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摘 要：为解决枕头功能单一问题设计了一个集监测睡眠质量、闹钟提醒、智能播放音乐、保护脊椎等多功能的枕头。它可以对睡眠质量进行量化监测，实现睡眠数据的监控，从而在浅睡眠阶段唤醒用户，并且可以通过长期数据追踪给出针对性的睡眠建议，从而提升用户的睡眠质量。与此同时，它能够紧密适合颈椎的生理曲度，在睡眠之中解除颈椎肌肉、韧带的疲劳。本文将主要介绍该多功能枕头的方案设计，最后指明本设计的创新点。
关键词：传感器网络；监测睡眠质量；保护颈椎；多功能枕
引言
随着社会竞争不断激烈，人们长期处于高压状态，经常存在睡眠问题。上海市中医失眠症医疗协作中心的一项调查结果显示，失眠症状的人群占到四成左右[1]。贾丽娜等人研究发现睡眠不足可影响糖代谢，出现糖耐量受损，使食欲亢进，耗能减少，体重增加[2]。而枕头的好坏，很大程度上影响我们的睡眠质量。
同时，伏案工作和枕头不适使得颈椎病的患病率不断上升，且发病年龄不断提前。颈椎病已经困扰了许多人。而枕头却是引发和加重颈椎病的重要原因之一[3]。
枕头不仅影响睡眠质量，更是和颈椎病的预防息息相关。但传统意义上的枕头功能单一，一旦用户失眠，它也无能为力。因此我们提出了一种新型的基于传感器网络的可以智能地检测使用者的睡眠质量和保护脊椎的多功能枕。
1. 传感器网络简介
传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况，比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物。传感器网络节点一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元组成[4]。如图1所示。目前，传感器网络已经广泛应用于环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、交通控制等领域。
图1 传感器网络的基本节点
2 方案总体设计与选择论证
2.1 方案总体设计
为解决枕头功能单一的问题设计了一个集监测睡眠质量、闹钟提醒、智能播放音乐、保护脊椎为一体的多功能枕头。
该枕头可以对我们的睡眠状况进行量化地监测，实现睡眠数据的监控，利用这些数据一方面评估使用者的睡眠深度，从而在睡眠最浅的阶段唤醒用户，另一方面通过长期数据追踪给出针对性的睡眠建议，并且通过播放轻音乐等具有舒缓神经的音乐等方式帮助用户入眠，从而提升使用者的睡眠质量。与此同时，使枕头能够紧密适合颈椎的生理曲度帮助人们在睡眠中解除颈椎肌肉的疲劳。
2.2 方案论证与选择
1.2.1 系统控制器选择
方案一：AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k在系统可编程Flash存储器，但其在进行A/D，D/A转换时不是很方便。
方案二：Arduino Unor3单片机是目前比较受欢迎的单片机，其主控芯片ATmega328包括了片上32KB Flash，其中0.5KB用于Bootloader。同时还有2KB SRAM和1KB EEPROM。最重要的是Aduino能够直接读取传感器输入的模拟量，特别方便，其价格与AT89S52差不多。因此我们拟采用接传感器更方便的Aduino Uno r3单片机作为系统控制器。
2.2.2睡眠质量监测模块
方案一：通过检测用户头部移动情况来判断睡眠状态。在枕头中内置采用薄膜压力传感器来搜集压力变化频率和幅度数据从而判断用户在床上的体动记录。人在睡眠状态比其他任何状态活动都小，所以若在半小时内压力变化频率和幅度小于某一特定值，那么就把半小时前开始计算为睡眠状态。若压力变化频率和幅度大说明睡眠质量不好，反之睡眠质量较好。枕头可以与手机通过低功耗蓝牙（BLE）实时连接，将数据同步至手机中的APP。
方案二：通过检测用户鼾声判断睡眠状态。采用ARDUINO的声音传感器模块来检测鼾声变化、呼吸速率变化数据，同时通过蓝牙模块将数据传入手机，并且与配套的睡眠app软件进行数据交互。睡眠app可以对蓝牙模块传来的数据进行分析，实现对睡眠质量的量化监测和数据分析。
对比上述两种解决方案，我们决定采用方案一。方案一可行性强且成本较低，测量精度高，而方案二的测量精度比较低。
2.2.2智能闹铃和音乐播放模块
深度睡眠可以提高睡眠的效率，但在深度睡眠时被惊醒会影响起床后的精神，选在浅睡时间起床，精神较好。该枕头通过传感器网络传到智能手机上的数据进行分析，判断用户处于深睡眠还是浅睡眠状态，从而实现在目标唤醒时间的前30分钟内将用户在浅睡眠中唤醒的功能。当用户失眠时，通过软件对传感器监测的数据进行分析得到的结论，自动启动app里自带的轻音乐来缓解用户的情绪，帮助用户入睡。
2.2.3保护颈椎模块
