CN108958047A - 一种智能睡眠系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能睡眠系统及其工作方法，系统具体划分为人机交互平台，信息采集系统，中央服务器与建筑家居设备系统。人机交互平台作为用户与系统信息交流的媒介，可供用户对系统下达指令并获取睡眠先关数据与建议。信息采集系统分别通过环境传感器与智能穿戴设备采集环境参数与用户身体参数。中央服务器与其他三部分具有交互，中央服务器接收人机交互平台下达的用户指令结合信息采集系统收集的数据，对建筑家居设备做联动动作指令。建筑家居设备系统相应中央服务器要求，对室内温湿度，光照条件等进行调整。可为用户提供不断优化，量身定做，高度智能的睡眠环境，保证用户拥有高质量睡眠，进而提高工作学习效率，增强免疫力。
Description
技术领域
本发明属于智能家居技术领域，具体涉及一种智能睡眠系统及其工作方法。
背景技术
人的一生中有三分之一的时间在睡眠中度过，而每个人或多或少因为学业，工作或娱乐，出现睡眠不足，失眠，睡眠不好以及醒后精力不足的问题。这里我们意在用精致睡眠系统创造高质量的睡眠。
目前，睡眠问题集中体现在入睡困难，浅睡眠，早睡，早醒等方面。而长期处于低质量睡眠会引起心烦意乱，疲乏无力，甚至头痛，多梦，多汗，记忆力衰退，严重时会可能会引起一些列临床症状，并诱发一系列身心性疾病。
睡眠阶段划分如图1所示，睡眠过程中有很显著典型的神经行为活动与生理活动。睡眠由两个交替出现的不同时像所组成，包括非快速眼动睡眠和快速眼动睡眠，此时相中出现要求快速运动，并且经常做梦。
非快速眼动阶段以及其脑电波分成三个阶段：
a.睡眠第一阶段，又称1期。醒觉期的a波(8-13Hz的EEG脑电图)逐渐消失，代之以频率2-7Hz的EEG活动占优势。呼吸和心率开始轻微下降，而我们的大脑者进入另一种创造和休息的状态。此时我们的思维如同蜂蜜一般缓慢流动。
这一阶段是完全清醒与入睡间的过渡过程，对正常的睡眠者，第一阶段延续至半分钟到七分钟，在此阶段，对外界刺激的反应消失。
b.睡眠的第二阶段，又称2期。出现睡眠梭形波(突发性的12-14Hz，持续0.5秒以上) 或K复合波(先负后正的综合脑波，过程大于0.5秒)。这一阶段可谓真正睡眠的第一阶段，这一阶段的心理活动由短暂琐碎而不连贯的思维构成。在此阶段，大脑逐渐将其清醒时的活动停止掉，但人们很容易惊醒。入睡问题主要集中出现在上述的两个阶段之中。
c.睡眠的第三阶段与第四阶段，又称3期。这一阶段的睡眠又称δ波睡眠，以高振幅(峰峰值>75μV)，低频率(0.5-2Hz)的δ波为特征。人们的脑电波频率降到了最低，相应的，血压，呼吸和心跳频率降到了一天中的最低点。血管开始扩张，平时存储在器官中的血液流入到我们的肌肉当中。保证睡眠质量，减少浅睡眠，增加深度睡眠并保证睡眠时间，避免早醒等问题则需要在第三阶段处理。快速眼动睡眠自主神经系统活动增强，呈现快频低压电波，类似清醒时的脑波。频繁出现快速的眼球运动，同时在一些与视觉有关的脑结构，包括大脑皮层视区，出现高大锐波，统称脑桥-膝状体-枕区皮层波(PGO)。这也就是我们做梦的状态，梦境真实而生动的原因也与身体机能这种状态息息相关。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种智能睡眠系统及其工作方法，提高睡眠质量。
本发明采用以下技术方案：
一种智能睡眠系统，包括建筑家居设备、中央服务器和移动终端，建筑家居设备、移动终端与中央服务器之间通过Zigbee通讯模块连接，智能穿戴设备和环境传感器通过数据采集服务器与中央服务器连接；
建筑家居设备包括空调、影音设备、窗帘、环境传感器、照明设备、床具和虚拟现实设备；
空调通过供冷、供暖、通风调整室内温度、湿度与新风量；
智能穿戴设备用于用户与系统信息交互节环节，用于每晚入睡阶段场景的选择与起床模式开启时间设定，收集用户生理状态参数，包括人体皮肤温度，脑电，心电，皮电，指尖脉搏，呼吸率与血压数据库；
