幼童用智能示警蠶絲被的研發(fā)

黃陽陽， 劉 偉， 華 英， 趙中琦， 徐 勁

(1. 蘇州市職業(yè)大學(xué) 絲綢應(yīng)用技術(shù)研究所， 江蘇 蘇州 215000； 2. 蘇州太湖雪絲綢股份有限公司，江蘇 蘇州 215000； 3. 蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215000； 4. 蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215000； 5. 江蘇省蠶桑學(xué)會(huì)， 江蘇 南京 210000)

隨著人們消費(fèi)能力的提高，產(chǎn)品需求結(jié)構(gòu)正不斷向高端遷移，高品質(zhì)、改善性、智能化的產(chǎn)品正不斷成為市場新寵。蠶絲被憑借蠶絲材質(zhì)，具有保暖透氣、輕盈貼身、親膚抗敏等諸多特點(diǎn)，一直定位中高端的家紡產(chǎn)品[1]；但是，蠶絲被行業(yè)整體技術(shù)水平不高、進(jìn)入門檻低、產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，行業(yè)企業(yè)都有著轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求，家紡產(chǎn)品智能化是轉(zhuǎn)型的重要方向之一。

幼童自我控制能力和抵抗力較弱，在夏季空調(diào)環(huán)境中易因踢被子引發(fā)感冒等疾病，因此對(duì)幼童踢被智能示警蠶絲被新產(chǎn)品的開發(fā)研究具有重要意義。通過文獻(xiàn)檢索可知，有學(xué)者提出利用超聲波檢測障礙物原理[2]、內(nèi)外熱敏結(jié)合紅外傳感器的方法[3]、熱釋電檢測人體方法[4]、陀螺儀結(jié)合溫度差值的方法[5]判斷踢被，以及單純依靠溫度差值的方法判斷踢被[6-8]；但是，這些研究大都為理論性的設(shè)想，未對(duì)工作原理、實(shí)現(xiàn)方式和性能指標(biāo)等展開充分論證和實(shí)驗(yàn)。此外，超聲波、熱敏+紅外、熱釋電、溫度差+陀螺儀等復(fù)雜技術(shù)手段，會(huì)導(dǎo)致傳感器體積偏大，植入被芯后產(chǎn)生明顯的異物感。而單純依靠溫度差值來判斷踢被，則存在降溫幅度達(dá)到差值所需時(shí)間過長、正常睡眠過程中誤報(bào)警概率大等問題，無法找到一個(gè)合適的溫度差值。因此，如何在保證傳感器體積較小的前提下，實(shí)現(xiàn)踢被報(bào)警的準(zhǔn)確性和報(bào)警時(shí)間閾值精度，且避免正常睡眠過程中產(chǎn)生誤報(bào)警，仍是亟待解決的問題。

針對(duì)上述問題，通過技術(shù)和市場調(diào)研，確定幼童踢被智能示警蠶絲被新產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念如下：1)安全性。安全性是面向幼童產(chǎn)品最為關(guān)鍵的因素，本產(chǎn)品需要確保輻射安全性以打消家長購買的疑慮[9]，而藍(lán)牙通信方式輻射功率非常低[10]，安全性滿足面向幼童產(chǎn)品需求；2)體積小。植入被子中的傳感器體積大則會(huì)產(chǎn)生異物感，因此需要盡可能減小傳感器的體積，所用傳感器應(yīng)具備原理簡單、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)；3)功能性。產(chǎn)品在能準(zhǔn)確識(shí)別和判斷踢被的基礎(chǔ)上，還需滿足報(bào)警時(shí)間閾值最低值、時(shí)間閾值精度、誤報(bào)警率等關(guān)乎用戶體驗(yàn)的性能指標(biāo)要求；4)分離性。報(bào)警端需要和被子產(chǎn)品端相分離，以避免報(bào)警噪音對(duì)兒童睡眠的影響，而短距藍(lán)牙通信不僅能夠?qū)崿F(xiàn)兩端分離，且其10 m左右的通信距離滿足大部分家庭使用場景需求；5)人性化，消費(fèi)者對(duì)報(bào)警時(shí)間閾值的需求存在多樣性，所開發(fā)的手機(jī)APP需具有報(bào)警時(shí)間閾值調(diào)節(jié)功能，由消費(fèi)者根據(jù)自身需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，滿足產(chǎn)品的人性化要求。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下，本文確定技術(shù)路線為：在蠶絲被中植入多個(gè)微型傳感器，通過藍(lán)牙通信方式廣播溫度數(shù)據(jù)，手機(jī)APP讀取數(shù)據(jù)后，根據(jù)踢被溫度變化邏輯判斷模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，達(dá)到判定條件后，由手機(jī)發(fā)出聲音和振動(dòng)示警。該技術(shù)方案基于準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)傳感器，且體積較小技術(shù)成熟，結(jié)合建立踢被溫度變化邏輯判斷模型的方式，不僅能夠準(zhǔn)確判斷踢掉被子的行為，而且避免了正常睡眠過程中的誤報(bào)警現(xiàn)象，所開發(fā)出的工程樣品技術(shù)性能指標(biāo)良好，具有非常廣闊的市場前景。

