CN109463936B - 一种智能床垫 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种智能床垫，其特征在于，包括：床垫本体、传感器单元、信号调理电路和信号处理电路；所述传感器单元设置在床垫本体中人体上半身对应位置，所述传感器单元包括传感器，采集人体睡眠时的压力信号，所述信号调理电路对压力信号进行放大、过滤，所述信号处理电路对所述信号调理电路的输出信号进行计算从而得出睡眠状况数据。本发明的智能床垫利用单个压电薄膜传感器代替传感器组测得多种生理信号，并且反应快，精度高，相互干扰小。压电薄膜传感器质薄，放置于身下大大减小了异物感，提高了用户舒适度。信号处理电路中选取CC2541微控制芯片，同时兼顾信号处理与通讯，降低系统尺寸与功耗，还能节约成本。

Description

一种智能床垫

技术领域

本发明涉及智能家居领域，特别涉及一种智能床垫。

背景技术

随着生活水平的提高，人们对睡眠质量的要求越来越高，因此，睡眠检测技术越来越多的应用于日常生活。

公开号为CN104101383B的中国专利申请公开了一种基于光纤光栅传感器的智能床垫，通过在床垫表面覆盖由织物包裹的光纤，该光纤上设有若干分布式光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器，众多传感器通过信号耦合采集出人体生理信号。该方案的缺点是：信号采集需要众多传感器的配合，不同传感器之间采集的信号会互相影响，难于捕捉信号，导致信号精度差；并且其需要分布式地成对布置压力传感器和温度传感器传感器，实施难度大，成本高。

公开号为CN106725391A的中国专利申请公开了一种智能床垫，在床垫本体上平铺柔性光纤传感器，柔性光纤传感器位于床垫本体上部并与人的胸部相配合，采集人体信号之后进行后续处理。该方案的不足之处是：采用了柔性光纤材料作为传感器进行信号采集，光栅光纤比较脆弱，限制了其使用寿命，较弱的机械强度在床上使用稍显欠缺；并且光纤光 栅波长对温度与应变同时敏感，在温度变化时，测量数据会不准确。

如何提高睡眠检测数据的精度，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提出一种智能床垫，能够精确检测用户睡眠状况，测量精度高，使用寿命长，舒适性好。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种智能床垫，包括：床垫本体、传感器单元、信号调理电路和信号处理电路；所述传感器单元设置在床垫本体中人体上半身对应位置，所述传感器单元包括传感器，采集人体睡眠时的压力信号，所述信号调理电路对压力信号进行放大、过滤，所述信号处理电路对所述信号调理电路的输出信号进行计算从而得出睡眠状况数据。

可选地，所述智能床垫还包括屏蔽单元，所述屏蔽单元设置在所述传感器和所述信号调理电路之间。

可选地，所述屏蔽单元包括由两个屏蔽层构成的壳体和信号引出线；所述屏蔽层尺寸大于所述传感器，两个屏蔽层之间夹设传感器；所述信号引出线一端连接所述传感器的接线引脚，另一端延伸出所述屏蔽层构成的壳体。

可选地，所述智能床垫还包括显示单元，用于显示所述信号处理电路输出的睡眠状况数据。

可选地，所述智能床垫还包括通讯单元，所述信号处理电路通过通讯单元将数据传输到所述显示单元上。

可选地，所述智能床垫还包括报警单元，所述报警单元用于当出现呼吸暂停、心跳暂停症状并持续时间超过预设值时，发出报警信号。

可选地，所述智能床垫还包括闹钟单元，用于设置闹钟。

可选地，所述智能床垫还包括控制器，所述控制器包括：

第一单元，用于设置采样频率，将来自信号调理电路的输出信号进行AD采样；选取一个时间段，对这一段时间内采集到的信号进行处理，作为判断用户是否存在心跳、呼吸、打鼾、体动的基准信号；

