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睡眠姿勢之分析系統
第十屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽報告

【作者: 黃克穠,吳柏穎,】   2016年12月27日 星期二

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睡眠,是個人重要的生理活動,並且占據了人生的三分之一,然而不穩定的睡眠品質將會影響到健康、集中力、活躍性。睡眠姿勢其實也是人的淺意識,在要進入睡眠時,不斷調整姿勢到最舒適的狀態讓自己入眠,而根據統計,最後的姿勢會呈現不同的性格,而且睡眠姿勢的不同也會直接影響生理健康。目前已有睡眠姿勢分析系統產品在市面上出現,例如:小米手環。但其感測器只有一個,並且在手的部位,而無法完全知道全身的動作。


本設計以盛群半導體開發的HT66F70A做為整體控制核心,搭配功能完善的人機介面,並集合三個三軸加速感測器,依照感測器所獲得的數值自動統計,進而透過人機介面即時顯示睡眠的姿勢。本作品具有「高效能與低價位」的特點,適合居家生活,不管是行動不便的老年人或工作壓力大的年輕人都可以在家裡輕易檢測。


前言

俗話說:一日之際在於晨,比喻凡事最早作計劃,也用以說明早晨時光的可貴,可見前一晚的睡眠極為重要,適當的睡眠姿勢有助於提高良好的睡眠品質,尤其在現今社會的高壓力以及緊湊狀況下,當人一天沒有睡好,逐漸累積下來將導致免疫系統有所下降,到時候病魔會開始入侵疲憊的身軀,讓健康亮起了紅燈。


在睡眠的領域已經發展出完整的診療系統,例如睡眠醫學中心,透過臨床的檢測來判斷睡眠的品質。但因為睡眠醫學中心等候床位時間長、費用高、老人家行動不方便,使得大家都無法即時使用。睡眠姿勢之分析系統,透過五顆三軸加速度器來判斷身體的動作,並且歸類使用者的平常睡姿,會不會有翻轉動作,最後給出建議是否需要改善動作來增加睡眠品質。


本創意設計善加利用HT66F70的豐沛硬體資源及使用彈性,令程式運算搭配不同三軸加速度器,藉此精確地判斷即時的睡覺動作,最後做出睡眠總計時間跟睡眠姿勢的概況,對於老年人、忙碌的上班族、學生,每天都能立即檢測,更不需要花費更多的費用,既有「實用性且低價位」,非常適合推廣至每一個家庭。


工作原理

睡眠姿勢的不同影響著我們的睡眠品質,五顆三軸加速器分別擺放在手、身體、大腿,取得數值之後,透過演算法計算後再透過人機介面顯示其平均的睡眠姿勢。


在演算法方面上,因為有五顆感測器,所以其計算資料會非常龐大,使得HT66F70A能夠完整使用其功能。規劃感測器的擺放位置不同來進行測量,使其在不同的擺放模式下再來綜合所有的模式,完整計算出位置。而且睡眠姿勢也是淺意識表現之一,我們可以透過多次的測試以及多數資料,來判斷我們的意識性格,最後透過介面來顯示個人的睡眠姿勢和個性。本作品採用HT66F70A作為核心MCU,基於其高效能、低功耗的特性,運用在睡眠姿勢分析之系統上,具有市場優勢。HT66F70A在本產品中擔任運算整合之核心、檢測、讀取。運用晶片上的I/O腳位、I^2C硬體電路,由五顆三軸加速度計搭配螢幕來顯示及判斷,透過人機介面顯示所需要的功能以及遊覽各個建議事項來展現出產品實用與方便的功能性。


本產品共分為兩大模組,下列為本產品的模組:


**螢幕模組:人機介面是機器和使用者的溝通橋樑。本設計使用SAG12864E8FXID液晶顯示板做為人機互動介面,並具傻瓜功能及操作方式,即使是長者也可以在極短時間內學會使用本產品。


**三軸加速度模組:將三軸加速器置於胸口、右手、左手、右腳、左腳上,可偵測得現在身體位置之變化,用來判定現在是哪一種睡姿,藉此記錄前一晚的睡眠品質以及睡眠姿勢是否良好。


軟、硬體設計

本作品結構主要就軟、硬體兩大部份分別討論。本部份主要闡明MCU HT66F70A在電路中與各系統的相互關係,與其I/O接腳配置說明,以描述硬體架構。再透過系統流程圖與程式演算法,藉此說明系統的軟體設計概念。


硬體設計

本設計的系統核心使用盛群半導體HT66F70A,它是一顆?置EEPROM增?A/D型 8-Bit FLASH MCU,有符合工業上攝氏-40度~85度工作溫度與抗高雜訊的要求。系統方塊圖包含:電源供應系統、人機介面、胸口三軸加速度計、右手三軸加速度計、左手三軸加速度計、右腳三軸加速度計、左腳三軸加速度計。整個系統的供電由外部電源產生5V。5V供MCU及周邊IC使用。系統架構如圖1所示。


人機介面是機器和使用者的溝通橋樑。本設計使用SAG12864E8FXID液晶顯示板做為人機互動介面,並具簡易功能及操作方式,即使是長者也可以在極短時間內學會使用本產品,圖2為液晶顯示板圖;圖3為腳位對應圖。圖4為三軸加速度計採用GY-521模組去測量X、Y、Z三軸的資料。


