基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、.基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)論文基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)李忠海于忠清（青島大學(xué)信息工程學(xué)院，山東 青島 266071）【摘要】使用PVDF傳感器采集人體生理信號(hào)，提出了基于CSI的生理信號(hào)處理算法，通過(guò)算法處理得到心率、呼吸率、體動(dòng)以及呼吸暫停等參數(shù)。本文還設(shè)計(jì)了云服務(wù)器端對(duì)人體生理參數(shù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)和處理，根據(jù)采集到的生理參數(shù)本文選用了PNQ量表對(duì)睡眠質(zhì)量進(jìn)行分析，同時(shí)本文還設(shè)計(jì)了手機(jī)端軟件將睡眠者的睡眠質(zhì)量顯示給用戶(hù)。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果顯示算法處理得到的心率/呼吸率與受試者實(shí)際的心率/呼吸率基本吻合，并且與穿戴式設(shè)備相比，該系統(tǒng)表現(xiàn)出較

2、高性能。關(guān)鍵詞云架構(gòu)；PVDF；睡眠監(jiān)測(cè)；CSI【Abstract】The article uses PVDF sensors to collect physiological signals and proposes the physiological signal processing algorithm based on CSI to get the heart rate, the respiration rate, the body movement and the sleep apnea. The paper also designs a cloud server for recei

3、ving, storing and processing the parameters, and selects PNQ questionnaire to evaluate the sleep quality of the sleepers. The design of the app is used to show users sleep quality. System test shows that the heart rate and the respiration rate which are monitored by the system are consistent with th

4、e actual ones. And the system shows excellent performance comparing with the wearable device. 【Key words】Cloud Architecture；PVDF； Sleep Monitoring；CSI0引言睡眠是高等動(dòng)物中普遍存在的一種重要的自然休息狀態(tài)，是生命必需的過(guò)程。而隨著社會(huì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程步伐逐漸加快，國(guó)民的睡眠質(zhì)量因此受到影響。相關(guān)調(diào)查顯示中國(guó)有38%的人存在睡眠問(wèn)題1，并且有睡眠問(wèn)題的病人中還有相當(dāng)多的人沒(méi)有得到合理的診斷和治療。因此開(kāi)發(fā)一套實(shí)時(shí)的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)人們的睡眠

5、過(guò)程，然后對(duì)睡眠質(zhì)量進(jìn)行分析具有重要意義。傳統(tǒng)的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大都使用穿戴式設(shè)備，需要將感應(yīng)器直接與人體皮膚接觸，給睡眠者帶來(lái)心理壓力，影響其睡眠質(zhì)量2。為了更好的監(jiān)測(cè)人們的睡眠過(guò)程，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PVDF壓電薄膜傳感器3采集人體生理信號(hào)，同時(shí)根據(jù)三次樣條插值函數(shù)(Cubic Spline Interpolation，簡(jiǎn)稱(chēng)CSI)4提出了基于CSI的人體生理信號(hào)處理算法來(lái)獲得睡眠者的心率、呼吸率等參數(shù)。本文還設(shè)計(jì)了云服務(wù)器端對(duì)人體生理參數(shù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)，并對(duì)睡眠者的睡眠質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，睡眠者的睡眠質(zhì)量展示在用戶(hù)手機(jī)端軟件上。最后對(duì)于算法的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)性能做了測(cè)試

6、工作。1系統(tǒng)架構(gòu)和詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集端、云服務(wù)器端和手機(jī)客戶(hù)端三部分，各部分之間用Wi-Fi通信。傳感器采集到睡眠者的生理信號(hào)主要包括心跳、呼吸、體動(dòng)和呼吸暫停等，生理信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后在樹(shù)莓派處理器（Raspberry Pi）上做預(yù)處理，獲得心率、呼吸率、體動(dòng)次數(shù)和呼吸暫停次數(shù)，然后將數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端再根據(jù)睡眠者的生理參數(shù)評(píng)估其睡眠質(zhì)量，最終將評(píng)估結(jié)果反饋到用戶(hù)的手機(jī)端軟件顯示。 1.1數(shù)據(jù)采集端1.1.1信號(hào)采集模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)廠家定制的傳感器是一款長(zhǎng)條狀、易攜帶的PVDF壓電薄膜傳感器，睡眠者將傳感器放在床單下面靠近心臟的位置，