第二单元，通过傅里叶算法对来自信号调理电路的信号进行滤波处理，将信号中的低频以及高频噪声滤除掉；

第三单元，将滤波后的信号中不需要的频率的波形滤除掉，然后计算出用户的睡眠状况数据。

可选地，所述控制器还包括第四单元，所述第四单元用于识别用户在睡眠期间发生的异常生命体征。

可选地，所述控制器还包括第五单元，所述第五单元用于识别用户在睡眠期间发生的异常生命体征，当出现异常生命体征并持续时间超过预设值时，发出报警信号。

本发明的有益效果是：

本发明的智能床垫利用单个压电薄膜传感器代替传感器组测得多种生理信号，并且反应快，精度高，相互干扰小。压电薄膜传感器质薄，放置于身下大大减小了异物感，提高了用户舒适度。信号处理电路中选取CC2541微控制芯片，同时兼顾信号处理与通讯，降低系统尺寸与功耗，还能节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1a为本发明一种智能床垫的一个可选实施例的框图；

图1b为本发明一种智能床垫的一个可选实施例的平面结构示意图；

图1c为本发明一种智能床垫的一个可选实施例的截面结构示意图；

图2a为本发明一种智能床垫的另一个可选实施例的框图；

图2b为屏蔽单元的一个可选实施例的结构示意图；

图3为本发明一种智能床垫的另一个可选实施例的框图；

图4为本发明一种智能床垫的另一个可选实施例的框图；

图5a为信号调理电路的一个可选实施例的结构示意图；

图5b为经过所述信号调理电路调理后的信号波形图；

图5c示出了经过区分处理后的呼吸信号波形图；

图6为控制器的框图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

图1a示出了智能床垫的一个可选实施例。

该可选实施例中，所述智能床垫包括：传感器单元110、信号调理电路130和信号处理电路140。所述传感器单元110设置在床垫本体中人体上半身对应位置，采集人体睡眠时的原始压力信号，所述信号调理电路对原始压力信号进行放大、过滤，其输出信号包括人体心跳信号、呼吸信号、打鼾信号以及体动信号，所述信号处理电路140对人体心跳信号、呼吸信号、打鼾信号以及体动信号进行计算从而得出睡眠状况数据，包括心率数据、呼吸数据及睡眠过程中的打鼾数据和体动数据，对整个睡眠过程中的情况进行监测。

可选地，所述传感器单元110包括压电薄膜传感器，采集待测对象的实时生理信号。例如，所述压电薄膜传感器为PVDF(Polyvinylidene Fluoride，聚偏氟乙烯)压电薄膜传感器，PVDF压电薄膜传感器具有整体薄、质轻、柔软、可以无源工作、耐用、灵敏度高、带宽范围宽等特点，拥有和水接近的声阻抗，特别适合人体生理信号的测量。由于压电薄膜传感器具有信号测量的高灵敏度，不需要和身体有直接接触，可以测出待测对象的心跳信号、呼吸信号、打鼾信号及其他微弱体动信号。采用该可选实施例，用一个压电薄膜传感器即可完成对多组生理信号的测量，可以有效避免使用模块化的传感器组进行信号采集所产生的传感器之间的互相影响，提高测量精度，同时也使得后级电路对信号的分析更加简单方便。由于压电薄膜传感器具有轻薄的特点，将其放于身下基本不会产生异物感，可以大大提高使用的舒适度。

可选地，所述传感器单元110封装在带状或者面状的亲肤材料基材中，例如亲肤材料基材为人工皮革，其具有质地软、耐磨损、手感好等特点，所述亲肤材料基材为所要采集的人体生理信号的优良介质，所述传感器单元110经过封装后可以使整体结构更柔软，测量效果更灵敏，并能对压电薄膜传感器进行保护，同时也能提高使用的舒适性，更适合长期测量。

图1b示出了所述智能床垫的一个可选实施例平面结构图。

该可选实施例中，所述传感器单元110设置在床垫本体100中人体胸部对应区域。当然，所述传感器单元110也可以设置在床垫本体100的其他位置，用于测量人体睡眠时的原始压力信号。

