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睡眠姿势之分析系统
第十届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛报告
[作者 黃克穠,吳柏穎,]   2016年12月27日 星期二 浏览人次: [24596]


睡眠,是个人重要的生理活动,并且占据了人生的三分之一,然而不稳定的睡眠品质将会影响到健康、集中力、活跃性。睡眠姿势其实也是人的浅意识,在要进入睡眠时,不断调整姿势到最舒适的状态让自己入眠,而根据统计,最后的姿势会呈现不同的性格,而且睡眠姿势的不同也会直接影响生理健康。目前已有睡眠姿势分析系统产品在市面上出现,例如:小米手环。但其感测器只有一个,并且在手的部位,而无法完全知道全身的动作。


本设计以盛群半导体开发的HT66F70A做为整体控制核心,搭配功能完善的人机介面,并集合三个三轴加速感测器,依照感测器所获得的数值自动统计,进而透过人机介面即时显示睡眠的姿势。本作品具有「高效能与低价位」的特点,适合居家生活,不管是行动不便的老年人或工作压力大的年轻人都可以在家里轻易检测。


前言

俗话说:一日之际在于晨,比喻凡事最早作计划,也用以说明早晨时光的可贵,可见前一晚的睡眠极为重要,适当的睡眠姿势有助于提高良好的睡眠品质,尤其在现今社会的高压力以及紧凑状况下,当人一天没有睡好,逐渐累积下来将导致免疫系统有所下降,到时候病魔会开始入侵疲惫的身躯,让健康亮起了红灯。


在睡眠的领域已经发展出完整的诊疗系统,例如睡眠医学中心,透过临床的检测来判断睡眠的品质。但因为睡眠医学中心等候床位时间长、费用高、老人家行动不方便,使得大家都无法即时使用。睡眠姿势之分析系统,透过五颗三轴加速度器来判断身体的动作,并且归类使用者的平常睡姿,会不会有翻转动作,最后给出建议是否需要改善动作来增加睡眠品质。


本创意设计善加利用HT66F70的丰沛硬体资源及使用弹性,令程式运算搭配不同三轴加速度器,借此精确地判断即时的睡觉动作,最后做出睡眠总计时间跟睡眠姿势的概况,对于老年人、忙碌的上班族、学生,每天都能立即检测,更不需要花费更多的费用,既有「实用性且低价位」,非常适合推广至每一个家庭。


工作原理

睡眠姿势的不同影响着我们的睡眠品质,五颗三轴加速器分别摆放在手、身体、大腿,取得数值之后,透过演算法计算后再透过人机介面显示其平均的睡眠姿势。


在演算法方面上,因为有五颗感测器,所以其计算资料会非常庞大​​,使得HT66F70A能够完整使用其功能。规划感测器的摆放位置不同来进行测量,使其在不同的摆放模式下再来综合所有的模式,完整计算出位置。而且睡眠姿势也是浅意识表现之一,我们可以透过多次的测试以及多数资料,来判断我们的意识性格,最后透过介面来显示个人的睡眠姿势和个性。本作品采用HT66F70A作为核心MCU,基于其高效能、​​低功耗的特性,运用在睡眠姿势分析之系统上,具有市场优势。 HT66F70A在本产品中担任运算整合之核心、检测、读取。运用晶片上的I/O脚位、I^2C硬体电路,由五颗三轴加速度计搭配萤幕来显示及判断,透过人机介面显示所需要的功能以及游览各个建议事项来展现出产品实用与方便的功能性。


本产品共分为两大模组,下列为本产品的模组:


**萤幕模组:人机介面是机器和使用者的沟通桥梁。本设计使用SAG12864E8FXID液晶显示板做为人机互动介面,并具傻瓜功能及操作方式,即使是长者也可以在极短时间内学会使用本产品。


**三轴加速度模组:将三轴加速器置于胸口、右手、左手、右脚、左脚上,可侦测得现在身体位置之变化,用来判定现在是哪一种睡姿,借此记录前一晚的睡眠品质以及睡眠姿势是否良好。


软、硬体设计

本作品结构主要就软、硬体两大部份分别讨论。本部份主要阐明MCU HT66F70A在电路中与各系统的相互关系,与其I/O接脚配置说明,以描述硬体架构。再透过系统流程图与程式演算法,借此说明系统的软体设计概念。


硬体设计

本设计的系统核心使用盛群半导体HT66F70A,它是一颗?置EEPROM增?A/D型8-Bit FLASH MCU,有符合工业上摄氏-40度~85度工作温度与抗高杂讯的要求。系统方块图包含:电源供应系统、人机介面、胸口三轴加速度计、右手三轴加速度计、左手三轴加速度计、右脚三轴加速度计、左脚三轴加速度计。整个系统的供电由外部电源产生5V。 5V供MCU及周边IC使用。系统架构如图1所示。


人机介面是机器和使用者的沟通桥梁。本设计使用SAG12864E8FXID液晶显示板做为人机互动介面,并具简易功能及操作方式,即使是长者也可以在极短时间内学会使用本产品,图2为液晶显示板图;图3为脚位对应图。图4为三轴加速度计采用GY-521模组去测量X、Y、Z三轴的资料。


