CN110742577A - 一种睡眠监测仪 - Google Patents

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陈晓琪
陈杰
李文超
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Northwest A&F University
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Abstract

一种睡眠监测仪，属于传感器检测技术领域，是主要由柔性力敏传感器、行列压力信号采集模块、单片机、电源模块、信号处理与控制模块和信号分析与算法模块组成的，其特征在于：所述柔性力敏传感器和放大电路相连接，行列压力信号采集模块和AD转换模块相连接，以太网通信模块和单片机相连接，信号处理与控制模块和信号分析与算法模块属于上位机软件处理与控制部分，通过以太网通信模块相连接，有成本低、设备简单、对使用环境无特殊要求，对被测人员几乎无干扰等优点。

Description

一种睡眠监测仪
技术领域
本发明涉及一种睡眠监测仪，属于传感器检测技术领域。
背景技术
睡眠医学是一新兴的边缘交叉学科，旨在研巧睡眠与健康的关系。睡眠监测是睡眠医学研究的重要手段，它是通过传感器、仪器仪表等设备获取人睡眠状态下的生理信号，再把这些生理信号与标准睡眠生理信号进行对比，确定睡眠状态。目前，比较常见的睡眠监测系统主要有多导睡眠监测系统微动敏感床垫式睡眠监测系统、视频睡眠监测系统和睡眠监测智能手环等。多导睡眠监测系统的缺点是成本高、设备复杂；此外，各种信号采集装置会对被测人员的睡眠造成干扰，进而影响监测结果的准确性。本发明研发一种基于柔性力敏传感器的睡眠监测仪。
发明内容
针对上述不足，本发明提供了一种睡眠监测仪。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种睡眠监测仪，是主要由柔性力敏传感器、放大电路、行列压力信号采集模块、AD转换模块、单片机、电源模块、以太网通信模块、信号处理与控制模块和信号分析与算法模块组成的，其特征在于：所述柔性力敏传感器和放大电路相连接，放大电路与AD转换模块相连接，行列压力信号采集模块和AD转换模块相连接，AD转换模块和单片机相连接，电源模块分别给放大电路、单片机、AD转换模块供电，以太网通信模块和单片机相连接，信号处理与控制模块和信号分析与算法模块属于上位机软件处理与控制部分，均与以太网通信模块相连接。
所述的柔性力敏传感器采用电阻式力敏传感器，采用的柔性力敏传感器在结构上分为上下两层，两层之间在接触部分形成接触电阻，电阻值随着接触面积的增大和接触面压力的增加呈近似线性减小，于是我们通过测量电阻值的大小并且经过标定矩阵解算后就可以得到对应的压力值；采用电桥平衡原理来进行测量的，将待测电阻与已知电阻组成电桥电路，通过待测电阻两端电压与己知电阻阻值就可以计算出待测电阻阻值。
所述的电源模块，各部分使用的电压不尽相同，大部分电路采用的是5V电压，而STM32芯片供电电压范围是2-3.6V，需要进行电源电压转换，转换芯片是AMS 1117-3.3。该芯片采用固定电压输出3.3V。
所述的信号分析与算法模块，首先对人体压力分布图像进行去噪声处理，选择合适的采样频率；然后采用顿差法、图像灰度重也法分析体动特征(幅度特征和频率特征，这两者正好能反映睡眠体动的能量大小，与睡眠深浅有关)，将体动按照幅度大小划分为大体动、中体动、小体动和静止，然后再量化处理；分类是为了表示体动的幅度大小，而量化是为了减少因体型等的差异而产生的体动幅度划分误差；再分析体动的周期性特征，包括幅度周期性特征和频率周期性特征；根据体动周期性特征再结合视频睡眠监控来确定深睡眠判别条件和清醒-浅睡眠阈值；最后根据判别条件和闽值对整晚睡眠进行分期，也即是划分为清醒、浅睡眠、深睡眠三种状态。
该发明的有益之处是：本发明的睡眠监测仪，通过阵列式柔性力敏传感器来采集人睡眠时的体动信号，建立体动－睡眠关系模型来监测睡眠；有成本低、设备简单、对使用环境无特殊要求，对被测人员几乎无干扰等优点。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
图中，1、柔性力敏传感器，2、放大电路，3、行列压力信号采集模块，4、AD转换模块，5、单片机，6、电源模块，7、以太网通信模块，8、信号处理与控制模块，9、信号分析与算法模块。
具体实施方式
一种睡眠监测仪，是主要由柔性力敏传感器1、放大电路2、行列压力信号采集模块3、AD转换模块4、单片机5、电源模块6、以太网通信模块7、信号处理与控制模块8和信号分析与算法模块9组成的，其特征在于：所述柔性力敏传感器1和放大电路2相连接，放大电路2与AD转换模块4相连接，行列压力信号采集模块3和AD转换模块4相连接，AD转换模块4和单片机5相连接，电源模块6分别给放大电路2、AD转换模块4、单片机5供电，以太网通信模块7和单片机5相连接，信号处理与控制模块8和信号分析与算法模块9属于上位机软件处理与控制部分，均与以太网通信模块7连接。
