基于SVM的智能夜灯设计

98传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)2021年第40卷第2期
DOI ： 10.13873/J. 1000-9787(2021)02-0098-04
基于SVM 的智能夜灯设计*
*收稿日期=2019-08-07
*基金项目：陕西省工业科技攻关项目(2016GY-138)；延安市科技计划项目(2019ZCNZ701)；延安大学产学研合作项目(CXY201902)； 2019年陕西省大学生创新创业训练计划项目(S201910719071 )；延安大学重点项目(YDJGZD18-O4 )；延安大学研究生教改项目 (YDYJG2019018)
刘欣宇-杨延宁▽，卜文嘉-刘 珂-吕 杨|
(1.延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000；
2.陕西省能源大数据智能处理省市共建重点实验室，陕西延安716000)
摘 要：利用MSP430G2553作为主控芯片，通过心率传感器和三轴加速度传感器ADXL362进行数据采 集,SMO 算法实现SVM 模型识别出用户的睡眠状态，利用蓝牙通信将识别出的用户睡眠状态发送给夜灯 部分，夜灯处理器MSP430G2553接收数据并结合时钟芯片DS1302的时间数据，控制夜灯的颜色、亮暗以 及辅助音乐播放。

与传统夜灯相比,灯光的颜色能根据用户的睡眠状态发生改变潢昏时采用黄绿色灯光 使人放松、夜间采用红橙色助眠、早晨采用蓝色让人清醒，并增加了自然光唤醒与音乐唤醒相结合的闹钟 模式。

实践表明能有效提高用户的睡眠质量。

关键词：夜灯；ADXL362；支持向量机；MSP430C2553；睡眠状态
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1000-9787(2021 )02-0098-04
Design of intelligent night light based on SVM *
LIU Xinyu1, YANG Vanning 1'2, BU Wenjia 1, LIU Ke 1, LU Yang 1
(1. School of Physics and Electronic Information , Yan ' an University , Yan'an 716000, China ； 2・ Key Laboratory Jointly Built by Shaanxi Province and Cities of Intelligent Processing of
Energy Big Data, Yan'an 716000,China)
Abstract : Using MSP430G2553 as main control chip, through the heart rate sensor and ihree-axis acceleration sensor ADXL362 ,data is collected SMO algorithm is used to realize the SVM model , so as to identify the user ' s state of sleeping,use of Bluetooth communication ,the identified user sleeping slate is sent to night light,night light processor MSP430G2553 receive data and combining with time data of clock chip DS1302 , control color , brightness and auxiliary music playing of night light. Compared with the traditional night light , the color of the light can be changed according to the user's sleeping state. The yellow-green light is used to make people relax at dusk , the red ・OTange light is used to help them sleeping at night , and the blue light is used to wake them up in the morning. The alarm mode combining natural light and music wake up mode is added ・ Practice shows that it can effectively improve the sleeping quality of users.
Keywords : night light ； support vector machine (SVM) ； ADXL362 ； MSP430G2553 ； sleeping state 0引言随着人们的生活水平不断提高，在如今的各种压力下， 睡眠质量不高成为日常生活中较为普遍的问题。