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

CC2640型微控制器(德州儀器(上海)有限公司)、SHT20型溫濕度傳感器(瑞士盛思銳公司)、CR2025型紐扣電池(3 V，松下電器中國有限公司)、未來8000樹脂(深圳市未來工場科技有限公司)、開發(fā)板(自制)、120 cm×150 cm兒童款蠶絲夏涼被(蘇州太湖雪絲綢股份有限公司)、Redmi 7型手機(jī)(小米科技有限責(zé)任公司)、Lite 450 3D型打印機(jī)(上海聯(lián)泰科技股份有限公司)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2．1 傳感器硬件開發(fā)與植入

2.1.1 傳感器開發(fā)

溫濕度傳感器、微控制器和天線等元件為自行焊接，傳感器成品如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙溫度傳感器Fig.1 Temperature sensor by Bluetooth. (a) Front face of sensor; (b) Back face of sensor; (c) Side face of sensor

板上溫度傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括具有藍(lán)牙功能的無線微控制器CC2640，以及溫濕度傳感器SHT20，傳感器與藍(lán)牙微控制器以I2C總線的形式進(jìn)行通信，傳感器節(jié)點(diǎn)通過藍(lán)牙4.0協(xié)議，以廣播的方式與智能手機(jī)進(jìn)行通信。傳感器硬件成品直徑為26 mm、 高度為5.3 mm。溫度數(shù)據(jù)采集頻率為100 ms/次， 藍(lán)牙廣播發(fā)送頻率1 s/次。整個(gè)傳感器依靠背面的CR2025紐扣電池供電，理論續(xù)航時(shí)間為492 d。

2.1.2 傳感器外殼制作

傳感器外殼采用3D打印制成，設(shè)計(jì)模型及制成品如圖2所示。

圖2 外殼設(shè)計(jì)模型及成品Fig.2 Shell design model and finished product. (a) Front face of shell model; (b) Back face of shell model; (c) Final product

外殼模型采用Unigraphics NX10.0軟件設(shè)計(jì)，材料壁厚為1 mm，內(nèi)部倉室直徑為27 mm、高度為5.6 mm， 通氣孔數(shù)量9個(gè)、圓心相互間距7.5 mm、孔徑為2 mm。 模型設(shè)計(jì)完成后導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行打印，耗材選用高強(qiáng)樹脂。裝配時(shí)先用雙面膠將傳感器背面電池卡槽粘在無孔外殼中間位置，然后蓋上含孔外殼即完成裝配。

2.1.3 傳感器植入被子方式

將3個(gè)組裝好的傳感器植入被芯中，平面位置為沿被子中間線等分對(duì)稱分布，立體位置為靠近人體的絲綿套內(nèi)側(cè)。固定方式為在絲綿套上相應(yīng)位置，縫制略大于傳感器尺寸的口袋，袋口采用橡筋松緊式開口，便于傳感器的放入和取出。

2.2 手機(jī)APP開發(fā)

根據(jù)項(xiàng)目需求分析，將手機(jī)APP功能劃分為藍(lán)牙通信、圖表顯示和降溫報(bào)警3個(gè)模塊，APP相關(guān)界面如圖3所示。

