本發(fā)明屬于鬧鐘系統(tǒng)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種有效喚醒用戶的智能鬧鐘系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著社會的不斷進(jìn)步，人們對于生活質(zhì)量和工作效率的要求日益提高，早晨準(zhǔn)時醒來成為許多人日常生活中至關(guān)重要的一環(huán)。然而，傳統(tǒng)的鬧鐘設(shè)計在喚醒用戶時往往存在一些固有的問題，尤其是它們通常只提供一個簡單的關(guān)閉按鈕。當(dāng)鬧鐘響鈴時，用戶可能仍處于半夢半醒的狀態(tài)，這時誤操作關(guān)閉鬧鐘的風(fēng)險極大，從而導(dǎo)致用戶未能真正醒來，失去了鬧鐘最基本的功能。這種情況下，用戶可能會錯過重要的學(xué)習(xí)、工作或生活安排，對日常生活造成不利影響。

2、盡管已經(jīng)有一些改進(jìn)方案試圖解決這一問題，但各自都存在不足。例如，一種改進(jìn)方法是根據(jù)壓力變化來判斷用戶是否清醒，進(jìn)而決定是否允許關(guān)閉鬧鐘。該方案通常通過將壓力感應(yīng)單元安裝在地毯、枕頭或體重秤等生活用品中，用戶只有在施加適當(dāng)?shù)膲毫ψ兓瘯r，才能觸發(fā)關(guān)閉鬧鐘的操作。這種設(shè)計旨在防止用戶在半夢半醒的狀態(tài)下輕易關(guān)閉鬧鐘。然而，這種方案在實際應(yīng)用中容易發(fā)生誤判。不同用戶的體重和壓力分布存在顯著差異，難以制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。此外，這種技術(shù)要求高精度的傳感器和復(fù)雜的算法，以確保檢測的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的可靠性。然而，這不僅增加了系統(tǒng)的成本，還復(fù)雜了設(shè)計，降低了產(chǎn)品的實用性和市場可行性。

3、另外，還有一種方案是通過監(jiān)測用戶的生理信號，如脈搏、心率及體感動作等，來判斷用戶是否清醒并決定是否關(guān)閉鬧鐘。此類技術(shù)通常包括脈搏變化檢測、人臉識別、體感動作分析以及影像識別等多種手段，通過綜合分析用戶的生理狀態(tài)來判斷其清醒程度。盡管這一方案能夠在一定程度上避免用戶誤關(guān)鬧鐘的問題，但它并不能總是準(zhǔn)確地反映用戶的清醒狀態(tài)。不同用戶的生理特征和行為模式差異較大，這使得統(tǒng)一的指標(biāo)難以適用于所有用戶。此外，這類方案通常需要部署復(fù)雜且高成本的傳感器和算法，使得系統(tǒng)的技術(shù)難度和開發(fā)成本顯著增加，限制了其廣泛應(yīng)用的可能性。

4、還有一種方案是通過強(qiáng)制用戶參與思維活動來實現(xiàn)清醒，例如答題、寫單詞或通過語音識別進(jìn)行跟讀。這一技術(shù)方案要求用戶在鬧鐘響起后進(jìn)行一定的認(rèn)知活動，只有在用戶回答正確后，鬧鐘才會停止。這種方式雖然能夠有效喚醒用戶，但存在明顯的局限性。對于許多用戶而言，早晨剛剛醒來時大腦尚未完全清醒，思維反應(yīng)較慢，強(qiáng)制要求他們立即參與復(fù)雜的思維活動可能會導(dǎo)致用戶感到壓力和不滿，進(jìn)而影響整體的用戶體驗。此外，由于用戶的年齡、教育背景和個人興趣的不同，這種技術(shù)的適用范圍相對較窄，無法普遍推廣。

