基于Arduino的自适应助眠系统设计

陶恒屹，汤志曹，车 行

（四川大学，四川 成都 610207）

0 引 言

如果每天按睡眠8 h计算，那么人的一生有1/3的时间是在睡眠中度过的。睡眠质量的好坏与人的心理和身体健康息息相关，而影响睡眠质量的重要因素之一就是睡眠环境。随着物联网技术的迅猛发展，带动了传感器网络和智能家居的快速发展[1]。智能家居基于物联网等技术，对家居环境内的家电控制、环境监控、信息处理、娱乐等功能进行集成化管理[2]，已成为人、物、环境之间互联互通的重要表现[3]。现有与睡眠相关的物联网产品几乎均只能对睡眠质量进行监测，仅由传感器采集睡眠数据，虽然可以得到睡眠质量的数据，但对改善睡眠质量并无裨益。因此依托智能家居的助眠系统便应运而生。

本文系统以改善睡眠质量为突破点，借助传感器网络进行数据采集，通过手机端程序进行数据分析，并经由Arduino实现对智能家居的控制，实时自适应调节睡眠环境，以达到改善睡眠质量的目的。

1 系统整体架构

基于健康行为学理论，并查阅相关文献[4]对影响用户睡眠质量的影响因子进行调查研究，并将其结果转化为计算机可以处理的数据。

系统架构如图1所示，主要包括如下几方面。

图1 系统架构

（1）监测系统：运用传感器网络对睡眠环境（例如环境光、温湿度、气压等）进行实时监测，并通过WiFi模块将数据上传至小程序端。

（2）矫正系统：程序端接收到监测系统传来的数据之后，通过Arduino控制智能家居（米家），对用户睡眠环境中偏离正常值的环境因子进行矫正。

（3）反馈系统：通过手机内置的陀螺仪对用户睡眠状态进行检测[5]，并作为反馈因子作用于前述矫正系统，实现系统的自适应调节。

2 系统硬件设计

2.1 传感器网络

2.1.1 BMP180气压传感器

BMP180是一款高精度、小体积、超低能耗的气压传感器[6]，其工作电压为1.8～3.6 V，典型工作电压为2.5 V，内部包含电阻式压力传感器、A/D转换器和控制单元，其中，控制单元包括E2PROM和I2C接口。读取BMP180时会直接传送没有经过补偿的温度值和压力值，而在E2PROM中则储存了176位单独的校准数据，这些数据将对读取的温度压力值进行补偿，176位的E2PROM被划分为11个字，每个字16位，这样就包含有11个校准系数，每个器件模块都有自己单独的校准系数，在每一次计算温度、压力数据之前，单片机先读出E2PROM中这些校准数据，然后再开始采集温度数据和压力数据。

2.1.2 DHT11温湿度传感器

DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器[7]，尺寸为28 mm×12 mm×7.2 mm，其湿度精度为±5 %RH，温度精度为±2 ℃，湿度量程为20 %RH～90 %RH，温度量程为0～50 ℃，它的数据端口带上拉电阻，连线长度小于20 m时使用5 kΩ的上拉电阻，采用3.3 V供电时连线长度不得大于1 m，必要时在VCC和GND间连接一个0.1 μF的电容用于去耦滤波。

2.1.3 HC-SR04超声波测距模块

HC-SR04超声波测距模块提供了2～400 cm的非接触式距离，性能稳定、测量精度高[8]。HC-SR04需要提供一个10 μs以上的脉冲触发信号来激活模块进入工作状态，进入工作状态后，模块内部发出8个40 kHz周期电平并检测回波，当检测到有回波信号时输出回响信号，回响信号脉冲宽度与所测距离呈线性相关，为了防止发射信号对回响信号的干扰，触发信号周期取60 ms以上。

2.1.4 WiFi模块

WiFi模块保持了ESP-12F的优势。ESP-12F使用的PCB板层为四层，使用上更加稳定，创乐博公司对其进行升级，增加了WiFi模式和远程模式。WiFi模式下该模块产生一个局域网，手机在同一个局域网内控制该模块；而远程模式下只需要模块接入本地的WiFi，理论上就可以实现手机APP远程控制该模块。