圖3 手機(jī)APP軟件界面Fig.3 Interface of mobile APP software. (a)Scanning and connection interface of Bluetooth; (b)Data displaying and alarm time threshold setting interface; (c)Kicking quilt alarm interface

軟件具體業(yè)務(wù)流程包括：1)掃描周邊藍(lán)牙設(shè)備列表，并選定其中符合定義名稱的設(shè)備；2)以1 min/次的頻率讀取和顯示選定藍(lán)牙設(shè)備廣播的數(shù)據(jù)，并生成溫度變化曲線圖和數(shù)據(jù)記錄；3)根據(jù)踢被報(bào)警邏輯判斷模型，對(duì)采集溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)達(dá)到判定條件后，手機(jī)端發(fā)出語音和振動(dòng)示警；4)手機(jī)APP中留有報(bào)警時(shí)間閾值數(shù)值輸入和確定按鈕，用戶可根據(jù)自身需要修改報(bào)警時(shí)間閾值。軟件開發(fā)選擇APICloud開發(fā)平臺(tái)，用HTML5等標(biāo)準(zhǔn)Web語言開發(fā)iOS與Android原生APP。軟件開發(fā)中調(diào)用了APICloud平臺(tái)Store中封裝了bluetooth 4.0相關(guān)功能接口的“ble”模塊。通過JavaScript語言，一套代碼能同時(shí)調(diào)用iOS和Android雙平臺(tái)模塊，編譯生成的Html5移動(dòng)應(yīng)用，能夠同時(shí)在iOS和Android雙平臺(tái)運(yùn)行。

2.3 軟硬件合成實(shí)驗(yàn)及邏輯判斷模型確定

軟硬件開發(fā)完成后，由適齡幼童實(shí)際使用植入傳感器的夏涼蠶絲被，在相應(yīng)的環(huán)境溫度條件下，模擬相應(yīng)的蓋被/踢被場景(整晚睡眠數(shù)據(jù)由幼童夜晚真實(shí)的睡眠過程產(chǎn)生)，結(jié)合所開發(fā)的手機(jī)APP進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。通過對(duì)場景模擬和真實(shí)睡眠所采集的數(shù)據(jù)規(guī)律進(jìn)行分析，建立踢被溫度變化邏輯判斷模型。

2.4 產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)與測試方法

目前尚無相關(guān)國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)最終用戶和使用場景進(jìn)行分析，建立產(chǎn)品測試方法為：由適齡兒童在26 ℃室內(nèi)空調(diào)環(huán)境下進(jìn)行模擬測試，報(bào)警時(shí)間閾值≥7 min，踢被情況為踢掉全部被子。產(chǎn)品評(píng)價(jià)指標(biāo)包括報(bào)警時(shí)間閾值精度、報(bào)警成功率、報(bào)警時(shí)間閾值最低值、正常睡眠誤報(bào)警率。

2.4.1 報(bào)警時(shí)間閾值精度

報(bào)警時(shí)間閾值為發(fā)生踢被到觸發(fā)報(bào)警之間的時(shí)間間隔。時(shí)間閾值精度則為發(fā)生踢被至觸發(fā)報(bào)警實(shí)際耗時(shí)，與APP中所設(shè)定時(shí)間閾值的偏離程度。

2.4.2 報(bào)警成功率與誤報(bào)警現(xiàn)象

報(bào)警成功率為10次踢被模擬測試中，在報(bào)警時(shí)間閾值精度允許范圍內(nèi)，成功觸發(fā)踢被報(bào)警的次數(shù)所占的比例。

誤報(bào)警現(xiàn)象為適齡兒童夜間真實(shí)睡眠過程中，處于正常蓋被狀態(tài)而錯(cuò)誤發(fā)出踢被報(bào)警的現(xiàn)象，測試時(shí)間持續(xù)整晚。

2.4.3 報(bào)警時(shí)間閾值最低值

報(bào)警時(shí)間閾值最低值為在保證報(bào)警成功率100%，且無誤報(bào)警現(xiàn)象發(fā)生的前提下，時(shí)間閾值可設(shè)置的最低值。