数据采集服务器包括数据库与专家库，数据库与专家库用于分析用户数据，为用户提供睡眠情况反馈与建议，使用以太网连接中央服务器与数据库、专家库进行睡眠数据分析与睡眠建议反馈；
照明设备用于提供合适照度与颜色的人工照明；
虚拟现实设备用于投射3d影像，模拟各种场景；
环境传感器用于采集室内温湿度与环境噪声，照度等环境参数；
中央服务器用于接收智能穿戴设备输入的场景选择，起床模式开启时间，人体生理参数，生成数据库并对话，对空调，影音设备，照明设备，虚拟现实设备做出联动控制指令；
移动终端用于人机交互媒介，通过移动终端对中央服务器下达指令，进行开关控制，场景设置，时间设定并获取使用反馈与建议。
具体的，智能穿戴设备分内外两层，内层中镶嵌监测电极安装位点，在胸部外侧和内衬之间的夹层固定有心电采集左手点位LA，右手点位RA，胸部点位C，其中，LA点位安装在人体前胸左侧锁骨中线第一肋间对应的位置，RA点安装在与人体前胸右锁骨中线第一肋间的位置，C位点安装在与胸骨左源第四肋间对应的位置，体温检测位点安装在与人体左腋下中线第一肋间对应的位置，在腰部外层和内层之间的夹层中设置有心电采集位点左腿位点LL与右腿位点RL，LL位点安装在与左侧肋骨末端剑突水平对应位置，RL安装在与右侧肋骨末端剑突水平对应位置；
外层设置有口袋，口袋位于人体左侧，口袋内置有采集电路，在智能穿戴设备的衣袖上臂处固定有带有气囊的袖带，袖带中的气囊与导气管的一端连接，导气管的另一端与采集电路中的血压信号接口电路中的压力传感器，带有气囊的袖带上的导管接口从袖带的导管出口穿出，在通道的出口附近缝制口袋用于放置采集人体心电，呼吸，体温和血压生理信号的采集装置。
进一步的，电极扣缝在内层的外表面上，电极通过导电扣与对应的电极扣进行无缝连接，电极扣将采集的电生理信号传导到导联线处，通过导线传输到采集电路，采集电路通过ZIgbee 通讯模块实现与中央服务器的数据交流，心电信号通过二阶低通无源滤波器及限幅电路预处理后，通过波形分析获取相关心电信号数据；皮肤温度通过K型，E型，T型热点偶获取，热点偶偶丝的截面积小于0.5mm2，在热电偶测量点焊接厚度为0.15～0.3mm的铜片，将测得的电动势送入单片机换算成温差，结合环境温度传感器读数计算获取皮肤温度值，利用光电传感器捕捉因呼吸引起的胸部运动，再通过单片机计数，将计算结果通过Zigbee模块传输至中央服务器，通过袖部气囊与导气管之间的流体的相对流动确定血压的大小。
进一步的，智能穿戴设备还包括智能手环，智能手环包括心率监测系统和皮电监测系统；
心率监测系统为脉搏信号检测模块，脉搏信号检测模块采用桡动脉，尺动脉脉搏信号及其差分信号三通道检测的方法，脉搏信号经手环内侧布置的光电传感器采集，由差分信号输入单片机，计算后由ZIgbee通讯模块向中央控制器输出；
皮电检测系统使用ITO，通过纳米切割，再使用多壁碳纳米超声分散LN-二甲基甲酰胺制成碳纳米管修饰电极，再采用L-B莫技术修饰分别将铜锌掺杂Z型锶钴铁氧体修饰碳纳米管，碳纳米管修饰ITO电极制成皮电传感器，利用其与皮肤汗液形成的电化学效应强弱测量皮电水平，通过微伏表得到皮电电势大小，经单片机换算后，由ZIgbee通讯模块向中央控制器输出。
一种智能睡眠系统的工作方法，包括以下步骤：
S1、睡眠准备阶段，通过环境传感器，智能穿戴设备，移动终端，空调，影音设备，虚拟现实设备，照明设备，针对用户进入睡眠第一阶段的用时与室内参数情况进行记录，在用户设定条件不变情况下，对各项参数逐一进行调整；
S2、睡眠监测阶段，通过环境传感器、智能穿戴设备与空调保证用户拥有高质量睡眠；
S3、睡眠唤醒阶段，通过开关控制，场景选择、时间设定和使用反馈连续性的提升身体机能后使用户自然清醒。
具体的，步骤S1具体如下：
S101、用户启动智能睡眠系统开关，设置唤醒时间并佩戴智能手环，穿着智能睡衣，上床休息；环境传感器开始测量记录环境照度，风速，温湿度，噪声水平与二氧化碳浓度，智能穿戴设备开始测量记录用户心率，皮电，皮肤温度，心电，呼吸率，血压与脑电；
S102、用户进行场景选择，相关设备进行联动；
