智能家居就寝模式的手环设计

时间：2024-05-04

朱正坤,丁旭,2,陈佐坤,2

(1.江西环境工程职业学院,江西赣州 341000;2.赣南师范大学,江西赣州 341000)

0 引言

智能家居作为物联网技术的主要应用之一,已经逐渐进入人们的生活。然而,智能家居在实际应用中,存在学习难、操作复杂、不同设备难以实现场景联动等问题。本文分析了场景实现中物联网的感知层、网络层、应用层,设计了智能手环的硬件、软件及外观。本文通过研究智能手环与智能家居设备的联动,为智能家居就寝模式提供一种自动化便捷性的解决方案,给用户带来更舒适的睡眠环境和更智能的就寝体验。

1 物联网及智能家居技术简述

物联网技术是将传感器、设备和网络连接起来,实现互联互通的技术体系。通过物联网技术,可以实现智能化的监测、控制和互动。通过数据采集、传输和分析,物联网可以提高便利性和安全性。物联网的发展推动了智能化的进程,改变了人们的生活、工作和生产方式[1]。智能家居是指通过将传统的家居设备与互联网、物联网技术相结合,实现远程控制、自动化操作和智能化管理的家居系统。智能家居技术是支撑智能家居系统运行的关键技术,包括传感器技术、数据通信技术、人工智能技术等。通过智能家居技术,可以实现智能设备之间的互联互通,实现自动化和智能化的场景控制和智能服务[2]。

2 智能手环设计

2.1 硬件设计

本设计中硬件部分主要由传感器模块、处理器模块、接收器模块和显示模块组成。智能手环的总体框架,如图1所示。传感器模块可以监测用户的心率信息,将其采集并转换为电信号;处理器模块负责处理和记录接收到的电信号;接收器模块根据用户的操作选择相应的数据连接传输方式,以实现数据连接和传输;显示器模块显示接收到的指令信息。

图1 智能手环的总体框架

2.1.1 传感器模块

本设计中传感器模块采用光电容积心率监测传感器。它通过光线的反射和吸收来测量血液的流动情况,从而准确地监测用户的心率。与其他传感器技术相比,光电容积心率监测传感器更加舒适、便捷,用户无需佩戴心率带,可以减轻不适感。同时,该传感器模块有较高的准确性和稳定性,可以提供持续、精确的心率监测数据,满足用户对健康管理的需求。

2.1.2 处理器模块

本设计中处理器模块采用了STM32系列主控芯片。STM32系列单片机具有强大的计算和处理能力,可支持复杂的算法和功能实现,其低功耗特性可以延长手环的续航时间。同时,STM32系列芯片拥有丰富的外设接口和通信能力,可方便地与其他模块进行数据交互和连接。该处理器具备丰富的开发工具和生态系统,为手环软件的开发和维护提供了便利。

2.1.3 接收器模块

为了提供多种无线连接方式,实现更广泛的数据传输和远程控制,该手环的接收器模块采用了ESIM、Wi-Fi和ZigBee的数据传输模块。ESIM模块可以实现蜂窝网络连接,随时随地获取联网服务;Wi-Fi模块适用于家庭、办公环境下的高速数据传输;而ZigBee模块则适用于智能家居场景,实现与周边设备的互联互通。综合使用这3种传输模块,可以让手环具有更高的灵活性和可扩展性,满足用户各种联网需求。

2.2 软件设计

手环程序运行流程,如图2所示。设备启动时,软件会对传感器和通信进行初始化处理。光电容积心率传感器监测到人体的心率信号,通过A/D数据转换得到数字信号。同时,该单片机将监测到的心率数值存储在手环中,以便后期查看。同时,单片机会在手环上反馈所监测到的心率数值[3]。

图2 手环程序运行流程

在家中,智能手环可以连接到智能家居系统,并通过手环内置的智能家居应用程序控制各种智能产品的开关和调节。当用户进入睡眠状态时,心率下降且趋于稳定,每分钟的心率从白天的60～100下降至睡眠时的45～70下。通过对用户的心率监测,可以确定用户的状态[4]。当确认用户已进入睡眠状态时,系统将自动关闭指定的智能化产品。

