CN105595672A - 智能床垫系统及精确获知床垫上人体生命特征数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能床垫系统及精确获知床垫上人体生命特征数据的方法，系统包括：智能控制装置、气压传感器、床垫；床垫包括充气袋层；智能控制装置用于通过气压传感器检测获取充气袋层内的气压，根据气压的变化获取床垫上人体生命特征数据。人躺在床垫上，呼吸和心跳的振动引起床垫中气压相应变化，通过气压传感器将变化的压力信号转化成变化的电压信号。通过相应的信号处理算法和信号检测算法从变化的电压信号中提取出心跳和呼吸频率。本发明关键在于：通过对床垫充气袋层的充气量调节，实现床垫软硬调节，满足不同用户对床垫舒适度的要求；通过智能控制装置模块实现对用户呼吸和心率、压力、睡眠质量的监测，以便用户及时了解自身健康数据。

Description

智能床垫系统及精确获知床垫上人体生命特征数据的方法

技术领域

本发明涉及智能家电技术领域，具体地，涉及一种智能床垫系统及精确获知床垫上人体生命特征数据的方法。

背景技术

随着人们物质生活水平的不断提升，越来越多的人开始注重自己的生活品质。睡眠占据了人一生三分之一的时间，床垫是人们日常生活中必不可少的家居用品。随着人们生活水平的不断提高，人们对床垫的外观、舒适性、功能、环保特性及产品质量的要求也越来越高。现在床垫的发展也朝着立体化、多功能化发展。

现有技术中，通常床垫分为弹簧床垫、棕榈床垫、乳胶床垫、水床垫和气床垫等。在这些床垫中，最为常用的是弹簧床垫。弹簧床垫的内部设置的弹簧层，弹簧层上设置舒适的填充层。而在使用时间长以后，容易发生弹簧生锈和弹性失效的现象。现有床垫的整体式结构也难以满足不同用途的需求，为现有席梦思床垫的应用带来局限性。

当前市面上的床垫众多，但是不管是弹簧床垫还是纯海绵床垫，都是固定硬度的床垫；消费者在买回家后如果感觉不舒适，不能进行调节；另外，对于需要改善睡眠质量的用户，不能监测自己的睡眠质量，呼吸频率，心率等参数。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种智能床垫系统及精确获知床垫上人体生命特征数据的方法。

根据本发明提供的一种精确获知床垫上人体生命特征数据的方法，包括：

步骤1，提供智能控制装置、气压传感器、床垫；所述床垫包括充气袋层；

步骤2，所述气压传感器检测获取所述充气袋层内的气压；

步骤3，所述智能控制装置根据所述气压的变化获取床垫上人体生命特征数据，所述床垫上人体生命特征数据包括呼吸频率和/或心跳频率。

作为一种优化方案，步骤3中计算所述呼吸频率和心跳频率的过程进一步包括：

根据所述充气袋层内气压的变化获得处理后的气压信号，对处理后的气压信号时域频谱进行快速傅里叶变换获得处理后的气压信号频域频谱；

在预设的呼吸频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为所述呼吸频率；

在预设的心跳频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为所述心跳频率。

作为一种优化方案，步骤3中所述处理后的气压信号时域频谱为：s(t)＝s_h(t)+s_b(t)+A；其中，心跳电压信号呼吸电压信号 A_h和A_b分别为心跳和呼吸的幅度，f_h和f_b分别为呼吸和心跳的频率，θ_h和θ_b分别为呼吸和心跳的初始相位；

所述对处理后的气压信号时域频谱进行快速傅里叶变换具体为： $S\left(j2\mathrm{\π}f\right)=$ ${\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}s\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt.$

作为一种优化方案，所述预设的呼吸频段范围为0～0.5Hz；所述预设的心跳频段范围为0.6～2.7Hz。

作为一种优化方案，在步骤2和步骤3之间还包括：对根据所述气压获得的信号依次进行低通滤波、0～350倍放大、低通滤波，获得所述处理后的气压信号，所述低通滤波允许通过的最大频率小于或等于10Hz。

作为一种优化方案，步骤1还包括：提供充气泵、空气控制阀，所述空气控制阀设于所述充气泵与所述充气袋层连接的管路上，所述空气控制阀连通充气袋层侧气孔与充气泵，或连通充气袋层侧气孔与外界，或闭合充气袋侧层气孔；