7、以便能更好的監(jiān)測(cè)到人體的生理信號(hào)。信號(hào)采集模塊的主要任務(wù)是用傳感器監(jiān)測(cè)人體微弱的振動(dòng)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)傳感器上的前端調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波處理，得到人體的心跳信號(hào)和呼吸信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換模塊的任務(wù)是使用AD7895-3芯片對(duì)心跳、呼吸模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳至樹(shù)莓派上做算法處理。其中AD芯片與樹(shù)莓派的管腳電路如圖2所示。 1.1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的功能是在樹(shù)莓派上使用基于CSI的人體生理信號(hào)處理算法計(jì)算心率、呼吸率、體動(dòng)次數(shù)和睡眠呼吸暫停次數(shù)，然后將處理后的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到服務(wù)器端進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。傳感器采集到的是心跳/呼吸的模擬信號(hào)，并且信號(hào)強(qiáng)度在-2.5V2.

8、5V的量程范圍，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)2.5V電壓值時(shí)即表示有體動(dòng)發(fā)生，此時(shí)代表體動(dòng)次數(shù)的參數(shù)M-Count加1。模擬信號(hào)經(jīng)AD采樣后再用算法處理得到心率、呼吸率和呼吸暫停次數(shù)。算法詳細(xì)步驟如下：（1）對(duì)于給定的心跳信號(hào)x1（t）/x2（t）呼吸信號(hào)，求出其所有的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)；（2）分別對(duì)極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)用三次樣條差值函數(shù)進(jìn)行插值，擬合出信號(hào)的上包絡(luò)U（t）和L（t）下包絡(luò)； （3）計(jì)算上包絡(luò)和下包絡(luò)的平均值，M（t）=（U（t）+L（t）/2； （4）計(jì)算出M（t）的波峰值（即最大值）。對(duì)于心跳信號(hào)，波峰數(shù)即為心跳次數(shù)。對(duì)于呼吸信號(hào)，如果該波峰值和下一個(gè)波峰值在設(shè)定的閾值內(nèi)時(shí)，則可以認(rèn)為該波

9、峰值是有效波峰。對(duì)呼吸信號(hào)設(shè)定閾值的目的主要是考慮到干擾信號(hào)對(duì)呼吸波的影響較大。由于正常人或患有慢性呼吸疾病的人在睡眠過(guò)程中的呼吸率一般不會(huì)超過(guò)每分鐘25次，也就是說(shuō)連續(xù)兩次呼吸之間的時(shí)間間隔不會(huì)少于2.4秒。因此當(dāng)一個(gè)正常呼吸波的波峰和下一個(gè)呼吸波峰之間時(shí)間間隔低于2.4秒時(shí)，則認(rèn)為該波形是干擾波形，不計(jì)入呼吸率的計(jì)算中。根據(jù)睡眠呼吸暫停的定義5，睡眠呼吸暫停的表現(xiàn)之一是呼吸氣流的停止時(shí)間大于10秒（含10秒），也就是兩個(gè)呼吸波峰之間的時(shí)間間隔超過(guò)10秒。因此一個(gè)正常呼吸波的波峰和下一個(gè)呼吸波的波峰之間的時(shí)間間隔超過(guò)10秒，則判定為發(fā)生一次睡眠呼吸暫停情況。本算法是每20秒鐘對(duì)正常的心跳信號(hào)