3 結(jié)果與討論

3.1 傳感器布置位置及數(shù)量確定

3.1.1 傳感器平面位置及數(shù)量

傳感器植入數(shù)量為3個(gè)，沿被子中間線等分對(duì)稱布置，在被子中的平面位置如圖4所示。

圖4 傳感器平面位置Fig.4 Plane position of sensor

傳感器在被子中植入數(shù)量和平面位置的確定，主要考慮以下幾點(diǎn)：1)在實(shí)際工作效果能夠得到保證的前提下，應(yīng)盡可能減少傳感器數(shù)量，以最大程度消除潛在的異物感；2)3個(gè)傳感器的布置，能夠監(jiān)測到人體胸部、腹部和腿部3個(gè)典型區(qū)域附近的溫度，且實(shí)際工作效果良好；3)傳感器沿著被子中間線布置，與正常蓋被習(xí)慣相吻合，且等分對(duì)稱布置符合被子兩頭蓋的特點(diǎn)。

3.1.2 傳感器立體位置初選

蠶絲被主要由絲綿填充物(絲綿兜拉網(wǎng)層層疊加而成)、絲綿套(俗稱內(nèi)膽)和被套3部分組成，傳感器在蠶絲被層中的立體位置如圖5所示。

圖5 傳感器立體位置Fig.5 Stereo position of sensor

傳感器在蠶絲被層中立體位置的確定，主要考慮以下幾點(diǎn)：1)被套需要經(jīng)常更換和洗滌，且貼近人體導(dǎo)致異物感更明顯，因此不適合加載傳感器；2)蠶絲被絲綿填充物為絲網(wǎng)層疊而成，拆開會(huì)破壞其均勻性和穩(wěn)定性，加之傳感器有更換電池的需要，因此也不適合加載傳感器；3)為降低異物感，同時(shí)避免幼童好奇取出傳感器，將傳感器布置在絲綿套內(nèi)側(cè)較為妥當(dāng)；4)絲綿套內(nèi)側(cè)可分為靠近人體和遠(yuǎn)離人體2種選擇，需要再進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)選。

3.1.3 傳感器立體位置優(yōu)選

在幼童整晚真實(shí)睡眠實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)傳感器分別布置在靠近和遠(yuǎn)離人體的絲綿套內(nèi)側(cè)時(shí)，傳感器采集溫度變化如圖6所示。

圖6 傳感器在被中位置對(duì)溫度采集的影響Fig.6 Effect of sensor position in quilt on temperature acquisition. (a) Close to side of human body; (b) Aaway from side of human body

當(dāng)傳感器布置在遠(yuǎn)離人體的絲綿套內(nèi)側(cè)時(shí)，主要受到人體熱源經(jīng)過絲綿層后散失和遞減的熱量，以及室內(nèi)環(huán)境溫度的影響。經(jīng)散失和遞減后的熱能偏弱，加之與環(huán)境因素的相互作用，導(dǎo)致整晚睡眠過程中，采集溫度整體處于27～30 ℃的較低區(qū)間，靈敏度較低。此外，采集溫度持平現(xiàn)象較為明顯，單個(gè)傳感器采集溫度持平最長持續(xù)了22 min，3個(gè)傳感器采集溫度同時(shí)持平最長持續(xù)了17 min。

當(dāng)傳感器布置在靠近人體的絲綿套內(nèi)側(cè)時(shí)，傳感器采集溫度主要受人體熱源以及被窩封閉空間中熱空氣環(huán)境的影響。因此整晚睡眠過程中傳感器采集溫度整體處于30～35 ℃的較高區(qū)間，對(duì)人體和被窩溫度的監(jiān)測更加靈敏。此外，與傳感器布置在遠(yuǎn)離人體的絲綿套內(nèi)側(cè)時(shí)相比較，單個(gè)傳感器采集溫度持平最長持續(xù)時(shí)間降到15 min，3個(gè)傳感器采集溫度同時(shí)持平最長持續(xù)時(shí)間降到5 min，傳感器溫度持平現(xiàn)象明顯減少。傳感器采集溫度大概率、長時(shí)間的持平，易在正常睡眠過程中引發(fā)誤報(bào)警，因此最終選擇將傳感器布置在靠近人體的絲綿套內(nèi)側(cè)。

