基于毫米波雷达的睡眠监测仪

项目概述：

  此项目基于毫米波雷达搭建一套完备的睡眠监测系统，将设备放在床垫下即可实时地监测人体睡眠体动、呼吸、心跳等生命体征数据，并将其上传至阿里云服务器的数据库，通过一整晚的数据便可分析出用户的睡眠状况，最后形成报告并推送至APP供用户查阅。

  PS：此项目跟碧桂园养老院合作，目前做出几套样机给那边测试了。人体在离床检测精度达98%，睡眠呼吸率的检测精度达95%，心率精度达91%，在项申请的专利一项。

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• 正面测量场景

  这是正面50cm左右测量的场景，右上角绿色和红色分别是雷达测出来的呼吸率和心率。右中是用血氧脉搏仪同步作心率参考的，脉搏仪左边是血氧，右边是心率。左边最上面是雷达的能量幅值分布图，横坐标是距离。左边第二幅是雷达测出来的位移曲线，橙色是胸腔混合信号，绿色是分离出的呼吸信号，红色是分离出的心跳信号。下面四幅图分别是呼吸和心跳以及对应的信号频谱图。

正面测量呼吸心跳演示视频

• 睡眠场景（雷达在床垫下方压着）

  这个是放在床垫下方测量的睡眠场景。右上方绿色红色也分别是雷达算出来的呼吸率和心率，黑色是用贴片式心电导联测出来的参考呼吸率和心率。左边第一幅图是同步测出来的心电信号，第二幅图是同步测出来的呼吸阻抗信号。左边第三幅图是雷达测出来的位移曲线，橙色是胸腔混合信号，绿色是分离出的呼吸信号，红色是分离出的心跳信号。下面四幅图分别是呼吸和心跳以及对应的信号频谱图。

接触式ECG与非接触式Radar睡眠监测演示视频

• 用户APP

睡眠监测仪APP展示

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本人主要工作内容：

  此项目是在我研究生入学时实验室新开设的项目，我从零开始慢慢摸索，看官方文档怎么驱动它，学习它的原理，接着将呼吸心跳检测的算法移植成C语言，改用更加便宜的STM32单片机驱动它，然后再配合硬件的同学开发驱动自己画的板子，再到后来加入ESP32 wifi模块和服务器端、APP端的同学制定体征数据的传输和设备控制的通讯协议，直到现在一套完备的睡眠监测系统和样机终于落地成型。在这个过程中主要工作内容总结如下：

• 查阅雷达芯片使用手册，移植官方API库，通过STM32的SPI驱动雷达芯片，采集并处理雷达数据。
• 转译Matlab/Python中常用的信号处理算法成c语言，实现单片机端算得呼吸率心率等体征。
• 基于ESP32单片机和FreeRTOS实时操作系统，接收、储存并转发体征数据到服务器（做到不丢包）。
• 负责上位机实时显示波形的Qt程序开发，用Python编写并部署服务器端的睡眠分析算法。
• 通过OTA和IAP技术、Ymodem协议，修改Bootloder程序实现了ESP32和STM32的远程固件升级。

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遇到的难点以及解决方法：

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• 上传到服务器的体征数据丢包问题。

   问题描述：尽管采用可靠的TCP协议上传体征数据，但在实测中发现，在网络不好的情况下，仍会存在数据帧丢失的情况，这对后续的睡眠分析算法造成很大的影响。
  原因追溯：大量实验发现，丢失的数据都是在网络不好socket断开的时候才丢失的，这是因为调用send函数没返回错误码就直接清空了文件系统存储的数据，但是实际上send函数只是把数据copy到TCP的发送缓冲区而已，而由于网络不好socket断开时，这部分数据没来得及发送到服务器那端，从而导致了数据丢包。
  解决方法：服务器端：在数据库设备状态表增加一列最后入表时间戳，以记录每个设备最后一个收到的数据包对应的时间戳。ESP32端：增加一个16KB的回收站缓冲区，以滑动窗口的方式保存send函数“发送成功”的数据；在每次socket断开重连时，都先向服务器申请查询最后入表的时间戳，然后去查找回收站缓冲区，发现存在没有发送成功的数据就重新发送。
  最终效果：对五个设备放在不同网络环境进行50+小时的测试，接收到的数据均没有出现连续时间戳丢失的现象，直到现在也一直没有再出现数据丢包的问题，这个方案完美解决丢包问题！

• 跨平台移植问题

问题描述：
  ESP32也有SPI，若能用ESP32驱动雷达，则不需要STM32了，能节约很大一部分成本。但是，之前官方只给出STM32对应的驱动库，并且对应的驱动库封装成了静态的.a文件，只给出了驱动函数的API接口，不知道具体的SPI通讯协议。这就牵扯到一个跨平台移植的难题。
解决方案：
  ①尝试直接移植，但是加密的静态库中有用到STM32的SPI外设以及对应结构体变量，在ESP32这边编译会直接报错，失败。
  ②采用逻辑分析仪破解其通讯协议。理论上若SPI发送内容是一样的，同样能驱动雷达，采用控制变量的方法即可破解其协议。但是这个方法较为繁琐、死板，若是以后雷达芯片升级，对应的SPI通讯协议改变则需要再破解。
  ③跟官方联系，问他们能不能提供相关支持。涉及到的雷达芯片是国外的公司的，发邮件跟他们说明需求后，没想到他们说最近正准备推出ESP32的固件支持库！终于在今年大概3月份的时候在官网上传了支持ESP32开发的驱动库！不过在我下载库用来驱动雷达时又出现了一个从来没遇到过的问题：能驱动雷达，并且收到雷达返回的数据，但是接收到的雷达信号质量很差！排查了很久都不知道是哪里出现了问题，后来把问题以邮件形式反馈至官方，经过两个星期左右的邮件交流和实验排查，最终确认问题出在我们自己的硬件设计上：之前采用的是DC-DC的电源芯片，其电路电容设计的不够大，导致雷达部分的电路供电很不稳定，从而使SPI的信号误码率很高，表现为收到的数据噪声很大，后来和他们硬件工程师、我们老师沟通后，将原来的供电芯片换成了LDO的芯片，并在电源输入输出引脚端加大了电容，这样设计后就没有问题了，现在是能做到使用SPI驱动雷达了，有望降低三分之一的成本！
后续：
  ESP32的算力和性能不够STM32的好，原来的算法要求雷达的采样率必须在20Hz以上，目前还在优化算法，并且考虑用主频更高的ESP32型号。

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