測(cè)一測(cè)你的睡眠質(zhì)量

謝作如++金孜達(dá)

我們?nèi)绾蔚弥约旱乃哔|(zhì)量？比如夜里翻身幾次，有沒(méi)有夢(mèng)游？或許大家第一個(gè)想到的就是智能手環(huán)。常見(jiàn)的智能手環(huán)的確都帶有睡眠監(jiān)測(cè)功能，但我們對(duì)其監(jiān)測(cè)結(jié)果深表懷疑，因?yàn)槭汁h(huán)畢竟是戴在手上的，未必準(zhǔn)確。而最可靠的監(jiān)測(cè)位置，應(yīng)該在人體的中心，即肚子。于是，我們?cè)囍眉铀俣葌鞲衅髯隽艘粋€(gè)能監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量的小儀器。

● 材料選擇

我們選擇了Microduino。Microduino是Arduino的兼容開(kāi)發(fā)板，體積很小，一塊板子和1元硬幣相近。因其具有電子積木的特點(diǎn)，堆疊方便，不需要焊接連線，做產(chǎn)品原型特別方便。制作這個(gè)作品大致需要如下材料，分別說(shuō)明如表1：

當(dāng)然，SD卡和USB線是不可少的，這里不再贅述。這四個(gè)模塊可以直接堆疊，高度約2CM，如圖1所示。

● 工作原理分析

睡眠監(jiān)測(cè)儀的關(guān)鍵就是負(fù)責(zé)記錄身體的朝向，并將其忠實(shí)地記錄于SD卡上，以便于特制的數(shù)據(jù)分析器分析數(shù)據(jù)。我們先分析一下對(duì)身體朝向的定義。

圖2至圖5的視角是當(dāng)你將其佩戴在腹部時(shí)，從頭部往腹部看的視角。

為了更易觀察，下頁(yè)圖6、圖7的視角發(fā)生了變動(dòng)，請(qǐng)使用原先的相對(duì)視角看待它們。

然而事實(shí)上，幾乎不可能得到如圖2至下頁(yè)圖7那樣的監(jiān)測(cè)值。實(shí)際上往往每次監(jiān)測(cè)都會(huì)得到重力加速度的X、Y、Z方向的分量，且均不為零。對(duì)此，我們采用了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的判斷法：取模最長(zhǎng)的一個(gè)分量對(duì)應(yīng)的方位為此次的方位，如下頁(yè)圖8所示。

此外，我們還可以順便記錄每相鄰2次測(cè)得數(shù)量值的矢量差，這些都是有用的數(shù)據(jù)，可以用來(lái)判斷是否入睡以及估算一段時(shí)間內(nèi)的睡眠質(zhì)量等。

● 算法優(yōu)化

最簡(jiǎn)單的方法是周期性地監(jiān)測(cè)重力加速度，不加任何處理地直接原始地記錄入SD卡，將一切處理任務(wù)全部交付于數(shù)據(jù)分析器。然而，這種方法一個(gè)晚上會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如果每100ms記錄一次，記錄8小時(shí)，則文件大概為5.5M，明顯不是一種好方法。

第一種方法產(chǎn)生的文件之所以大，是因?yàn)榇嬖诖罅康娜哂鄶?shù)據(jù)。例如，一個(gè)人睡覺(jué)時(shí)一般會(huì)在10～15分鐘保持同一朝向幾乎不移動(dòng)，而這段時(shí)間得到的數(shù)據(jù)十分接近，卻都被記錄了。所以應(yīng)該要剔除相似數(shù)據(jù)，即設(shè)定一個(gè)閾值，閾值以內(nèi)的數(shù)據(jù)不記錄。

然而，我們本來(lái)就是為了記錄身體的朝向，所以需要記錄的其實(shí)僅僅是身體朝向改變的事件。因此，數(shù)據(jù)還可以進(jìn)一步優(yōu)化。經(jīng)過(guò)測(cè)試，一個(gè)晚上記錄的文件的大小一般小于3K。