3.2 環(huán)境溫度變化對(duì)采集溫度的影響

在幼童蓋好被子的實(shí)驗(yàn)條件下，通過空調(diào)制冷逐步將室內(nèi)環(huán)境溫度從室溫32 ℃降到低溫21 ℃，被子中傳感器采集溫度變化如圖7所示。

圖7 環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器的影響Fig.7 Effect of ambient temperature on sensor

在室內(nèi)環(huán)境降溫實(shí)驗(yàn)過程中，室內(nèi)降溫幅度達(dá)到了11 ℃，而靠近幼童胸部和腹部的傳感器，采集溫度整體降溫幅度控制在2 ℃以內(nèi)。這是由于人體胸腹部面積較大，盡管測試過程中幼童會(huì)有肢體動(dòng)作，但是傳感器基本能夠保持與人體的較近距離，傳感器溫度受人體熱源和被窩熱空氣環(huán)境的影響較為明顯，加之絲綿層具有一定的保溫作用，因此傳感器溫度受室內(nèi)環(huán)境溫度變化的影響相對(duì)減弱。

在室內(nèi)環(huán)境降溫實(shí)驗(yàn)過程中，靠近腿部的傳感器采集溫度波動(dòng)明顯。這是由于腿部面積相對(duì)較小，且姿勢動(dòng)作頻繁和多樣，造成傳感器與腿部之間的距離變化較大，當(dāng)二者距離接近時(shí)采集溫度升高，二者距離較遠(yuǎn)時(shí)采集溫度降低，但是，被子蓋好時(shí)被窩會(huì)構(gòu)成較為封閉的空間，進(jìn)而形成一個(gè)較為穩(wěn)定的熱空氣環(huán)境，這給腿部傳感器提供了基礎(chǔ)的熱量支撐；因此室內(nèi)環(huán)境溫度從室溫32 ℃降到低溫21 ℃ 過程中，靠近腿部的傳感器采集溫度基本也能維持在27 ℃以上。

3.3 被子被全部踢掉后采集溫度的變化

在幼童蓋好被子保溫基本穩(wěn)定后，分別在家用空調(diào)低溫21 ℃和夏季推薦溫度26 ℃條件下，踢掉全部被子，全踢被后傳感器采集溫度變化如圖8所示。

在不同環(huán)境溫度下踢掉全部被子后，傳感器采集溫度的變化規(guī)律較為相似，都呈現(xiàn)出整體下行趨勢，且降溫速率先快后慢。這是由于踢掉全部被子后，傳感器失去了人體熱源支撐，加之被窩封閉空間熱空氣環(huán)境也被破壞，所以采集溫度無法再出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，這是判斷踢被極為重要的依據(jù)。

但是，全踢被后傳感器采集溫度并非斷崖式下降，受被芯余熱、被子保溫作用、初始溫度和室溫環(huán)境等多種因素影響，整體降溫速率較為緩慢。在環(huán)境溫度21 ℃和26 ℃下踢掉全部被子后，所有傳感器降至室溫分別耗時(shí)近1.2 h和2.5 h，全踢被5 min 后3個(gè)傳感器中最小的降溫幅度分別為1.3 ℃ 和0.9 ℃，全踢被15 min后3個(gè)傳感器中最小的降溫幅度分別為3.7 ℃和2.5 ℃。因此，如果采用單純溫度差值來判斷踢被，則會(huì)存在溫度差值較小時(shí)易引發(fā)誤報(bào)警，溫度差值較大時(shí)所需時(shí)間較長等問題。

此外，以在APP中設(shè)置的1 min/次溫度數(shù)據(jù)采集頻率條件下觀察，全踢被后每分鐘采集的溫度數(shù)據(jù)并非總是下降，過程中相鄰采集時(shí)間也會(huì)出現(xiàn)溫度持平的現(xiàn)象，且下行時(shí)溫度越靠近室溫，前后持平發(fā)生的概率越大，持續(xù)時(shí)間越長。因此，邏輯判斷條件中不能采用“溫度持續(xù)下降”這一定義。