普通枕头的枕面为平面形，只能用于搁置头部而不能使预椎受到依托，不利于颈椎的保健。一个理想的枕头应该能适应个体肩宽和颈椎的生理曲度，使颈部肌肉得到放松[6]。因此我们采取保健枕来达到保护颈椎的效果。
3 多功能枕的工作流程
当用户接触枕头，枕头内部的FSR电阻式薄膜传感器发生形变，电阻值发生变化，它输出的电压也会随之变化。再经过A/D转换就可以将电压模拟量转换成数字量，然后将提取到的数字信息通过蓝牙模块传输到手机，如图2。
图 2 工作流程
4 创新性与特色
本设计将单片机和传感器网络结合，实现可以集监测睡眠质量、闹钟提醒、智能播放音乐、保护脊椎等多功能的枕头，具有以下几点创新性：
1、量化监测用户的睡眠质量，提出合理建议，并采取措施。
2、人性化的闹铃提醒，在用户浅睡眠阶段唤醒用户，使用户起床后精神焕发。
3、枕头符合人体颈椎生理曲度，可预防和缓解脊椎病。
4、结合手机应用软件，采用无线操控方式，使用非常方便
5 结语
在物联网飞速发展的时代下，软件和硬件的联系越来越紧密，本设计将这两者结合应用，充分利用Arduino Uno r3 单片机的优势来控制由传感器网络构成的电路，结合Android智能手机实现智能化操作。通过不断调试，最终实现可以集监测睡眠质量、闹钟提醒、保护脊椎等多功能的枕头。此外，本多功能枕头可广泛适用于家居、酒店房间等领域，老少皆宜，有广阔的市场前景。■
参考文献
[1] 沈肖军. 中医对失眠的认识[J]. 养生月刊， 2013， 34（8）.
[2] 贾丽娜， 王兴娟. 睡眠不足对机体代谢的影响[J]. 现代预防医学， 2007， 34。
[3] 刘保新， 娄宇明， 梁柱等. 浅论颈椎病与头的相关性[J]. 中国中医骨伤科杂志， 2011， （3）：60-61.
[4] 孙雨耕， 张静， 孙永进等. 无线自组传感器网络[J]. 传感技术学报， 2004， 17（2）：331-335.
[5] 陈雄， 杜以书， 唐国新. 无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J]. 系统仿真技术， 2005， （2）：77-80.
[6] 邢勇丽. 颈椎枕产品设计及评价[J]. 纺织科技进展， 2014， （3）：25-29.
作者简介：
陈豪（1995-），男，华北电力大学（保定）电子与通信工程系，通信工程专业。
蔡蓉蓉（1992-）女，华北电力大学（保定）经济管理系，工程造价专业。
王国庆（1994-）男，华北电力大学（保定）计算机系，计算机科学专业。
任晋伟（1993-），男，华北电力大学（保定）电力工程系，电气工程及其自动化专业。
彭小珂（1993-）女，华北电力大学（保定）经济管理系，信息管理与信息系统专业。
关键词：传感器网络；监测睡眠质量；保护颈椎；多功能枕
引言
随着社会竞争不断激烈，人们长期处于高压状态，经常存在睡眠问题。上海市中医失眠症医疗协作中心的一项调查结果显示，失眠症状的人群占到四成左右[1]。贾丽娜等人研究发现睡眠不足可影响糖代谢，出现糖耐量受损，使食欲亢进，耗能减少，体重增加[2]。而枕头的好坏，很大程度上影响我们的睡眠质量。
同时，伏案工作和枕头不适使得颈椎病的患病率不断上升，且发病年龄不断提前。颈椎病已经困扰了许多人。而枕头却是引发和加重颈椎病的重要原因之一[3]。
枕头不仅影响睡眠质量，更是和颈椎病的预防息息相关。但传统意义上的枕头功能单一，一旦用户失眠，它也无能为力。因此我们提出了一种新型的基于传感器网络的可以智能地检测使用者的睡眠质量和保护脊椎的多功能枕。
1. 传感器网络简介
传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况，比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物。传感器网络节点一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元组成[4]。如图1所示。目前，传感器网络已经广泛应用于环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、交通控制等领域。
图1 传感器网络的基本节点
2 方案总体设计与选择论证
2.1 方案总体设计
为解决枕头功能单一的问题设计了一个集监测睡眠质量、闹钟提醒、智能播放音乐、保护脊椎为一体的多功能枕头。
该枕头可以对我们的睡眠状况进行量化地监测，实现睡眠数据的监控，利用这些数据一方面评估使用者的睡眠深度，从而在睡眠最浅的阶段唤醒用户，另一方面通过长期数据追踪给出针对性的睡眠建议，并且通过播放轻音乐等具有舒缓神经的音乐等方式帮助用户入眠，从而提升使用者的睡眠质量。与此同时，使枕头能够紧密适合颈椎的生理曲度帮助人们在睡眠中解除颈椎肌肉的疲劳。
2.2 方案论证与选择
1.2.1 系统控制器选择