所述步骤3还包括充气袋层气压调节：根据外部操作或预设程序以及所述当前气压值控制所述充气泵和所述空气控制阀，改变所述充气袋层内的气压到目标范围。

作为一种优化方案，所述充气袋层气压调节过程进一步包括：

步骤31，根据所述外部操作或预设程序获取所述目标范围；

步骤32，将当前气压值与所述目标范围进行比较，

若当前气压值大于目标范围则控制空气控制阀连通充气袋层侧气孔与外界，进行放气降压直至当前气压值降至所述目标范围；

若当前气压值小于目标范围则控制空气控制阀连通充气袋层侧气孔与充气泵，打开充气泵进行充气升压直至当前气压值升至所述目标范围。

基于同一发明构思，本发明还提供一种智能床垫系统，，包括：智能控制装置、气压传感器、床垫；所述床垫包括充气袋层；

所述气压传感器连接至所述床垫的充气袋层，并检测获取所述充气袋层内气压；所述智能控制装置与所述气压传感器相连，所述智能控制装置根据所述气压传感器检测的充气袋层内气压的变化获取床垫上人体生命特征数据，所述床垫上人体生命特征数据包括呼吸频率和/或心跳频率。

作为一种优化方案，所述智能控制装置包括前处理模块和后处理模块；

所述前处理模块将所述气压传感器检测获取的充气袋层的气压信号处理后传输给所述后处理模块，所述后处理模块根据处理后的气压信号获取床垫上人体的呼吸频率和/或心跳频率；所述处理后的气压信号频率小于或等于10Hz。

作为一种优化方案，所述后处理模块包括第二处理子模块，

所述第二处理子模块对处理后的气压信号时域频谱进行快速傅里叶变换获得处理后的气压信号频域频谱；

所述第二处理子模块在预设的呼吸频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为所述呼吸频率；

所述第二处理子模块在预设的心跳频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为所述心跳频率。

作为一种优化方案，所述处理后的气压信号时域频谱：s(t)＝s_h(t)+s_b(t)+A；其中，心跳电压信号呼吸电压信号A_h和A_b分别为心跳和呼吸的幅度，f_h和f_b分别为呼吸和心跳的频率，θ_h和θ_b分别为呼吸和心跳的初始相位；

所述第二处理子模块对处理后的气压信号时域频谱进行快速傅里叶变换具体为： $S\left(j2\mathrm{\π}f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}s\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt.$

作为一种优化方案，所述后处理模块还包括网络连接子模块；所述第二处理子模块通过所述网络连接子模块将所述呼吸频率和心跳频率发送至其他联网设备。

作为一种优化方案，所述后处理模块还包括显示模块；所述第二处理子模块将所述呼吸频率和心跳频率传输至所述显示模块进行实时显示。

作为一种优化方案，所述前处理模块与所述后处理模块通过USB接口相连，所述前处理模块控制USB协议将所述处理后的气压信号传输给所述后处理模块。

作为一种优化方案，还包括充气泵、空气控制阀；所述空气控制阀设于所述充气泵与所述充气袋层连接的管路上；

所述前处理模块根据外部操作或预设程序以及所述当前气压值控制所述充气泵和所述空气控制阀，改变所述充气袋层内的气压到目标范围,从而调节所述床垫的软硬；

所述空气控制阀响应所述前处理模块的控制连通充气袋层侧气孔与充气泵，或连通充气袋层侧气孔与外界，或闭合充气袋侧层气孔。

作为一种优化方案，还包括外接气室，所述充气袋层与所述外接气室连通，所述气压传感器设于所述外接气室内。

作为一种优化方案，所述前处理模块包括滤波放大子模块，所述滤波放大子模块包括第一低通滤波器、放大器、第二低通滤波器；所述气压传感器连接所述第一低通滤波器，所述第一低通滤波器连接所述放大器，所述放大器连接所述第二低通滤波器；

所述第一低通滤波器将气压信号滤波至信号频率小于或等于10Hz，所述放大器将信号放大0-350倍，所述第二低通滤波器将放大后的信号滤波至信号频率小于或等于10Hz获得所述处理后的气压信号。

作为一种优化方案，所述前处理模块还包括模数转换器、第一处理子模块；

所述气压信号经所述滤波放大子模块处理后经所述模数转换器进行模数转换获得所述处理后的气压信号，所述第一处理子模块将所述处理后的气压信号发送给所述后处理模块。

作为一种优化方案，所述前处理模块还包括第一处理子模块；

所述第一处理子模块根据所述处理后的气压信号获得当前气压值，以及根据外部操作或预设程序以及所述当前气压值控制所述充气泵和所述空气控制阀，改变所述充气袋层内的气压到目标范围,从而调节所述床垫的软硬。