S103、系统对用户进行入睡检测，当系统检测到用户心率，呼吸率均减缓，血压降低，α波逐渐消失，当2～7Hz的EEG活动占优势时，判定用户进入睡眠第一阶段,关闭影音设备，和虚拟现实设备，空调继续运行，维持照明设备照度不变，并持续保持对环境参数与用户身体参数的监测。
进一步的，步骤S102中，相关设备进行联动具体为：
空调送入低温或高温气体，保证室内温度处于20℃，湿度处于60～65％，并按30m3/h/人的卫生标准送入室外新风，用户睡眠区风速在0.1m/s以下，在送风中混入具有助眠效果的环境气味香氛；
影音设备根据用户选择的场景，播放对应的音频；
照明设备根据用户选择的情景，调整照明色彩，维持用户面部附近照度25lx；
虚拟现实设备根据用户选择的场景，在居室进行VR投影，模拟选定场景。
具体的，步骤S2具体如下：
S201、记用户进入睡眠第一阶段时间为A，用户设定唤醒时间为B，以℃/h的下降速率对室内环境温度进行调整；
S202、对用户身体参数进行检测，并控制相应设备，在室内温度缓慢变化过程中，若出现用户心率与呼吸率的提升，则温度下降过快，减缓室内温度下降速度，提升室内温度，待心率与呼吸率稳定并出现下降趋势，重新调整暖通空调系统，缓慢降温。
S203、调整室内相对湿度，对用户皮电数据进行分析，若皮肤电阻减小，则皮肤表面有汗，室内相对湿度过高，皮电电阻增大，则皮肤表面干燥，室内相对湿度较低，以入眠时皮电水平为标准，对相对湿度进行调节，并记录数据。
S204、当通过步骤S202无法降低用户呼吸率与心率时，增大空调的新风量。
S205、重复以上步骤，对室温下降曲线做出调整。
具体的，步骤S3具体如下：
S301、在设定起床温度前2h，环境温度达到最低点，逐步提升室内温度；
S302、在设定起床时间前10min，提升房间照度，直至用户出现皮电反应；
S303、设定起床时间过后5min，根据用户喜好播放背景音乐。
具体的，通过心电监测装置收集用户睡眠时的脑电变化情况，并划分睡眠阶段，按睡眠第一阶段，第二阶段，第三阶段与第四阶段各自时间占比与夜间心率呼吸率及心率变化情况实现睡眠监控。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种智能睡眠系统，建筑家居设备、移动终端与中央服务器之间通过Zigbee无线通讯连接，智能穿戴设备和环境传感器通过数据采集服务器与中央服务器连接，可拓展性：采用Zigbee通讯，通讯协议公开，可根据自身需求对系统进行拓展；动态性：信息采集系统实时采集用户身体参数与环境参数，并结合睡眠率的规律，中央服务器实时分析并下达指令控制家具设备动作，可动态响应用户需求；人性化：中央服务器中录入人体睡眠率，并可根据用户个人习惯与喜好进行调整；便捷性：通过移动终端，用户可以实现对系统的指令下达，家具设备的控制并获取睡眠相关数据与专家建议；精细化：本系统在使用过程中会存储室内温湿度，光照强度，二氧化碳浓度与用户心电，呼吸率，体温，血压，心率，皮电等过程物理量，这些信息可以为进一步的数据分析提供良好的基础，有助于系统的改善；安装简易，维护简单：采用ZIgbee无线技术组网，无复杂布线，无须破坏墙体等设施。
进一步的，续航强：电路简单，搭载传感器与芯片耗电量较低，不存在续航问题；灵活性：元件均镶嵌于衣物表面，可根据个人喜好选择睡衣尺寸，材质，款式，进行调整；拓展性：电路与通讯网络开放，可添加功能模块，诸如GSM模块，直接关联急救系统，针对老年用户，身体机能出现问题时直接报警急救，可结合单片机最短时间发出急救请求。
进一步的，专业性：本手环相对市面上出售的手环功能针对性较强，仅在睡眠时佩戴，测量心率与皮电参数，更小更精致，舒适性更强，能耗更低；灵活性：手环内置电路与通讯网络开放，可按用户需求镶嵌入手表或者首饰中。
本发明还公开了一种智能睡眠系统的工作方法，包括睡眠准备阶段、睡眠监测阶段和睡眠唤醒阶段，将睡眠过程划分成睡眠准备阶段，睡眠监测阶段，睡眠唤醒阶段。各阶段功能相对独立，分别为保证用户快速入眠，提升用户睡眠质量，自然唤醒用户。阶段划分明确利于分析睡眠问题，针对各阶段用户身体参数与室内参数情况，可分析得出用户睡眠问题并提出睡眠建议，诸如入睡较为困难，可适当降低入睡时照度，并通过移动终端提出增加户外活动时间，通过饮食摄入褪黑素等建议。亦或者非自然唤醒，造成身体机能未完全苏醒，工作学习效率过低，可增加唤醒阶段时间，并提升室温，照度变化速率，保证用户自然唤醒，身体机能完全苏醒。
