基于物聯網的家居睡眠環境監測系統設計與實現

謝 靜，蔣秀林，朱文婕

蚌埠醫學院公共基礎學院，蚌埠，233030

1 引言

隨著生活水平的提高，人們越來越重視自己的身體健康，家居環境監測正越來越多地受到人們的關注。物聯網( Internet of things，IOT) 是將識別感知技術、數據通信技術和信息處理技術高度融合的新一代信息技術，在環境監測領域[1-3]和智慧醫療領域[4,5]有著廣泛的應用。

睡眠環境是保證睡眠能夠正常進行的外部條件，良好的睡眠環境，是健康睡眠的重要保障。睡眠養生學強調應以人為本，人應與睡眠環境相協調，并提倡睡眠應有舒適的臥具、枕具等，從而使人能夠在適合的睡眠環境中獲得良好的睡眠[6]。本文設計并實現了基于物聯網的家居睡眠環境監測系統，利用物聯網的感知技術采集睡眠環境數據；利用物聯網的數據通信技術將數據上傳至云服務器；用戶通過手機APP可隨時查看睡眠環境數據。該系統通過對睡眠環境的監測研究，對比分析影響睡眠的環境因素，幫助用戶了解哪些環境因素會對自身的睡眠產生影響以及對這些因素的敏感程度如何?；诖?，一方面，用戶可以通過調節控制敏感因素，使其處于可以接受范圍，減少對自身睡眠的影響；另一方面，通過觀察對影響因素的敏感程度，對自身的睡眠情況有更深入的了解。

2 睡眠環境監測系統的設計與實現

2.1 系統總體設計

本文設計的睡眠環境監測系統主要針對家庭用戶。本系統根據家庭睡眠環境需要設計需求分析。系統整體結構由數據采集終端節點、ZigBee協調器、家庭網關、服務器、Android手機終端模塊組成。系統工作流程如下：將傳感器接在ZigBee終端節點上，將終端節點放在睡眠環境中合適的位置，ZigBee協調器通過USB線與家庭網關相連；協調器創建網絡并等待終端節點的加入；終端節點加入網絡，此時ZigBee網絡搭建完成。在此系統中，終端節點定時將傳感器采集的數據發送給ZigBee協調器，協調器將收到的數據以數據包的形式發給家庭網關處理；

家庭網關再將數據通過Internet 網絡上傳至云服務器中的數據庫；最后，手機APP 應用通過http 協議與阿里云服務器通信，發送請求并將接受來自云服務器發送的數據進行實時顯示。

系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

2.2 系統硬件部分設計

系統硬件部分主要由終端節點層、ZigBee模塊和家庭網關構成。

(1)終端節點層

終端節點層即信息采集層，主要負責向協調器發送傳感器采集來的各種信息。該層由多個終端節點組成，微處理器與無線傳輸模塊是終端節點的核心部分。本設計采用的微處理器是ST公司的STM32F103C8處理器，該處理器的核心是cortex-M3處理器，擁有32位CPU，采用并行總線結構，并嵌套中斷向量控制單元，調試系統及標準的存儲映射。支持ZigBee協議并自帶ADC轉換通道，為無線數據采集設備提供了完整的解決方案；支持多種工作模式，可有效降低功耗，延長電池的使用壽命。終端節點層的另一重要組成部分是傳感器。傳感器將采集到的非電量信息，如溫度、濕度等轉換成電量，再通過A/D轉換為數字量[7]。

本系統用來采集溫、濕度的傳感器為DHT11，該傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，采用專用的數字模塊采集技術和溫、濕度傳感技術，以確保產品的可靠性和穩定性。設計采用STM32的PB10與DHT11的pin2引腳連接用于數據的通信與同步。

系統采用BH1750采集光照強度。BH1750是一種數字型光強度傳感器集成電路，其內置一個接近人眼反應的光敏二極管，具有接近視覺靈敏度的光譜特性，可探測大范圍的光強度變化。設計采用STM32的PA6與BH170的pin4連接用于傳輸命令與數據，STM32的PA7和BH170的pin6引腳連接用于時鐘同步。

系統采用MP-135作為空氣質量傳感器。當該傳感器所處環境中存在污染氣體時，氣敏電阻的阻值隨空氣中污染氣體濃度的升高而減小。設計將MP-135的輸出信號通過兩個10 kΩ的電阻分壓后與STM32的PA4口連接，以將氣體濃度變化產生的模擬量輸入STM32中。

(2)ZigBee模塊

因家居環境傳輸距離的要求比較低，并且環境監測系統的各個節點需要傳輸的數據量不大，因此采用具有低功耗，低成本，可靠性高，可自組網等特點的ZigBee技術來組建無線室內網絡。系統采用Zigbee 無線傳輸網絡代替有線通信方式，布線簡單且無須進行太多線路變動，可以有效解決線路改造時重新布線的問題。

此環境監測系統由若干個普通的終端節點和一個協調器節點組成。該協調器與所有終端節點組成了一個星形的無線傳感器網絡。無線傳感網絡中的每個終端節點可與協調器進行通信。協調器節點負責接收終端傳來的數據，并將數據傳給家庭網關。協調器節點的核心組成部分包括微控制器和無線收發模塊。本設計的微控制器采用TI公司的CC2530芯片，該芯片能夠以非常低的成本建立功能強大的網絡節點，并結合了增強型的8051 CPU，具有8KB RAM，提供4個可選閃存版本，有21個數字輸入/輸出引腳，且具有不同的運行模式，非常適合低功耗、低傳輸速率的系統。