5、最后，還有一種通過多次重復(fù)鬧鐘提醒來喚醒用戶的方案。該技術(shù)方法利用鬧鐘的重復(fù)響鈴功能，設(shè)置在第一次響鈴后經(jīng)過一定時間再次響鈴，以此循環(huán)提醒用戶直至完全清醒。類似的還有一種帶有振動功能的枕頭，可以在設(shè)定時間內(nèi)通過振動不斷提醒用戶。然而，這種重復(fù)提醒的方法在實際應(yīng)用中同樣存在問題。長時間的重復(fù)響鈴容易引發(fā)用戶的厭煩情緒，且喚醒效果并不理想。尤其是當(dāng)用戶與他人共享居住空間時，過多的鬧鐘響鈴會對他人的睡眠和日常生活造成干擾，甚至可能引發(fā)不必要的矛盾和沖突。

6、有鑒于此特提出本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種有效喚醒用戶的智能鬧鐘系統(tǒng)，解決了上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用技術(shù)方案的基本構(gòu)思是：

3、一種有效喚醒用戶的智能鬧鐘系統(tǒng)，包括：主機(jī)和從機(jī)；

4、主機(jī)包括第一單片機(jī)、第一無線通信模塊、顯示屏、報警單元以及第一按鍵；

5、所述第一單片機(jī)通過程序控制管理主機(jī)的各個模塊，第一按鍵用于接收用戶的輸入操作，顯示屏用于顯示時間和鬧鐘狀態(tài)信息，報警單元用于在設(shè)定時間到達(dá)時發(fā)出聲音或振動提示，第一無線通信模塊用于與從機(jī)進(jìn)行無線通信；

6、從機(jī)包括第二單片機(jī)、第二無線通信模塊以及第二按鍵；所述第二單片機(jī)通過程序控制從機(jī)的各個模塊，其中，第二按鍵用于接收用戶在臥室以外區(qū)域的輸入操作，第二無線通信模塊用于接收和發(fā)送與主機(jī)的通信信號。

7、可選的，當(dāng)鬧鐘設(shè)定時間到達(dá)時執(zhí)行以下步驟：

8、主機(jī)會通過報警單元發(fā)出提示音，用戶在按下主機(jī)的第一按鍵后，鬧鐘系統(tǒng)將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，此時鬧鐘并不會立即關(guān)閉，而是要求用戶前往從機(jī)所在的不同房間區(qū)域，按下從機(jī)的第二按鍵以確認(rèn)清醒狀態(tài)；

9、從機(jī)通過無線通信模塊確保主機(jī)和從機(jī)之間的有效通信，當(dāng)主機(jī)接收到第二按鍵的按壓信號后，主機(jī)的單片機(jī)才會執(zhí)行關(guān)閉報警單元的操作，否則報警單元繼續(xù)發(fā)出提示音。

10、可選的，第一單片機(jī)和第二單片機(jī)為stm32f103c8t6型號，能夠通過編程實現(xiàn)多任務(wù)處理和數(shù)據(jù)同步，所述第一無線通信模塊和第二無線通信模塊均為hc05藍(lán)牙模塊，支持10米范圍內(nèi)的穩(wěn)定通信，使得用戶在室內(nèi)不同區(qū)域的操作都能準(zhǔn)確傳遞至主機(jī)。

11、可選的，主機(jī)的顯示屏為lcd顯示屏，lcd顯示屏顯示的數(shù)據(jù)包括時間顯示、鬧鐘狀態(tài)顯示以及用戶操作提示；

12、用戶能通過顯示屏根據(jù)個人需求設(shè)定多個不同時間的鬧鐘，并為每個鬧鐘配置不同的鈴聲和提示方式。

13、可選的，第一單片機(jī)能夠控制顯示屏根據(jù)用戶的日常作息自動調(diào)整亮度，其調(diào)整的步驟為：

14、采集用戶的日常作息數(shù)據(jù)并將獲取的數(shù)據(jù)合并為一個時間序列數(shù)據(jù)集t(t)，其中，t代表一天中的具體時刻；

15、在生成數(shù)據(jù)集后通過公式b0＝α×lday+β×lnight計算初始化顯示屏亮度b0，其中，lday和lnignt分別表示白天和夜間的環(huán)境光強(qiáng)度，α和β為對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，初始情況下可取α＝0·7，β＝0.3；

