一种智能闹钟自适应控制唤醒方法及睡眠监测系统技术领域
本发明涉及智能家居领域，具体涉及一种智能闹钟自适应控制唤醒方法及睡眠监
测系统。
背景技术
随着人们生活节奏的加快，越来越多城市青年就寝时间晚，不足的睡眠时间导致
次日被“不温柔”的闹钟强制性唤醒，给大多数人带来不愉悦的产品体验。传统的闹钟唤醒
方式笨拙，只能在固定时间通过固定音乐以固定音量唤醒用户，无法带给用户更灵活更舒
适的唤醒体验，尤其是在深睡状态下被闹钟唤醒，闹钟铃声对于用户只是噪声。而且，不同
年龄段的人对声音的敏感度不同，固定的闹钟铃声音量可能对不同年龄的用户有不同的反
应，且唤醒效果也有不同。
另一方面，睡眠是人不可缺少的生命活动，良好的睡眠对人的健康至关重要。睡眠
紊乱以及睡眠疾病等睡眠问题会影响人的工作和生活，且会成为很多疾病的诱因。因此，有
一定必要监测人的睡眠质量。而传统床垫的舒适方便程度主要由使用者的主观评价，无法
给出可评价的睡眠质量参数及结果。现有的睡眠质量监测系统集成度低，且操作复杂。专业
睡眠质量评价仪器需要使用者身体上安装多个电极，并只能在医院或专业实验室由专业人
员操作才能够进行，这使得睡眠质量监测的实现具有较高难度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于一种智能闹钟自适应控制唤醒方法及睡
眠监测系统，闹钟采用智能自适应控制唤醒方法，根据用户当前和历史的睡眠状态以及对
声音的敏感程度，更温柔更舒适地将用户唤醒，改善使用体验。
本发明通过以下技术方案实现：一种智能闹钟自适应控制唤醒方法，通过在预设
时刻根据使用者睡眠状态来控制闹铃的音量，且闹铃的音量会随着使用者睡眠状态变化而
改变，确保使用者，智能闹钟的自适应控制唤醒方法包括如下方法步骤：
1)根据公式(1)获得即时音量参数Vcur：
其中，Tstop为闹钟关闭时刻，Tturn为睡眠状态转变时刻，kcur值为即时睡眠系数，Vmax
为闹钟最大输出音量，σ为唤醒系数变量，σ的初始值为1；设定闹钟启动时刻为Tstart，当即时
时刻Tcur＝Tstart时，利用生理信息监测组件获取即时睡眠状态Scur，通过公式(1)获得即时音
量参数Vcur，当即时时间Tcur＜Tstart时，闹钟处于待机状态；在使用时，使用者通过预先设置
Tstart来制定闹钟启动时刻，并通过增加预设工作时长获得关闭时刻Tstop，利用生理信息监
测组件来获取使用者即时的睡眠状态，并通过代入公式(1)获得闹铃的即时音量Vcur。在初
始状态时，Tturn＝Tstart，也就是闹钟的预设工作时长。
当Scur＝S0时，为清醒状态，kcur＝k0＝-1；当Scur＝S1时，为浅睡状态，kcur＝k1＝0；
当Scur＝S2时，为深睡状态，kcur＝k2＝1；
2)生理信息监测组件持续获取Scur值，并通过数据缓存器以间隔时间h1(单位秒)
存储Vcur以及Scur，并形成前次历史音量值Vh、与Vh对应的前次历史睡眠状态Sh，当Scur≠Sh
时，跳转至步骤3)，当Scur＝Sh时，跳转至步骤7)；
生理信息监测组件会以较短间隔时间对使用者睡眠状态进行监测，并以时间间隔
h1记录数据。数据缓存器用于记录随时可能变化的Vcur和Scur，Vcur由Scur来确定，当Scur≠Sh
时，说明使用者睡眠状态发生变化，当Scur＝Sh时，说明使用者睡眠状态不变。
在工作时，h1＝10S，数据缓存器以间隔10秒记录Vcur以及Scur。
3)通过生理信息监测组件获得睡眠状态转变时刻为Tturn，根据即时睡眠状态与数
据缓存器内前次历史睡眠系数的来获得音量变化曲线：
其中，k为睡眠状态参数，Tturn是指Scur≠Sh时发生的时刻；若Scur＝S0时，则跳转至
步骤5)，若Scur≠S0时，则进行以下操作：
若Scur＝S2，Sh＝S1时，使用者的睡眠状态由浅睡状态转为深睡状态，则k＝k2-k1＝
1-0＝1，代入公式(2)得到音量变化曲线：
若Scur＝S2，Sh＝S0时，使用者的睡眠状态由清醒状态转为深睡状态，则k＝k2-k0＝