进一步的，本阶段主要目的是帮助用户快速入眠。该阶段具有个性化的特点，一方面用户可以根据个人喜好进行入眠场景的选择；另一方面，系统结合用户该阶段身体参数与环境参数，可调节入眠阶段室内环境照度，风速，温湿度，噪声水平与二氧化碳浓度，即在用户个人喜好基础上，量身定制用户入眠环境参数。
进一步的，设备联动主要目的是为用户营造逼真且舒适的入眠环境。各设备动作均建立在人体睡眠率与用户喜好基础上。对用户来说，设备控制与操作较为简单，只需使用移动终端进行场景模式选择，设备具体动作由所选择场景与系统数据库对用户入眠阶段的身体参数，环境参数分析结果决定。
进一步的，睡眠监测阶段主要目的是保证用户高质量深度睡眠。该阶段主要针对用户睡眠时身体参数的变化情况，对环境参数进行调整。即该阶段，精致睡眠系统为用户提供动态的，定制的舒适睡眠环境以保证睡眠质量。设备动作情况由设定规律与用户身体参数自动控制，无需人工干预，极为便捷。
进一步的，睡眠唤醒阶段主要目的是是为了连续性地提高身体机能后使用户自然清醒，避免使用闹钟等强制手段唤醒用户后，身体机能尚未恢复，精神涣散。即该阶段可保证用户起床后，身体机能完全恢复，精神抖擞，工作学习效率较高。
综上所述，本发明旨在为用户创造量身定做，智能化水平较高的舒适睡眠系统，可为用户提供不断优化，量身定做，高度智能的睡眠环境，保证用户拥有高质量睡眠，进而提高工作学习效率，增强免疫力。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为睡眠阶段持续时间图；
图2为本发明系统连接示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明一种智能睡眠系统及其工作方法，包括建筑家居设备、中央服务器、数据采集服务器和移动终端，建筑家居设备、数据采集服务器、移动终端与中央服务器之间通过Zigbee无线通讯连接，中央服务器与数据采集服务器之间通过以太网连接。
建筑家居设备包括空调、影音设备、窗帘、智能穿戴设备、照明设备、床具和虚拟现实设备，空调通过供暖、通风和空气调节调整室内温度、湿度与新风量。
影音设备用于检测环境噪声并播放两种音频，一种是针对用户选择与喜好的背景音乐，另一种是通过分析环境噪声在背景音乐中加入的背景噪声，用以中和环境噪声。
智能穿戴设备用于用户与系统信息交互节环节。一方面，初次使用时，用以输入用户年龄，职业，性别，喜好的信息，另一方面用于每晚入睡阶段场景的选择与起床模式开启时间设定，此外，收集用户生理状态参数，包括人体皮肤温度，脑电，心电，皮电，指尖脉搏，呼吸率与血压数据库。
照明设备用于提供合适照度与颜色的人工照明。
虚拟现实设备用于投射3d影像，模拟各种场景(诸如森林，草原，花园，沙滩等)。
优选的，空调出风口处设置有场景模拟气味装置和舒眠气味装置，场景模拟气味装置用于释放出模仿草原，森林，花园，沙滩等场景的气味；舒眠气味装置内设置有薰衣草提取液和百合提取液。
中央服务器用于接收智能穿戴设备输入的场景选择，起床模式开启时间，人体生理参数，生成数据库，对空调，影音设备，照明设备，虚拟现实设备做出联动控制指令。
数据采集服务器包括环境传感器、数据库与专家库，环境传感器用于采集室内温湿度与环境噪声，照度等环境参数。
数据库与专家库用于分析用户数据，为用户提供睡眠情况反馈与建议，使用以太网连接中央服务器与数据库、专家库进行睡眠数据分析与睡眠建议反馈。
移动终端用于人机交互媒介，通过移动终端对中央服务器下达指令，进行开关控制，场景设置，时间设定并获取使用反馈与建议。主要包括智能穿戴设备与智能手机。
智能穿戴设备由三部分构成，心电、呼吸感知监控子系统，皮肤温度、血压和脉率感知系统与功耗控制，数据传输以及交互控制子系统。