作为一种优化方案，所述前处理模块还包括蓝牙子模块；所述第一处理子模块通过所述蓝牙子模块与其他蓝牙设备通信。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的优点是消费者可以根据自己需要选择所需要的床垫硬度，达到最佳舒适程度；消费者可以实时监测自己的身体状态特征，如呼吸频率、心率，呼吸频率、心率可进一步用于计算睡眠质量等其他健康数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是可选实施例的一种智能床垫系统结构示意图；

图2是可选实施例的一种智能床垫系统前处理模块框图；

图3是可选实施例的一种智能床垫系统后处理模块框图；

图4是可选实施例的一种智能床垫系统心率和呼吸频率检测流程原理图；

图5是可选实施例的一种智能床垫系统气压信号时域频谱；

图6是可选实施例的一种智能床垫系统气压信号频域频谱；

图7是可选实施例的一种智能床垫系统实物示意图。

具体实施方式

下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

本发明的关键在于：一方面，通过智能控制装置的气压检测实现对用户呼吸和心率的监测，从而以便用户及时了解自身的健康数据。另一方面，通过对床垫充气袋层的充气量调节，实现床垫的软硬调节，从而满足不同用户对床垫舒适度的要求。

在本发明提供的一种智能床垫系统的实施例中，如图1和图7所示，包括：智能控制装置、气压传感器、床垫；所述床垫包括充气袋层；

所述气压传感器连接至所述床垫的充气袋层，并检测获取所述充气袋层内气压；所述智能控制装置与所述气压传感器相连，所述智能控制装置根据所述气压传感器检测的充气袋层内气压的变化获取床垫上人体生命特征数据，所述床垫上人体生命特征数据包括呼吸频率和/或心跳频率。

作为一种实施例，所述智能控制装置包括如图2、3所示的前处理模块和后处理模块；

所述前处理模块将所述气压传感器检测获取的充气袋层的气压信号处理后传输给所述后处理模块，所述后处理模块根据处理后的气压信号获取床垫上人体的呼吸频率和/或心跳频率；所述处理后的气压信号频率小于或等于10Hz。

作为一种实施例，如图4所示的检测流程，所述处理后的气压信号时域频谱：s(t)＝s_h(t)+s_b(t)+A如图5所示；其中，心跳电压信号呼吸电压信号A_h和A_b分别为心跳和呼吸的幅度，f_h和f_b分别为呼吸和心跳的频率，θ_h和θ_b分别为呼吸和心跳的初始相位；

所述后处理模块包括第二处理子模块，

所述第二处理子模块对处理后的气压信号时域频谱进行快速傅里叶变换获得处理后的气压信号频域频谱：

$S\left(j2\mathrm{\π}f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}s\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt.$

所述第二处理子模块在预设的呼吸频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为所述呼吸频率，如图6所示。

所述第二处理子模块在预设的心跳频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为所述心跳频率，如图6所示。

第二处理子模块对处理后的气压信号做快速傅里叶变换后频域累积获取的频谱包括了呼吸频段和心跳频段。

作为一种实施例，所述后处理模块还包括网络连接子模块；所述第二处理子模块通过所述网络连接子模块将所述呼吸频率和心跳频率发送至其他联网设备。

所述网络连接子模块可以为WI-FI模块和有线连接网络模块。其他联网设备可以是用户终端设备或网络服务器。用户终端设备可以获取所述呼吸频率和心跳频率，从而记录自己或其他家人的健康数据。如果用户正处于健身阶段，则可以通过长期监控自己的呼吸频率和心跳频率，对比获知锻炼是否对自己的健康程度有所帮助。也可以是用于对疾病的治疗效果的长期观察。将呼吸频率和心跳频率通过所述网络连接子模块上传至网络服务器也是同样可以长期记录这些健康数据，用户可以登录网络服务器随时随地地查阅、对比。网络服务器也可以基于这些呼吸频率和心跳频率做更深入的健康数据处理分析。

作为一种实施例，所述后处理模块还包括显示模块；所述第二处理子模块将用户的所述呼吸频率和心跳频率传输至所述显示模块进行实时显示。所述智能控制装置安装在控制箱(盒)中，显示模块也设置于控制箱表面，用户可以在不用任何其他设备(如手机终端)的情况下直观地从显示模块上看到自己的呼吸频率和心跳频率的数值和变化规律。所述显示模块可以是数码管显示，或液晶显示屏，或LED显示屏等显示设备。所述显示模块可以是与后处理模块有线连接的显示屏，也可以是与后处理模块通过网络连接子模块进行无线数据传输的显示装置。

