基于智能终端的睡眠监测系统设计基于智能终端的睡眠监测系统设计
为了方便地监测睡眠情况,合理评价睡眠质量,设计了基于智能终端的睡眠监测系统。该系统主要包括信号采
集模块和智能终端。信号采集模块与智能终端之间采用蓝牙通信,实现对脑电信号的采集、接收、分析及存
储。智能终端采用小波变换对脑电信号去噪,提取样本熵作为特征参数,利用随机森林算法对睡眠进行自动分
期,并评估睡眠质量。5名志愿者参与实验,结果表明,信号采集模块能够采集高质量的脑电信号,分析软件可
以快速、准确地进行睡眠质量评估。该系统体积小,功耗低,可以对睡眠质量进行定量反映和客观评估。
0 引言引言
睡眠是人类一项最基本的生理活动之一,对人的健康至关重要。世界卫生组织(World Health Organization,WHO)调查
显示,全球有27%的人存在着不同范围程度的睡眠问题,睡眠类疾病正威胁着全世界人民的健康
[1]
。目前,睡眠相关领域的研
究已经成为人们研究的一个热点。
睡眠质量一般可通过脑电、心电、眼电、肌电、体动、脉搏波等信号来进行客观评估,其中脑电能反映人脑的健康状况,
是最直接、最经典的检测方法
[2]
。睡眠分期是研究睡眠的基础,是睡眠质量评估至关重要的步骤。睡眠分期准则普遍采用美国
睡眠医学学会(American Academy of Sleep Medicine,AASM)的标准,AASM准则将睡眠分成五期,即Wake期、NREM期(又
分为N1期、N2期、N3期)、REM期
[3]
。临床上睡眠监测主要采用多导睡眠图,通过记录脑电图、眼电运动、肌肉活动、呼吸
信号等多个特征参数来完成睡眠监测
[4]
,但是信号采集普遍由多电极组成,体积庞大,设计复杂,无法满足便携性;市场上睡
眠监测设备也层出不穷,多数是基于睡眠姿态进行分期,虽然便于使用,但无标准的睡眠分期准则,在准确性方面远未达到临
床要求的睡眠分期精度。所以,研究一种便携性较好、准确性较高的睡眠监测系统具有重要的意义和价值。为了同时兼顾便携
性和准确性,本文设计了一套能够采集人体睡眠脑电信号,并在智能终端上实时记录和显示睡眠质量的系统。
1 总体设计总体设计
系统框架图如图1所示,包括信号采集模块、智能终端2部分。信号采集模块选用德州仪器ADS1299作为A/D转换芯
片,ADS1299以其紧凑性、便携性、低功耗性常被用于生物电势测量
[5]
。选用Atmel公司的ATmega328P芯片为核心模块,控
制脑电数据的采集,ATmega328P为高性能、低功耗的8位AVR微处理器
[6]
,其兼容性好、处理速度快,具有丰富的片内外
设,并且支持多种串行通信接口,如USART、SPI、2-wire。选用HM-16蓝牙芯片,HM-16采用Cypress公司的CYBL系列芯
片,遵循V4.1 BLE蓝牙协议,传输速率快,使用灵活。信号采集模块主要完成脑电信号的采集和传输工作,ATmega328P通
过SPI接口配置ADS1299,使能ADS1299对输入的模拟信号采样并保存ADS1299的数字化结果,再通过UART口配置蓝牙模
块并发送数据,实时地将脑电数据发送至智能终端,智能终端接收数据并进行处理和分析。
本文主要分析智能终端软件的设计,完成的功能包括蓝牙通信、数据接收并做数据处理、算法实现睡眠自动分期、评估结
果显示和存储。通过智能终端上的蓝牙设备搜索HM-16并建立连接,进行数据传输,解析数据格式,并对数据处理、算法分
析,从而实现睡眠自动分期;将软件分析得到的睡眠脑电数据分析结果与PSQI相结合,判断用户睡眠状况,为睡眠状态打
分,并客观评价睡眠质量;最后将评价结果实时地显示在Android手机上以便用户了解自己的睡眠情况。
2 智能终端软件设计与实现智能终端软件设计与实现
2.1 数据传输模块数据传输模块
蓝牙协议的配置文件层包括通用接入规范GAP和通用属性规范GATT,GAP层负责控制设备访问模式,用于蓝牙设备的发
现、连接、初始化管理等参数
[7]
。GATT层负责设备之间的数据通信。本系统中,Android手机端代表主机,HM-16设备代表从
机,UART口通信波特率为115 200 Baud,在数据传输前,进行设备的认证,首先手机端发送搜索请求,扫描正在广播的HM-
16设备,若GAP服务的UUID匹配成功,则请求成功;接着手机端向HM-16设备发送连接请求,HM-16设备正确应答则认证成
功,建立连接。
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