智能穿戴设备分内外两层，内层中镶嵌监测电极安装位点。在胸部外侧和内衬之间的夹层固定有心电采集左手点位(LA)，右手点位(RA)，胸部点位(C)，其中，LA点位安装在人体前胸左侧锁骨中线第一肋间对应的位置，RA点安装在与人体前胸右锁骨中线第一肋间的位置，C位点安装在与胸骨左源第四肋间对应的位置，体温检测位点安装在与人体左腋下中线第一肋间对应的位置。
在腰部外层和内衬之间的夹层中置有心电采集位点左腿位点(LL)与右腿位点(RL)，其中，LL位点安装在与左侧肋骨末端剑突水平对应的位置，RL安装在与右侧肋骨末端剑突水平相当的位置。
此外，智能穿戴设备还包括口袋，口袋位于外层人体的左侧，口袋内置有采集电路。在睡衣的衣袖上臂处固定有带有气囊的袖带，袖带中的气囊与导气管的一端连接，导气管的另一端与采集电路中的血压信号接口电路中的压力传感器，带有气囊的袖带上的导管接口从袖带的导管出口穿出。外层为单层结构，在通道的出口附近缝制口袋用于放置采集人体心电，呼吸，体温和血压生理信号的采集装置。
电极扣缝在内层的外表面上，电极通过导电扣与对应的电极扣进行无缝连接。进一步的，电机扣将采集的电生理信号传导到导联线处，最终通过导线传输到采集电路。采集电路通过 ZIgbee通讯模块实现与中央服务器的数据交流。
心电信号通过二阶低通无源滤波器及限幅电路预处理后，通过波形分析获取相关心电信号数据。皮肤温度则通过K型，E型，T型热点偶，偶丝的截面积一般小于0.5mm2。此外为了提高测量精度减小热电偶偶丝导热对测温的影响，在热电偶测量点焊接导热性能较好的集热片 (一般为0.15-0.3mm铜片)，在与表面接触。将测得的电动势送入单片机换算成温差结合环境温度传感器读数计算获取皮肤温度值。呼吸率测量原理与手环测量脉搏信号测量相仿，利用光电传感器捕捉因呼吸引起的胸部运动，再通过单片机计数，将计算结果通过Zigbee模块向中央服务器传输。血压测量即传统血压测量方式，通过袖部气囊与导气管之间的流体的相对流动确定血压的大小。
智能手环包括心率监测系统和皮电监测系统；
心率监测系统主体为脉搏信号检测模块。脉搏信号检测模块采用桡动脉，尺动脉脉搏信号及其差分信号三通道检测的方法，以提高系统检测的可靠性与抗干扰能力。脉搏信号经手环内侧布置的光电传感器采集，由差分信号输入单片机，计算后由ZIgbee通讯模块向中央控制器输出。
皮电检测系统使用ITO(N型氧化物半导体-氧化烟锡)，通过纳米切割，再使用(DMF) 多壁碳纳米超声分散LN-二甲基甲酰胺制成碳纳米管修饰电极，再采用L-B莫技术修饰分别将铜锌掺杂Z型锶钴铁氧体修饰碳纳米管，碳纳米管修饰ITO电极制成皮电传感器，利用其与皮肤汗液形成的电化学效应强弱测量皮电水平。通过微伏表得到皮电电势大小，经单片机换算后，由ZIgbee通讯模块向中央控制器输出。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明精致睡眠系统工作过程共分三个阶段，睡眠准备阶段，睡眠监测阶段，唤醒阶段。各阶段系统运作步骤如下：
S1、睡眠准备阶段
该阶段主要目的是为了帮助用户入眠，主要工作设备包括环境传感器，智能穿戴设备，移动终端，暖通设备，影音设备，虚拟现实设备，照明设备，其实施步骤如下：
S101、用户启动智能睡眠系统开关，设置唤醒时间并佩戴智能手环，穿着智能睡衣，上床休息；环境传感器开始测量记录环境照度，风速，温湿度，噪声水平与二氧化碳浓度。智能穿戴设备开始测量记录用户心率，皮电，皮肤温度，心电，呼吸率，血压与脑电；
S102、用户进行场景选择，诸如森林，草原，花园，沙滩，相关设备进行联动；
a、暖通设备：送入低温(夏季)或高温(冬季)气体，保证室内温度处于20℃(预设值，根据用户偏好，可进行调整)，湿度处于60～65％，并按30m3/h/人的卫生标准送入室外新风，并用户睡眠区风速在0.1m/s以下。此外，根据用户选择的情景，在送风中混入具有助眠效果的环境气味香氛。诸如，草原模式，薰衣草提取液；花园模式，百合花提取液。
b、影音设备：根据用户选择的场景，播放对应的音频，诸如，森林模式，鸟鸣；沙滩模式，海浪声。
