人體睡眠管理監測的智能床墊設計

葛亮 毛雪文 胡海珊 鄧孟杰 祝天培

摘要：隨著科技不斷的進步和社會快速的發展，人們越來越關注自己的身體健康狀況，普通家庭也開始對睡眠監測產品感興趣。本文通過采用嵌入式技術，對溫濕度、光強度、噪音、空氣質量等睡眠環境參數、呼吸心跳以及翻身情況進行睡眠全過程狀態監測，對睡眠參數信息存儲和顯示，實現睡眠過程監視、綜合信息分析與智能預警、運行管理和輔助應用等功能，實現集中管理和一體化集成聯動，同時也能對用戶存在的疾病進行預警，并對用戶的睡眠質量進行準確評估，為睡眠質量的提高與疾病的準確預警提供可靠的保障。

1.前言

《“十三五”國家科技創新規劃》以及《“健康中國2030 ”規劃綱要》等國家近期推行的科技及健康發展政策中指出，推進健康中國建設，堅持預防為主，推行健康文明的生活方式，營造綠色安全的健康環境，減少疾病發生，同時要積極支持智能設備的發展，讓人們可以不去醫院，就能享受智能醫療設備的相關科技發展帶來的便捷與效益，滿足目前人們對健康的需求現狀與當下智能設備的迅速發展的現狀。《健康中國行動（2019—2030年）》向全社會發出健康倡議：成年人每天應保持7到8小時睡眠，同時應規律作息，積極調適心理，有了睡眠問題及時就醫。隨著科技不斷的進步和社會快速的發展，人們越來越關注自己的身體健康狀況，普通家庭也開始對睡眠監測產品感興趣。

目前，國內市場上存在各式各樣的睡眠監測工具，以輔助于睡眠質量評估。如眾所周知卻尚未被廣泛使用的睡眠儀，其作為睡眠監測工具，操作復雜，成本較高，且易受睡眠環境的干擾;亦或者小巧玲瓏的可穿戴智能手表，相較于睡眠儀，其成本較低，但其對睡眠的監測僅局限于輕度睡眠和深度睡眠的時段記錄，不能系統地記錄并反映整個睡眠過程中的狀態，功能性有所欠缺。國外不少研究機構對智能睡眠監控床墊的研發開始了積極的探索?日本研制出了一款枕頭式睡眠監測系統，這款產品與枕頭結合有很高的應用價值。系統將壓力傳感器放在枕頭的下方來測量使用者的心率、呼吸率以及體動等生理參數。設備的一個優點就是可以做到全天候監測睡眠情況。韓國也在無接觸睡眠監測系統上有所研究，用氣墊來獲取人體生理信號并計算呼吸速率和心率。兩套系統都實現了基本的睡眠指標的檢測，如呼吸速率、心率以及體動，但功能尚不夠完善，無法做到睡眠分析以及呼吸事件判定。國內航空醫學研究所的俞夢孫院士在無接觸睡眠監測設備研宂中做出了卓越的貢獻。其領頭研發的微動敏感床墊式睡眠監測系統能在使用者感受不到任何壓力的情況下完成睡眠狀態的監測。床墊獲取的信息主要有心率、體動、呼吸速率等信息，在這些信息的基礎之上得到使用者睡眠時間結構分期等信息。不過產品主要用于軍事領域中，在普通家庭中沒有得到廣泛使用。因此，急需一種用于人體睡眠管理監測的智能床墊。

2.睡眠管理監測的智能床墊結構設計

所設計的人體睡眠管理監測的智能床墊如圖1所示，其中，1-硅膠內墊，2-墊套，3-壓電傳感帶，4-慣性傳感器，5-加速度陀螺儀，6-核心控制模塊，7-存儲模塊，8-藍牙無線通信模塊，9-空氣質量檢測模塊，10-光強度檢測模塊，11-溫濕度檢測模塊，12-聲音檢測模塊，13-蜂鳴器，14-觸摸顯示屏，15-電源模塊。

墊套2內頂部車縫連接有兩個相互交錯設置的壓電傳感帶3;兩壓電傳感帶3端部均設有慣性傳感器4;兩壓電傳感帶3交叉位置設有加速度陀螺儀5;簡而言之，采用兩根壓電傳感條3放置于使用者的胸部和腹部位置，使用者在睡眠過程中的呼吸動作會對壓電傳感條3產生一個壓力動作，壓電傳感帶3會產生與呼吸動作變化相符的微電信號電頻信號并傳輸至核心控制模塊6內進行分析處理得出呼吸次數與心跳次數;通過慣性傳感器4和加速度陀螺儀5對睡眠過程中發生的翻轉數據進行采集;硅膠內墊1內部分別設有核心控制模塊6、存儲模塊7和藍牙無線通信模塊8;硅膠內墊1一側分別設有空氣質量檢測模塊9、光強度檢測模塊10和溫濕度檢測模塊11;硅膠內墊1頂部兩角端分別設有聲音檢測模塊12。

3.智能床墊設計技術方案

所述墊套內頂部車縫連接有兩個相互交錯設置的壓電傳感帶;兩所述壓電傳感帶端部均設有慣性傳感器;兩所述壓電傳感帶交叉位置設有加速度陀螺儀;所述硅膠內墊內部分別設有核心控制模塊、存儲模塊和藍牙無線通信模塊;所述硅膠內墊一側分別設有空氣質量檢測模塊、光強度檢測模塊和溫濕度檢測模塊;所述硅膠內墊頂部兩角端分別設有聲音檢測模塊。

進一步地，所述硅膠內墊靠近控制質量檢測模塊一側分別設有蜂鳴器和觸摸顯示屏。進一步地，所述硅膠內墊遠離聲音檢測模塊一端面設有電源模塊。

4.結尾語

本文提供一種人體睡眠管理監測的智能床墊，通過采用嵌入式技術，對溫濕度、光強度、噪音、空氣質量等睡眠環境參數、呼吸心跳以及翻身情況進行睡眠全過程狀態監測。

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本項目受衢州市科技局項目2019K02資助。