圖一 :  系統架構圖
圖一 : 系統架構圖

圖二 :  液晶顯示板
圖二 : 液晶顯示板

圖三 :  腳位對應圖
圖三 : 腳位對應圖

圖四 :  腳上的三軸加速度SENSOR
圖四 : 腳上的三軸加速度SENSOR

軟體系統

本創意設計所開發的軟體有賴於HT66F70A豐富的可程式硬體,如I/O、Timer、I2C,…等等。上電後開始初始化,先讓系統顯示初始狀態,再由人機介面執行傻瓜式動作去詢問使用者是否開始睡眠,緊接著螢幕執行休眠以達到省電的作用,同時系統的演算法開始工作並記錄。接下來等到隔天睡醒後,執行停止的動作並讓演算法開始統計且計算前一天的狀態如何,待計算完後讓螢幕甦醒和顯示前一天的情況跟睡眠時間,並加上提醒用語提醒使用者昨天的睡眠品質以及該如何改善。


開機初始化後立刻進入是否睡眠的選項,本產品提供「仰睡模式、右側睡模式、左側睡模式、趴睡、未定義」等五種不同的判斷模式,再繼續細分八種的睡眠姿勢,使用者在按下執行鍵讓演算法去判斷。首先演法法會先判斷胸口的三軸加速度計(目的是為了先判斷目前是哪四大基本睡姿),接下來進入到第二層的判斷,第二層演算法會將手與腳的三軸加速度計一起計算,並判斷出目前是哪種睡姿,判斷完後進入計數器算時間,藉以得知維持目前的姿勢有多長的時間;圖5為姿勢判斷圖。



圖五 : 程式流程(1)-姿勢判斷
圖五 : 程式流程(1)-姿勢判斷

當時間開始計數後,演算法依然讀取三軸加速度計的數值,並且計算當下的運動程度是不是達到演算法所設定的邊界值,沒有表示判斷目前姿勢維持不動,並繼續計數;有就表示當下身體的動作已達到我們所認為「換姿勢」的動作。


換姿勢的當下開始記錄時間以便換算距離,並判斷三軸的動作是否趨近不動,「否」就繼續執行記錄的工作;若「是」就當作「換姿勢」的動作已經結束,並將剛剛所記錄的資料交由演算法計算得出來的結果與資料庫進行比對姿勢的動作,判斷目前的狀態與演算法算出來的是不是一樣?如果不是就當成未定義;是就回到計數器去繼續數當下的睡姿時間;圖6為演算法圖。


圖六 : 程式流程圖(2)-演算法
圖六 : 程式流程圖(2)-演算法

測試方法

本次創意設計為簡易的分析系統,可以簡單的讓大部分的使用者來使用。在測試部分,分成三個部分。第一部分為三軸加速度器位於左側,第二部分是三軸加速度器位於正面,第三部分是最後分析睡眠總時數以及姿勢狀態。本次測試為,將三顆三軸加速度器放在手中放,並放於左手邊,HT66F70A會收到數值經演算法過後再回傳到螢幕上,圖7為三軸加速度器放置於左側以及螢幕的顯示。



圖七 : 為三軸加速度器放置於左側以及螢幕的顯示。
圖七 : 為三軸加速度器放置於左側以及螢幕的顯示。

將三顆三軸加速度器放在手中放,並放於面對天花板,HT66F70A會收到數值經演算法過後再回傳到螢幕上,圖八為三軸加速度器放置於面對天花板以及螢幕的顯示。



圖八 : 為三軸加速度器放置於面對天花板以及螢幕的顯示
圖八 : 為三軸加速度器放置於面對天花板以及螢幕的顯示

分析睡眠總時數以及姿勢狀態

本次測試將綜合前面兩項測試,並且讓測試者已經完整睡眠後開啟分析系統,等待測試者醒來後,能夠清楚知道他總共睡了多久,還有睡眠的姿勢,並且可能因為翻動把比率算出來。圖九為睡眠總時數以及動作分析。經由一系列的測試與實驗結果,各項功能皆可以完美呈現出來。



圖九 : 為睡眠總時數以及動作分析。
圖九 : 為睡眠總時數以及動作分析。

操作模式分別為下列的七種:



圖十
圖十

模式0:歡迎畫面,顯示模式一到六之功能簡述。


模式1: 此模式顯示當前胸口、手部(左右) 、腳部(左右)五顆三軸值的數值,以便使用者或工程師方便校正及觀測。


模式2:此模式提供四大睡姿之優缺點分析。


模式3: 此模式提供系統啟動時間和目前的姿勢,以便使用者觀看及校正。


模式4: 此模式為主要模式,當使用此模式會將背景光關掉並同時在背景繼續作運算功能。


模式5:依據模式4的運算,來統計並顯示總睡眠時間、採用最多的姿勢、時間以及此姿勢佔所有睡眠時間之百分比。


模式6: 依據模式4的運算,統計出第一到第十一名的姿勢睡眠時間並加以排列。


結論與討論

經由一系列的測試與實驗結果,一套以「低成本」與「實用性高」為特點的睡眠姿勢之分析系統已成功被開發的完整產品。透過HT66F70A的豐沛硬體資源及使用五顆三軸加速度器透過MCU的計算後在螢幕顯示。


整個產品考慮到了整個睡眠姿勢分析時該有的所有功能,並加以整合,完善的將便利性結合而成一個居家用型的睡眠分析系統。綜合以上測試可知本作品對傳統睡眠醫學中心起了革命性的改變,系統整合所產生的附加價值改變了傳統睡眠醫學中心的使用思維,為兼具市場競爭力與經濟價值的新產品。


(作者黃克穠為義守大學電子工程學系副教授,吳柏穎為義守大學電子工程學系學生)


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