摘要

　　当前随着压力增大、睡眠减少等原因，打瞌睡现象屡见不鲜。而很多时候人们需要保持清醒且不会发出声音打扰别人，而目前还没有一款防瞌睡产品能很好地满足人们的需求。本文介绍一种新型的防瞌睡手环。当人意识下降或打瞌睡时心率会降低，手环内检测心率的光电透射测心率系统输出的电信号会改变，使与之相连的单片机控制的开关接通，使半导体制冷片中有电流接通，与皮肤接触的冷端温度快速降低，从而“冰醒”使用者。这种手环具有美观小巧、使用方便、成本低且无噪音等优点，应用前景广阔。

　　关键词：防瞌睡，光电投射，单片机，制冷片

　　一、引言

　　1.1 作品背景及创意来源

　　随着生活节奏的加快和生活压力的增大，现实生活中随处可见因疲惫感而打瞌睡的人群。很多时候打瞌睡不但会引起效率低下，甚至可能导致危险，例如：疲劳驾驶现在已成为导致交通事故的主要原因之一。因此很多的时候人们需要保持清醒，而一些传统的方式如：喝茶、喝咖啡、用冷水敷面等方法的效果越来越满足不了人们的需求，而且这些方式也不能随时随地进行的。因此，一款方便小巧而又便宜的防瞌睡产品能给人们的生活带来很多便利。

　　1.2 国内外研究现状

　　国内外也有一些类似的产品，如：Stopsleep防瞌睡指环和车用精神带等，但都还有很多不足，不能大范围普及，如：Stopsleep防瞌睡指环虽然原理完善，舒适安全，但其价格昂贵，目前，Stopsleep防瞌睡指环定价为189美元(约合人民币1282元)，难以大量普及;而车用精神带需连接车上插座，且原理是靠持续头部降温刺激大脑，使用不方便且不舒适。而且现在市面上的大部分防瞌睡产品都是采用震动或发出提示音的方式提醒使用者，很容易打扰周围的人，因而很多场合下并不适用。并且现有的大部分防瞌睡产品都是针对车用的，而人们需要用的场合远不止开车时。目前还没有一款防瞌睡产品能很好地满足人们的需求。

　　1.3 系统主要组成及功能概述

　　1.3.1光电透射测心率系统

　　研究表明，当人体困倦或者睡觉时心跳会下降。手环与皮肤接触的传感器每隔十秒会发出一束红外光打在皮肤上，红外光透过率的改变可反映手指内血容量的周期性变化。光敏三极管接收到返回的光信号后，将其转化为电信号并放大后传给单片机。

　　1.3.2单片机控制电源

　　通过单片机的控制算法，处理光电传感器的电信号，利用单片机驱动LED数码管的原理，使当传来的电信号和人清醒传来的电信号的相似度下降到一定程度时闭合其控制的开关。[1]使半导体制冷片所在电路接通，制冷片工作。

　　1.3.3 半导体制冷片

　　以半导体制冷片的冷端作为手环的主体，且作为接触皮肤的一面，并在在其外套上一层散热硅胶。当使用者的意识下降或打瞌睡时，半导体制冷片所在电路接通，使半导体制冷片中有电流通过，制冷片靠近皮肤的冷端迅速冷却，从而使使用者清醒。散热硅胶可及时降低热端温度，从而使冷端获得较低温度，起到使使用者清醒的效果。

　　1.3.4 手环结构

　　图 1手环结构图

　　二、核心创意

　　利用光电透射测量法测量心率变化，监测人是否处于瞌睡状态，技术成熟，简单易行。根据半导体制冷片的原理制造骤冷的效果，并用散热硅胶增强冷端的冷却效果，刺激人恢复意识。通过专门设计的单片机在心率变化和骤冷效果间建立联系，确保人只在意识下降或瞌睡的时候制冷，清醒时不制冷，提高佩戴的舒适度。将产品设计成手环结构，美观时尚，佩戴方便。

　　三、技术支持

　　2.1 光电透射测量心率技术

　　2.1.1光电透射测量心率原理

　　血液是一种高度不透明的液体。近红外光在一般组织中的穿透性比在血液中大几十倍 。手腕处血管内部的血液容积随心脏的搏动呈现周期性变化，心脏舒张时血容量减小，红外光透射率较大，心脏收缩时则相反。所以，红外光强的变化可用来反映脉搏的变化。红外发光二极管能够发出稳定的红外光，光敏三极管可以接收透过或反射回的红外光，再将光强信号转化为电信号 。[2]

　　2.1.2光电传感器的组成

　　光电传感器是光电透射系统的核心部件。光电传感器主要由信号拾取系统和信号处理系统两部分构成。信号拾取系统的核心原件是发光二极管和光敏三极管，发光二极管发出光束而光敏三极管接受光信号并将光信号转化为电信号;信号处理系统对电信号进行处理和放大。另外还有电源、光电倍增管等原件。

　　2.2 半导体制冷片制冷技术

　　2.2.1半导体制冷片制冷原理

　　把一块P型半导体材料和一块N型半导体材料联结成热电偶对。当热电偶对中有电流通过时，电偶对两端之间会存在热量转移，热量会从一端转移到另一端，从而产生温差而形成冷热端。但是由于半导体自身有电阻，当电流经过半导体时就会产生热量，从而影响两端之间进行热传递。并且两个极板之间的热量也会通过半导体材料自身和空气进行逆向热传递。当冷热端的温差达到一定值时，这两种热传递的量相等，也就是达到了一个平衡点，正逆向的热传递相互抵消。此时冷热两端的温度就不再发生变化了。如果要使冷端达到更低的温度，可以采取散热等方式降低热端的温度、打破平衡的方式来实现。

　　2.2.1半导体制冷片的组成

　　图 2 半导体制冷片制冷原理图

　　三、预计技术难点

　　制冷片冷端温度过低会损伤皮肤，过高又达不到使使用者清醒的效果，热端虽不接触皮肤，但如果温度过高也会有烫伤的危险，因此要控制冷热端温度在一个合适的范围内，而冷热端温度受到电流强弱、散热快慢等多种因素影响，难以控制，实现时有一定难度。

　　四、创意应用前景

　　该手环具有美观小巧、使用方便、舒适无害、成本低且无噪音等优点。不仅可以防瞌睡，还可以起到装饰美观的作用。能广泛适用于不同人群、不同场合，不管是司机、学生还是需要保持警觉的值班人员、保安都可以用，也不管是室外还是需要保持安静的自习室、会议室都可以使用。另外，其原理简单、成本低的特点也使其拥有广阔的应用前景。

　　五、结束语

　　在生活节奏加快的今天，一款方便实用的手环可以在无声无息中帮助我们时刻保持着清醒，提高我们的生活和工作效率，同时可以保障我们的安全，还可以避免生活中的很多尴尬的情况，如：开会时睡着、上课打瞌睡等。同时还能满足人们对美观的追求，给我们的工作、生活带来很多的方便。

　　但是，本文只是对这种防瞌睡手环做了原理上的设计和猜想，在实际生产、使用中还会有很多的出问题，需要在实践中不断改进、完善。