城市夜间存在大量光污染，再加上电子产品光线对人眼的刺激，导致了人们困倦减轻，睡眠时相后移，睡眠质量下降。尤其是对于学生群体来讲，宿舍每个人作息不一致，用光时间也因此有所不同，无法统一，睡眠障碍普遍存在。而光照治疗已经成为治疗睡眠障碍的一种行之有效的办法，故基于此，本文设计了一种模拟日出光照唤醒的多功能睡眠棚装置。

1 工作原理

1.1 控制部分。MCU（Arduino UNO）通过时钟芯片（DS1302）实现计时功能，手机通过蓝牙模块与MCU进行通讯，完成设置定时光照唤醒功能和时间校准功能，并在定时唤醒前60分钟驱动灯条逐渐变亮，能够模拟天亮的光照强度。MCU通过调节脉冲宽度（占空比）改变LED灯条的工作电流大小从而对PWM波进行控制，以实现对LED灯条亮度的控制。作为智能家居，加入语音识别模块，用户可通过语音控制LED灯条亮灭。内置扬声器电路可播放音乐，营造舒适的入睡环境。

1.2 日出光强模拟部分。我们对日出前光照强度变化进行了测量，选取一间阳光充足的卧室作为测点，日出前60分钟开始测量，进行了多次重复实验，多项式拟合得到一条关于光照强度随时间变化的曲线。以北京某地区2019年4月10日早上日出到7时40分的室内光照数据为例，室内光照测定结果如图2所示。

图1 控制原理图

图2 日出前后光照度测定

曲线拟合结果如下：

利用此函数可对日出后200分钟光照度进行仿真，与实际情况基本相符。

图3 日出前后光照度拟合曲线

在睡眠棚内放置灯条，测试不同PWM波输出对应光照强度，找出映射关系。程序中按照日出光照强度变化函数写入PWM输出与时间关系，同时测量光敏电阻，对系统闭环控制，装置的精确度较高。

2 产品设计及硬件电路设计

本次设计选用的单片机为Arduino UNO，该单片机具有体积小，功能性强，可直接输出PWM波，避免了复杂的外部PWM电路的连接。同时，本设计通过蓝牙模块可实现与手机通讯的功能，具有异步串口通讯功能。选用带纽扣电池的DS1302芯片，其中，RST、DATA、CLK分别与Arduino数字输入输出口相接，组成计时模块，比起用单片机内部时钟计时，具有下电时时钟不停止计时，计时更为准确的特点。

2.1 蓝牙通讯模块。蓝牙串口模块的蓝牙为从机，手机蓝牙为主机。通讯波特率设置为9600bps，收发一致。通过手机设置，蓝牙通讯模块有两种模式：A时间校准模式，B设置定时光唤醒模式。HC-05的RXD与TXD分别与Arduino开发板的TXD与RXD相连。

在A模式下，提示设置格式，用户按指定输入时间后，手机通过蓝牙传输字符给HC-05，通过程序将校准时间读取进来，转化为数字格式，调用相应的时钟函数写入DS1302。在B模式下，提示设置格式，用户按指定格式输入时间后，手机通过蓝牙传输字符给HC-05，通过程序将闹钟时间读取进来，转化为数字格式保存，在程序中判断当前时间是否到达闹钟时间，到达闹钟时间后调用亮灯函数。

2.2 渐亮光源控制模块。渐亮光源采用PWM（脉冲宽度调制）波进行控制，以MCU（Arduino UNO）为主控芯片，通过时钟芯片（DS1302）实现计时，完成定时光照唤醒功能。在定时唤醒前60分钟驱动灯条渐亮，模拟天亮的光照强度，Arduino控制PWM波输出，通过占空比改变LED灯条的工作电压大小，从而实现对LED灯条亮度的控制。作为智能家居，加入语音识别模块，用户可通过语音控制LED灯条亮灭。

Arduino的模拟输入输出端口PWM波输出信号，模拟输出值有8位分辨率。选取模拟输出端口接LED灯条，根据亮度与时间变化关系输出不同的PWM波控制LED灯条的亮度，亮度有8位分辨率。

2.3 整体设计。在产品实际搭建时，为营造黑暗环境，我们在枕头上搭建了透气的纺织面料睡眠棚，棚底部放置LED灯条，避免直射眼睛，利用散射光实现唤醒，光线强度在0-80LUX之间，短波长的光如蓝、绿光对昼夜节律调节更为显著，但考虑到眼睛的舒适度，本设计采用黄色、白色灯条产生的混合光，光感柔和。Arduino模拟管脚输出PWM波控制灯条时频率较高，避免灯光频闪。同时睡眠棚底部内置小功率扬声器，可在保证不影响他人休息情况下播放音乐，营造良好睡眠环境。为保证产品的安全性，本设计采用5V电源供电。

3 结论

本文介绍的模拟日出光照唤醒的多功能睡眠棚装置主要面向存在睡眠障碍的群体，在使用者入睡时提供相对黑暗的环境，并能通过柔和灯光辅助唤醒，旨在改善用户的睡眠质量。此外，本设计的扬声器模块可播放音乐，辅助睡眠。本设计还能采用手机蓝牙通讯，进行语音识别，具有良好的人机交互性。

文章来源：《世界睡眠医学杂志》 网址: http://www.sjsmyxzz.cn/qikandaodu/2021/0718/1662.html