图一 : 系统架构图
图一 : 系统架构图

图二 : 液晶显示板
图二 : 液晶显示板

图三 : 脚位对应图
图三 : 脚位对应图

图四 : 脚上的三轴加速度SENSOR
图四 : 脚上的三轴加速度SENSOR

软体系统

本创意设计所开发的软体有赖于HT66F70A丰富的可程式硬体,如I/O、Timer、I2C,…等等。上电后开始初始化,先让系统显示初始状态,再由人机介面执行傻瓜式动作去询问使用者是否开始睡眠,紧接着萤幕执行休眠以达到省电的作用,同时系统的演算法开始工作并记录。接下来等到隔天睡醒后,执行停止的动作并让演算法开始统计且计算前一天的状态如何,待计算完后让萤幕苏醒和显示前一天的情况跟睡眠时间,并加上提醒用语提醒使用者昨天的睡眠品质以及该如何改善。


开机初始化后立刻进入是否睡眠的选项,本产品提供「仰睡模式、右侧睡模式、左侧睡模式、趴睡、未定义」等五种不同的判断模式,再继续细分八种的睡眠姿势,使用者在按下执行键让演算法去判断。首先演法法会先判断胸口的三轴加速度计(目的是为了先判断目前是哪四大基本睡姿),接下来进入到第二层的判断,第二层演算法会将手与脚的三轴加速度计一起计算,并判断出目前是哪种睡姿,判断完后进入计数器算时间,借以得知维持目前的姿势有多长的时间;图5为姿势判断图。



图五 : 程式流程(1)-姿势判断
图五 : 程式流程(1)-姿势判断

当时间开始计数后,演算法依然读取三轴加速度计的数值,并且计算当下的运动程度是不是达到演算法所设定的边界值,没有表示判断目前姿势维持不动,并继续计数;有就表示当下身体的动作已达到我们所认为「换姿势」的动作。


换姿势的当下开始记录时间以便换算距离,并判断三轴的动作是否趋近不动,「否」就继续执行记录的工作;若「是」就当作「换姿势」的动作已经结束,并将刚刚所记录的资料交由演算法计算得出来的结果与资料库进行比对姿势的动作,判断目前的状态与演算法算出来的是不是一样?如果不是就当成未定义;是就回到计数器去继续数当下的睡姿时间;图6为演算法图。


图六 : 程式流程图(2)-演算法
图六 : 程式流程图(2)-演算法

测试方法

本次创意设计为简易的分析系统,可以简单的让大部分的使用者来使用。在测试部分,分成三个部分。第一部分为三轴加速度器位于左侧,第二部分是三轴加速度器位于正面,第三部分是最后分析睡眠总时数以及姿势状态。本次测试为,将三颗三轴加速度器放在手中放,并放于左手边,HT66F70A会收到数值经演算法过后再回传到萤幕上,图7为三轴加速度器放置于左侧以及萤幕的显示。



图七 : 为三轴加速度器放置于左侧以及萤幕的显示。
图七 : 为三轴加速度器放置于左侧以及萤幕的显示。

将三颗三轴加速度器放在手中放,并放于面对天花板,HT66F70A会收到数值经演算法过后再回传到萤幕上,图八为三轴加速度器放置于面对天花板以及萤幕的显示。



图八 : 为三轴加速度器放置于面对天花板以及萤幕的显示
图八 : 为三轴加速度器放置于面对天花板以及萤幕的显示

分析睡眠总时数以及姿势状态

本次测试将综合前面两项测试,并且让测试者已经完整睡眠后开启分析系统,等待测试者醒来后,能够清楚知道他总共睡了多久,还有睡眠的姿势,并且可能因为翻动把比率算出来。图九为睡眠总时数以及动作分析。经由一系列的测试与实验结果,各项功能皆可以完美呈现出来。



图九 : 为睡眠总时数以及动作分析。
图九 : 为睡眠总时数以及动作分析。

操作模式分别为下列的七种:



图十
图十

模式0:欢迎画面,显示模式一到六之功能简述。


模式1: 此模式显示当前胸口、手部(左右) 、脚部(左右)五颗三轴值的数值,以便使用者或工程师方便校正及观测。


模式2:此模式提供四大睡姿之优缺点分析。


模式3: 此模式提供系统启动时间和目前的姿势,以便使用者观看及校正。


模式4: 此模式为主要模式,当使用此模式会将背景光关掉并同时在背景继续作运算功能。


模式5:依据模式4的运算,来统计并显示总睡眠时间、采用最多的姿势、时间以及此姿势占所有睡眠时间之百分比。


模式6: 依据模式4的运算,统计出第一到第十一名的姿势睡眠时间并加以排列。


结论与讨论

经由一系列的测试与实验结果,一套以「低成本」与「实用性高」为特点的睡眠姿势之分析系统已成功被开发的完整产品。透过HT66F70A的丰沛硬体资源及使用五颗三轴加速度器透过MCU的计算后在萤幕显示。


整个产品考虑到了整个睡眠姿势分析时该有的所有功能,并加以整合,完善的将便利性结合而成一个居家用型的睡眠分析系统。综合以上测试可知本作品对传统睡眠医学中心起了革命性的改变,系统整合所产生的附加价值改变了传统睡眠医学中心的使用思维,为兼具市场竞争力与经济价值的新产品。


(作者黄克秾为义守大学电子工程学系副教授,吴柏颖为义守大学电子工程学系学生)


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