16、第一單片機(jī)能夠控制顯示屏根據(jù)用戶的日化，定義顯示屏亮度調(diào)整函數(shù)b(t)，其表達(dá)式為：其中，a(t)代表在時間t的環(huán)境光強(qiáng)度，aavg為日常環(huán)境光強(qiáng)度的平均值，σa為光強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差，γ為平衡系數(shù)，用于調(diào)節(jié)光強(qiáng)度的影響程度；δ為正弦調(diào)節(jié)系數(shù)，表示一天內(nèi)亮度的周期性變化；∈和η分別為高斯分布的幅度和寬度系數(shù)，控制亮度變化的陡峭程度，twake為用戶的起床時間；

17、第一單片機(jī)根據(jù)上述亮度調(diào)整函數(shù)b(t)實時調(diào)整顯示屏的亮度時，首先，計算當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)度與日常平均值的差值，并通過光強(qiáng)度平衡系數(shù)γ調(diào)整初始亮度b0的基礎(chǔ)值；

18、持續(xù)監(jiān)控用戶的反饋和使用情況，將用戶對亮度的手動調(diào)整記錄為數(shù)據(jù)集d(t)，通過以下公式更新各個參數(shù)：其中，λ為學(xué)習(xí)率，e為用戶手動調(diào)整亮度與系統(tǒng)設(shè)定亮度之間的誤差函數(shù)，使用梯度下降法逐步優(yōu)化參數(shù)α、β、δ，以實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)的自適應(yīng)優(yōu)化。

19、可選的，本技術(shù)鬧鐘具備多種喚醒模式，除聲音提示外，還包括振動提示和光線提示，用戶能根據(jù)個人偏好選擇適合的喚醒方式。

20、可選的，還包括智能識別模塊，智能識別模塊能根據(jù)用戶的起床習(xí)慣、身體狀態(tài)以及周圍環(huán)境，自動調(diào)整鬧鐘的提示強(qiáng)度和重復(fù)頻率，其具體的步驟為：

21、采集用戶的起床習(xí)慣數(shù)據(jù)h(t)、身體狀態(tài)數(shù)據(jù)s(t)以及周圍環(huán)境數(shù)據(jù)e(t)

22、通過多變量預(yù)測模型p(t)計算出最佳的鬧鐘提示強(qiáng)度i(t)和重復(fù)頻率f(t)，其表達(dá)式為：其中，φ(h(t))表示起床習(xí)慣對預(yù)測結(jié)果的影響，由歷史數(shù)據(jù)和行為模式?jīng)Q定；ψ(s(t))表示身體狀態(tài)的影響，通過生理參數(shù)的綜合加權(quán)求得；ω(e(t))代表環(huán)境因素的影響；ξ為權(quán)重系數(shù)，結(jié)合多層感知器(mlp)模型輸出的結(jié)果，用于捕捉不同變量的復(fù)雜非線性關(guān)系；

23、根據(jù)預(yù)測模型p(t)，計算鬧鐘的提示強(qiáng)度i(t)，公式如下：，其中，ibase為基礎(chǔ)提示強(qiáng)度，h(tprev)為前一次起床時刻，δtx為起床時間的變化速率，為習(xí)慣權(quán)重系數(shù)；snorm為標(biāo)準(zhǔn)身體狀態(tài)值，ρ和ω為調(diào)整參數(shù)；eideal為理想環(huán)境狀態(tài)，δ為環(huán)境調(diào)整參數(shù)；

24、使用公式計算鬧鐘的重復(fù)頻率，其中，fbase為基礎(chǔ)重復(fù)頻率，ι為預(yù)測變化速率的調(diào)節(jié)系數(shù)，μ為身體狀態(tài)的反饋系數(shù)，s(twake)為用戶起床時的理想生理狀態(tài)。

25、根據(jù)用戶的反饋和實時數(shù)據(jù)調(diào)整提示強(qiáng)度和重復(fù)頻率，更新公式中的參數(shù)值，使得鬧鐘的提示更符合用戶的實際需求，其表達(dá)式為：其中，θ表示公式中的任何參數(shù)，η為學(xué)習(xí)率，l為提示強(qiáng)度與用戶需求之間的損失函數(shù)并采用梯度下降法進(jìn)行優(yōu)化。