图1c示出了所述智能床垫的一个可选实施例截面结构图。

该可选实施例中，所述传感器单元110设置在薄垫层101下方、弹性层102上方。当然，所述传感器单元110也可以设置在床垫本体100的其他层之间，用于测量人体睡眠时的原始压力信号。

图2a示出了智能床垫的另一个可选实施例。

该可选实施例中，所述智能床垫还包括屏蔽单元120，所述屏蔽单元120设置在所述传感器和所述信号调理电路130之间，为防止传感器输出的采集信号干扰而作的屏蔽处理，使传感器输出的采集信号更清晰，更精准。

图2b示出了屏蔽单元的一个可选实施例。

该可选实施例中，所述屏蔽单元包括由两个屏蔽层构成的壳体3和信号引出线2。所述屏蔽层尺寸大于所述传感器，两个屏蔽层之间夹设传感器且将传感器完全包裹。所述信号引出线一端连接所述传感器的接线引脚，另一端延伸出所述屏蔽层构成的壳体，所述信号引出线用于传输传感器采集到的原始信号，对传感器与信号调理电路的传输过程进行保护，避免采集到的原始信号在传输过程受到外界杂波污染，使信号调理电路接收到的信号更加清晰，更加精准。

可选地，所述屏蔽层形状与所述传感器形状相同，且尺寸略大于所述传感器。可选地，所述屏蔽层形状根据具体应用设计，其尺寸保证完全包裹所述传感器。

可选地，所述两个屏蔽层通过胶相粘合，例如所述胶为不导电双面胶。

可选地，所述屏蔽层的备胶一面黏合传感器，无胶一面朝外，两个屏蔽层将所述传感器整体包裹在中间，形成封闭式壳体，实现电磁屏蔽。

可选地，所述屏蔽层的材质为铝箔，两个屏蔽层将所述传感器封闭在中间，形成封闭式铝箔壳体。采用该可选实施例，将铝箔制作成能完全覆盖住传感器表面的形状，一面涂覆不导电双面胶，另一面不作处理使其具备导电性能，铝箔质地柔软、延展性好，导电性能优良。

可选地，所述信号引出线为带屏蔽线的双芯线，包括一条屏蔽线和两条导线，所述导线的一端焊接在所述传感器相应的接线引脚，所述导线另一端与信号调理电路相连接。

图3示出了智能床垫的另一个可选实施例。

该可选实施例中，所述智能床垫还包括显示单元160，用于显示所述信号处理电路140输出的睡眠状况数据。可选地，所述显示单元为电脑或者后台服务器，用户可以在电脑或者后台服务器上获取睡眠状况数据，或者在电脑或者服务器上对所述智能床垫进行设置。可选地，所述显示单元为移动终端，例如手机、平板电脑等，用户可以通过手机或者平板电脑上的APP直观地获取睡眠状况数据，也可以通过手机或者平板电脑上的APP对智能床垫进行设置。

图4示出了智能床垫的另一个可选实施例。

在该可选实施例中，所述智能床垫还包括通讯单元150，所述信号处理电路140通过通讯单元150将数据传输到显示单元上，例如手机等移动终端。可选地，所述通讯单元采用的无线电频率为2.4GHz的蓝牙无线频率，2.4GHz蓝牙低能量符合RF片上系统，支持250Kbps、500Kbps、1Mbps、2Mbps的数据传输速率。采用该可选实施例，所述通讯单元具有良好的接收灵敏度、选择性和阻断性能，传输的频率可以是秒级的实时传输，也可以是将相隔一时间段的打包数据发送至移动终端、台式电脑或后台服务器。

在另一个可选实施例中，所述智能床垫还包括睡眠分析模块，用于根据所述睡眠状况数据对睡眠质量进行分析，用户能够直观地看到睡眠情况分析结果，例如入睡时间点、打鼾时间和时长、体动次数及整晚睡眠质量评分等。可选地，所述睡眠分析模块设置在所述信号处理电路中。可选地，所述睡眠分析模块由移动终端中的APP实现。