需要注意的是，并不是任何原始數(shù)據(jù)都是可信的，除了無(wú)法預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)噪音，更值得關(guān)注的還有如下兩種情況：①用戶根本沒(méi)有進(jìn)入睡眠狀態(tài)。我們無(wú)法期待用戶在睡著前一瞬間啟動(dòng)產(chǎn)品，因此啟動(dòng)產(chǎn)品的時(shí)機(jī)都是睡著前的一段時(shí)間，而這段時(shí)間用戶的行為被認(rèn)為是相對(duì)活躍的。此時(shí)的數(shù)據(jù)根本不應(yīng)當(dāng)被記入，否則會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的干擾。②用戶已經(jīng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但是身體正在運(yùn)動(dòng)。雖然一般情況測(cè)得的加速度可直接視為重力加速度，然而當(dāng)用戶轉(zhuǎn)身或者有大幅度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，就不能如此輕率地將測(cè)得的加速度用于確定當(dāng)前用戶朝向的數(shù)據(jù)來(lái)源。

第一種情況的解決方法是并不急于記錄數(shù)據(jù)，而是將監(jiān)測(cè)儀分為“監(jiān)視狀態(tài)”和“記錄狀態(tài)”。一開(kāi)始監(jiān)測(cè)儀處于“監(jiān)視狀態(tài)”，該狀態(tài)僅僅將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存而不寫入文件。我們認(rèn)為，若一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)變化不大且朝向主要不為站立時(shí)，則用戶已經(jīng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，隨后切入“記錄狀態(tài)”并新建數(shù)據(jù)文件。在“記錄狀態(tài)”，數(shù)據(jù)不僅被寫入內(nèi)存，還會(huì)經(jīng)過(guò)初步處理寫入文件。我們認(rèn)為，若一段時(shí)間內(nèi)用戶幾乎一直處于站立狀態(tài)，則用戶已經(jīng)離開(kāi)睡眠狀態(tài)，隨后返回“監(jiān)視狀態(tài)”并終止數(shù)據(jù)文件。

第二種情況的解決方法是綜合考慮附近的數(shù)據(jù)。在這種處理方式下，我們可以較輕松地排除個(gè)別的突變數(shù)據(jù)，而不將之錯(cuò)誤地作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。但如果用戶確實(shí)發(fā)生了朝向改變等大動(dòng)作，我們也能夠正確地認(rèn)知到這種變化并將其予以考慮。

● 睡眠指數(shù)的實(shí)現(xiàn)

睡眠好不好，總要弄個(gè)指標(biāo)吧。睡眠質(zhì)量指數(shù)是我們?yōu)榱嗽黾釉O(shè)備的功能而設(shè)計(jì)的一個(gè)參考指數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，在相等的一段時(shí)間內(nèi)，身體活動(dòng)越少，睡眠質(zhì)量肯定越好。我們通過(guò)獲取這段時(shí)間內(nèi)任意相鄰2次測(cè)得加速度的矢量差的模的平方并求和，來(lái)衡量身體如何活動(dòng)。顯然，在相等一段時(shí)間內(nèi)，模的平方和越大，身體的活動(dòng)就越劇烈。

我們每次對(duì)朝向相同的一段連續(xù)時(shí)間計(jì)算睡眠質(zhì)量指數(shù)，考慮到這些時(shí)間不盡相同，還需要將其除以時(shí)間差。這是睡眠質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算公式：

其中表示這段時(shí)間內(nèi)第次測(cè)得的加速度；是這段時(shí)間相對(duì)于啟動(dòng)儀器的開(kāi)始時(shí)刻；是這段時(shí)間相對(duì)于啟動(dòng)儀器的結(jié)束時(shí)刻；是相鄰2次測(cè)量的周期。

由于一共測(cè)量了次，故這段時(shí)間內(nèi)的“平均相鄰加速度差的模的平方”的值為，除以100是數(shù)據(jù)上的需求（防止溢出）。

接著對(duì)計(jì)算得到的值進(jìn)行映射。因?yàn)樵鹊闹涤驗(yàn)?，故?duì)其進(jìn)行一次反正切運(yùn)算并除以圓周率，就可以將其映射到一個(gè)上下有界的區(qū)間。由于一般情況下我們覺(jué)得這個(gè)值越高睡眠質(zhì)量越好，因此將其取負(fù)。為了方便觀察，再加上。最后，乘以2000將其映射到，且此時(shí)睡眠質(zhì)量指數(shù)與睡眠質(zhì)量剛好成正相關(guān)，符合要求。