c、照明设备：根据用户选择的情景，调整照明色彩，诸如，森林模式，草原模式，花园模式，浅绿；沙滩模式，蓝色。结合照度检测装置，维持用户面部附近照度25lx左右。
d、虚拟现实设备：根据用户选择的场景，在居室进行VR投影，模拟选定场景，诸如，森林模式，投影参天大树；花园模式，投影蜂飞蝶舞。
S103、系统对用户进行入睡检测。
当系统检测到用户心率，呼吸率均减缓，血压降低，α波(8-13Hz的EEG脑电图)逐渐消失，代之以2-7Hz的EEG活动占优势时，我们判定用户进入睡眠第一阶段。关闭影音设备，虚拟现实设备，空调继续运行，维持照明设备照度不变。并持续保持对环境参数与用户身体参数的监测。
针对用户进入睡眠第一阶段的用时与室内参数情况进行记录，在用户设定条件不变情况下，对各项参数逐一进行微小调整。诸如，用户在选择森林模式下，在室内温度20℃，室内湿度65％，面部附近照度25lx，背景音乐25dB条件下11min入眠。在用户下次选择该模式时，保持其他参数不变，将温度提升至21℃并记录入眠时间。以此进行数据分析，将各室内参数作为自变量，入眠时间作为因变量(以最近20次该场景数据为准，避免数据量过大，出现龙格效应)，进行离散曲线拟合，获取各情境下，用户睡眠准备阶段最佳参数配备，以保证用于快速入眠。
S2、睡眠监测阶段
该阶段主要目的是保证用户拥有较高质量的睡眠。睡眠监测阶段主要运行设备主要由三部分构成，环境监测设备，智能穿戴设备与暖通空调设备。
环境监测设备与智能穿戴设备持续工作，对环境参数与用户身体参数进行检测。暖通空调设备运行调节主要参考睡眠-体温同步率与用户身体参数变化情况。即其总体趋势为从用户入眠开始，到用户设置的唤醒时间，室温总体呈下降趋势，均匀下降约2℃。期间根据用户身体参数变化情况进行调整，具体实施步骤如下。
S201、记用户进入睡眠第一阶段时间为A，用户设定唤醒时间为B，以℃/h的下降速率对室内环境温度进行调整。
S202、对用户身体参数进行检测，并控制相关设备做出相应。在室内温度缓慢变化过程中，若出现用户心率与呼吸率的提升，则说明温度下降过快，适当减缓室内温度下降速度伸着少量提升室内温度，待心率与呼吸率稳定，出现下降趋势，重新调整暖通空调系统，缓慢降温。
S203、调整室内相对湿度。温度变化必然带来室内相对湿度的变化，对用户皮电数据进行分析。若皮肤电阻减小，则皮肤表面有汗，室内相对湿度过高。相对的，皮电电阻增大，则皮肤表面干燥，室内相对湿度较低。根据各地气候，生活习惯，性别年龄不同，皮电水平差异较大。这里我们以入眠时皮电水平为标准，对相对湿度进行调节，并记录相关数据。
S204、当通过第二步无法降低用户呼吸率与心率时，增大空调系统新风量。
S205、针对上述调整，对室温下降曲线做出调整。
本阶段主要任务是保证用户的睡眠质量。前面提到，个体睡眠质量对环境要求存在一定的差异性。这里需要结合睡眠质量反馈体系对各环境参数设定值与身体参数标准值进行调整。睡眠质量反馈体系详见下文。
S3、睡眠唤醒阶段
睡眠唤醒阶段主要目的是为了连续性的提升身体机能后使用户自然清醒，避免使用闹钟等强制手段唤醒用户后，身体机能尚未恢复，精神涣散，学习工作效率较低的问题。其具体实施步骤如下：
S301、在设定起床温度前2h，环境温度已经达到最低点。随后缓慢提升室内温度。
S302、在设定起床时间前10min，提升房间照度，直至用户出现皮电反应。
S303、设定起床时间过后5min，根据用户喜好播放背景音乐。
除此之外，结合睡眠期间各项参数的记录，精致睡眠系统为用户提供睡眠质量体系与咨询体系。通过心电监测装置，收集用户睡眠时的脑电变化情况，并划分睡眠阶段。按睡眠第一阶段，第二阶段，第三阶段与第四阶段各自时间占比与夜间心率呼吸率及心率变化情况对睡眠质量做出评价。
同时，通过睡眠质量评价体系，使用高分情况，对睡眠监控各阶段环境参数设定值与身体机能参数值进行重新整定。
咨询体系则是通过用户睡眠数据与用于个人信息，结婚和专业医疗人事问询，对用户睡眠提供建议。
本发明有以下几点优点。
第一，个性化：从智能穿戴设备的灵活调整，到多种入睡情景模式的选择，再到系统根据用户身体参数调整环境参数，都体现出该发明对用户差异性的考虑。
