基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、.基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)-設(shè)計論文基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)李忠海于忠清（青島大學信息工程學院，山東 青島 266071）【摘要】使用PVDF傳感器采集人體生理信號，提出了基于CSI的生理信號處理算法，通過算法處理得到心率、呼吸率、體動以及呼吸暫停等參數(shù)。本文還設(shè)計了云服務(wù)器端對人體生理參數(shù)進行接收、存儲和處理，根據(jù)采集到的生理參數(shù)本文選用了PNQ量表對睡眠質(zhì)量進行分析，同時本文還設(shè)計了手機端軟件將睡眠者的睡眠質(zhì)量顯示給用戶。系統(tǒng)測試結(jié)果顯示算法處理得到的心率/呼吸率與受試者實際的心率/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；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)，是生命必需的過程。而隨著社會的快速發(fā)展，城市化進程步伐逐漸加快，國民的睡眠質(zhì)量因此受到影響。相關(guān)調(diào)查顯示中國有38%的人存在睡眠問題1，并且有睡眠問題的病人中還有相當多的人沒有得到合理的診斷和治療。因此開發(fā)一套實時的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測人們的睡眠

5、過程，然后對睡眠質(zhì)量進行分析具有重要意義。傳統(tǒng)的睡眠監(jiān)測系統(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，給睡眠者帶來心理壓力，影響其睡眠質(zhì)量2。為了更好的監(jiān)測人們的睡眠過程，本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PVDF壓電薄膜傳感器3采集人體生理信號，同時根據(jù)三次樣條插值函數(shù)(Cubic Spline Interpolation，簡稱CSI)4提出了基于CSI的人體生理信號處理算法來獲得睡眠者的心率、呼吸率等參數(shù)。本文還設(shè)計了云服務(wù)器端對人體生理參數(shù)進行接收、存儲，并對睡眠者的睡眠質(zhì)量進行評估，睡眠者的睡眠質(zhì)量展示在用戶手機端軟件上。最后對于算法的準確性和系統(tǒng)性能做了測試

6、工作。1系統(tǒng)架構(gòu)和詳細設(shè)計系統(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)器端和手機客戶端三部分，各部分之間用Wi-Fi通信。傳感器采集到睡眠者的生理信號主要包括心跳、呼吸、體動和呼吸暫停等，生理信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后在樹莓派處理器（Raspberry Pi）上做預(yù)處理，獲得心率、呼吸率、體動次數(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)評估其睡眠質(zhì)量，最終將評估結(jié)果反饋到用戶的手機端軟件顯示。 1.1數(shù)據(jù)采集端1.1.1信號采集模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊通過廠家定制的傳感器是一款長條狀、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)測到人體的生理信號。信號采集模塊的主要任務(wù)是用傳感器監(jiān)測人體微弱的振動信號，然后經(jīng)過傳感器上的前端調(diào)理電路對其進行放大、濾波處理，得到人體的心跳信號和呼吸信號。A/D轉(zhuǎn)換模塊的任務(wù)是使用AD7895-3芯片對心跳、呼吸模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳至樹莓派上做算法處理。其中AD芯片與樹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莓派上使用基于CSI的人體生理信號處理算法計算心率、呼吸率、體動次數(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)器端進行存儲和分析。傳感器采集到的是心跳/呼吸的模擬信號，并且信號強度在-2.5V2.

8、5V的量程范圍，當信號強度超過2.5V電壓值時即表示有體動發(fā)生，此時代表體動次數(shù)的參數(shù)M-Count加1。模擬信號經(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)。算法詳細步驟如下：（1）對于給定的心跳信號x1（t）/x2（t）呼吸信號，求出其所有的極大值點和極小值點；（2）分別對極大值點和極小值點用三次樣條差值函數(shù)進行插值，擬合出信號的上包絡(luò)U（t）和L（t）下包絡(luò)； （3）計算上包絡(luò)和下包絡(luò)的平均值，M（t）=（U（t）+L（t）/2； （4）計算出M（t）的波峰值（即最大值）。對于心跳信號，波峰數(shù)即為心跳次數(shù)。對于呼吸信號，如果該波峰值和下一個波峰值在設(shè)定的閾值內(nèi)時，則可以認為該波

9、峰值是有效波峰。對呼吸信號設(shè)定閾值的目的主要是考慮到干擾信號對呼吸波的影響較大。由于正常人或患有慢性呼吸疾病的人在睡眠過程中的呼吸率一般不會超過每分鐘25次，也就是說連續(xù)兩次呼吸之間的時間間隔不會少于2.4秒。因此當一個正常呼吸波的波峰和下一個呼吸波峰之間時間間隔低于2.4秒時，則認為該波形是干擾波形，不計入呼吸率的計算中。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間大于10秒（含10秒），也就是兩個呼吸波峰之間的時間間隔超過10秒。因此一個正常呼吸波的波峰和下一個呼吸波的波峰之間的時間間隔超過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秒鐘對正常的心跳信號