作为一种实施例，所述前处理模块包括滤波放大子模块，所述滤波放大子模块包括第一低通滤波器、放大器、第二低通滤波器；所述气压传感器连接所述第一低通滤波器，所述第一低通滤波器连接所述放大器，所述放大器连接所述第二低通滤波器；

所述第一低通滤波器将气压信号滤波至信号频率小于或等于10Hz，所述放大器将信号放大0～350倍，所述第二低通滤波器将放大后的信号滤波至信号频率小于或等于10Hz获得所述处理后的气压信号。所述放大器的放大倍数可以是80倍，或100倍，或150倍，或170倍，或200倍，或300倍，放大倍数可以根据滤波频率的不同设置进行调整。

所述前处理模块还包括模数转换器、第一处理子模块；

所述气压信号经所述滤波放大子模块处理后经所述模数转换器进行模数转换获得所述处理后的气压信号，所述第一处理子模块将所述处理后的气压信号发送给所述后处理模块。

所述滤波放大子模块是对模拟信号形式的气压信号进行前端处理，以便滤除明显的杂波。所述滤波放大子模块为图2中的模拟前端，进行模拟数据处理。人体躺在充气床垫上，呼吸和心跳的振动引起床垫和气管中的气压相应的变化，通过气压传感器将变化的气压转化成变化的电压信号。信号再通过模拟前端进行低通滤波和放大，以提高信噪比，再通过模数转换器(ADC)将模拟电压信号转换成数字信号，以方便数字信号处理。最后通过相应的信号处理算法和信号检测算法从变化的电压信号中将心跳频率和呼吸频率提取出来。

作为一种实施例，所述前处理模块与所述后处理模块通过USB接口相连，所述前处理模块控制USB协议将所述处理后的气压信号传输给所述后处理模块。所述前处理模块与所述后处理模块通过USB接口相连，所述前处理模块与所述后处理模块分别设置在两块相互独立的电路板上，通过USB接口可插拔连接。其一个优势在于这种连接便于在后处理模块发生故障时更换电路板。另一个优势在于，若用户对心率监测的功能无需要，为了减少成本，可以购买不带后处理模块的产品，即仅仅带有床垫软硬调节功能，而无法进行心率和呼吸频率的检测，且在其后期产生增加心率和呼吸频率检测功能的想法时，可以通过USB接口将对应的后处理模块增加上去。前处理模块和后处理模块在一定程度上具有相对独立的特征，为用户提供了更多选择，也为产品维修提供了便利。

作为一种实施例，如图1和图7所示，床垫系统还包括充气泵、空气控制阀；所述空气控制阀设于所述充气泵与所述充气袋层连接的管路上；

所述前处理模块根据外部操作或预设程序以及所述当前气压值控制所述充气泵和所述空气控制阀，改变所述充气袋层内的气压到目标范围,从而调节所述床垫的软硬。

所述空气控制阀响应所述前处理模块的控制连通充气袋层侧气孔与充气泵，或连通充气袋层侧气孔与外界，或闭合充气袋侧层气孔。

充气袋层与充气泵连通状态下，同时控制充气泵工作，则对充气袋层进行充气，床垫变硬。

充气袋层与外界连通状态下，控制充气泵停止工作，而充气袋层则进行放气，床垫变软。

充气袋层侧气孔闭合状态下，控制充气泵停止工作，床垫软硬不变，充气袋处于封闭状态。

作为一种实施例，床垫系统还包括外接气室，所述充气袋层与所述外接气室始终保持连通，所述气压传感器设于所述外接气室内。气压传感器通过一根气管与充气袋层内部充气空间连通，气压传感器能够在充气袋层内出现任何气压变化的同时感测到，产生所述气压信号。本实施例中气压传感器设置在床垫外，便于在气压传感器出现故障时的及时维修不破坏床垫结构，同时也方便对气压传感器的更新维护。本实施例通过对气压的检测获取用户的心率和呼吸频率，由于在经过快速傅里叶变换之后的波形清晰明确，峰值突出，能够很快获得准确的心率和呼吸频率，较现有技术中通过震动传感器获取频率的方案有较大的改进，且效果显著。