10、和呼吸信號(hào)處理一次，每分鐘心率/呼吸率的計(jì)算方法是：每分鐘心率=3×20秒鐘心跳次數(shù)每分鐘呼吸率=3×20秒鐘呼吸次數(shù)1.2云服務(wù)器端云服務(wù)器端是基于Netty實(shí)現(xiàn)的，主要完成了對(duì)人體生理參數(shù)的接收、存儲(chǔ)及分析處理等工作。數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)解碼后存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，數(shù)據(jù)采集端與云服務(wù)器之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議使用TCP/IP協(xié)議，編程方式為Socket套接字編程。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存放用戶(hù)的數(shù)據(jù)信息，包括USER表（用戶(hù)表）、USER-PAR表（用戶(hù)生理參數(shù)表）以及RECORD表（睡眠狀況記錄表）。而數(shù)據(jù)處理模塊是云服務(wù)器端的

11、核心部分，它的主要任務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)采集端發(fā)送來(lái)的生理參數(shù)進(jìn)行分析處理，判斷睡眠者整晚的睡眠質(zhì)量。主要方法是數(shù)據(jù)處理模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶(hù)的生理參數(shù)，通過(guò)對(duì)心率、呼吸率、體動(dòng)次數(shù)和睡眠呼吸暫停次數(shù)進(jìn)行分析，評(píng)估睡眠者的睡眠質(zhì)量，并得出睡眠者整晚的平均心率、平均呼吸率、總睡眠時(shí)間以及睡眠呼吸暫停次數(shù)，然后將處理結(jié)果存入用戶(hù)對(duì)應(yīng)的RECORD表中。本系統(tǒng)使用清華大學(xué)一位學(xué)者設(shè)計(jì)的一種用于評(píng)估睡眠者每晚睡眠質(zhì)量的調(diào)查問(wèn)卷量表6，我們稱(chēng)之為PNQ（Per-Night Questionnaire）。PNQ包括9個(gè)大問(wèn)題，問(wèn)題6又包括8個(gè)小問(wèn)題，總共16個(gè)問(wèn)題。問(wèn)題15的答案可以根據(jù)傳感器采集到的睡眠者的生理參數(shù)

12、分析得出，而問(wèn)題69需要用戶(hù)早上從手機(jī)客戶(hù)端查看自己睡眠質(zhì)量時(shí)填寫(xiě)，用戶(hù)填寫(xiě)完之后數(shù)據(jù)發(fā)回服務(wù)器端，數(shù)據(jù)處理模塊會(huì)根據(jù)PNQ量表評(píng)定方案對(duì)用戶(hù)的睡眠質(zhì)量進(jìn)行打分，然后發(fā)回到用戶(hù)的手機(jī)端顯示。1.3手機(jī)客戶(hù)端手機(jī)客戶(hù)端軟件是在android4.2.2環(huán)境下開(kāi)發(fā)，支持安卓2.2以上系統(tǒng)，軟件名稱(chēng)叫做SleepMonitor，包括用戶(hù)登錄驗(yàn)證模塊、消息發(fā)送模塊和睡眠質(zhì)量結(jié)果顯示模塊，與服務(wù)器端使用HTTP協(xié)議通信。手機(jī)端設(shè)計(jì)的總體操作流程是：（1）用戶(hù)打開(kāi)客戶(hù)端，輸入用戶(hù)名、密碼（由服務(wù)器為用戶(hù)分配）進(jìn)行登錄；（2）登錄成功后進(jìn)入主頁(yè)面，主頁(yè)面顯示的是一個(gè)日歷表；（3）點(diǎn)擊日歷表中當(dāng)天的日期進(jìn)入調(diào)查

13、問(wèn)卷填寫(xiě)界面，界面顯示的是PNQ量表中的問(wèn)題69，用戶(hù)根據(jù)晚上睡眠情況填寫(xiě)并點(diǎn)擊提交按鈕；（4）提交后的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器將用戶(hù)填寫(xiě)的問(wèn)題69的答案與RECORD表中數(shù)據(jù)結(jié)合，并根據(jù)PNQ量表評(píng)定方案進(jìn)行打分，得出用戶(hù)睡眠質(zhì)量；（5）將睡眠質(zhì)量評(píng)估結(jié)果發(fā)送回手機(jī)客戶(hù)端顯示給用戶(hù)。2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試本系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)初期主要實(shí)現(xiàn)了以上模塊的功能。數(shù)據(jù)采集端的實(shí)物圖如圖3所示，PVDF傳感器放在床單下面用于監(jiān)測(cè)人體微弱的振動(dòng)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)前端調(diào)理電路放大濾波后用AD7895-3芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字信號(hào)傳至樹(shù)莓派做預(yù)處理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)打包后發(fā)送至服務(wù)器端。最終用戶(hù)的睡眠質(zhì)量結(jié)果界面的效果圖示