图5a示出了信号调理电路的一个可选实施例。

该可选实施例中，所述信号调理电路包括两级运算放大电路，第一级运算放大电路131用于将传感器的微弱电流信号转换成电压信号，第二级运算放大电路132用于将第一级运算放大电路131输出的电压信号进行放大。采用该可选实施例，所述信号调理电路130用于对传感器单元110采集的原始信号进行了放大、滤波，把采集到的原始信号调理成特征点更明显、更容易识别的信号，包括人体心跳信号、呼吸信号、打鼾信号以及体动信号。

图5b示出了经过所述信号调理电路调理后的信号波形。

图5b中，71、72、73、74、75、76、77、……是心跳信号的波形；81、82、83、……是呼吸信号的波形。

可选地，所述信号处理电路140与信号调理电路130相连接，所述信号处理电路包括控制器，所述控制器对经过调理的人体心跳信号、呼吸信号、打鼾信号以及体动信号进行分析，计算出待测对象的睡眠状况数据，所述睡眠状况数据包括心率数据、呼吸数据及睡眠过程中的打鼾数据和体动数据。例如，所述信号处理电路140的控制器通过算法对人体心跳信号、呼吸信号、打鼾信号以及体动信号的幅值、频率设定合适阈值，将不同的生理特征信号区分处理，包括心跳信号、呼吸信号、打鼾信号以及体动信号，获得睡眠状态数据，包括心跳频率数据、呼吸频率数据、打鼾数据以及体动数据。对上述睡眠状态数据做对比分析，可以进一步分析出用户的睡眠质量。

图5c示出了经过区分处理后的呼吸信号波形图。

图5c中，91、92、93、94为区分后的呼吸信号波形。

可选地，所述信号处理电路还包括报警单元，用于当出现呼吸暂停、心跳暂停等症状并持续时间超过预设值时，发出报警信号。

可选地，所述信号处理电路还包括闹钟单元，用于设置闹钟，闹钟单元在预设时间叫醒用户。

可选地，如图6所示，所述控制器包括：

第一单元210，用于设置一个合适的采样频率，将来自信号调理电路的输出信号进行AD采样；选取一个合适的时间段，对这一段时间内采集到的信号进行处理，作为判断用户是否存在心跳、呼吸、打鼾、体动的基准信号。可选地，所述第一单元对一段时间内采集到的信号进行处理，通过傅里叶变换，滤除掉0.1Hz以下的无用信号，在满足采样信号不失真的情况下，尽量提高采样速率，最大限度还原原始信号，作为判断用户是否存在心跳、呼吸、打鼾、体动的基准信号。

第二单元220，通过傅里叶算法对来自信号调理电路的信号进行滤波处理，将信号中的低频以及高频噪声滤除掉。

第三单元230，将滤波后的信号分为四路，分别是心跳信号、呼吸信号、打鼾信号、体动信号，将每一路信号中不需要的频率的波形滤除掉，然后计算出用户的心跳频率数据、呼吸频率数据、打鼾时长、体动时长等睡眠状况数据，作为评价用户睡眠质量好坏的指标。

可选地，所述控制器还包括第四单元，所述第四单元用于识别用户在睡眠期间发生的异常生命体征，例如呼吸暂停、心跳暂停等症状，然后记录下来，告知用户潜在的健康危险。

可选地，所述控制器还包括第五单元，所述第五单元用于识别用户在睡眠期间发生的异常生命体征，当出现呼吸暂停、心跳暂停等症状并持续时间超过预设值时，发出报警信号。

例如，所述信号处理电路采用CC2541作为控制器，比如CC2541F256。CC2541可以满足数据处理的需要，而且又是为蓝牙而设计的芯片，通过设计相应的通讯外设，可以同时兼顾数据处理与通讯要求，这样就可以将通讯单元150所需的通讯芯片和信号处理电路140所需的数据处理芯片合二为一，大大降低生产成本，选择合适的微处理器能有效地提升监测效果的实时性，以及降低整体装置的尺寸和功耗。