作为一种实施例，所述第一处理子模块还用于：

根据所述处理后的气压信号获得当前气压值；

根据外部操作或预设程序以及所述当前气压值控制所述充气泵和所述空气控制阀，改变所述充气袋层内的气压到目标范围。

本实施例中将床垫的软硬度设置为1-10档位,1为最软，10为最硬。而充气袋层中气压越大，对应地，床垫也越硬。在第一处理子模块中预存有10个气压范围与档位的对应关系。用户通过按钮或手机发送控制信号向第一处理子模块发送目标范围7，若当前气压值属于档位5对应的气压范围，则第一处理子模块调节空气控制阀连通充气泵和充气袋层，打开充气泵对充气袋层进行充气，直到气压传感器检测到的气压达到目标范围7后停止充气，并闭合空气控制阀中充气袋层侧气孔，使得充气袋层封闭。

实际中的气压范围可以标识为：非常软、较软、舒适、中等、较硬、非常硬等文字描述。六条软硬度标准为文字描述型，用户可以根据自身感受选择相应的软硬度，这种软硬度设置更具人性化，调节原理同上。

作为一种实施例，所述前处理模块还包括蓝牙子模块；所述第一处理子模块通过所述蓝牙子模块将当前气压值发送至其他蓝牙设备。其他蓝牙设备可以是遥控器，或控制主机，或手机等。第一处理子模块通过蓝牙获取目标值，也将当前的软硬度反馈给蓝牙设备。

基于同一发明构思，本发明还提供一种精确获知床垫上人体生命特征数据的方法，包括：

步骤1，提供智能控制装置、气压传感器、床垫；所述床垫包括充气袋层；

步骤2，所述气压传感器检测获取所述充气袋层内的气压；

步骤3，所述智能控制装置根据所述气压的变化获取床垫上人体生命特征数据，所述床垫上人体生命特征数据包括呼吸频率和/或心跳频率。

在步骤2和步骤3之间还包括：对根据所述气压获得的信号依次进行低通滤波、0～350倍放大、低通滤波，获得所述处理后的气压信号，所述低通滤波允许通过的最大频率小于或等于10Hz。

作为一种实施例，步骤3中计算用户的呼吸频率和心跳频率的过程进一步包括：

根据所述充气袋层内气压的变化获得处理后的气压信号，对处理后的气压信号时域频谱进行快速傅里叶变换获得处理后的气压信号频域频谱；

在预设的呼吸频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为用户的所述呼吸频率；

在预设的心跳频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为用户的所述心跳频率。

步骤3中所述处理后的气压信号时域频谱为：s(t)＝s_h(t)+s_b(t)+A；其中，心跳电压信号s_h(t)＝A_h×sin(2πf_ht+θ_h)，呼吸电压信号s_b(t)＝A_b×sin(2πf_bt+θ_b)，A_h和A_b分别为心跳和呼吸的幅度，f_h和f_b分别为呼吸和心跳的频率，θ_h和θ_b分别为呼吸和心跳的初始相位；

所述对处理后的气压信号时域频谱进行快速傅里叶变换具体为： $S\left(j2\mathrm{\π}f\right)=$ ${\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}s\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt.$

所述预设的呼吸频段范围为0～0.5Hz；所述预设的心跳频段范围为0.6～2.7Hz。

智能床垫系统中的心跳和呼吸频率提取算法流程如图4所示。人体躺在充气床垫上，呼吸和心跳的振动引起床垫和气管中的气压相应的变化，通过气压传感器将变化的压力转化成变化的电压信号。信号再通过模拟前端进行低通滤波和放大，以提高信噪比，再通过ADC将模拟电压信号转换成数字信号，以方便数字信号处理。最后通过相应的信号处理算法和信号检测算法从变化的电压信号中将心跳和呼吸频率提取出来。

人体心跳和呼吸的动作均可视为振动，通过气压传感器转换为电压信号后同样为振动信号，因此用正弦信号来建模心跳和呼吸信号：

s_h(t)＝A_h×sin(2πf_ht+θ_h)(1)

s_b(t)＝A_b×sin(2πf_bt+θ_b)(2)

s(t)＝s_h(t)+s_b(t)+A(3)

式(1)和式(2)分别为心跳和呼吸电压信号，其中A_h和A_b分别为心跳和呼吸的幅度，f_h和f_b分别为呼吸和心跳的频率，θ_h和θ_b分别为呼吸和心跳的初始相位。式(3)为气压传感器输出的电压信号，它包含了心跳和呼吸信号之和，此外它还可能包含了直流成分A。

