基于单片机的智能助眠眼罩的设计与研究＊
时间：2023-02-17 09:25:07 来源：千叶帆 本文已影响人
练文慧，余嘉凤，官丽臻，杨洋，陈梓昇
（广东工贸职业技术学院，广东广州 510510）
根据2021 年中国睡眠研究会数据，超过3 亿人存在睡眠障碍，成年人失眠发生率高达38.2%，助眠产品的市场需求量节节攀升。其中，助眠眼罩是助眠产品中最具性价比与舒适度的品类，但市面上现有助眠眼罩存在功能单一的缺陷，只具备电极刺激穴位功能或加热舒缓疲劳功能[1]。本设计运用电极刺激、麦克风与振动马达实现按摩助眠、鼾声识别与止鼾及定时唤醒功能，实现轻便型多功能合一助眠眼罩创新。
本文将32 位单片机作为控制单元，设计一种集助眠、止鼾、唤醒于一体的智能睡眠眼罩。系统分为麦克风采集电路、电极控制电路、微动马达控制部分以及通讯模块，采用500 mAh 锂电池供电。通讯模块采用蓝牙，可以为APP 提供通讯和控制接口。实现闹钟、电刺激强度等参数的远程调节。主控芯片采用意法半导体STM32F411CEU6。系统整体结构如图1 所示。
图1 系统总体结构
控制盒位于眼罩正前方，如图2 所示。通过控制电路板和器件体积，保证各种睡姿下佩戴的舒适性。
图2 眼罩正面示意图
2.1 麦克风采集电路设计
鼾声识别主要基于麦克风输入信号，麦克风采用驻极体式咪头，驻极体麦克风通过振动膜实现声电转换，体积小巧，成本低廉，在电话、手机等设备中广泛使用。
麦克风后级采用WM8978 芯片实现AD 转换。WM8978 是一个低功耗的CODEC 编解码芯片，输入支持line、MⅠC 和输出处理。
两路立体MⅠC 输入，信号的路径可以手动控制，最大增益55.25 dB。本系统中只使用了一路MⅠC 输入，输出数字信号经Ⅰ2S 总线发送给单片机进行处理。麦克风采集电路如图3 所示。
图3 麦克风采集电路
2.2 电极放电电路设计
采用二极管1N4148WS 和三极管SS8050 的组合实现电脉冲放电。电极放电电路如图4 所示，VⅠN 端连接电池正极，PWR+、PWR-分别连接电极的正负极。E1 和E2 端控制电脉冲方向，E3_PWM 端控制脉冲的波形。
图4 电极放电电路
放电电极布置在眼罩背面，贴紧使用者的穴位，其中电极正极布置在正中间，恰好位于印堂穴上，阴极一分为二，布置在左右太阳穴的位置，通过轮流放电可以实现对这2 个穴位的刺激，达到助眠的效果[2]，电极位置示意图如图5 所示。
图5 眼罩背面电极位置示意图
2.3 低功耗设计
为了进一步延长眼罩使用时间，降低眼罩充电频率，避免长时间无人使用情况下继续工作导致电量耗尽的情况，加入低功耗设计。采用ADXL362 加速度计作为使用判断和低功耗唤醒源。ADXL362 是一款超低功耗、3 轴MEMS 加速度计，输出数据速率为100 Hz时功耗低于2 μA，在运动触发唤醒模式下功耗为270 nA。ADXL362 与单片机通过SPⅠ接口通讯，中断输出引脚ⅠNT1 连接到单片机PA0-WKUP 脚，如图6 所示。
图6 加速度计连接示意图
当加速度计检测到长时间加速度不超过一定值时（系统设定为30 min，阈值为±0.1g），判断为眼罩未有人使用，MCU 进入停止模式，此时芯片关闭所有时钟，进入低功耗模式，典型电流大概在20 μA 左右。当检测到有较大加速度时，判断为眼罩开始有人使用，ⅠNT1 脚产生中断信号，唤醒MCU，退出低功耗模式，进入正常工作模式。
3.1 鼾声识别算法
