CN111166102B - 一种基于碳纳米墙阵列传感器的智能床垫 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于碳纳米墙阵列传感器的智能床垫，属于人机交互领域。该床垫包括床垫本体，碳纳米墙阵列传感器，可调节弹簧，充气气囊，信号采集单元，信号控制和处理单元，无线通信单元。信号采集单元通过采集电路对阵列传感器进行行列扫描，采用碳纳米墙金字塔结构复合石墨烯的阵列传感器。信号控制与处理单元使用大量临床躺姿与褥疮病的形成过程数据作为先验知识，提取用户对床垫的压力信息的特征，进行综合性健康评估，再根据相应的健康评估结果对可调节弹簧或充气气囊高度和充气量进行调整。本发明通过阵列传感器得到更丰富的压力数据，通过结合临床经验给出相应的调整措施，对褥疮的防治与治疗有较好的效果。

Description

一种基于碳纳米墙阵列传感器的智能床垫

技术领域

本发明属于人机交互领域，涉及一种基于碳纳米墙阵列传感器的智能床垫。

背景技术

睡眠是一种生理反应，是大脑神经活动的一部分，是大脑皮质内神经细胞继续兴奋之后产生抑制的结果。当抑制作用在大脑皮质内占优势的时候，人就会睡觉。人们在生活中，有工作，有休息，在神经活动中，有兴奋，有抑制。抑制是为了保护神经细胞，以便让它重新兴奋，让人们继续工作，睡眠姿势不正确——容易出现打呼噜、磨牙、落枕等问题，这些问题在初期有可能不属于病态的，而是属于亚健康状态。根据《亚健康中医临床指南》：亚健康是指人体处于健康和疾病之间的状态。处于亚健康状态者，不能达到健康标准，表现为一定时间内的活力下降，记忆力减退，注意力不集中，思维缓慢，环境适应能力减退等症状。而人们长期处于亚健康状态，会导致内分泌紊乱，情绪易于波动，脱发，体重发生变化等情况。

长期卧床的患者由于局部组织长期受压，血液循环不佳，发生皮肤持续缺血、缺氧、营养不良而致组织浅表溃疡，糜烂等情况发生，进而导致褥疮，据有关文献报道，每年约有6万人死于褥疮及其并发症。长期卧床还会引起心肺功能下降，骨质疏松，泌尿系统感染等症，改善长期卧床患者的床垫环境已经成为一个亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于碳纳米墙阵列传感器的智能床垫。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于碳纳米墙阵列传感器的智能床垫，包括床垫本体，碳纳米阵列传感器，可调节弹簧，充气气囊，信号采集单元，信号控制和处理单元，移动通信与控制单元；

床垫本体包括充排气缓冲层、碳纳米墙传感层和弹簧充气气囊调节层；阵列传感器采集人体对床垫的压力信息；通过调整可调节弹簧的高度和充气气囊的充气量调整人体受力的目的；

碳纳米墙阵列传感器采用金字塔结构碳纳米墙与叉指电极，在叉指电极未接触碳纳米墙的时候，叉指电极处于断开状态，当叉指电极接触碳纳米墙的时候，叉指电极经过碳纳米墙形成通路，当对传感器施加压力的时候，碳纳米墙金字塔结构发生形变，接触面积变大，电阻变小，同时碳纳米墙中的石墨烯微片开始形成通路，增强其导电性能，进一步减小其电阻，使传感器更加灵敏，采集的压力范围更大；

信号采集单元包括碳纳米墙阵列传感器和行列扫描电路；碳纳米墙阵列传感器通过用户对床垫施加的压力改变其电阻的大小，行列扫描电路通过不断的扫面阵列传感器的每个敏感单元的电阻值采集到初始信息；碳纳米墙阵列传感器包括碳纳米墙和叉指电极，行列扫描电路包括基本的放大电路和数模转换部分；

信号控制与处理单元包括健康检测专家系统和健康提示APP，将采集的用户压力信息和时域信息传递到处理单元，特征提取和用户健康状态评定在数据处理单元中进行，健康检测专家系统根据临床躺姿及褥疮的产生的过程及状态作为先验知识对提取的用户压力特征和时域特征进行健康综合评估，再通过无线网将评估结果回传到用户手机的APP上，健康提示APP根据用户的健康综合评估给出翻身、通风建议并推送给用户；信号处理单元根据健康评估结果调整。