1-(-1)＝2，代入公式(2)得到音量变化曲线；
若Scur＝S1，Sh＝S0时，使用者的睡眠状态由清醒状态转为浅睡状态，则k＝k1-k0＝
0-(-1)＝1，代入公式(2)得到音量变化曲线；
若Scur＝S1，Sh＝S2时，使用者的睡眠状态由深睡状态转为浅睡状态，则持续当前音
量值，即Vcur＝Vh，之后，若睡眠状态持续恒定且持续时间大于设定值h2时，则跳转至步骤2)
进行记录并判断睡眠状态变化，否则k＝k2/2，代入公式(2)得到音量变化曲线，并进一步跳
转至步骤4)，h2优选为10S；
4)根据公式(2)获得的音量变化曲线均为音量的增函数，且Vcur≤Vmax，并跳转至步
骤2)；
5)Scur＝S0，此时，使用者处于清醒状态，此时，闹钟完成叫醒目的，需要将闹钟的
音量逐渐减小至静音。
根据数据缓存器内Sh的参数来确定k值，当Sh＝S2时，则k＝k0-k2，代入公式(3)获得
音量变化曲线；若Sh＝S1时，则k＝k0-k1，代入公式(3)获得音量变化曲线，跳转至步骤6)；
6)根据公式(3)获得的音量变化曲线为音量的减函数，Tth为用户设定的唤醒时刻，
通过调整唤醒敏感系数，使用户恰好在Tth时刻被唤醒：
当Tcur≥Tth时，则跳转至步骤2)；
当Tcur＜Tth且Vcur＞0时，根据公式(3)减小音量直至为零，之后关闭闹钟，并将当前
唤醒系数变量值σ及当前实际唤醒时刻t存入数据缓存器，以此形成前次唤醒系数变量值σh
和前次实际唤醒时刻th，带入公式(4)获得即时唤醒系数变量σcur：
其中，N为参考的历史数据量，σcur用于替换公式(1)、(2)、(3)中的σ；
7)若Scur＝Sh＝S0，说明使用者的睡眠状态持续维持在清醒状态，则k＝k0，代入公
式(3)获得音量变化曲线，并跳转至步骤6)；
若Scur＝Sh＝S1或Scur＝Sh＝S2，说明使用者的睡眠状态持续维持在浅睡状态或深
睡状态，若睡眠状态持续不变且时间大于设定值h3，则跳转至步骤2)，否则k＝k2/2，代入公
式(2)获得音量变化曲线，并跳转至步骤4)。在使用时，h3优选为10S。
通过上述方法使得处于睡眠状态的使用者被柔性唤醒，系统会根据使用者睡眠状
态变化来调整闹钟的音量状态及进程，确保使用者在预设的唤醒时刻舒缓地转入清醒状
态。
根据上述自适应控制唤醒方法获得的一种睡眠监测系统，包括生理信息监测组
件，生理信息监测组件包括智能睡眠监测模块和生理信息采集模块，所述生理信息采集模
块采用压电膜类传感带，实现呼吸、体动和心跳的原始压电信号采集；所述智能睡眠监测模
块包括控制器单元、闹钟唤醒模块、用于校准放大原始压电信号的校准放大电路、用于校准
放大电路和闹钟唤醒模块间数据传输的无线通信单元、供电单元以及与控制器单元配合的
数据缓存器，生理信息采集模块采集的原始压电信号经校准放大电路处理后传递至控制器
单元，所述控制器单元控制闹钟唤醒模块实现唤醒功能。
通过生理信息监测组件、控制器单元、闹钟唤醒模块、校准放大电路、无线通信单
元、供电单元以及数据缓存器间密切配合，起到采集自适应控制唤醒方法所需数据以及相
应自适应控制唤醒方法计算结果的作用，控制器单元通过生理信息监测组件获得使用者生
理信息并实施自适应控制唤醒方法计算，闹钟唤醒模块刺激使用者由睡眠状态转入清醒状
态。
所述生理信息采集模块包括设于床垫上的传感带以及与校准放大电路通连的信
号线，传感带设置在床垫首段且与床垫首端边缘间距为L，50cm≤L≤70cm，所述传感带端部
与床垫侧边缘间距离为M，2cm≤M≤6cm其头部距离床侧4cm，所述传感带上覆盖粘胶海绵，
粘胶海绵上开设供信号线外连的穿孔。
所述校准放大电路具有三级放大结构，采用数字电位器调整放大电路的失调和增
益，并通过微控制器单元调节阻值实现放大电路增益可调。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：本发明和床垫结合紧密，通过在床垫内
集成智能采集设备，即压电薄膜类新型材料的传感带，结合高性能嵌入式处理器，判断使用