由于心跳和呼吸信号类似于正弦波信号，因此对于频率的测量采用傅里叶变换来进行信号处理。傅里叶变换基本原理如下。以气压传感器输出的电压信号s(t)为例，它的傅里叶变换如式(4)：

$S\left(j2\mathrm{\π}f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}s\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt---\left(4\right)$

同样信号s(t)也可用傅里叶变换进行表示，如式(5)所示：

$s\left(t\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}S\left(j2\mathrm{\π}f\right)e^{j2\mathrm{\π}ft}df---\left(5\right)$

由此看出，信号s(t)可以表示成不同单频信号之和，单频信号的幅度即为傅里叶变换的值S(j2πf)。式(4)和式(5)称为傅里叶变换对，(4)为傅里叶变换，(5)为傅里叶反变换。傅里叶变换可以将信号从时域变换到频域进行分析。对于气压传感器输出信号，由心跳信号、呼吸信号和直流信号三个单频信号组成，对应的频率分别为f_h、f_b和0Hz。在时域上由于有多个频率成分且加上噪声和干扰的影响，对心跳和呼吸频率很难提取，但通过傅里叶变换转换到频域后心跳和呼吸频率及干扰能分离开，因此可以完成对心跳和呼吸频率的提取。

考虑到信号经过数字采集模块转换成数字信号，因此采用离散傅里叶变换(DFT)，又考虑到运算的复杂程度，因此采用快速傅里叶变换(FFT)。

图4为信号处理算法流程。由于信号经过气压传感器和模拟前端后具有直流信号成分，且相对于心跳和呼吸信号能量大得多，如果不去除旁瓣极易将心跳和呼吸信号淹没，因此在FFT之前加入去除直流成分的处理。另外，由于信号长度不可能无限，因此需要对FFT前信号进行加窗处理以优化主瓣和旁瓣性能。FFT之后信号为复信号，由于不考虑使用相位信息，只使用幅度信息，因此在FFT之后进行取模运算，最后输出给信号检测算法以检测心跳和呼吸频率。

下面两张图为仿真结果。在信噪比足够的情况下，通过傅里叶变换将信号转换到频域后，可以很方便的提取心跳和呼吸频率。

从图5和图6的仿真结果对比可以看出，图6中幅频曲线中峰值部分对应的频率即为心跳和呼吸频率。因此只要检测到峰值即可

图4为信号检测算法流程图。按人正常呼吸频率不超过30次/分钟计算，则呼吸频段范围设置为0～0.5Hz。按人心率范围40次/分钟～160次/分钟计算，心跳频段范围设置为0.6～2.7Hz。因此对信号处理算法输出的幅频曲线数据分别进行心跳和呼吸频段的数据截取，再分别在两个频段进行最大值搜索，所对应的频率即分别为心跳和呼吸频率。

作为一种实施例，步骤1还包括：提供充气泵、空气控制阀，所述空气控制阀设于所述充气泵与所述充气袋层连接的管路上，所述空气控制阀连通充气袋层侧气孔与充气泵，或连通充气袋层侧气孔与外界，或闭合充气袋侧层气孔；

所述步骤3还包括充气袋层气压调节：根据外部操作或预设程序以及所述当前气压值控制所述充气泵和所述空气控制阀，改变所述充气袋层内的气压到目标范围。

在本实施例中，可以是用户手动地对床垫中充气袋的软硬进行调节，即用户在感受床垫过于软的情况下，向所述智能控制装置发送控制信息控制空气阀连通充气泵与充气袋层，打开充气泵对充气袋层进行充气，充气至用户指定的程度后控制充气泵停止充气，保持充气袋的充气量，用户获得了较硬的床垫感受。若用户需要将床垫调柔软一些，则向所述智能控制装置发送控制信息以控制空气阀连通充气袋与管路外部，实现充气袋的放气。

所述充气袋层气压调节过程进一步包括：

步骤31，根据所述外部操作或预设程序获取所述目标范围；

步骤32，将当前气压值与所述目标范围进行比较，

若当前气压值属于目标范围则不调节，

若当前气压值大于目标范围则控制空气控制阀连通充气袋层侧气孔与外界，进行放气降压直至当前气压值降至所述目标范围后，控制空气控制阀闭合充气袋侧层气孔，

若当前气压值小于目标范围则控制空气控制阀连通充气袋层侧气孔与充气泵，打开充气泵进行充气升压直至当前气压值升至所述目标范围后，控制空气控制阀闭合充气袋侧层气孔并关闭充气泵。