綜上考慮，針對(duì)踢掉全部被子先行設(shè)立2個(gè)邏輯判斷條件。邏輯判斷條件1：當(dāng)所有傳感器同時(shí)出現(xiàn)未升溫(溫度持平或下降)現(xiàn)象時(shí)，進(jìn)入踢被邏輯判斷過程，并開始累計(jì)未升溫現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間(邏輯計(jì)時(shí))。邏輯判斷條件2：當(dāng)3個(gè)傳感器中有任何一個(gè)出現(xiàn)升溫，立即跳出踢被邏輯判斷過程，同時(shí)將邏輯計(jì)時(shí)歸零。

3.4 正常睡眠過程中誤報(bào)警情況

3.4.1 幼童真實(shí)睡眠過程中采集溫度的變化

室內(nèi)環(huán)境溫度26 ℃條件下，幼童蓋好被子后進(jìn)入持續(xù)整晚的真實(shí)睡眠狀態(tài)，其真實(shí)睡眠實(shí)驗(yàn)過程中傳感器采集溫度變化如圖9所示。

圖9 實(shí)際睡眠過程中溫度變化Fig.9 Temperature changes during actual sleep

幼童整晚真實(shí)睡眠過程中，傳感器采集溫度具有明顯的波動(dòng)性，包括上升、下降和持平3種可能，且靠近人體不同部位的傳感器，溫度表現(xiàn)既有趨同的時(shí)候，也有差異化的時(shí)候。因此，如果僅僅依靠3.3所先行設(shè)定的2個(gè)全踢被邏輯判斷條件，則會(huì)在正常睡眠過程中引發(fā)誤報(bào)警現(xiàn)象。

3.4.2 誤報(bào)警情形分析及邏輯判斷條件優(yōu)化

表1～3示出基于3.3節(jié)內(nèi)容先行設(shè)定的邏輯判斷條件1、2，對(duì)幼童夜間整晚真實(shí)睡眠過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯推導(dǎo)，進(jìn)而篩選出的誤報(bào)警情形持續(xù)時(shí)間最長的樣本。

表1 正常睡眠過程中誤報(bào)警情形1(溫度持平及下降)Tab.1 False alarm condition during normal sleep(temperature constant and decreasing)

表2 正常睡眠過程中誤報(bào)警情形2(溫度持平)Tab.2 False alarm during normal sleep (temperature constant)

表3 正常睡眠過程中誤報(bào)警情形3(溫度持平或下降)Tab.3 False alarm condition during normal sleep(temperature flat or falling)

由數(shù)據(jù)邏輯推導(dǎo)可知，共有3種可能導(dǎo)致誤報(bào)警的情形：1)睡眠過程中因?yàn)槿梭w動(dòng)作等原因，傳感器采集溫度出現(xiàn)長時(shí)間的持平及下降；2)深度睡眠時(shí)人體基本動(dòng)作較少，所有傳感器溫度出現(xiàn)持續(xù)同步持平；3)部分傳感器采集溫度出現(xiàn)持平的同時(shí)，其余傳感器溫度出現(xiàn)下降。

由表可知，誤報(bào)警邏輯持續(xù)的5～7min時(shí)間后，總會(huì)有傳感器整體降溫幅度非常小，局限在1 ℃ 范圍內(nèi)。這是因?yàn)檎Ｋ邥r(shí)處于蓋好被子的狀態(tài)，此時(shí)傳感器會(huì)會(huì)受到人體熱源和被窩封閉空間熱空氣環(huán)境的支撐。因此，新增邏輯判斷條件3：當(dāng)所有傳感器同時(shí)出現(xiàn)未升溫持續(xù)時(shí)間達(dá)到報(bào)警時(shí)間閾值時(shí)，還需滿足所有傳感器降溫幅度同時(shí)≥1 ℃。邏輯判斷條件4：報(bào)警時(shí)間閾值下限≥7 min(7min不僅是實(shí)驗(yàn)過程中誤報(bào)警推導(dǎo)出的最大持續(xù)時(shí)長，而且需要有適當(dāng)?shù)臅r(shí)長才能產(chǎn)生和利用降溫幅度條件，因此7 min作為閾值下限是較為理想的選擇。此外，為防止報(bào)警時(shí)間閾值過長小孩已著涼，軟件中設(shè)置時(shí)間閾值上限為30 min)。

