基于云架构的睡眠监测系统设计与实现

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1、基于云架构的睡眠监测系统设计与实现-设计论文基于云架构的睡眠监测系统设计与实现基于云架构的睡眠监测系统设计与实现李忠海于忠清（青岛大学信息工程学院，山东青岛266071）【摘要】使用PVDF传感器采集人体生理信号，提出了基于CSI的生理信号处理算法，通过算法处理得到心率、呼吸率、体动以及呼吸暂停等参数。本文还设计了云服务器端对人体生理参数进行接收、存储和处理，根据采集到的生理参数本文选用了PNQ量表对睡眠质量进行分析，同时本文还设计了手机端软件将睡眠者的睡眠质量显示给用户。系统测试结果显示算法处理得到的心率/呼吸率与受试者实际的心率/呼吸率基本吻合，并且

2、与穿戴式设备相比，该系统表现出较高性能。关键词云架构；PVDF；睡眠监测；CSI【Abstract】ThearticleusesPVDFsensorstocollectphysiologicalsignalsandproposesthephysiologicalsignalprocessingalgorithmbasedonCSItogettheheartrate,therespirationrate,thebodymovementandthesleepapnea.Thepaperalsodesignsacloudserverforreceiving,s

3、toringandprocessingtheparameters,andselectsPNQquestionnairetoevaluatethesleepqualityofthesleepers.Thedesignoftheappisusedtoshowuser’ssleepquality.Systemtestshowsthattheheartrateandtherespirationratewhicharemonitoredbythesystemareconsistentwiththeactualones.Andthesystemshowsexcell

4、entperformancecomparingwiththewearabledevice.【Keywords】CloudArchitecture；PVDF；SleepMonitoring；CSI0引言睡眠是高等动物中普遍存在的一种重要的自然休息状态，是生命必需的过程。而随着社会的快速发展，城市化进程步伐逐渐加快，国民的睡眠质量因此受到影响。相关调查显示中国有38%的人存在睡眠问题[1]，并且有睡眠问题的病人中还有相当多的人没有得到合理的诊断和治疗。因此开发一套实时的睡眠监测系统来监测人们的睡眠过程，然后对睡眠质量进行分析具有重要意义。传统的睡眠监测系统大

5、都使用穿戴式设备，需要将感应器直接与人体皮肤接触，给睡眠者带来心理压力，影响其睡眠质量[2]。为了更好的监测人们的睡眠过程，本文设计并实现了基于云架构的睡眠监测系统。系统采用PVDF压电薄膜传感器[3]采集人体生理信号，同时根据三次样条插值函数(CubicSplineInterpolation，简称CSI)[4]提出了基于CSI的人体生理信号处理算法来获得睡眠者的心率、呼吸率等参数。本文还设计了云服务器端对人体生理参数进行接收、存储，并对睡眠者的睡眠质量进行评估，睡眠者的睡眠质量展示在用户手机端软件上。最后对于算法的准确性和系统性能做了测试工作。1系统架

6、构和详细设计系统整体架构如图1所示。本系统包括数据采集端、云服务器端和手机客户端三部分，各部分之间用Wi-Fi通信。传感器采集到睡眠者的生理信号主要包括心跳、呼吸、体动和呼吸暂停等，生理信号经过A/D转换后在树莓派处理器（RaspberryPi）上做预处理，获得心率、呼吸率、体动次数和呼吸暂停次数，然后将数据打包并发送到服务器端，服务器端再根据睡眠者的生理参数评估其睡眠质量，最终将评估结果反馈到用户的手机端软件显示。1.1数据采集端1.1.1信号采集模块和A/D转换模块通过厂家定制的传感器是一款长条状、易携带的PVDF压电薄膜传感器，睡眠者将传感器放在床

7、单下面靠近心脏的位置，以便能更好的监测到人体的生理信号。信号采集模块的主要任务是用传感器监测人体微弱的振动信号，然后经过传感器上的前端调理电路对其进行放大、滤波处理，得到人体的心跳信号和呼吸信号。A/D转换模块的任务是使用AD7895-3芯片对心跳、呼吸模拟信号进行模数转换，然后将转换后的数字信号传至树莓派上做算法处理。其中AD芯片与树莓派的管脚电路如图2所示。1.1.2数据预处理模块数据预处理模块的功能是在树莓派上使用基于CSI的人体生理信号处理算法计算心率、呼吸率、体动次数和睡眠呼吸暂停次数，然后将处理后的数据打包发送到服务器端进行存储和分析。传感器

8、采集到的是心跳/呼吸的模拟信号，并且信号强度在-2.5V~2.5V的量程范围，当