10、和呼吸信號處理一次，每分鐘心率/呼吸率的計算方法是：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實現(xiàn)的，主要完成了對人體生理參數(shù)的接收、存儲及分析處理等工作。數(shù)據(jù)接收模塊負責接收數(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)庫中。為保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，數(shù)據(jù)采集端與云服務(wù)器之間進行網(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)存儲模塊用于存放用戶的數(shù)據(jù)信息，包括USER表（用戶表）、USER-PAR表（用戶生理參數(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)是對數(shù)據(jù)采集端發(fā)送來的生理參數(shù)進行分析處理，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)庫中用戶的生理參數(shù)，通過對心率、呼吸率、體動次數(shù)和睡眠呼吸暫停次數(shù)進行分析，評估睡眠者的睡眠質(zhì)量，并得出睡眠者整晚的平均心率、平均呼吸率、總睡眠時間以及睡眠呼吸暫停次數(shù)，然后將處理結(jié)果存入用戶對應(yīng)的RECORD表中。本系統(tǒng)使用清華大學一位學者設(shè)計的一種用于評估睡眠者每晚睡眠質(zhì)量的調(diào)查問卷量表6，我們稱之為PNQ（Per-Night Questionnaire）。PNQ包括9個大問題，問題6又包括8個小問題，總共16個問題。問題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，而問題69需要用戶早上從手機客戶端查看自己睡眠質(zhì)量時填寫，用戶填寫完之后數(shù)據(jù)發(fā)回服務(wù)器端，數(shù)據(jù)處理模塊會根據(jù)PNQ量表評定方案對用戶的睡眠質(zhì)量進行打分，然后發(fā)回到用戶的手機端顯示。1.3手機客戶端手機客戶端軟件是在android4.2.2環(huán)境下開發(fā)，支持安卓2.2以上系統(tǒng)，軟件名稱叫做SleepMonitor，包括用戶登錄驗證模塊、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。手機端設(shè)計的總體操作流程是：（1）用戶打開客戶端，輸入用戶名、密碼（由服務(wù)器為用戶分配）進行登錄；（2）登錄成功后進入主頁面，主頁面顯示的是一個日歷表；（3）點擊日歷表中當天的日期進入調(diào)查

13、問卷填寫界面，界面顯示的是PNQ量表中的問題69，用戶根據(jù)晚上睡眠情況填寫并點擊提交按鈕；（4）提交后的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器將用戶填寫的問題69的答案與RECORD表中數(shù)據(jù)結(jié)合，并根據(jù)PNQ量表評定方案進行打分，得出用戶睡眠質(zhì)量；（5）將睡眠質(zhì)量評估結(jié)果發(fā)送回手機客戶端顯示給用戶。2系統(tǒng)實現(xiàn)與測試本系統(tǒng)在開發(fā)初期主要實現(xiàn)了以上模塊的功能。數(shù)據(jù)采集端的實物圖如圖3所示，PVDF傳感器放在床單下面用于監(jiān)測人體微弱的振動信號，信號經(jīng)前端調(diào)理電路放大濾波后用AD7895-3芯片進行A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字信號傳至樹莓派做預(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，用戶睡眠質(zhì)量使用星級評分條顯示。其中該睡眠者的睡眠質(zhì)量是三星級，整晚的平均心率是62次/分鐘，平均呼吸率是17次/分鐘，總睡眠時間是7.8小時，整晚的睡眠呼吸暫停次數(shù)是5次。用戶還可以將自己的睡眠質(zhì)量分享到新浪微博、微信等平臺，分享功能使用shareSDK組件實現(xiàn)。圖3數(shù)據(jù)采集端實物圖圖4手機端睡眠質(zhì)量界面為了驗證系統(tǒng)的準確性以及是否達到預(yù)期的性能，對系統(tǒng)進行了整體測試。對于算法的準確性的測試方法是選取三個測試者分別躺在放有數(shù)據(jù)采集傳感器的床上，當測試者的心率/呼吸率相對穩(wěn)定之后通過串口讀取測試者的心率/呼吸率，與此同時進行的是通過脈搏數(shù)出測試者的心率，并通過觀察測試者的呼吸情況

15、數(shù)出他們的呼吸率。然后傳感器輸出的三次心率、呼吸率與測試者實際的心率、呼吸率對比。對比結(jié)果顯示用該算法計算的心率、呼吸率與實際心率、呼吸率基本吻合，如表1所示。表1心率、呼吸率計算方法準確性測試結(jié)果對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦?，測試方法是通過串口讀取數(shù)據(jù)采集端打包后的數(shù)據(jù)，通過觀察數(shù)據(jù)連續(xù)性的標志位發(fā)現(xiàn)偶爾會有丟包的情況，因為通信方式采用TCP連接，考慮到是因為網(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)計的基于云架構(gòu)的睡眠監(jiān)測系統(tǒng)是面向普通家庭用戶的居家式的醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)利用PVDF傳感器采集人體生理信號，提出了基于CSI的人體生理信號處理算法，通過算法處理得到睡眠者的心率、呼吸率、體動和呼吸暫停

16、等參數(shù)，同時在云服務(wù)器端實現(xiàn)了對生理參數(shù)的接收、存儲以及睡眠質(zhì)量的分析等工作。系統(tǒng)測試結(jié)果顯示算法處理后得到的心率、呼吸率與實際的基本吻合，同時與穿戴式設(shè)備相比，該系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的性能。未來將對系統(tǒng)做進一步完善與改進，比如增加光照、噪聲等參數(shù)的測量，為睡眠質(zhì)量評估提供依據(jù)，同時完善手機端軟件的功能，增加鬧鐘提醒等功能。參考文獻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)展睡眠學科J.中國醫(yī)院院長,2014,(5).2李津,金捷.睡眠呼吸監(jiān)測技術(shù)的研究進展J.國際生物醫(yī)學工程雜志,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