本发明的智能床垫利用单个压电薄膜传感器代替传感器组测得多种生理信号，并且反应快，精度高，相互干扰小。压电薄膜传感器质薄，放置于身下大大减小了异物感，提高了用户舒适度。信号处理电路中选取CC2541微控制芯片，同时兼顾信号处理与通讯，降低系统尺寸与功耗，还能节约成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能床垫，其特征在于，包括：床垫本体、传感器单元、信号调理电路和信号处理电路；所述传感器单元设置在床垫本体中人体上半身对应位置，所述传感器单元包括传感器，采集人体睡眠时的压力信号，所述信号调理电路对压力信号进行放大、过滤，所述信号处理电路对所述信号调理电路的输出信号进行计算从而得出睡眠状况数据；

所述信号处理电路包括控制器，控制器包括：

第一单元，用于设置采样频率，将来自信号调理电路的输出信号进行AD采样；选取一个时间段，对这一段时间内采集到的信号进行处理，作为判断用户是否存在心跳、呼吸、打鼾、体动的基准信号；第一单元对一段时间内采集到的信号进行处理，通过傅里叶变换，滤除掉0.1Hz以下的无用信号，在满足采样信号不失真的情况下，尽量提高采样速率，最大限度还原原始信号，作为判断用户是否存在心跳、呼吸、打鼾、体动的基准信号；

第二单元，通过傅里叶算法对来自信号调理电路的信号进行滤波处理，将信号中的低频以及高频噪声滤除掉；

第三单元，将滤波后的信号分为四路，分别是心跳信号、呼吸信号、打鼾信号、体动信号，将每一路信号中不需要的频率的波形滤除掉，然后计算出用户的心跳频率数据、呼吸频率数据、打鼾时长、体动时长数据，作为评价用户睡眠质量好坏的指标；

还包括屏蔽单元，所述屏蔽单元设置在所述传感器和所述信号调理电路之间；

所述屏蔽单元包括由两个屏蔽层构成的壳体和信号引出线；所述屏蔽层尺寸大于所述传感器，两个屏蔽层之间夹设传感器；所述信号引出线一端连接所述传感器的接线引脚，另一端延伸出所述屏蔽层构成的壳体；

所述屏蔽层形状与所述传感器形状相同，且尺寸略大于所述传感器；所述屏蔽层尺寸保证完全包裹所述传感器；所述两个屏蔽层通过胶相粘合，所述屏蔽层的备胶一面黏合传感器，无胶一面朝外，两个屏蔽层将所述传感器整体包裹在中间，形成封闭式壳体，实现电磁屏蔽；所述屏蔽层的材质为铝箔，两个屏蔽层将所述传感器封闭在中间，形成封闭式铝箔壳体；

所述信号引出线为带屏蔽线的双芯线，包括一条屏蔽线和两条导线，所述导线的一端焊接在所述传感器相应的接线引脚，所述导线另一端与信号调理电路相连接。

2.如权利要求1所述的一种智能床垫，其特征在于，还包括显示单元，用于显示所述信号处理电路输出的睡眠状况数据。

3.如权利要求2所述的一种智能床垫，其特征在于，还包括通讯单元，所述信号处理电路通过通讯单元将数据传输到所述显示单元上。

4.如权利要求1所述的一种智能床垫，其特征在于，还包括报警单元，所述报警单元用于当出现呼吸暂停、心跳暂停症状并持续时间超过预设值时，发出报警信号。

5.如权利要求1所述的一种智能床垫，其特征在于，还包括闹钟单元，用于设置闹钟。

6.如权利要求1所述的一种智能床垫，其特征在于，所述控制器还包括第四单元，所述第四单元用于识别用户在睡眠期间发生的异常生命体征。

7.如权利要求6所述的一种智能床垫，其特征在于，所述控制器还包括第五单元，所述第五单元用于识别用户在睡眠期间发生的异常生命体征，当出现异常生命体征并持续时间超过预设值时，发出报警信号。

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