● 程序編寫

代碼編寫并不是很難，但是只能用Arduino的代碼寫，圖形化工具做不到。因?yàn)槠木壒?，下?yè)表2僅提供“監(jiān)視狀態(tài)”模式的代碼和簡(jiǎn)要解說(shuō)，完整內(nèi)容請(qǐng)?jiān)L問(wèn)文尾二維碼鏈接的博客。

即使是經(jīng)過(guò)初步處理的數(shù)據(jù)，其格式對(duì)一般用戶來(lái)講依然晦澀難懂，且格式不友好。因此，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩粢子谥庇^讀取和理解的內(nèi)容就成為了一項(xiàng)重要的任務(wù)。我們采用VB編寫分析器的源代碼和界面。雖然外表簡(jiǎn)陋，不過(guò)已經(jīng)能將數(shù)據(jù)顯示得足夠直觀。

首先，我們點(diǎn)擊菜單中的文件選項(xiàng)打開(kāi)文件選擇框，選擇一份文件（該文件是一份生成數(shù)據(jù)文件，格式為*.rd，僅供演示）；然后，數(shù)據(jù)將被處理與顯示，分寫界面如下頁(yè)圖9所示。

左上角表示睡眠的時(shí)間，一般情況只需了解最下面的“持續(xù)時(shí)間”即可?！捌鹗紩r(shí)間”是自產(chǎn)品啟動(dòng)到開(kāi)始記錄文件的時(shí)間，“終止時(shí)間”是自產(chǎn)品啟動(dòng)到結(jié)束記錄文件的時(shí)間。

右上角有一個(gè)按時(shí)間升序排列的列表，分別記錄每一次身體轉(zhuǎn)向的時(shí)間，和轉(zhuǎn)向完畢后身體的朝向，以及這個(gè)朝向的這段時(shí)間內(nèi)睡眠質(zhì)量指數(shù)。睡眠質(zhì)量指數(shù)是一個(gè)量化數(shù)值，可以反映你的睡眠質(zhì)量，值在0～999內(nèi)浮動(dòng)，數(shù)值越高，睡眠質(zhì)量越好。

下方是一個(gè)睡眠質(zhì)量指數(shù)圖表，直接完全地顯示了每個(gè)轉(zhuǎn)向的時(shí)刻及此段時(shí)間的睡眠質(zhì)量指數(shù)，可清晰直觀地了解一次睡眠的總體質(zhì)量與變化。

● 作品原型

做一個(gè)作品原型吧，于是我們找了三個(gè)小電池并連接起來(lái)（如圖10），以方便脫機(jī)運(yùn)行。我們還采用3D打印外殼，將芯片與電池放入其中，最后封口?？紤]到要以腰帶的形式固定在肚子上測(cè)試，我們最終拆了一個(gè)毛絨絨的公仔，放在里面。

睡眠質(zhì)量的監(jiān)測(cè)儀器并不復(fù)雜，制作簡(jiǎn)易，探索歷程卻十分有趣。設(shè)計(jì)過(guò)程用到了單片機(jī)、編程和3D打印，體現(xiàn)了科技協(xié)作的力量。但這個(gè)作品還存在很多需要進(jìn)一步考慮的問(wèn)題，如加入一些簡(jiǎn)易有效的濾波算法，以便高效精準(zhǔn)地處理原始數(shù)據(jù)；通過(guò)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)更好地推測(cè)當(dāng)前用戶的睡眠狀況；改進(jìn)數(shù)據(jù)分析軟件，使其更加易懂并具有更良好的交互功能等。

此外，睡眠數(shù)據(jù)的記錄使用了SD卡?？紤]到現(xiàn)今使用的數(shù)據(jù)格式并不會(huì)占用大塊空間，因此還可以改良數(shù)據(jù)的傳輸方式，如使用藍(lán)牙或者WiFi將數(shù)據(jù)直接實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)分析軟件，這些都是下一步要研究的重點(diǎn)。