第二，集成化与智能化：无论是系统的启停，场景模式的选择，唤醒时间的设定还是睡眠质量评价与建议的查看，均可在移动终端上实现，对用户极为友好。且睡眠准备阶段的设备联动，睡眠检测阶段设备对身体参数的响应均自动进行，不需要人工干预，使用较为方便。
第三，数据化：本系统运行过程中，会存储用户每晚睡眠时的身体参数与环境参数相关数据。结合长期的运行数据，既可以为用户提供更合适，更舒适，更智能的睡眠环境，又能为用户提供睡眠质量分析与建议，还可不断完善系统设计并协助相关科学研究。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能睡眠系统，其特征在于，包括建筑家居设备、中央服务器和移动终端，建筑家居设备、移动终端与中央服务器之间通过Zigbee通讯模块连接，智能穿戴设备和环境传感器通过数据采集服务器与中央服务器连接；
建筑家居设备包括空调、影音设备、窗帘、环境传感器、照明设备、床具和虚拟现实设备；
空调通过供冷、供暖、通风调整室内温度、湿度与新风量；
智能穿戴设备用于用户与系统信息交互节环节，用于每晚入睡阶段场景的选择与起床模式开启时间设定，收集用户生理状态参数，包括人体皮肤温度，脑电，心电，皮电，指尖脉搏，呼吸率与血压数据库；
数据采集服务器包括数据库与专家库，数据库与专家库用于分析用户数据，为用户提供睡眠情况反馈与建议，使用以太网连接中央服务器与数据库、专家库进行睡眠数据分析与睡眠建议反馈；
照明设备用于提供合适照度与颜色的人工照明；
虚拟现实设备用于投射3d影像，模拟各种场景；
环境传感器用于采集室内温湿度与环境噪声，照度环境参数；
中央服务器用于接收智能穿戴设备输入的场景选择，起床模式开启时间，人体生理参数，生成数据库并对话，对空调，影音设备，照明设备，虚拟现实设备做出联动控制指令；
移动终端用于人机交互媒介，通过移动终端对中央服务器下达指令，进行开关控制，场景设置，时间设定并获取使用反馈与建议。
2.根据权利要求1所述的一种智能睡眠系统，其特征在于，智能穿戴设备分内外两层，内层中镶嵌监测电极安装位点，在胸部外侧和内衬之间的夹层固定有心电采集左手点位LA，右手点位RA，胸部点位C，其中，LA点位安装在人体前胸左侧锁骨中线第一肋间对应的位置，RA点安装在与人体前胸右锁骨中线第一肋间的位置，C位点安装在与胸骨左源第四肋间对应的位置，体温检测位点安装在与人体左腋下中线第一肋间对应的位置，在腰部外层和内层之间的夹层中设置有心电采集位点左腿位点LL与右腿位点RL，LL位点安装在与左侧肋骨末端剑突水平对应位置，RL安装在与右侧肋骨末端剑突水平对应位置；
外层设置有口袋，口袋位于人体左侧，口袋内置有采集电路，在智能穿戴设备的衣袖上臂处固定有带有气囊的袖带，袖带中的气囊与导气管的一端连接，导气管的另一端与采集电路中的血压信号接口电路中的压力传感器，带有气囊的袖带上的导管接口从袖带的导管出口穿出，在通道的出口附近缝制口袋用于放置采集人体心电，呼吸，体温和血压生理信号的采集装置。
3.根据权利要求2所述的一种智能睡眠系统，其特征在于，电极扣缝在内层的外表面上，电极通过导电扣与对应的电极扣进行无缝连接，电极扣将采集的电生理信号传导到导联线处，通过导线传输到采集电路，采集电路通过ZIgbee通讯模块实现与中央服务器的数据交流，心电信号通过二阶低通无源滤波器及限幅电路预处理后，通过波形分析获取相关心电信号数据；皮肤温度通过K型，E型，T型热点偶获取，热点偶偶丝的截面积小于0.5mm2，在热电偶测量点焊接厚度为0.15～0.3mm的铜片，将测得的电动势送入单片机换算成温差，结合环境温度传感器读数计算获取皮肤温度值，利用光电传感器捕捉因呼吸引起的胸部运动，再通过单片机计数，将计算结果通过Zigbee模块传输至中央服务器，通过袖部气囊与导气管之间的流体的相对流动确定血压的大小。
4.根据权利要求2所述的一种智能睡眠系统，其特征在于，智能穿戴设备还包括智能手环，智能手环包括心率监测系统和皮电监测系统；
