基于嵌入式技術實現人體睡眠控制功能的智能系統設計

呂超

摘?要：本文設計了一種薄膜脈沖傳感器并基于嵌入式技術來實現睡眠監測。研究為發展基于嵌入式技術實現人體睡眠控制功能的智能系統提供新的思路，是計算機技術與生物醫學信號處理技術的完美結合。

關鍵詞：嵌入式技術;睡眠控制;智能檢測;系統設計

1 概述

2016年以來，已經有很多媒體報道了關于睡眠障礙的新聞，隨我社會節奏的加快，越來越多的年輕人存在無法正常睡眠的情況，這無疑加重了人們精神和工作生活的壓力，所以，有效的監控睡眠成文最近幾年來很多研究機構和團隊關注的焦點內容。就目前來看，運用電子技術探測睡眠的生物信號主要采取的手段是：脈搏生理信號的電轉換。也就是說脈搏信號引起電子器件的物理單元進行變換，從而檢測電信號，并將此與正常的信號作對比。只有有效的對脈搏信號進行統計，才能達到有效的監控與預警，本文的研究就是彌補這塊的技術空白，從而對行業有所啟迪。

2 壓電薄膜傳感器的設計

PVDF（Poly Vinylidene Fluoride）薄膜脈沖傳感器可以滿足測量要求，還有以下幾個缺點。（1）傳感器取決于位置。為了有脈沖信號輸出，我們只能精確定位傳感器存在動脈表面的波動。（2）傳感器對噪聲敏感。由于傳感器對于噪聲非常敏感，它會放大微信號。所以身體的運動很容易陷入隨機干擾。（3）50 Hz頻率因直接接觸而引入皮膚系統。

通過“液體輸送壓力”的性質，我們設計了一個封閉的流體橡膠囊。膠囊形狀為扁平，橡膠壁厚0.5mm，腔厚度2 mm。傳感器的貼在膠囊上表面。膠囊的下壁緊貼皮膚，通過膠囊的彈性，下壁對皮膚貼合的很近，增加傳感器敏感區域。腕帶兩端穿透，傳感器即可戴上手腕。并且只要有一點液壓囊與腕橈動脈接觸，脈沖波動將從膠囊液體轉移傳感器傳導到傳感器表面，以及傳感器應用場合等相關問題也得到了解決。在我們的設計中，我們利用汽油或油作為壓力轉移介質。通過實驗表明，能量油的物理特性不易受到瞬態傳導的影響，弱波動起到了在低通濾波器中抗干擾的作用。隨著大比熱容，能量油的溫度確實與人體溫度沒有明顯的差別，提高了佩戴舒適性。由于油很厚，因此在防止慣性很大的隨機干擾方面起一定作用。同時，它有衰減轉移脈沖。通過實際測量發現它對于一個周期中的“強”和“弱”有不同的衰變波動。這個問題已經反映在形式上波谷脈沖的偏差很大。這個問題可以通過軟件糾正。另外，使用液壓橡膠保溫膠囊無刺激皮膚，金屬傳感器直接接觸皮膚被切斷，50 Hz干擾也是如此。熱導電性使表面透射手腕的溫度測量可能，增加和增強了可測量生理信號。

3 傳感器的信號處理

由于脈沖傳感器的輸出信號太弱，我們必須首先將其放大，然后將其傳輸到ADC轉換器。低通放大器的設計符合運動后的人體每分鐘最大跳動240次脈沖。交叉頻率為由R07，C04，R08和C05確定，放大倍數為由R06和R08之間的比率確定。脈沖信號分析的研究對象是信號，特別是非平滑和時變信號。信號分析可采用時頻分析方法。它的主要任務是描述信號頻譜的內容改變時間，使信號的能量和強度可以在時間和頻率軸上同時顯示。在獲得信號分布后，可以提取包含在信號和信號中的特征信息來進行處理和分析，從而獲得一種具有預期視頻的信號分布特征。

在本文中，采用時域分析。過去，通常采用人工閱讀圖的方法。也就是說，測量脈沖波等參數圖，上限，脈沖的對應值等，直接從圖中讀出。通過脈沖幅度圖分析，我們可以弄清楚頻率和脈搏的節奏，脈沖強度，電位和實際脈沖形狀的特征。Matlab在高效的計算能力和方面的功能完美，我們用它作為數學工具來實現直接處理獲取的信號，從而獲得時域。閱讀省略了人工閱圖過程，從而減少了由于缺乏經驗和估計錯誤導致的誤差。

4 睡眠監測報警的設備設計

為了解決無法抑制思緒不斷的問題，我們可以在失控的情況下，提供適當的大腦刺激，基于計算機連續刺激思維狀態的活動。抑制狀態的結果可能由于注意它的行為而發生不斷移動，直到最后消失。該單元的一大功能是打斷思考活動從失眠到失控醒來。這些功能可以通過“嵌入式”微電腦系統來實現。

在這里，我們使用刺激器來產生聲音中斷源。刺激后，用戶的反應刺激將通過傳感器轉換成電信號。放大和過濾后，來自傳感器的弱信號將被發送到嵌入式計算機系統進行處理。一旦遇到了意外疾?。ㄈ缒X血栓形成），嵌入式計算機系統可以發出“聲音”警報或“語音”呼叫通過遠程控制，以通知家庭成員和急救中心及時。

首先，硬件設計。睡眠監視器基于S3C44B0X的設備。S3C440X是由高速32位處理器生產的SAMSUNG公司基于ARM7 TDMI核心RISC系統。它的工作電壓僅為3.3V，即核心電壓ARM7 TDMI僅為2.5V。這些低功耗芯片非常適合磨損產品的開發。由于音頻和電話語音報警電路是常見的，這里沒有詳細描述。

其次，軟件設計。Linux是一種非常流行的操作系統兼容UNIX系統和開源。它最初是為桌面系統設計的，但現在卻是廣泛用于服務器領域。影響更大的它逐漸應用于嵌入式系統，uClinux就是在這種氛圍中產生，它是Micro-Control-Linux，字面意思是“為微控制設計的Linux系統領域”。

5 結論

綜上所述，本文主要對薄膜脈沖傳感器與睡眠監測報警設備進行了研究。本文的主要創新之處在于：采用新型傳感器結構。設備可以實現通過對象識別反應的測試。今后，可以在此系統上研發音頻和電話語音報警。本文的研究為發展基于嵌入式技術實現人體睡眠控制功能的智能系統提供新的思路。

參考文獻：

[1]閆劍.鐵路司乘人員睡眠監測系統的研究[D].北京交通大學，2015.

[2]高明星.基于嵌入式睡眠監測平臺的研究[D].陜西科技大學，2012.

項目支持：陜西省教育廳專項科學研究計劃（基于嵌入式技術的睡眠過程監控系統研究18JK0930）