基于云架构的睡眠监测系统设计与实现.docx

基于云架构的睡眠监测系统设计与实现【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】ThearticleusesPVDFsensorstocollectphysiologicalsignalsandproposesthephysiologicalsignalprocessingalgorithmbasedonCSItogettheheartratetherespirationratethebodymovementandthesleepapnea.ThepaperalsodesignsacloudserverforreceivingstoringandprocessingtheparametersandselectsPNQquestionnairetoevaluatethesleepqualityofthesleepers.Thedesignoftheappisusedtoshowuser’ssleepquality.Systemtestshowsthattheheartrateandtherespirationratewhicharemonitoredbythesystemareconsistentwiththeactualones.Andthesystemshowsexcellentperformancecomparingwiththewearabledevice.【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