现在很多 人晚上都有开台灯的习惯，灯光会在黑夜中给人带来安全 感,同时也可以解决诸多不便。

为此,很多人在卧室安装了 夜灯。

传统夜灯在使用时对身体有一定的危害，夜晚光线 的照射容易造成睡眠失调，夜间灯光的照射同时会使睡眠 时褪色素的分泌紊乱，尤其是儿童和青年。

动物实验表明， 全天都被灯光照射时，某些种类癌症的发病率会急剧增加。

实验中发现夜间长时间被灯光照射或经常在夜晚苏醒的女
性，乳腺癌的发生率提高⑴。

基于以上问题，本文研究基 于模型识别的助眠夜灯控制系统，设计岀适合大众使用的 助眠夜灯控制设备,来代替传统的夜灯。

对用户的心率和 运动数据进行判断获取用户的睡眠状态⑵，在夜间休息时 可播放角调音乐帮助用户有效缓解疲劳S3,快速进入睡 眠状态，提高用户的睡眠质量。

1硬件设计
系统采用MSP430G2553作为主控芯片，硬件主要分为
第2期刘欣宇，等:基于SVM的智能夜灯设计99
手环模块、夜灯模块、蓝牙模块。

其中手环模块包括心率模
块和运动运动状况传感器的设计。

夜灯模块又细分为主控
制器(micro programmed conlrol unit,MCU)、灯光控制、时钟
和显示模块以及音乐模块的设计。

系统利用
MSP430G2553控制器通过心率传感器和三轴加速度传感
器ADXL362进行数据采集，并在MSP430G2553上通过顺
序最小优化算法(sequential minimum optimization, SMO)实
现51，采用支持向量机(support vector machine,SVM)算法
模型识别出用户是否穿戴手环、是否处于睡眠，并通过蓝
牙将识别的用户状态发送给夜灯部分，夜灯处理器
MSP430G2553接受来自手环的用户状态数据并结合时钟
芯片DS1302的时间数据控制不同颜色灯光亮灭和音乐播
放。

硬件部分包括充放电模块、手环模块和夜灯模块部
分，手环模块和夜灯模块的控制芯片和电源管理都采用相
同的方式,两部分之间通过蓝牙CC2541进行数据通信，硬
件设计原理如图1所示。

；I运动状况1 I
;I心率数据f
'手环模块
I_________
环
分
据
集
手
部
数
采
夜灯模块
蓝牙数据传输
时间数据
夜灯—►
部分
控制器
电源」
显示器I
灯光控制
音乐控制图1硬件设计原理
1.1充放电模块设计
供电部分采用锂电池供电，在夜灯部分采用18650型号的锂电池，而在手环部分采用体积较小的602030锂电池。

充电模块采用锂电池专用充电芯片TP4056。

充放电电路如图2所示，放电时通过线性稳压器1117-3.3使得输出电压维持在3.3V O
VCC BAT
CE
rniu SWBY
TEMP
Q PROG
Z
a
图2电池充放电模块
1.2手环模块设计
手环模块的硬件连线如图3所示，除了电源、蓝牙和控制器外还包括了心率传感器和三轴传感器的设计。

1)心率模块的设计。

采用了光线的反射原理，当一束光照在皮肤时，将会在皮肤表层发生反射与透射⑹。

当心脏收缩时，血管中的血液变多，被血液吸收的光变多，反射光变少;心脏舒张时，血管中的血液变少，将会有更多的光线被反射。

而红色的血液对绿光的吸收率最大，使用绿光将会使得测得的数据更加准确，因此选择光电容积波描述极管Q3控制心率采集模块的工作,D2为发绿光的二极管, Q2接收发射回来的光线并转换为电信号。

通过运放OPA2320两级放大后,将放大的电信号输入单片机进行数据采集与处理。

2)运动状况采集电路设计。

为了得到用户使用时的加速度情况,采用三轴加速度传感器识别出用户的状态，采用低功耗、高分辨率的ADXL362三轴传感器ADXL362,对运动状况进行采集，运动时功耗可低至270nA。

1.3夜灯模块设计
夜灯模块电路图如图5所示,主要包括主控MCU、蓝牙部分、灯光控制部分、时钟、显示和音乐控制等部分。

由于CKE8002功放芯片中不含自举、耦合电容或缓冲网络，该功放芯片适合用在音量较小,重量较轻的低功耗系统设计之中。

因此，采用CKE8002功放芯片将以上解码后的MP3进行功率放大。

屏幕显示选取了OLED液晶显示屏，其为PC接口，便于用户编程使用。

该显示屏没有字
100传感器与微系统第40卷
库，在程序的编写时，需要自己建立相应的字库文件。

2软件设计
2.1手环程序设计
在数据处理中采用SVM算法判断睡眠状态69】。

在睡眠状态的判断中设置了三种睡眠状态，采用一对多的方式首先识别岀清醒状态与睡眠状态，其次再对睡眠状态进行分类，识别出深度睡眠与浅度睡眠。

手环的程序流程图如图6所示,程序中主要有两处判断语句,首先判断用户是否佩戴手环，其次判断夜灯是否能和手坏正常连接［，0>11］o当用户未能正确佩戴手环时或者手环未能收到来自夜灯的指令时,将开启节能模式,节能模式只有当串口接收到来自夜灯的指令时才能退出。

图6手环程序逻辑
2.2夜灯程序逻辑设计
夜灯程序逻辑设计如图7所示,夜灯在处于非夜间的情况下，先给手环发送指令，然后再接收手环的数据。

如果时间为白天或者未能接收到手环的数据，则开启节能模式［⑼。

系统的夜间时间，用户可通过按键自行设定，接收到不同的数据时,夜灯会根据相应的时间做岀不同的处理。

|初拓化|
图7夜灯程序逻辑
3系统调试
1）音乐与灯驱动电路调试。

采用光耦PC817进行了数字电路和模拟电路的隔离，当MCU输出高电平吋光耦导通，MOS管处于导通状态，由于IRF3205的导通电压为4.5V,因此可不用电阻进行分压。