所述第一处理子模块对充气袋层的充气量调节就实质上实现了智能床垫的软硬调节。所述充气袋层包括左气袋和右气袋；所述左气袋和右气袋分别通过一所述空气控制阀、充气管与同一充气泵相连。两个充气管分别连通充气袋层的左气袋和右气袋，可以实现对左气袋和右气袋的分别充气或同时充气。本实施例中，将充气袋层分割为不同的充气袋，可以通过所述智能控制装置的智能控制实现不同充气袋的软硬度分别调节，从而满足用户不同部位，或者多个使用者的不同软硬度需求。比如可以使头部软硬度和身体软硬度的独立调节；也可以是双人床上两个人所躺位置的软硬度独立调节。本实施例为床垫的软硬度可调提供了更加灵活的调节可能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种精确获知床垫上人体生命特征数据的方法，其特征在于，包括：

步骤1，提供智能控制装置、气压传感器、床垫；所述床垫包括充气袋层；

步骤2，所述气压传感器检测获取所述充气袋层内的气压；

步骤3，所述智能控制装置根据所述气压的变化获取床垫上人体生命特征数据，所述床垫上人体生命特征数据包括呼吸频率和/或心跳频率。

2.根据权利要求1所述的一种精确获知床垫上人体生命特征数据的方法，其特征在于，步骤3中计算所述呼吸频率和心跳频率的过程进一步包括：

根据所述充气袋层内气压的变化获得处理后的气压信号，对处理后的气压信号时域频谱进行快速傅里叶变换获得处理后的气压信号频域频谱；

在预设的呼吸频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为所述呼吸频率；

在预设的心跳频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为所述心跳频率。

3.根据权利要求2所述的一种精确获知床垫上人体生命特征数据的方法，其特征在于，步骤3中所述处理后的气压信号时域频谱为：s(t)＝s_h(t)+s_b(t)+A；其中，心跳电压信号s_h(t)＝A_h×sin(2πf_ht+θ_h)，呼吸电压信号s_b(t)＝A_b×sin(2πf_bt+θ_b)，A_h和A_b分别为心跳和呼吸的幅度，f_h和f_b分别为呼吸和心跳的频率，θ_h和θ_b分别为呼吸和心跳的初始相位；

所述对处理后的气压信号时域频谱进行快速傅里叶变换具体为： $S\left(j2\mathrm{\π}f\right)=$ ${\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}s\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt.$

4.根据权利要求2所述的一种精确获知床垫上人体生命特征数据的方法，其特征在于，所述预设的呼吸频段范围为0～0.5Hz；所述预设的心跳频段范围为0.6～2.7Hz。

5.根据权利要求1所述的一种精确获知床垫上人体生命特征数据的方法，其特征在于，在步骤2和步骤3之间还包括：对根据所述气压获得的信号依次进行低通滤波、0～350倍放大、低通滤波，获得所述处理后的气压信号，所述低通滤波允许通过的最大频率小于或等于10Hz。

6.根据权利要求1所述的一种精确获知床垫上人体生命特征数据的方法，其特征在于，步骤1还包括：提供充气泵、空气控制阀，所述空气控制阀设于所述充气泵与所述充气袋层连接的管路上，所述空气控制阀连通充气袋层侧气孔与充气泵，或连通充气袋层侧气孔与外界，或闭合充气袋侧层气孔；

所述步骤3还包括充气袋层气压调节：根据外部操作或预设程序以及所述当前气压值控制所述充气泵和所述空气控制阀，改变所述充气袋层内的气压到目标范围。

7.根据权利要求6所述的一种精确获知床垫上人体生命特征数据的方法，其特征在于，所述充气袋层气压调节过程进一步包括：

步骤31，根据所述外部操作或预设程序获取所述目标范围；

步骤32，将当前气压值与所述目标范围进行比较，

若当前气压值大于目标范围则控制空气控制阀连通充气袋层侧气孔与外界，进行放气降压直至当前气压值降至所述目标范围；

若当前气压值小于目标范围则控制空气控制阀连通充气袋层侧气孔与充气泵，打开充气泵进行充气升压直至当前气压值升至所述目标范围。

8.一种智能床垫系统，其特征在于，包括：智能控制装置、气压传感器、床垫；所述床垫包括充气袋层；

所述气压传感器连接至所述床垫的充气袋层，并检测获取所述充气袋层内气压；所述智能控制装置与所述气压传感器相连，所述智能控制装置根据所述气压传感器检测的充气袋层内气压的变化获取床垫上人体生命特征数据，所述床垫上人体生命特征数据包括呼吸频率和/或心跳频率。