2.1.5 雨滴传感器

雨滴传感器是一个模拟/数字输入模块，也叫雨水、雨量传感器，常用于农业[9]检测是否下雨及雨量的大小，转成数字信号（DO）和模拟信号（AO）输出，AO模拟输出可以连接单片机的模拟I/O口，检测滴在上面的雨量大小。DO数字输出可以连接单片机的数字I/O口，检测是否有雨。

2.1.6 光敏传感器

光敏传感器是对外界光信号或光辐射有响应或转换功能的敏感装置。光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。

2.2 效应器网络

考虑到可靠性和成本，本文选择米家效应器[10]。米家基于家庭网关和系统软件建立智能家居平台[11]，在测试中表现优异。但由于米家暂时不支持个人开发者接入，因此本文选择点灯科技的Blinker库作为中继站，接入小爱音响，进而接入米家智能家居系统，小程序通过前述传感器网络的数据智能调度米家设备，实现环境调节。

3 系统软件设计

助眠系统通过Arduino IDE集成环境完成对睡眠环境数据的采集和处理，系统工作流程如图2所示。系统工作步骤具体如下：将WiFi模块和传感器接入Arduino开发板之后，各个模块开始初始化并准备接受Arduino IDE信号输入；Arduino IDE信号经过串口指令发送给Arduino开发板和各个模块；手机通过APP输出规定标准广播信号，WiFi模块识别信号并开始执行操作；各个传感器传回检测到的睡眠环境变化数据。

图2 系统工作流程

3.1 WiFi模块和手机连接

综合性能和成本，本项目最终采取创乐博公司提供的通信解决方案。通信方案有局域网和远程模式两种连接方式，由于本系统要求持久的信号连接且信号控制的范围较大，因此选择远程模式。在连接远程模式之前，先要将WiFi模块的开关拨到局域网模式，等待WiFi模块上的指示灯长亮，说明已产生热点信息，通过手机搜索热点，再将WiFi模块的开关拨到远程模式，指示灯快速闪烁说明正在配对，输入WiFi密码和模块密码之后，控制手机产生一个广播信号，当WiFi模块指示灯的闪烁频率变慢，说明连接成功。

3.2 手机和各个模块传输通信

手机发送的信息由WiFi模块识别，而WiFi模块和手机的通信满足规定的格式化输出，在该格式化的规划内实现自由通信。

远程控制RGB灯的输出输入格式如图3所示。

图3 远程控制RGB灯的输出输入格式

在图3中：设备发送的数据以“#”结尾；手机发送的数据以“^”结尾；“$”符号后为模块的名称；RGB代表红、绿、蓝三通道的颜色占比；Arduino开发板读取到WiFi模块中的数据之后，会控制I/O输出，最终控制RGB灯不同颜色的变化。

经测试，传感器模块数据可以上传到手机APP中保存，存储于数据库中方便后续分析和数据处理。

3.3 可视化界面的使用

在程序端输入设备ID，即WiFi模块密码，便可进入后台数据界面。在界面上可以发送手机信号，显示采集的传感器参数，方便用户查看睡眠环境的参数，同时也有利于程序迭代。远程温湿度采集与曲线的可视化界面如图4所示。

图4 远程温湿度采集与曲线的可视化界面

3.4 系统测试

各个传感器模块均搭建完成并经过多次的环境测试和数据采集后，与集成度较高的小米传感器相比，该系统传感器对室内环境变化响应快，数据和米家传感器一致，同时，可视化界面的数据样本采集快、显示迅速，APP运行稳定，该系统可以满足用户的长期使用需求，未出现不良记录的现象。所有数据均存储于本地服务器后台，供后期分析睡眠质量的影响因素，为改善睡眠环境提供建议，以达到改善用户睡眠质量的目的。

同时，考虑到心理因素对于睡眠质量的影响（例如工作压力）[12]，在程序端加入了白噪音，通过舒缓的音乐引导用户减轻压力，提高睡眠质量。

4 结 语

本文采用Arduino开发板、WiFi模块和手机端程序设计了高效率、低成本、高可靠性、高精度的自适应助眠系统。经一定规模样本测试后证明，本文所设计系统可以在一般环境中正常运行，并能起到较好的助眠效果。