可选的，所述碳纳米墙阵列传感器制作时候采用在刻有金字塔型凹槽的镍片上生长石墨烯碳纳米墙。

可选的，所述碳纳米墙阵列传感器在生长出碳纳米墙之后，使用激光烧蚀的方法将镍片烧蚀掉，保留一层碳纳米墙薄片。

可选的，所述碳纳米墙阵列传感器在使用激光烧蚀掉镍片之后，在碳纳米墙薄片的金字塔结构的底部一面使用梯度印刷的方式，印刷含有不同浓度的石墨烯微粒的炭黑。

可选的，所述碳纳米墙阵列传感器在进行炭黑的梯度印刷之后，在炭黑的表面再印刷一层PET材料，增强敏感单元的韧性。

可选的，所述智能床垫还包括语音识别助手系统，用于在用户躺着的过程中通过语言问答对床垫进行控制。

可选的，所述智能床垫通过前期在大量卧床病人非用户本人躺姿数据的训练集上对CNN算法对模型进行训练和优化，通过用户初期数据的自适应学习，掌握用户的在临床上的躺姿状况，针对用户的状况对床垫进行相应的调整。

可选的，该智能床垫还包括移动通信单元，所述移动通信单元对信号控制与处理单元进行控制，移动通信单元还包括无线I模块和移动远程APP控制模块，无线I模块负责收发与移动远端控制模块之间的数据；无线I与移动远程模块II通信，所述移动远端控制模块实现移动远端与信号控制与处理单元运行状态数据的交换、同步与控制。

本发明的有益效果在于：本发明解决了传统床垫敏感性能差，测量范围较小，通风性差，不能在具体的部位进行高度调整等缺点，能够帮助用户自动调整睡眠姿势，防止落枕、打呼噜等问题，并帮助长期卧床患者改变身体受力，防止皮肤发炎溃烂。提供了一种体感舒适，通风性好，易于排除用户的汗液，皮肤舒适感高，抑制细菌生长，不易老化的新型碳纳米墙智能床垫。适用于家庭，医院病床等各种环境。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的基于碳纳米阵列传感器智能床垫的系统框图

图2为本发明的基于碳纳米阵列传感器的智能床垫的金字塔凹槽的镍片结构示意图

图3为本发明的基于碳纳米阵列传感器的智能床垫的金字塔结构敏感单元

图4为本发明的基于碳纳米阵列传感器的智能床垫的金字塔结构的切面示意图；

图5为本发明的基于碳纳米阵列传感器的智能床垫无线信号传输示意图；

图6为本发明的基于碳纳米墙阵列传感器的叉指电极示意图；

图7为本发明的基于碳纳米墙阵列传感器的碳纳米墙示意图；

图8为发明的基于碳纳米墙阵列传感器的系统刨面示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1-6所示，一种基于碳纳米阵列传感器的智能床垫，包括床垫本体、碳纳米墙阵列传感器、据采集单元、信号控制与处理单元1和移动通信单元；所述数据采集单元包括碳纳米复合柔性电极，所述碳纳米墙阵列传感器制作时候采用在刻有金字塔型凹槽的镍片上生长石墨烯碳纳米墙，在生长出碳纳米墙之后，使用激光烧蚀的方法将镍片烧蚀掉，保留一层碳纳米墙薄片，使用激光烧蚀掉镍片之后，在碳纳米墙薄片的金字塔结构的底部一面使用梯度印刷的方式，印刷含有不同浓度的石墨烯微粒的炭黑，在进行炭黑的梯度印刷之后，在炭黑的表面再印刷一层PET材料，增强敏感单元的韧性，在进行炭黑的梯度印刷之后，在炭黑的表面再印刷一层PET材料，增强敏感单元的韧性，使用上述方法制作的碳纳米墙压力传感器在受到压力的时候，金字塔塔尖部分被压缩，增大了与叉指电极的接触部分，敏感单元的电阻发生变化。使传感器更加灵敏。床垫本体包括充气缓冲层，冲排气缓冲层通过静音风机进行充气，并通过上层阵列小孔进行排气，对用户达到通风换气，防止皮肤溃烂的效果。

信号控制与处理单元，使用大量临床躺姿作为训练数据，对CNN算法进行训练，使用户在使用床垫时候能够根据临床经验自动对床垫进行相应的调整。

所述信号控制与处理单元包括模数转换模块、放大电路模块、微控制器模块和无线收发模块。

微控制器模块主要功能：负责外部信号接口模块的数据采集和发送控制电平，输出不同类型的控制数据，同时负责控制无线通信模块的数据通信。

电源模块主要功能：将电池电压转换为其他模块所需的工作电压。

所述无线通信模块I主要功能：负责收发微控制器模块与手机APP之间的通信数据。

本实施例中，所述移动通信单元包括移动远端APP控制模块II和无线通信模块I，无线模块II与无线I通信，负责收发与移动远端控制模块之间的数据。所述移动远端控制模块实现移动远端的控制指令与智能床垫运行状态数据的交换与同步，并可以通过APP发送指令对床垫进行相应的控制，使之具有便于使用和携带的特点。

