睡眠环境智慧监测与调节系统的设计

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摘要：摘 要：文中设计并实现了一种基于51单片机以及Android平台的智慧睡眠监测与调节系统。该系统包括主控芯片、数据采集模块、数据传输模块、数据显示模块及手机APP五部分。系统通过人工智能分析，对用户的睡眠环境进行调节，从而有效预防因用户生活压力过大而出

　　摘 要：文中设计并实现了一种基于51单片机以及Android平台的智慧睡眠监测与调节系统。该系统包括主控芯片、数据采集模块、数据传输模块、数据显示模块及手机APP五部分。系统通过人工智能分析，对用户的睡眠环境进行调节，从而有效预防因用户生活压力过大而出现睡眠不良的情况。测试结果表明：该系统性能稳定，测量精度高，具有很强的推广应用价值。

　　关键词：51单片机;Android;睡眠环境;APP;数据传输;远程控制

　　0 引 言

　　人类生命的三分之一都处在睡眠中，睡眠是人类调整新陈代谢、进行身心恢复的重要环节。随着生活节奏的日益加快，越来越多的人因为生活压力而出现睡眠障碍。睡眠障碍是指在睡眠过程中出现的各种影响睡眠的异常表现，它因身体某系统的功能失调引起，能够直接影响人类的睡眠结构、质量及之后的恢复程度[1]。睡眠时间少、质量差、不规律等情况会使人疲惫劳累、精神不振并影响食欲[2]。在长期睡眠不佳的情况下，人们甚至会出现神志混乱、暴躁不安的症状。基于此，优化睡眠环境，提高睡眠质量对促进人们身心健康发展具有重要作用。

　　目前市场上的家居睡眠环境监测系统实现的功能有限，大多数停留在只监测不调节的阶段。但环境的变化具有不确定性，若不能及时对睡眠环境进行调节，则无法从根本上保障用户的睡眠质量。基于此，本研究开发了睡眠环境智慧监测与调节系统，该系统基于大数据的传感器感知及硬件控制技术，将采集到的温湿度、光照强度和烟雾浓度数据上传至APP中，根据用户上传至数据库中的数据进行人工智能分析，从而得到优化建议。该系统除能够完成对睡眠环境的实时监测外，还实现了对睡眠环境的智能调节，以保障用户睡眠环境，改善用户睡眠质量。

　　1 影响睡眠的主要环境因素

　　优化睡眠环境是提高睡眠质量的有效方法。通过文献调研，系统拟对部分睡眠环境因素进行调节。

　　(1)温度

　　经大量实验证明，人体最佳睡眠温度是20～22 ℃。温度过高，人体在睡眠过程中可能会出现血压升高、心慌等不良反应;温度过低，将导致人體出现打鼾、呼吸暂停、嗜睡等症状。因此，将温度维持在最适温度是本系统的核心功能之一。

　　(2)湿度

　　最适合人体的环境湿度为45 %RH～75 %RH，若湿度过高，短时间内会导致人体湿热、乏力，长时间甚至会导致风湿病和支气管炎等疾病的发生;若湿度过低，则会让人体产生口渴、皮肤干燥、眼睛干涩等不良反应，也不利于人体的睡眠。

　　(3)光照强度

　　过于明亮的环境可能会引起失眠。英国《生理学报告》杂志上发表的一项研究显示，褪黑素是一种能够促进睡眠的荷尔蒙，而睡眠时暴露在明亮光线下可能导致人体停止生成褪黑素，进而影响睡眠质量，引发失眠问题。

　　(4)空气粉尘浓度

　　调查结果显示，接触二氧化氮和PM2.5颗粒越多，睡眠效率低下的可能性越大。美国华盛顿大学医学助理教授马莎·比林斯说：“人的鼻子、鼻窦和嗓子后部都会受到这些污染物的刺激，因此可能导致睡眠中断，还有呼吸问题。”比林斯还说，污染物进入血液可能对大脑产生影响，并影响呼吸的稳定。所以，减少空气中的颗粒也是提高睡眠质量的有效途径之一。

　　2 系统总体设计

　　本系统以优化睡眠环境、提高睡眠质量为初衷，主要针对普通家庭用户和医院病房。系统整体结构由主控模块、数据捕捉模块、存储模块、显示模块、传输模块、控制模块、数据库模块和Android 客户端模块组成。

　　系统组成如图1所示。

　　3 系统硬件设计

　　系统硬件部分主要由主控模块、数据捕捉模块、传输模块、存储模块和显示模块组成[3]。

　　3.1 主控模块设计

　　系统采用STC89C51单片机作为主控模块，外围搭载了数据传输模块、数据捕捉模块、存储模块和显示模块，其作用是控制各模块间的数据交互和转换[4]。将STC89C51单片机作为连接DHT11温湿度传感器、蜂鸣器、LCD1602显示屏、CSR8635蓝牙模块和ESP8266 WiFi模块等部件的桥梁，协助完成各模块间的数据交互和转换。其中，DHT11温湿度传感器连接P3.7引脚，蜂鸣器连接P2.3引脚，LCD1602显示屏连接P0引脚，ESP8266连接P3.0和P3.1引脚。STC89C51单片机原理如图2所示[5]。

　　3.2 数据捕捉模块设计

　　该系统的数据采集模块由DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器和BH1750光照强度传感器组成。将传感器采集的非电量信息，如温湿度、烟雾浓度、光照强度等转换成电压值，再通过A/D转换成数字量。

　　DHT11温湿度传感器内部镶嵌的NTC测温元件用于测量温度，电阻式感湿元件用于测量湿度。该温湿度传感器具有快速响应、抗干扰能力强等优势。

　　MQ-2烟雾传感器多被用于家庭和工厂，意在监测粉尘浓度或监测PM2.5的浓度。该传感器具有寿命长、稳定性好等特点。

　　BH1750光照强度传感器多被电子产品如手机、电脑、数码摄像机等使用，其具有依赖光源性弱、反应灵敏、误差小等优点。

　　3.3 传输模块设计

　　本系统采用的ESP8266 WiFi数据传输模块使用串口通信协议与单片机通信，其无线传输速率可达150 Mb/s，信道共有14个，频率范围为2.4 GHz～2.483 5 GHz，发射功率为12～15 dBm，其串口波特率在1 200～230 400 b/s之间，工作温度为-20～70 ℃。该模块的工作电压为3.3 V，但单片机为5 V供电，为了使电源兼容，本设计通过两个二极管将5 V电压降压到3.3 V后供ESP8266 WiFi模块使用，电路如图3所示[6]。

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