(3)家庭網關模塊

家庭網關作為系統信息的處理和數據存儲中心，是整個系統的核心。目前，嵌入式技術發展迅速，嵌入式系統的優點逐漸凸顯出來，嵌入式處理器的芯片更新換代頻繁，嵌入式處理器的性能越來越強。本系統的家庭網關采用了三星公司的型號為的s3c6410的arm芯片。其價格低廉，性能優越，功耗低，成本低，體積小，相比于以往的通用計算機有著獨特的優勢。系統選擇以太網的入網方式。

2.3 系統軟件部分設計

系統軟件部分主要由ZigBee協調器模塊、數據庫模塊和Android客戶端模塊組成。

(1)ZigBee協調器設計

ZigBee協調器主要負責無線網絡的組建和信息的收發。首先上電進行系統初始化，初始化完成后ZigBee協調器搜索附近有無入網需求的終端節點，若有終端節點則將該節點地址(每個終端節點都有一個唯一并且固定的節點地址)加入已聯網的地址表中，即組建ZigBee網絡，然后，協調器將更新的地址表發送給服務器，無線網絡組建成功。此后，該程序會一直監聽是否有入網請求的終端節點。一旦檢測到有入網需求的合法節點時，協調器會將該節點加入該網絡。圖2為協調器組網流程圖。當ZigBee網絡組建成功后，軟件就會分別對ZigBee和串口進行監聽。終端節點的數據通過ZigBee傳送至協調器，協調器再將數據由串口上傳給家庭網關。而家庭網關的控制命令將通過串口傳至協調器，協調器將數據經由ZigBee發送給指定的終端節點。

圖2 ZigBee程序流程圖

(2)數據庫設計

因家庭睡眠環境監測系統采集到的數據量不大，故采用MySQL數據庫來存儲。數據庫中主要存儲的數據表有：用戶信息表、傳感器數據表和已采集數據表。用戶信息表主要用來存儲用戶的注冊信息，如用戶名、密碼等；傳感器數據表用來存儲從無線傳感器采集到的各種數據及時間信息，如表2所示；已采集數據表用來存儲按照日期采集的信息表，如表3所示。為方便使用，本系統采用阿里服務器作為云服務器，在云服務器上部署代碼就可以與Android客戶端通信，數據傳輸采用json數據格式，服務器每60秒自動讀取數據庫中的數據。

表1 用戶數據表

表2 傳感器數據表

表3 已采集數據表

服務器每天都會以當日的時間為表名新建一個表，即在已采集數據表中創建一個新表。如表2中所示，采集到一號節點的溫度為22 ℃，序列號是用來做表的關鍵字。通過已采集數據表，可以很方便地查詢某天的環境數據。

(3)Android客戶端設計

Android客戶端的設計是方便用戶實時查看睡眠環境的各個數據，以便更好地了解自身所處的環境并對環境做出適當的調節。

本設計中Android客戶端軟件的界面設計思路如下：

首先在登錄界面登錄(圖3)，輸入正確的用戶名和密碼后，就會跳轉到初始主界面。初始主界面提供當前數據顯示和歷史數據查詢功能。在這個界面上可以直接看到當前數據和查詢歷史數據。初始主界面跟其他所有的界面都可以互相跳轉。

圖3 登錄界面

系統軟件的開始界面即為登錄界面，用戶需要在界面中輸入用戶名和密碼，經過系統驗證后界面才會跳轉，第一次使用還需要進行注冊。然后點擊登錄按鈕，手機將用戶名與密碼通過4G/Wi-Fi 網絡發送到服務器，等待反饋，驗證成功后即進入到操作界面初始界面。圖3為登錄界面。

用戶登錄成功后進入主界面，智能控制終端應用APP對數據庫進行訪問，對文件是否存在進行判斷，若文件不存在則提示無相應數據。若文件已經存儲在數據庫中，則將實時數據顯示在用戶主界面上，如圖4所示。

圖4 實時數據顯示

3 系統測試

該睡眠監測系統的意義就在于為用戶提供一份直觀的睡眠環境數據,用戶可結合自身的睡眠質量和睡眠環境數據作對比分析,以找到最佳的睡眠環境。系統軟硬件調試完畢后，可在PC機及手機APP上實時顯示監測的環境數據。如圖5所示為pc上監測的溫、數據。

圖5 串口測試1

圖6為光照強度數據。圖6為手機APP顯示的實時環境數據。

圖6 串口測試2

4 結 語

本系統監測睡眠環境信息，一方面將這些數據實時的傳送給服務器，方便用戶實時查看睡眠環境的具體數值信息；另一方面，用戶可以根據一段時間的環境信息和睡眠質量進行統計分析，找出最佳的睡眠環境。該系統運用目前較為流行的Android平臺作為客戶端開發平臺，使用云服務器作為客戶端和數據庫之間的紐帶，系統具有實用性和先進性，不僅具有良好的交互性，而且功耗低、實時性好，便于擴充。