者在床/离床状态，在使用者在床状态下，连续监测使用者的心跳频率、呼吸频率和体动状
态，把数据实时上传至云端服务器。针对原始压电信号提取特征方法，本发明实现了从信号
中提出心率和呼吸数据的方法，使用数字滤波和小波变换等数字信号处理方法对信号进行
预处理，排除身体移动，肠胃蠕动，电路自身噪声等干扰信号，分别提出呼吸和心率的原始
波形，然后通过一系列处理后得出心率、呼吸率和睡眠状态。本发明提供一种智能闹钟自适
应控制唤醒方法，采用自适应控制理论和学习概念，使其适用于不同年龄的用户，更人性化
地为用户提供唤醒服务。用户既无需专业技能就可获取日常睡眠相关信息，预防潜在健康
问题，不断改进睡眠质量，本发明为轻松构建个人的睡眠健康中心提供了一个良好的解决
方案。
本发明的突出有益效果：通过自适应控制唤醒方法来根据使用者实时睡眠状态控
制闹钟唤醒模块进行柔性唤醒功能，闹钟音量根据使用睡眠状态进行跟踪调整，确保使用
者在预设的唤醒时刻舒缓地转入清醒状态，有效提升使用体验。
附图说明
图1是本发明的系统架构及连接关系示意图；
图2是本发明的数字信号处理程序流程示意图；
图3是本发明的智能闹钟功能流程示意图；
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明的实质性特点作进一步的说明。
如图1所示的一种智能闹钟自适应控制唤醒方法及睡眠监测系统，包括一种智能
闹钟自适应控制唤醒方法以及实施智能闹钟自适应控制唤醒方法的睡眠监测系统。
在实际操作中，睡眠监测系统包括生理信息监测组件，生理信息监测组件包括智
能睡眠监测模块和生理信息采集模块，所述生理信息采集模块采用压电膜类传感带，实现
呼吸、体动和心跳的原始压电信号采集；所述智能睡眠监测模块包括控制器单元、闹钟唤醒
模块、用于校准放大原始压电信号的校准放大电路、用于校准放大电路和闹钟唤醒模块间
数据传输的无线通信单元、供电单元以及与控制器单元配合的数据缓存器，生理信息采集
模块采集的原始压电信号经校准放大电路处理后传递至控制器单元，所述控制器单元控制
闹钟唤醒模块实现唤醒功能。
在实际操作中，自适应控制唤醒方法通过如下步骤实现：
1)根据公式(1)获得即时音量参数Vcur：
其中，Tstop为闹钟关闭时刻，Tturn为睡眠状态转变时刻，kcur值为即时睡眠系数，Vmax
为闹钟最大输出音量，σ为唤醒系数变量，σ的初始值为1；
设定闹钟启动时刻为Tstart，当即时时刻Tcur＝Tstart时，利用生理信息监测组件获
取即时睡眠状态Scur，通过公式(1)获得即时音量参数Vcur，当即时时间Tcur＜Tstart时，闹钟处
于待机状态；
当Scur＝S0时，为清醒状态，kcur＝k0＝-1；当Scur＝S1时，为浅睡状态，kcur＝k1＝0；
当Scur＝S2时，为深睡状态，kcur＝k2＝1；
2)生理信息监测组件持续获取Scur值，并通过数据缓存器以间隔时间h1，存储Vcur
以及Scur，并形成前次历史音量值Vh、与Vh对应的前次历史睡眠状态Sh，当Scur≠Sh时，跳转至
步骤3)，当Scur＝Sh时，跳转至步骤7)；
3)通过生理信息监测组件获得睡眠状态转变时刻为Tturn，根据即时睡眠状态与数
据缓存器内前次历史睡眠系数的来获得音量变化曲线：
其中，k为睡眠状态参数；若Scur＝S0时，则跳转至步骤5)，否则进行以下操作：
假设使用者的睡眠状态发生变化，也就是Scur≠Sh时，存在以下情况：
情况一，若Scur＝S0时，则跳转至步骤5)；
情况二，若Scur＝S2，Sh＝S1时，则k＝k2-k1，代入公式(2)得到音量变化曲线：
情况三，若Scur＝S2，Sh＝S0时，则k＝k2-k0，代入公式(2)得到音量变化曲线；
情况四，若Scur＝S1，Sh＝S0时，则k＝k1-k0，代入公式(2)得到音量变化曲线；
情况五，若Scur＝S1，Sh＝S2时，则持续当前音量值，即Vcur＝Vh，若睡眠状态持续恒
定且持续时间大于设定值h2，则跳转至步骤2)，否则k＝k2/2，代入公式(2)得到音量变化曲