所述的柔性力敏传感器1采用电阻式力敏传感器，采用的柔性力敏传感器在结构上分为上下两层，两层之间在接触部分形成接触电阻，电阻值随着接触面积的增大和接触面压力的增加呈近似线性减小，于是我们通过测量电阻值的大小并且经过标定矩阵解算后就可以得到对应的压力值；采用电桥平衡原理来进行测量的，将待测电阻与已知电阻组成电桥电路，通过待测电阻两端电压与己知电阻阻值就可以计算出待测电阻阻值。
所述的电源模块6，各部分使用的电压不尽相同，大部分电路采用的是5V电压，而STM32芯片供电电压范围是2-3.6V，需要进行电源电压转换，转换芯片是AMS 1117-3.3。该芯片采用固定电压输出3.3V。
所述的信号分析与算法模块9，首先对人体压力分布图像进行去噪声处理，选择合适的采样频率；然后采用顿差法、图像灰度重也法分析体动特征(幅度特征和频率特征，这两者正好能反映睡眠体动的能量大小，与睡眠深浅有关)，将体动按照幅度大小划分为大体动、中体动、小体动和静止，然后再量化处理；分类是为了表示体动的幅度大小，而量化是为了减少因体型等的差异而产生的体动幅度划分误差；再分析体动的周期性特征，包括幅度周期性特征和频率周期性特征；根据体动周期性特征再结合视频睡眠监控来确定深睡眠判别条件和清醒-浅睡眠阈值；最后根据判别条件和闽值对整晚睡眠进行分期，也即是划分为清醒、浅睡眠、深睡眠三种状态。
本装置在工作时，睡眠监测人员的压力信号经过柔性力敏传感器采集，然后经过行列转换电路转换为电信号，再传递给基于STM32F103VET6的下位机处理系统；下位机信号采集电路包括:信号放大TL064、A/D转换AD7656、STM32处理器电路、以太网通信接口W5300、电源电路，下位机部分分别对体动压力信号进行信号放大、A/D转换、行列压力信号压缩打包、传递到上位机等处理。上位机软件处理系统包括:压力信号预处理与下位机控制、体动信号分析与睡眠分期算法实现、睡眠分析结果报表，下位机传递来的体动信号经过信号预处理软件恢复成为与压力对应的图像信号，再经过频率选择、去噪声处理，然后就可以通过图像信号来分析体动周期性特征，进而结合视频睡眠监控设定睡眠状态判断条件和阈值，对睡眠进行分期。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种睡眠监测仪，是主要由柔性力敏传感器、放大电路、行列压力信号采集模块、AD转换模块、单片机、电源模块、以太网通信模块、信号处理与控制模块和信号分析与算法模块组成的，其特征在于：所述柔性力敏传感器和放大电路相连接，放大电路与AD转换模块相连接，行列压力信号采集模块和AD转换模块相连接，AD转换模块和单片机相连接，电源模块分别给放大电路、单片机、AD转换模块供电，以太网通信模块和单片机相连接，信号处理与控制模块和信号分析与算法模块属于上位机软件处理与控制部分，均与以太网通信模块相连接。
2.如权利要求1所述的一种睡眠监测仪，其特征在于：所述的柔性力敏传感器采用电阻式力敏传感器，采用的柔性力敏传感器在结构上分为上下两层，两层之间在接触部分形成接触电阻，电阻值随着接触面积的增大和接触面压力的增加呈近似线性减小，于是我们通过测量电阻值的大小并且经过标定矩阵解算后就可以得到对应的压力值；采用电桥平衡原理来进行测量的，将待测电阻与已知电阻组成电桥电路，通过待测电阻两端电压与己知电阻阻值就可以计算出待测电阻阻值。
3.如权利要求1所述的一种睡眠监测仪，其特征在于：所述的电源模块，各部分使用的电压不尽相同，大部分电路采用的是5V电压，而STM32芯片供电电压范围是2-3.6V，需要进行电源电压转换，转换芯片是AMS 1117-3.3。该芯片采用固定电压输出3.3V。
4.如权利要求1所述的一种睡眠监测仪，其特征在于：所述的信号分析与算法模块，首先对人体压力分布图像进行去噪声处理，选择合适的采样频率；然后采用顿差法、图像灰度重也法分析体动特征(幅度特征和频率特征，这两者正好能反映睡眠体动的能量大小，与睡眠深浅有关)，将体动按照幅度大小划分为大体动、中体动、小体动和静止，然后再量化处理；分类是为了表示体动的幅度大小，而量化是为了减少因体型等的差异而产生的体动幅度划分误差；再分析体动的周期性特征，包括幅度周期性特征和频率周期性特征；根据体动周期性特征再结合视频睡眠监控来确定深睡眠判别条件和清醒-浅睡眠阈值；最后根据判别条件和闽值对整晚睡眠进行分期，也即是划分为清醒、浅睡眠、深睡眠三种状态。
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