14、例如圖4所示，用戶(hù)睡眠質(zhì)量使用星級(jí)評(píng)分條顯示。其中該睡眠者的睡眠質(zhì)量是三星級(jí)，整晚的平均心率是62次/分鐘，平均呼吸率是17次/分鐘，總睡眠時(shí)間是7.8小時(shí)，整晚的睡眠呼吸暫停次數(shù)是5次。用戶(hù)還可以將自己的睡眠質(zhì)量分享到新浪微博、微信等平臺(tái)，分享功能使用shareSDK組件實(shí)現(xiàn)。圖3數(shù)據(jù)采集端實(shí)物圖圖4手機(jī)端睡眠質(zhì)量界面為了驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及是否達(dá)到預(yù)期的性能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體測(cè)試。對(duì)于算法的準(zhǔn)確性的測(cè)試方法是選取三個(gè)測(cè)試者分別躺在放有數(shù)據(jù)采集傳感器的床上，當(dāng)測(cè)試者的心率/呼吸率相對(duì)穩(wěn)定之后通過(guò)串口讀取測(cè)試者的心率/呼吸率，與此同時(shí)進(jìn)行的是通過(guò)脈搏數(shù)出測(cè)試者的心率，并通過(guò)觀察測(cè)試者的呼吸情況

15、數(shù)出他們的呼吸率。然后傳感器輸出的三次心率、呼吸率與測(cè)試者實(shí)際的心率、呼吸率對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示用該算法計(jì)算的心率、呼吸率與實(shí)際心率、呼吸率基本吻合，如表1所示。表1心率、呼吸率計(jì)算方法準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦?，測(cè)試方法是通過(guò)串口讀取數(shù)據(jù)采集端打包后的數(shù)據(jù)，通過(guò)觀察數(shù)據(jù)連續(xù)性的標(biāo)志位發(fā)現(xiàn)偶爾會(huì)有丟包的情況，因?yàn)橥ㄐ欧绞讲捎肨CP連接，考慮到是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定等其他因素導(dǎo)致。3總結(jié)本文設(shè)計(jì)的基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是面向普通家庭用戶(hù)的居家式的醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用PVDF傳感器采集人體生理信號(hào)，提出了基于CSI的人體生理信號(hào)處理算法，通過(guò)算法處理得到睡眠者的心率、呼吸率、體動(dòng)和呼吸暫停

16、等參數(shù)，同時(shí)在云服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)了對(duì)生理參數(shù)的接收、存儲(chǔ)以及睡眠質(zhì)量的分析等工作。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果顯示算法處理后得到的心率、呼吸率與實(shí)際的基本吻合，同時(shí)與穿戴式設(shè)備相比，該系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的性能。未來(lái)將對(duì)系統(tǒng)做進(jìn)一步完善與改進(jìn)，比如增加光照、噪聲等參數(shù)的測(cè)量，為睡眠質(zhì)量評(píng)估提供依據(jù)，同時(shí)完善手機(jī)端軟件的功能，增加鬧鐘提醒等功能。參考文獻(xiàn)1飛利浦醫(yī)療保健事業(yè)部.世界睡眠日:關(guān)注睡眠健康,發(fā)展睡眠學(xué)科J.中國(guó)醫(yī)院院長(zhǎng),2014,(5).2李津,金捷.睡眠呼吸監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展J.國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程雜志,2008, 31(6):352-354.3CK. Lee. Theory of Laminated Piezoelectric Plates for the Design of Distributed Sensors /ActuatorsJ. J.Acoust.Soc.Am. 1990(3):1144-115