线，并进一步跳转至步骤4)。
4)根据公式(2)获得的音量变化曲线均为音量的增函数，且Vcur≤Vmax，并跳转至步
骤2)；
5)Scur＝S0时，
当Sh＝S2时，则k＝k0-k2，代入公式(3)获得音量变化曲线；
若Sh＝S1时，则k＝k0-k1，代入公式(3)获得音量变化曲线，跳转至步骤6)；
6)根据公式(3)获得的音量变化曲线为音量的减函数，Tth为用户设定的唤醒时刻：
当Tcur≥Tth时，则跳转至步骤2)；
当Tcur＜Tth且Vcur＞0时，根据公式(3)减小音量直至为零，之后关闭闹钟，并将当前
唤醒系数变量值σ及当前实际唤醒时刻t存入数据缓存器，以此形成前次唤醒系数变量值σh
和前次实际唤醒时刻th，带入公式(4)获得即时唤醒系数变量σcur：
其中，N为参考的历史数据量，σcur用于替换公式(1)、(2)、(3)中的σ；获得的σcur可
以在下次唤醒功能启动时使用。
7)若Scur＝Sh＝S0，则k＝k0，代入公式(3)获得音量变化曲线，并跳转至步骤6)；
若Scur＝Sh＝S1或Scur＝Sh＝S2，若睡眠状态持续不变且时间大于设定值h3，则跳转
至步骤2)，否则k＝k2/2，代入公式(2)获得音量变化曲线，并跳转至步骤4)。
通过上述步骤实现自适应控制唤醒方法，优选方案，h1＝10S，h2＝10S，h3＝10S。此
外，h1、h2、h3的时长可以根据实际情况进行调整，也应视为本发明的具体实施例。
在使用睡眠监测系统时，通过以下步骤操作：
首先，安装人体生理信息采集模块，即压电膜类新型材料传感器带。在距离床头
60cm处放置传感带，其头部距离床侧4cm，上下粘胶海绵距离床头68m，床侧7cm处将海绵开
口2cm，用于传感带引线。传感器带的位置应该优选靠近使用者心脏等关键感应部位，使得
感应获得的数据更准确，传感带无需供电，其信号输出端直接与智能睡眠监测模块的校准
放大电路的信号输入端连接。
其次，传感带采集获取的微弱原始压电信号由校正放大电路进行三级放大，为适
用不同体重体型的使用者，采用数字电位器调整放大电路的失调和增益，通过微控制器单
元可编程控制匹配阻值，即放大电路增益可调。
进一步，微控制器单元对校准放大后的信号进行数字信号处理。如图2所示，当信
号达到处理条件时，更新信号缓存，进而判断使用者是否为在床状态，若为不在床状态，则
清空相关变量，结束数字信号处理过程。若使用者为在床状态，则对使用的体动状态进行判
断。若使用者为在动状态，由于无法提取呼吸和心跳速率，则直接输出使用者的体动状态信
息；若使用者为静止状态，则对信号进行数字信号处理，将放大后带有噪声的信号经带通滤
波器输出RPM(每分钟次数的单位，次/分)信号；同时，将该信号进行小波变换得到小波分解
系数，在通过改变分解得到的各层高频系数进行BPM(每分钟跳数的单位，跳/分)信号的小
波重构，从而达到消除噪声的目的。输出的RPM信号和小波重构的BPM信号进行FFT变换，通
过频谱变换分析得出心率和呼吸率的初值，在进行一系列的阈值处理，分段处理，局部极值
点等校正得出心率和呼吸率值并得出睡眠质量指标，进而将获得的结果数据存入睡眠质量
数据缓存区。
再进一步，智能闹钟模块在设定时间内工作，根据实际的睡眠状态由微控制器单
元执行自适应控制唤醒方法控制其实施不同的工作状态。如图3所示，当时间到达闹钟工作
时间后，查询当前睡眠状态，若用于为离床状态，则停止闹钟，否则调用智能闹钟自适应控
制唤醒算法，获得控制策略，直到用户被唤醒。
最终，以上的心率、呼吸率、睡眠状态及闹钟工作状态将通过WiFi无线通信单元传
输至云端服务器。
本发明的校准放大微弱原始压电信号的放大电路图。网络标号相同的电气点表示
两者为连接状态，没有对应相同匹配电气点的表示与其他模块连接，VCC为3.3V电源正极，
GND为电源负极，即地。具体地，传感带接口P1为人体生理信息采集模块提供对接接口，1、2
脚接地，3脚悬空，4、5脚与放大器U2A的6脚连接；U2A与电阻R23、电容C29、C11、C31构成一级
