺仪检测角度发生的偏差可判断用户的睡眠状态，但还需作进一步判断。

2.2 运动检测

用来检测手机收到的加速度方向及大小的工具，我们叫线性加速计，由于手机静置的时候只感应重力加速度，故也称为重力感应。重力感应是根据内部测量组件在各个方向上的受力状况来判断。它的强项在于检测计量设备的受力状况，对设备相对外部参考物的运动时长更擅长[4]。通过重力加速度来检测手机是否处于静置状态是较为准确的。

2.3 亮屏及解锁检测

当用户进入睡眠状态后，实时监测手机是否处于亮屏状态。在此状态下对手机是否解锁作出判断，从而得知用户是否正在使用手机。

综合上诉，只有满足上诉的3个条件，我们才認为用户大概率处于清醒状态。

3 系统设计框架

系统预采用三级架构，前端界面开发与接口借入采用Unity3D开发引擎;后台控制程序编写，函数封装采用C#语言，且后台为本程序链接前端与服务器数据交互的一个桥梁，服务器接入后，系统产生的数据交互在服务器端完成[5]。

3.1 基于Unity开发

本系统采用Unity引擎开发，系统共完成设计部分后，使用Unity来完成前端界面及接口的设计与制作，依靠UGUI技术完成，主要有以下几点优势。

3.1.1 创建速度快

在不编辑任何代码的前提下，就可以快速且简单地在系统中建立起一整套的UI界面。Unity中预定义了很多常见的UI控件，它们以独立的对象的形式存在于界面之中，而预定义里的UI控件包括了大部分用户所熟知的UI控件，方便拉取。

3.1.2 直观，易于使用

对于UI控件，开发者可以直接使用鼠标在视图中改变它的位置、大小和旋转角度，而无须编辑任何其他代码，整套UI设计编辑下来十分轻松，即使是新手也能很快入门。

3.1.3 效果好，效率高

通过对纹理图集、批处理和新的Canvas组件的支持，Unity的UGUI系统提供了一个已经优化的解决方案，使得开发者添加到系统中的UI可以迅速地被GPU执行绘制。并且在Unity支持的一切硬件平台上，DrawCall能够降得很低，同时效率与效果依然能够维持在很高的水准之上。

3.2 系统的交互界面设计

前端主要控制用户界面的布局及响应事件的添加。Unity3D作为游戏开发工具，在3D游戏开发方面有着得天独厚的优势，而其所特有的UGUI又让2D应用的开发更加便利，可视化的布局设计大大地减轻了系统开发的工作量[6]。

前端开发用户界面，根据手机分辨率，自动调整画布大小，既满足了主流手机的分辨率要求，又普适了其他小众手机。而界面上的其他控件，包括输入框、按钮、图标等一系列控件，只需在层级Hierachy面板中创建出来，可以方便地设置控件各个属性，调整控件的大小、位置、旋转角度等属性，设置合适参数。此外，更改控件的Image属性值，还可以更换图标，使得界面布局便一步步向设计图靠拢了。

3.3 后台程序控制

后台为程序连接前端和服务器的一个重要桥梁。通过对前端控件的控制，将用户数据接收后，利用From表单提交数据请求，通过数据库连接池，继而将数据向服务器端传输，而服务器端接收到数据后，请求数据库链接，将数据存入相应表格中，服务器将数据处理结果通过json编码的方式返回客户端后台，后台便可接收到数据处理结果[7]。

4 系统的现实意义

智能健康助眠系统是一款针对于睡眠困难人群，缓解失眠，帮助失眠的智能系统。系统收集用户的入睡及结束睡眠的时间，并在睡眠期间对周围环境声音分贝进行提取检测，综合以上数据，给用户提供一个切实可用的助眠意见。此外，用户通过睡前收听催眠曲和浏览助眠小贴士咨询等信息能够进一步达到助眠的效果。系统的核心在于，除普通物理助眠手段之外，还添加了智能数据分析功能，数据库存储用户每一次的数据信息，高效地捕获、存储、分析和管理数据，使得系统更加精准地服务于用户，迎合了数字化时代的需求。

【参考文献】

【1】李燕燕.拯救睡眠——谨以此文献给我国正在发展中的心理健康事业[J].北京文学（精彩阅读），2019（04）：52-75.

【2】吴执军，张忠汉，卿尚云.正确的睡眠才能保证健康[J].中外健康文摘，2012，9（49）：406-407.

【3】田明.手机中应用的传感器[J].黑龙江科技信息，2013（28）：39.

【4】金云水.浅析主流体感互动设备在交互作品中的应用[C]//全国新媒体艺术系主任/院长论坛.中国图学学会;教育部学位办，2011.

【5】DanielSolis.C#图解教程[M].北京：人民邮电出版社，2009.

【6】顾文佳.UI设计中用户交互体验的视觉思维[D].杭州：中国美术学院，2012.

【7】王珊，萨师煊.数据库系统概论[M].北京：清华大学出版社，2006.