2.3 外观设计

为提高产品的防水性和使用寿命,手环采用了简约的一体化设计。在舒适性上,手环选择了轻便、舒适、耐用的材料。机身采用经过特殊处理的金属框架,既能防划痕,又能增加美感。表带选用皮革、环保硅胶等材质,以确保舒适性和安全性。

手环主体依据人体工学设计,并进行了弧度化处理。主体机身和表带形成一个椭圆形,尽可能地贴合手腕,不施加过度压力,避免不适。这种设计可以提高佩戴的舒适度,方便用户长时间佩戴并享受健康功能带来的便利。除此之外,这种形状和弧度化处理还能增加产品的美观度,提升整体用户体验。本设计将追求舒适度、美观度和实用性的综合平衡,在满足用户需求的同时延长产品的使用寿命。

3 智能家居就寝场景设计

3.1 感知层-手环传感器

智能家居的就寝场景需要手环传感器作为重要的感知层元素。手环传感器通过监测睡眠时间、分析睡眠质量和记录运动数据等功能,为用户带来个性化的睡眠体验,提高用户的生活品质。用户可以通过手环传感器的数据详细了解自己的睡眠情况,找到更科学的睡眠时间和姿势。同时,手环传感器还可以监测用户的健康指标,如心率、血压等,及时发现潜在的身体问题,帮助用户更好地维护健康。此外,手环传感器还支持不同的睡眠模式,用户可以根据个人需求选择轻度睡眠、深度睡眠和梦境睡眠等模式,获得个性化的睡眠服务。总之,手环传感器在智能家居的就寝场景中起着关键作用,通过提供优质的睡眠体验和个性化的睡眠服务,提高了用户的生活品质。

3.2 网络层-智能家居连接协议

在本实现案例中,采用ZigBee协议作为智能家居设备之间的连接协议。ZigBee是一种低功耗、低速率、短距离的无线通信协议,能够在1～100 m范围内传输数据。它具有超低功耗、网络范围广泛、传输距离近、高可靠性等特点。由于ZigBee协议能够在低速率、低功耗和短距离的情况下进行数据传输,因此非常适合用于智能家居设备之间的通信。使用ZigBee协议使智能手环与智能家居设备建立连接,实现智能手环触发智能家居就寝场景的功能。智能家居连接协议,如图3所示。

图3 智能家居连接协议

3.3 应用层-智能家居平台设计

智能家居平台是实现智能家居场景自动化控制的核心组件。它需要支持物联网的感知层、网络层和应用层。感知层包括智能家居设备,如智能插座、开关和灯泡;网络层包括路由器、网关和云服务器,用于设备和应用层的数据通信;应用层包括智能手环和手机,用于触发和设置智能家居设备的操作。技术架构采用分布式系统、消息队列和分布式数据存储,能够处理大量的设备数据和场景触发事件。平台具备数据处理和分析能力,可实时分析数据并执行操作规则。同时,支持场景触发,根据用户需求设置触发条件和操作规则。系统管理功能完善,支持设备注册、接入和管理,并提供可视化界面方便用户操作。

4 应用程序App设计及场景实现

智能手环的手机App界面主要包括以下内容:智能家居App首页界面、设备界面和智能手环界面等。智能手环应用程序设计,如图4所示。

图4 智能手环应用程序设计

首页界面展示智能商店与设备区的相关内容,包含监控、房间、手环及模式选择等。设备界面主要有其他智能家居设备的控制情况显示,如台灯、智能床、空调、窗帘等。智能手环界面不仅需包含智能手环的基本信息,方便用户直观地了解手环的状态;还需包含健康数据监测页面,以呈现用户的健康数据,如运动记录、心率、血压等,用户可以设置目标值并进行实时监测。运动记录页面记录运动情况,用户可以查看每一次的运动记录。睡眠监测页面展示用户的睡眠数据,如入睡时间、醒来时间、睡眠质量、深睡时长等,可以帮助用户了解自己的睡眠情况。手环还允许用户进行个性化设置,如闹钟设置、提醒设置、目标设定等。