第一章 系统方案规划

本系统以 “睡眠监测、智能干预、健康反馈” 为核心目标，采用模块化设计实现睡眠过程中的生理参数采集、睡眠状态分析与舒适调节，核心控制单元选用 STM32L431RCT6 单片机（具备低功耗特性与多传感器数据处理能力，满足夜间长时间监测需求）。系统整体划分为四大功能模块：生理参数采集模块、睡眠状态分析模块、智能调节模块、人机交互模块。
生理参数采集模块通过压力传感器（FSR402）监测呼吸频率、心率，搭配温度传感器（DS18B20）采集头部接触温度；睡眠状态分析模块由单片机承担，根据采集数据判断浅睡、深睡、REM 睡眠阶段及是否打鼾；智能调节模块通过微型步进电机控制枕头高度（5-15cm 可调）、加热片调节接触温度（25-32℃），改善睡眠舒适度；人机交互模块通过 OLED 显示屏显示睡眠时长、质量评分，搭配蓝牙模块实现手机 APP 数据查看与参数预设。系统供电采用 5V 锂电池（可充电，续航≥8 小时），经 LDO 稳压模块为各模块供电，适配家庭卧室场景，兼顾监测精度与使用舒适性。

第二章 系统硬件设计

硬件设计遵循 “低功耗、高舒适性” 原则，核心电路包括单片机最小系统、生理参数采集电路、智能调节电路、人机交互电路。单片机最小系统以 STM32L431RCT6 为核心，搭配 16MHz 外部晶振与复位电路，通过 0.1μF 陶瓷电容与 10μF 钽电容组成滤波网络，减少电源波动干扰，保证夜间低功耗稳定运行（待机电流 < 10μA）。
生理参数采集电路是核心，3 组 FSR402 压力传感器（接 PA0-PA2）嵌入式安装于枕头内部（头部接触区域），通过压力变化频率计算呼吸（10-20 次 / 分钟）、心率（60-100 次 / 分钟）；DS18B20 温度传感器（接 PA3）贴附于枕头表面，实时采集接触温度，精度 ±0.5℃；电路中加入信号放大模块（LM358），提升微弱压力信号检测精度。智能调节电路中，2 个微型步进电机（经 ULN2003 驱动芯片接 PB0-PB3）分别控制枕头高度调节杆、角度调节轴，实现高度与倾斜度联动调节；5V 加热片（经 MOS 管 IRF540 接 PB4）通过 PWM 信号调节加热功率，避免温度过高；电路中串联 1A 自恢复保险丝，防止过载损坏。人机交互电路中，1.54 英寸 OLED 显示屏（I2C 接口接 PC0-PC1）显示 “睡眠阶段：浅睡 心率：72 次 / 分 温度：28℃”，蓝牙模块（HC-05，USART 接口接 PC2-PC3）实现与手机 APP 的数据交互，支持查看睡眠报告与预设参数。

第三章 系统软件设计

软件设计采用 “数据建模 + 状态判断” 思想，以 C 语言为开发语言，在 Keil MDK 环境基于 STM32 HAL 库开发，核心程序包括主程序、参数采集程序、睡眠分析程序、智能调节程序、交互程序。
主程序采用状态机设计，初始化单片机外设（GPIO、ADC、TIM）、传感器与通信模块后，进入 “参数采集 - 状态分析 - 调节控制 - 数据更新” 循环流程，夜间监测周期设为 100ms，确保数据实时性。参数采集程序每 500ms 读取压力传感器数据，通过峰值检测算法提取呼吸、心率特征值；温度数据每 1 秒更新一次，与预设范围对比。睡眠分析程序预设多维度判断逻辑：心率变异性 < 5%、呼吸平缓为深睡，心率波动 5%-10%、呼吸规律为浅睡，心率波动 > 10%、伴随不规则压力信号为 REM 睡眠；持续高频压力波动（>3 次 / 秒）判定为打鼾。智能调节程序在打鼾时，控制电机升高枕头高度 2cm、加热片维持 28℃；温度低于 25℃时启动加热，高于 32℃时停止；交互程序将每日睡眠时长、各阶段占比、质量评分（0-100 分）存储至 Flash，通过蓝牙同步至手机 APP，支持周 / 月睡眠趋势分析。

第四章 系统测试与优化

系统测试分为功能测试、精度测试与舒适性测试，测试环境为家庭卧室（温度 20-26℃、湿度 40%-60%），测试工具包括标准心率监测仪（精度 ±1 次 / 分）、呼吸频率计数器、人体舒适度评分表。
功能测试中，监测呼吸频率误差 <±1 次 / 分钟，心率误差 <±2 次 / 分钟，睡眠阶段判断准确率≥85%；打鼾时枕头高度调节响应时间 < 1 秒，温度调节误差 <±0.5℃。精度测试中，对比医用睡眠监测仪数据，睡眠时长误差 < 5 分钟，深睡阶段识别偏差 < 10%，满足家用监测需求。舒适性测试邀请 20 名受试者使用 1 周，85% 反馈高度与温度调节有效改善睡眠舒适度，无明显异物感。性能优化针对测试问题展开：针对压力传感器信号漂移，加入每日零点校准程序，监测精度提升 15%；针对夜间低功耗需求，采用传感器间歇唤醒机制（采集 1 秒 / 休眠 5 秒），续航延长至 10 小时；针对 APP 数据延迟，优化蓝牙通信协议，数据同步延迟 < 2 秒。优化后系统各项指标满足家用睡眠监测需求，可投入实际应用。

结语

基于单片机的智能睡眠枕系统，通过嵌入式传感器与智能调节机制，实现了睡眠过程的无创监测与舒适优化，测试验证了系统的可靠性、精度与舒适性。该系统成本低、易集成，可作为家庭睡眠健康管理的辅助设备。但系统仍存在不足：无法监测血氧饱和度；调节模式单一。后续可加入血氧传感器（MAX30102），完善生理参数监测；引入 AI 算法学习用户睡眠习惯，自动生成个性化调节方案，进一步提升系统的智能化与健康管理能力。





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