心率监测系统为脉搏信号检测模块，脉搏信号检测模块采用桡动脉，尺动脉脉搏信号及其差分信号三通道检测的方法，脉搏信号经手环内侧布置的光电传感器采集，由差分信号输入单片机，计算后由ZIgbee通讯模块向中央控制器输出；
皮电检测系统使用ITO，通过纳米切割，再使用多壁碳纳米超声分散LN-二甲基甲酰胺制成碳纳米管修饰电极，再采用L-B莫技术修饰分别将铜锌掺杂Z型锶钴铁氧体修饰碳纳米管，碳纳米管修饰ITO电极制成皮电传感器，利用其与皮肤汗液形成的电化学效应强弱测量皮电水平，通过微伏表得到皮电电势大小，经单片机换算后，由ZIgbee通讯模块向中央控制器输出。
5.一种权利要求1至4中任一项所述智能睡眠系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、睡眠准备阶段，通过环境传感器，智能穿戴设备，移动终端，空调，影音设备，虚拟现实设备，照明设备，针对用户进入睡眠第一阶段的用时与室内参数情况进行记录，在用户设定条件不变情况下，对各项参数逐一进行调整；
S2、睡眠监测阶段，通过环境传感器、智能穿戴设备与空调保证用户拥有高质量睡眠；
S3、睡眠唤醒阶段，通过开关控制，场景选择、时间设定和使用反馈连续性的提升身体机能后使用户自然清醒。
6.根据权利要求5所述的一种智能睡眠系统的工作方法，其特征在于，步骤S1具体如下：
S101、用户启动智能睡眠系统开关，设置唤醒时间并佩戴智能手环，穿着智能睡衣，上床休息；环境传感器开始测量记录环境照度，风速，温湿度，噪声水平与二氧化碳浓度，智能穿戴设备开始测量记录用户心率，皮电，皮肤温度，心电，呼吸率，血压与脑电；
S102、用户进行场景选择，相关设备进行联动；
S103、系统对用户进行入睡检测，当系统检测到用户心率，呼吸率均减缓，血压降低，α波逐渐消失，当2～7Hz的EEG活动占优势时，判定用户进入睡眠第一阶段,关闭影音设备，和虚拟现实设备，空调继续运行，维持照明设备照度不变，并持续保持对环境参数与用户身体参数的监测。
7.根据权利要求6所述的一种智能睡眠系统的工作方法，其特征在于，步骤S102中，相关设备进行联动具体为：
空调送入低温或高温气体，保证室内温度处于20℃，湿度处于60～65％，并按30m3/h/人的卫生标准送入室外新风，用户睡眠区风速在0.1m/s以下，在送风中混入具有助眠效果的环境气味香氛；
影音设备根据用户选择的场景，播放对应的音频；
照明设备根据用户选择的情景，调整照明色彩，维持用户面部附近照度25lx；
虚拟现实设备根据用户选择的场景，在居室进行VR投影，模拟选定场景。
8.根据权利要求5所述的一种智能睡眠系统的工作方法，其特征在于，步骤S2具体如下：
S201、记用户进入睡眠第一阶段时间为A，用户设定唤醒时间为B，以的下降速率对室内环境温度进行调整；
S202、对用户身体参数进行检测，并控制相应设备，在室内温度缓慢变化过程中，若出现用户心率与呼吸率的提升，则温度下降过快，减缓室内温度下降速度，提升室内温度，待心率与呼吸率稳定并出现下降趋势，重新调整暖通空调系统，缓慢降温；
S203、调整室内相对湿度，对用户皮电数据进行分析，若皮肤电阻减小，则皮肤表面有汗，室内相对湿度过高，皮电电阻增大，则皮肤表面干燥，室内相对湿度较低，以入眠时皮电水平为标准，对相对湿度进行调节，并记录数据；
S204、当通过步骤S202无法降低用户呼吸率与心率时，增大空调的新风量；
S205、重复以上步骤，对室温下降曲线做出调整。
9.根据权利要求5所述的一种智能睡眠系统的工作方法，其特征在于，步骤S3具体如下：
S301、在设定起床温度前2h，环境温度达到最低点，逐步提升室内温度；
S302、在设定起床时间前10min，提升房间照度，直至用户出现皮电反应；
S303、设定起床时间过后5min，根据用户喜好播放背景音乐。
10.根据权利要求5所述的一种智能睡眠系统的工作方法，其特征在于，通过心电监测装置，收集用户睡眠时的脑电变化情况，并划分睡眠阶段，按睡眠第一阶段，第二阶段，第三阶段与第四阶段各自时间占比与夜间心率呼吸率及心率变化情况实现睡眠监控。
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