在输出端为了防止光耦不导通时的悬空状态，因此加入一下拉电阻，使得不导通时为低电平。

并且导通后音乐模块得到的电压为Q4的导通电压。

2）OLED显示的调试。

在使用OLED进行显示时，需要用到不同大小、不同分辨率的字。

在写入不同大小的字时需要建立不同的字库，采用不同的写入函数来实现每行的写入。

例如显示分辨率为8x16的符号时,采用一次点亮一行中16个相应的发光OLED,并重复8次点亮，得到相应的字符显示。

3）三轴加速度传感器调试〔⑵o调试三轴加速度时,测了传感器上10组典型数据，将三轴数据相比较可得出，每个相应的轴竖直时,得到的数据为1024；水平放置时，得到的数据为0（负数部分采用了反码格式存储），表明传感器正常工作。

在采集睡眠数据时,利用数据之间的变化情况，进行模型识别，得到相应的睡眠状态数据。

4）心率检测模块调试「⑶。

心率检测模块得到得波形图如图8所示,图中左上波形来自左手食指,右上波形来自右手食指，左下波形来自左手手腕,右下波形来自右手手腕。

图8人体不同部位心率模块测得波形
由波形图可看出每次心跳时，输出信号将会有所变换，得到波形变换的频率就能得到每分钟的脉搏数。

并且左手和右手之间测得的波形存在不同。

在调试心率模块中，采用了AD采样的方式,避免了外接比较器使得手环体积变大。

首先测的未佩戴手环时心率模块得到的AD数值如表1所示。

表1未佩戴手环时心率模块得到的AD值
未检测时心率传感模块随机得到的AD值509511502510501509513512508511 504509505507510508511507506512 507512510513512505513511515514 506500512510506509515514509506 509510503515511509513516508511
而佩戴手环时得数据如表2所示，佩戴手环时，最大测得AD值为533,最小值为490c
表2佩戴手环时心率模块得到的AD值
检测手腕心率时,心率传感模块得到的AD值513496505510524501492522514500 503514495491522514506519508493 533490513487516499495511514494 513504512514518522498509507495 492577531490527515504528501
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第2期刘欣宇，等:基于SVM的智能夜灯设计101
由表1与表2的数据可知测脉搏时波形最大AD值在533左右，因此可以通过定时器测得两个波峰之间的时间差。

为了避免不同人的脉搏得到的AD值不一样,采用了取中间值525作为波形的开始,调试中采用了20ms的定时器，采用t计量两个波形之间的时间(及第一个AD值为525到第三个AD值为525一共经历的20ms的个数)，最后的心率可通过以下等式计算得到,n取计算结果的整数部分
口=_60_^=3000(1) t x20xlO-3t
5)软件调试。

除开硬件的控制外，对于夜灯与手环之间蓝牙的联合调试。

定义蓝牙收发命令后，进行手环与夜灯的联合调试,检查夜灯各部分工作状况。

4结论
设计了一种基于SVM的智能睡眠夜灯。

主要从硬件和软件两个部分进行设计，系统可以实现高准确性控制。

相比传统的夜灯，增加了帮助睡眠的功能。

本文还有一些工作有待研究和改进,主要有几个方面:1)在睡眠状态的检测中，还需加入更多参数，比如声音、呼吸、体温等可以进一步增加睡眠状态检测的准确性，提高系统的可信度，也使系统更加全面。

2)使用该手环检测白天的运动数据,根据睡眠状况和白天的运动情况给出健康指标。

3)设计上位机,形成一个健康管理,这样能实时检测用户的健康水平,建立一个用户完整的健康系统。

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作者简介：
刘欣宇(1995-),男，专业方向为电子信息工程。

杨延宁(1969-),男，通讯作者，博士，教授，研究领域为信号与信息处理。

(上接第97页)
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作者简介：
杜冠峰(1996-),男，硕士研究生，研究方向为隧道照明控制与嵌入式系统,E-mail:dugft)903@。

秦会斌(1961-),男，博士，教授，主要研究领域为新型电子器件及AS1C设计，现代传感器设计及应用。