放大电路，其6脚与传感带接口P1的4、5脚连接，5脚经电阻R7后与地连接，7脚经电解电容
C31的阴极后与数字电位器U5的6脚连接，电阻R6、R7和电容C38构成分压电路，为放大器U2A
提供合适的电压；放大器U2B与电阻R24、R4以及电容C37、C36构成第二级放大电路，其2脚与
数字电位器U5的5脚连接，3脚与放大器U2A的5脚连接，1脚经电阻R4、R14、R15的一端后与放
大器U3A的5脚连接；放大器U3A与电阻R14、R15、R16、R18、R19、R29以及电容C13、C14、C15、
C16、C18构成第三级放大电路，其5脚经R15、R14、R4的另一端后与放大器U2B的1脚连接，7脚
经电阻R29后与智能睡眠监测模块的微控制器单元连接，由微控制器单元对放大后的信号
实现A/D转换；数字电位器U5与电阻R21、R22以及电容C21构成外围电路，其6脚与电解电容
C31的阳极连接，5脚与放大器U2B的2脚连接，4脚、5脚与智能睡眠监测模块的微控制器单元
连接，由微控制器单元对数字电位器U5实现I2C协议编程控制输出电阻，阻值等于U5的5脚
与6脚之间输出值，从而避免放大信号失调。
实施例一：
使用者设定闹钟启动时刻Tstart为早上7点25分，闹钟唤醒时刻Tth为7点40分，Tth＝
Tstop，初始设定唤醒敏感系数σ为1，闹钟最大输出音量Vmax为70分贝。当即时时刻Tcur＝Tstart
时，生理信息监测组件开始工作，并及时获取使用者的睡眠状态信息，假设使用者此时处于
浅睡状态，可得即时睡眠系数kcur＝0，在初始状态时，Tturn＝Tstart，也就是闹钟的预设工作
时长，Tstop-Tturn＝15分钟。通过公式(1)获得即时音量参数Vcur：
闹钟以7.78分贝的音量持续工作时长为h1，也就是10S，并通过数据缓存器记录当
前的Vcur和Scur，形成前次历史音量值Vh、与Vh对应的前次历史睡眠状态Sh，也就是Vh＝Vcur＝
7.78，Sh＝Scur＝浅睡状态。
在持续工作时长为h1结束时，生理信息监测组件会再次获取Scur值，并与之前记录
的Sh进行比较，若Scur＝Sh，则说明使用者的睡眠状态在这个10S周期内没有变化，则跳转至
步骤7)；若Scur≠Sh，则说明使用者的睡眠状态发生变化，则跳转至步骤3)。
通过控制器单元对使用者睡眠状态变化进行判断，并选择对应的睡眠状态参数k，
并代入公式(2)，获得变化的即时音量Vcur
假设，当使用者在闹铃以7.78分贝的音量唤醒下30秒后转入清醒状态，符合情况
一的触发条件，根据方法要求转入步骤5)，k＝k0-k1＝-1-0＝-1，在此过程中，Tturn＝7:25:
30，代入公式(3)，可得：
即时音量Vcur会根据公式(3)获得音量变化曲线而逐渐变小至零。
在步骤6)中，当Tcur＜Tth且Vcur＞0时，将当前唤醒系数变量值σ及当前实际唤醒时
刻t存入数据缓存器，以此形成前次唤醒系数变量值σh和前次实际唤醒时刻th，带入公式(4)
获得即时唤醒系数变量σcur：
获得的σcur用于下次唤醒时运算，使得闹钟唤醒模块的唤醒功能更贴合使用者的
实际唤醒要求。
实施例二：
相较于实施例一，在实施例二中设定：使用者在闹钟开启后由浅睡状态转入深睡
状态，也就是Scur＝S2、Sh＝S1，则在符合情况二的触发条件，k＝k2-k1＝1，代入公式(2)得到
音量变化曲线：
随着即时时刻Tcur的变化获得控制闹钟唤醒模块的音量变化曲线，音量会逐渐增
大，以此对使用者产生更大的刺激。
当生理信息监测组件感知使用者处于清醒状态时，则符合Scur＝S0、Sh＝S2的触发
条件，则k＝k0-k2＝-2，代入公式(3)获得音量变化曲线；
Vcur会根据公式(3)获得音量变化曲线而逐渐变小直至为零，闹铃关闭，完成唤醒
工作。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术
人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其
等效物界定。