图7是本发明的基于碳纳米墙阵列传感器的碳纳米墙示意图；

图8为本明的基于碳纳米墙阵列传感器智能床垫的示意图：当用户躺在智能床垫上时候，阵列传感器会采集用户对床垫的压力作为初始数据，然后进行相应的特征提取，再将数据传递给数据控制与处理单元，数据控制与处理单元，根据训练好的模型做出相应的判断，并对床垫中的充气气囊和可调节弹簧进行高度调整，使用户各部位处于正常的受力状态，避免受力不均而导致肌肉酸痛等情况的发生，保证用户休息的质量，另外信号采集单元会记录用户在床垫上躺的时间，结合受力情况进行综合判断，根据判断结果调整充气气囊上方的排气孔进行通风，避免褥疮等疾病的发生。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于碳纳米墙阵列传感器的智能床垫，其特征在于：包括床垫本体，碳纳米阵列传感器，可调节弹簧，充气气囊，信号采集单元，信号控制和处理单元，移动通信与控制单元；

床垫本体包括充排气缓冲层、碳纳米墙传感层和弹簧充气气囊调节层；阵列传感器采集人体对床垫的压力信息；通过调整可调节弹簧的高度和充气气囊的充气量调整人体受力的目的；

碳纳米墙阵列传感器采用金字塔结构碳纳米墙与叉指电极，在叉指电极未接触碳纳米墙的时候，叉指电极处于断开状态，当叉指电极接触碳纳米墙的时候，叉指电极经过碳纳米墙形成通路，当对传感器施加压力的时候，碳纳米墙金字塔结构发生形变，接触面积变大，电阻变小，同时碳纳米墙中的石墨烯微片开始形成通路，增强其导电性能，进一步减小其电阻，使传感器更加灵敏，采集的压力范围更大；

信号采集单元包括碳纳米墙阵列传感器和行列扫描电路；碳纳米墙阵列传感器通过用户对床垫施加的压力改变其电阻的大小，行列扫描电路通过不断的扫面阵列传感器的每个敏感单元的电阻值采集到初始信息；碳纳米墙阵列传感器包括碳纳米墙和叉指电极，行列扫描电路包括基本的放大电路和数模转换部分；

信号控制与处理单元包括健康检测专家系统和健康提示APP，将采集的用户压力信息和时域信息传递到处理单元，特征提取和用户健康状态评定在数据处理单元中进行，健康检测专家系统根据临床躺姿及褥疮的产生的过程及状态作为先验知识对提取的用户压力特征和时域特征进行健康综合评估，再通过无线网将评估结果回传到用户手机的APP上，健康提示APP根据用户的健康综合评估给出翻身、通风建议并推送给用户；信号处理单元根据健康评估结果调整；

所述碳纳米墙阵列传感器制作时候采用在刻有金字塔型凹槽的镍片上生长石墨烯碳纳米墙；

所述碳纳米墙阵列传感器在生长出碳纳米墙之后，使用激光烧蚀的方法将镍片烧蚀掉，保留一层碳纳米墙薄片；

所述碳纳米墙阵列传感器在使用激光烧蚀掉镍片之后，在碳纳米墙薄片的金字塔结构的底部一面使用梯度印刷的方式，印刷含有不同浓度的石墨烯微粒的炭黑；

所述碳纳米墙阵列传感器在进行炭黑的梯度印刷之后，在炭黑的表面再印刷一层PET材料，增强敏感单元的韧性。

2.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米墙阵列传感器的智能床垫，其特征在于：所述智能床垫还包括语音识别助手系统，用于在用户躺着的过程中通过语言问答对床垫进行控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米墙阵列传感器的智能床垫，其特征在于：所述智能床垫通过前期在大量卧床病人非用户本人躺姿数据的训练集上对CNN算法对模型进行训练和优化，通过用户初期数据的自适应学习，掌握用户的在临床上的躺姿状况，针对用户的状况对床垫进行相应的调整。

4.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米墙 阵列传感器的智能床垫，其特征在于：该智能床垫还包括移动通信单元，所述移动通信单元对信号控制与处理单元进行控制，移动通信单元还包括无线I模块和移动远程APP控制模块，无线I模块负责收发与移动远端控制模块之间的数据；无线I与移动远程模块II通信，所述移动远端控制模块实现移动远端与信号控制与处理单元运行状态数据的交换、同步与控制。

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