9.根据权利要求8所述的一种智能床垫系统，其特征在于，所述智能控制装置包括前处理模块和后处理模块；

所述前处理模块将所述气压传感器检测获取的充气袋层的气压信号处理后传输给所述后处理模块，所述后处理模块根据处理后的气压信号获取床垫上人体的呼吸频率和/或心跳频率；所述处理后的气压信号频率小于或等于10Hz。

10.根据权利要求9所述的一种智能床垫系统，其特征在于，所述后处理模块包括第二处理子模块，

所述第二处理子模块对处理后的气压信号时域频谱进行快速傅里叶变换获得处理后的气压信号频域频谱；

所述第二处理子模块在预设的呼吸频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为所述呼吸频率；

所述第二处理子模块在预设的心跳频段范围内获取所述处理后的气压信号频域频谱的峰值输出为所述心跳频率。

11.根据权利要求9所述的一种智能床垫系统，其特征在于，所述处理后的气压信号时域频谱：s(t)＝s_h(t)+s_b(t)+A；其中，心跳电压信号s_h(t)＝A_h×sin(2πf_ht+θ_h)，呼吸电压信号s_b(t)＝A_b×sin(2πf_bt+θ_b)，A_h和A_b分别为心跳和呼吸的幅度，f_h和f_b分别为呼吸和心跳的频率，θ_h和θ_b分别为呼吸和心跳的初始相位；

所述第二处理子模块对处理后的气压信号时域频谱进行快速傅里叶变换具体为： $S\left(j2\mathrm{\π}f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}s\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}ft}dt.$

12.根据权利要求10所述的一种智能床垫系统，其特征在于，所述后处理模块还包括网络连接子模块；所述第二处理子模块通过所述网络连接子模块将所述呼吸频率和心跳频率发送至其他联网设备。

13.根据权利要求10所述的一种智能床垫系统，其特征在于，所述后处理模块还包括显示模块；所述第二处理子模块将所述呼吸频率和心跳频率传输至所述显示模块进行实时显示。

14.根据权利要求9所述的一种智能床垫系统，其特征在于，所述前处理模块与所述后处理模块通过USB接口相连，所述前处理模块控制USB协议将所述处理后的气压信号传输给所述后处理模块。

15.根据权利要求9所述的一种智能床垫系统，其特征在于，还包括充气泵、空气控制阀；所述空气控制阀设于所述充气泵与所述充气袋层连接的管路上；

所述前处理模块根据外部操作或预设程序以及所述当前气压值控制所述充气泵和所述空气控制阀，改变所述充气袋层内的气压到目标范围,从而调节所述床垫的软硬；

所述空气控制阀响应所述前处理模块的控制连通充气袋层侧气孔与充气泵，或连通充气袋层侧气孔与外界，或闭合充气袋侧层气孔。

16.根据权利要求15所述的一种智能床垫系统，其特征在于，还包括外接气室，所述充气袋层与所述外接气室连通，所述气压传感器设于所述外接气室内。

17.根据权利要求9所述的一种智能床垫系统，其特征在于，所述前处理模块包括滤波放大子模块，所述滤波放大子模块包括第一低通滤波器、放大器、第二低通滤波器；所述气压传感器连接所述第一低通滤波器，所述第一低通滤波器连接所述放大器，所述放大器连接所述第二低通滤波器；

所述第一低通滤波器将气压信号滤波至信号频率小于或等于10Hz，所述放大器将信号放大0-350倍，所述第二低通滤波器将放大后的信号滤波至信号频率小于或等于10Hz获得所述处理后的气压信号。

18.根据权利要求17所述的一种智能床垫系统，其特征在于，所述前处理模块还包括模数转换器、第一处理子模块；

所述气压信号经所述滤波放大子模块处理后经所述模数转换器进行模数转换获得所述处理后的气压信号，所述第一处理子模块将所述处理后的气压信号发送给所述后处理模块。

19.根据权利要求17或18所述的一种智能床垫系统，其特征在于，所述前处理模块还包括第一处理子模块；

所述第一处理子模块根据所述处理后的气压信号获得当前气压值，以及根据外部操作或预设程序以及所述当前气压值控制所述充气泵和所述空气控制阀，改变所述充气袋层内的气压到目标范围,从而调节所述床垫的软硬。

20.根据权利要求19所述的一种智能床垫系统，其特征在于，所述前处理模块还包括蓝牙子模块；所述第一处理子模块通过所述蓝牙子模块与其他蓝牙设备通信。