26、可選的，智能識別模塊還會對用戶睡眠數(shù)據(jù)的分析，判斷用戶的睡眠階段，并在最適合的時機(jī)喚醒用戶，其具體的步驟為：

27、采集用戶的腦電波信號θ(t)、心率變異性ζ(t)、眼動頻率κ(t)以及呼吸模式ρ(t)；

28、通過公式將睡眠數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，其中，xi(t)表示第i個數(shù)據(jù)類型在時間t的原始值，xi′(t)為歸一化后的數(shù)據(jù)值，min(xi)和max(xi)分別為該數(shù)據(jù)類型的最小值和最大值；

29、智能識別模塊通過分類模型判斷用戶當(dāng)前的睡眠階段，分類模型采用支持向量機(jī)結(jié)合核函數(shù)進(jìn)行計算，其表達(dá)式為：其中，x′(t)＝[θ′(t)，ζ′(t)，κ′(t)，ρ′(t)]為歸一化后的多維睡眠數(shù)據(jù)向量，k(x′(t)，xi′)是核函數(shù)(如高斯核函數(shù))，用于度量數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的相似性，αi和b為svm模型的參數(shù)，且分類結(jié)果將用戶的睡眠狀態(tài)分為不同的階段，如淺睡眠、深睡眠和快速眼動(rem)階段，分別標(biāo)記為s1，s2，s3；

30、模塊通過分析用戶的睡眠周期和階段變化，確定最佳喚醒時機(jī)topt，計算公式為：其中，ttarget為用戶設(shè)定的目標(biāo)起床時間，為睡眠階段的變化速率，λ1，λ2，λ3為權(quán)重系數(shù)，用于平衡各項因素的影響，公式中右側(cè)項依次表示與目標(biāo)時間的偏差、睡眠階段的劇烈變化以及生理參數(shù)比值之間的偏差。

31、根據(jù)計算得到的最優(yōu)喚醒時機(jī)topt，智能識別模塊控制鬧鐘在此時啟動喚醒程序，喚醒強(qiáng)度iw(t)的調(diào)整公式為：其中，ι1，ι2，ι3為喚醒強(qiáng)度調(diào)整的系數(shù)，表示當(dāng)前的睡眠階段，s1表示淺睡眠階段，公式中的指數(shù)項用于在用戶處于淺睡眠時提升喚醒強(qiáng)度，余弦項結(jié)合呼吸模式和眼動頻率進(jìn)行微調(diào)。

32、系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控用戶的反應(yīng)和喚醒效果，并根據(jù)用戶的反饋數(shù)據(jù)r(t)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，反饋調(diào)整公式為：其中，vk為當(dāng)前的模型參數(shù)集，j(t)為基于喚醒效果的損失函數(shù)并采用梯度下降法逐步優(yōu)化喚醒策略，使得未來喚醒更加貼合用戶的生理節(jié)律和需求。

33、無線通信模塊具備抗干擾設(shè)計，確保在復(fù)雜的電磁環(huán)境下依然能夠維持穩(wěn)定通信，避免因信號丟失導(dǎo)致鬧鐘無法關(guān)閉的情況；此外，通過無線通信模塊還支持通過手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)同步，用戶能通過手機(jī)查看和調(diào)整鬧鐘設(shè)定，或在必要時通過手機(jī)關(guān)閉鬧鐘。

34、采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果，當(dāng)然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達(dá)到以下所述的所有優(yōu)點(diǎn)：

35、本發(fā)明通過將從機(jī)巧妙地放置在臥室外的客廳或浴室等區(qū)域，系統(tǒng)有效地強(qiáng)制用戶離開舒適的床鋪，并要求他們必須按下從機(jī)的第二按鍵來確認(rèn)清醒狀態(tài)，這種設(shè)計大大降低了用戶賴床的可能性，從而幫助他們更好地管理早晨時間，避免因賴床導(dǎo)致的遲到或錯過重要活動。此外，鬧鐘系統(tǒng)不僅通過單片機(jī)精確控制顯示屏亮度和鬧鐘提示方式，使其適應(yīng)用戶的作息習(xí)慣和環(huán)境變化，還能夠根據(jù)用戶的實際操作反饋進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，確保系統(tǒng)在不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)用戶行為的過程中，始終提供最優(yōu)化的使用體驗。

36、下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。