通过麦克风采集鼾声和各种环境噪声得到先验知识：鼾声事件具有一定的规律性，即相邻两个鼾声的时间较为接近，且每个鼾声具有一定的能量[3]。前期采集的信号如图7 所示。
图7 前期采集的鼾声和环境噪声
围绕这些特征设计鼾声识别算法，时域上采用滑窗（100 ms）计算声音的能量，当能量超过一定值时标记为一个发声事件，比较相邻5 个发声事件两两间隔时间的标准差，若低于一定值（设定为1.5 s），则判断为一次鼾声事件。更进一步，为提高判断准确性，对于每个发声事件，通过频域分析，提取梅尔倒谱系数（MFCC），通过比较发声事件间MFCC 相似性，判断发声事件是否属于同一个人[4]。经过实际测试，鼾声判断准确率达86.4%。
3.2 电脉冲输出控制
在使用者入睡前，可以开启电极刺激穴位，促进褪黑素分泌。经实际测试，电极输出端相比电极输入端刺激感更强烈，为保证印堂穴和太阳穴均匀刺激，对电极极性进行轮流切换[5]。
具体做法是：如图4 所示，当E1、E2 电平为一高一低时电极导通放电，当E1、E2 电平相同时电极不导通，每隔0.5～1 s 触发放电，开启窗口50 ms，就能实现电极极性轮流切换。在E3_PWM 端输入100 Hz 的脉冲信号，通过调节脉冲占空比（20%～50%）可以实现脉冲幅值的高低，调节范围为5～20 V，实现刺激强度的分段调节。
最终输出的电极间电压波形如图8 所示。
图8 实际电极间输出脉冲波形
3.3 自然唤醒
该智能眼罩还具有自然唤醒功能。大多数人采用闹钟的方式唤醒起床，闹钟响起时，人的神经接到指令后会从睡眠状态瞬间反应。对于患有心血管疾病的患者，比如高血压、冠心病等，长期突然惊醒会加重心血管疾病。而在唤醒时间点附近，即人处于浅睡和清醒之间的状态时唤醒，最接近自然唤醒，有利于人体机体的恢复。软件上的实现方式如下：通过蓝牙设定起床时间点，在起床时间点前10 min 内监测加速度计的体动时间。当体动时间超过一定数量时，判断为使用者即将醒来，此时开启微动马达产生振动，通过PWM 波频率由低到高，实现微动马达由弱到强的变化，实现自然唤醒。
对电刺激助眠、止鼾效果、自然唤醒功能进行主观和客观结合测试。
首先测试电刺激效果，对5 名测试者采用相同的刺激强度，睡前刺激10 min，评价刺激的舒适度；
在相同的睡眠时间后，评价睡眠的效果。5 分为满分，0分为最低分。电刺激效果评价表如表1 所示。从测试结果得出，电刺激对睡眠质量产生正面效果，但电刺激过程中测试者会有一定不适感，需要后续通过调节脉冲频率和波形继续优化改进。
表1 电刺激效果评价表
然后对止鼾效果进行评价，同样选取5 名中重度鼾声患者，分2 d 进行测试，用录音笔记录整晚睡眠声音，分别统计不开启止鼾功能和开启止鼾功能时鼾声的时长，测试结果如表2 所示。结果显示鼾声识别和止鼾系统对减少鼾声作用明显。
表2 止鼾效果评价表
最后测试自然唤醒功能的舒适性，对5 名测试者，在佩戴眼罩的同时开启自然唤醒功能，在醒来后根据自己的感受给唤醒打分，5 分为满分表示非常舒适，0分为最低分表示非常不适，结果如表3 所示。结果表面测试者对自然唤醒的效果表示满意，该种方式对身体的唤醒和恢复有所帮助。
表3 自然唤醒舒适度评价表
该智能眼罩从功能性、轻便性、舒适性的角度出发，利用麦克风采集电路、电极放电电路与微电马达实现鼾声识别、睡姿干预、按摩助眠与自然唤醒功能，通过主客观相结合的测试，验证了该方案的有效性。本方案原理简单、成本较低、效果显著，具有一定的开发前景。
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