3.5 踢掉部分被子情況的識(shí)別和判斷

踢掉部分被子的情況非常復(fù)雜，本文所討論部分踢被單指僅留被子一角蓋在身上這一特別嚴(yán)重的部分踢被情況。實(shí)驗(yàn)條件為：在環(huán)境溫度26 ℃下，幼童蓋好被子保溫一段時(shí)間后，踢掉大部分被子，僅留被子一角在身上，部分踢被后傳感器溫度變化如圖10所示。

圖10 部分踢被后傳感器溫度變化Fig.10 Temperature changes of sensor after quilt partially kicked off

當(dāng)部分踢掉被子后，還蓋在人體的被角中傳感器采集的溫度基本穩(wěn)定。而被踢掉的部分被子，則因失去人體熱量來源和被窩封閉空間熱空氣環(huán)境支撐，傳感器采集溫度開始出現(xiàn)下行趨勢。且隨著時(shí)間的延長，蓋在身上被子中的1個(gè)傳感器，與被踢開部分被子中的2個(gè)傳感器之間的溫度差會(huì)逐漸擴(kuò)大。但是，正常睡眠過程中，靠近人體不同區(qū)域的傳感器之間也會(huì)存在一定的溫差。為區(qū)分正常睡眠和部分踢被產(chǎn)生的溫差，需要溫差具有一定的幅度，以避免可能的誤報(bào)警現(xiàn)象。

基于幼童真實(shí)睡眠過程中，傳感器之間的最小溫差都控制在4 ℃以內(nèi)。加之部分踢被15 min后，留在身上被子中傳感器1，與被踢掉部分被子中傳感器2和傳感器3之間，溫度差都超過了4 ℃。因此將4 ℃作為判斷部分踢被的溫差閾值。并新增邏輯判斷條件5：當(dāng)溫度最高傳感器與兩個(gè)溫度較低傳感器之間的溫度差都超過4 ℃時(shí)，觸發(fā)部分踢被報(bào)警。

通過邏輯判斷條件5能夠?qū)Σ糠痔弑恍袨橛幸欢ǖ谋孀R(shí)度，但是實(shí)驗(yàn)中仍存在一些部分踢被情況無法識(shí)別，或所需報(bào)警時(shí)間閾值較長等不足。

3.6 踢被邏輯判斷模型確定

綜合以上面向不同情形所設(shè)定的邏輯判斷條件，確定踢被邏輯判斷模型如圖11所示。

圖11 踢被邏輯判斷模型Fig.11 Logical judgment model of kicking quilt

3.7 產(chǎn)品技術(shù)性能測試

工程樣品試制完成后，根據(jù)本文擬定的檢測評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了測試，檢測結(jié)果如表4所示。

表4 產(chǎn)品實(shí)際性能檢測結(jié)果Tab.4 Test results of actual produce performance

4 結(jié) 論

1)踢掉全部被子后，被中傳感器采集溫度呈現(xiàn)下行趨勢，降溫速率先快后慢，但是整體降溫速度仍較為緩慢，且受初始溫度、環(huán)境溫度等多種因素的影響，因此不能單純采用溫度差值判斷踢被。

2)利用踢掉全部被子后傳感器不會(huì)再出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，結(jié)合正常睡眠和踢被降溫幅度的差異性，可以建立可行的全踢被溫度變化邏輯判斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)全踢被的有效識(shí)別和判斷。

3)利用踢掉部分被子后，蓋在身上被角附近傳感器與其余傳感器之間存在明顯溫度差，能夠?qū)χ簧w被角這一嚴(yán)重部分踢被情況有相當(dāng)辨識(shí)。

4)部分踢被情況極為復(fù)雜，本文僅針對(duì)只蓋被角這一嚴(yán)重情況，對(duì)于其他部分踢被情況還存在無法識(shí)別，或識(shí)別所需時(shí)間閾值過長等問題，需要在后續(xù)工作中進(jìn)一步加以完善。

5)產(chǎn)品測試結(jié)果顯示，在報(bào)警時(shí)間間隔≥7 min和踢掉全部被子條件下，報(bào)警成功率為100%，正常睡眠過程中無誤報(bào)警現(xiàn)象，報(bào)警時(shí)間閾值精度為延時(shí)≤3 min，整體技術(shù)性能達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)要求。