方案一：AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k在系统可编程Flash存储器，但其在进行A/D，D/A转换时不是很方便。
方案二：Arduino Unor3单片机是目前比较受欢迎的单片机，其主控芯片ATmega328包括了片上32KB Flash，其中0.5KB用于Bootloader。同时还有2KB SRAM和1KB EEPROM。最重要的是Aduino能够直接读取传感器输入的模拟量，特别方便，其价格与AT89S52差不多。因此我们拟采用接传感器更方便的Aduino Uno r3单片机作为系统控制器。
2.2.2睡眠质量监测模块
方案一：通过检测用户头部移动情况来判断睡眠状态。在枕头中内置采用薄膜压力传感器来搜集压力变化频率和幅度数据从而判断用户在床上的体动记录。人在睡眠状态比其他任何状态活动都小，所以若在半小时内压力变化频率和幅度小于某一特定值，那么就把半小时前开始计算为睡眠状态。若压力变化频率和幅度大说明睡眠质量不好，反之睡眠质量较好。枕头可以与手机通过低功耗蓝牙（BLE）实时连接，将数据同步至手机中的APP。
方案二：通过检测用户鼾声判断睡眠状态。采用ARDUINO的声音传感器模块来检测鼾声变化、呼吸速率变化数据，同时通过蓝牙模块将数据传入手机，并且与配套的睡眠app软件进行数据交互。睡眠app可以对蓝牙模块传来的数据进行分析，实现对睡眠质量的量化监测和数据分析。
对比上述两种解决方案，我们决定采用方案一。方案一可行性强且成本较低，测量精度高，而方案二的测量精度比较低。
2.2.2智能闹铃和音乐播放模块
深度睡眠可以提高睡眠的效率，但在深度睡眠时被惊醒会影响起床后的精神，选在浅睡时间起床，精神较好。该枕头通过传感器网络传到智能手机上的数据进行分析，判断用户处于深睡眠还是浅睡眠状态，从而实现在目标唤醒时间的前30分钟内将用户在浅睡眠中唤醒的功能。当用户失眠时，通过软件对传感器监测的数据进行分析得到的结论，自动启动app里自带的轻音乐来缓解用户的情绪，帮助用户入睡。
2.2.3保护颈椎模块
普通枕头的枕面为平面形，只能用于搁置头部而不能使预椎受到依托，不利于颈椎的保健。一个理想的枕头应该能适应个体肩宽和颈椎的生理曲度，使颈部肌肉得到放松[6]。因此我们采取保健枕来达到保护颈椎的效果。
3 多功能枕的工作流程
当用户接触枕头，枕头内部的FSR电阻式薄膜传感器发生形变，电阻值发生变化，它输出的电压也会随之变化。再经过A/D转换就可以将电压模拟量转换成数字量，然后将提取到的数字信息通过蓝牙模块传输到手机，如图2。
图 2 工作流程
4 创新性与特色
本设计将单片机和传感器网络结合，实现可以集监测睡眠质量、闹钟提醒、智能播放音乐、保护脊椎等多功能的枕头，具有以下几点创新性：
1、量化监测用户的睡眠质量，提出合理建议，并采取措施。
2、人性化的闹铃提醒，在用户浅睡眠阶段唤醒用户，使用户起床后精神焕发。
3、枕头符合人体颈椎生理曲度，可预防和缓解脊椎病。
4、结合手机应用软件，采用无线操控方式，使用非常方便
5 结语
在物联网飞速发展的时代下，软件和硬件的联系越来越紧密，本设计将这两者结合应用，充分利用Arduino Uno r3 单片机的优势来控制由传感器网络构成的电路，结合Android智能手机实现智能化操作。通过不断调试，最终实现可以集监测睡眠质量、闹钟提醒、保护脊椎等多功能的枕头。此外，本多功能枕头可广泛适用于家居、酒店房间等领域，老少皆宜，有广阔的市场前景。■
参考文献
[1] 沈肖军. 中医对失眠的认识[J]. 养生月刊， 2013， 34（8）.
[2] 贾丽娜， 王兴娟. 睡眠不足对机体代谢的影响[J]. 现代预防医学， 2007， 34。
[3] 刘保新， 娄宇明， 梁柱等. 浅论颈椎病与头的相关性[J]. 中国中医骨伤科杂志， 2011， （3）：60-61.
[4] 孙雨耕， 张静， 孙永进等. 无线自组传感器网络[J]. 传感技术学报， 2004， 17（2）：331-335.
[5] 陈雄， 杜以书， 唐国新. 无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J]. 系统仿真技术， 2005， （2）：77-80.
[6] 邢勇丽. 颈椎枕产品设计及评价[J]. 纺织科技进展， 2014， （3）：25-29.
作者简介：
陈豪（1995-），男，华北电力大学（保定）电子与通信工程系，通信工程专业。
蔡蓉蓉（1992-）女，华北电力大学（保定）经济管理系，工程造价专业。
王国庆（1994-）男，华北电力大学（保定）计算机系，计算机科学专业。
任晋伟（1993-），男，华北电力大学（保定）电力工程系，电气工程及其自动化专业。
彭小珂（1993-）女，华北电力大学（保定）经济管理系，信息管理与信息系统专业。