CN111195128A - 一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置和方法。本发明的装置包括由加速度计、温度传感器、第一蓝牙模块、第一单片机构成的信号检测装置，所述信号检测装置具有呼吸、体动、体温检测和无线通讯功能；还包括由第二单片机、LED及驱动电路、第二蓝牙模块构成的主控制装置。本发明的方法通过采集使用者的呼吸信号控制灯亮度实时地跟踪使用者的呼吸状态从而实现灯亮度强弱变化的过程与使用者呼吸过程完全同步的睡眠引导。本发明还通过分析使用者的呼吸信号特征、体动特征和体温特征判断使用者是否已经入睡从而决定是否终止睡眠辅助引导。

Description

一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置和方法
技术领域
本发明涉及电子、自动控制、睡眠辅助和光学工程等技术领域，尤其涉及一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置和方法。
背景技术
近年来关于助眠的产品大量涌现，如药物安眠、灯光助眠、按摩助眠和音乐助眠等。人在准备进入睡眠状态前最明显的可感知动作便是有节奏的呼吸；诸如声音助眠、光电助眠等直接施加物理干预的助眠方法其干预强度和干预节奏是随机的，相对于使用者的呼吸节奏来讲是杂乱的，这种杂乱的物理干预在一定程度上会扰乱使用者的呼吸节奏甚至会导致部分使用者心绪烦躁，这也就限制了施加物理干预的助眠方法的效果。
公开号为CN102553054A的专利记载了一种呼吸睡眠辅助装置及方法。通过安放在使用者头部附近的温度传感探头检测呼吸引起的与环境相异的温度变化来检测使用者的呼吸频率，然后控制声音和灯光按照呼吸频率亮暗变化从而实现睡眠引导。该方法的不足在于其只具备识别使用者呼吸频率的能力而不具备呼吸状态（吸气、呼气、停顿和气流速度）分析的和跟踪的功能，这也就导致其灯光亮度变化与呼吸过程只有频率的契合而缺乏强度和速度的契合，即灯光亮度上升和下降的时序和速度不能与呼、吸和停顿三个呼吸阶段相对应，而是凭经验进行设定。相比于简单的施加灯光和声音睡眠引导，这种方法实现了与呼吸频率的同步，一定程度上提高了灯光和声音助眠的效果，但是人在准备进入睡眠的阶段注意力很容易集中于外界施加的助眠干预，这种灯光亮度变化与呼吸状态的不一致性同样无法避免相对于呼吸节奏杂乱的问题。
发明内容
发明目的。
为了克服上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种通过实时监测使用者的呼吸信号、分析提取呼吸信号特征、跟踪使用者的呼吸状态（吸气、呼气、停顿和气流速度）从而控制助眠灯光的变化完全契合使用者的呼吸节律并能够判断使用者是否进入睡眠状态从而及时停止睡眠引导的睡眠辅助方法和装置。
本发明所采用的技术方案。
一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置，包括信号检测装置和主控制装置；所述的信号检测装置包括加速度计、温度传感器、第一蓝牙模块、第一单片机，加速度计、温度传感器及蓝牙模块与第一单片机的I/O口连接；所述的主控制装置包括第二单片机、LED及驱动电路、第二蓝牙模块，LED驱动电路的电流控制端口及蓝牙模块与第二单片机的I/O口连接；所述的信号检测装置通过蓝牙模块以无线通信的方式与主控制装置连接。
进一步地，所述的信号检测装置监测使用者的体温、体动和呼吸信号并通过第一蓝牙模块发送出去；所述的主控制装置通过第二蓝牙模块接收来自于信号检测装置的数据然后分析该数据得出使用者实时的睡眠状态、呼吸状态并根据这些结果控制LED灯光亮度做出改变。
更进一步地，所述信号检测装置利用加速度计监测受体动信号和呼吸信号调制的胸腹部起伏运动并转化为数字信号，然后第一单片机通过第一蓝牙模块将胸腹部起伏运动信号发送出去。
更进一步地，所述温度传感器将温度信息转换为电压信号，利用放大电路将电压信号放大，再由模拟-数字转换器将电压信号转换为数字信号从而把体温信号转换为数字信号；然后第一单片机通过第一蓝牙模块将体温的数字信号发送出去。
更进一步地，所述的温度传感器可以将温度信息转换为电压信号，利用放大电路将电压信号放大，再由模拟-数字转换器将电压信号转换为数字信号从而把体温信号转换为数字信号。
更进一步地，所述主控制装置上的第二单片机通过第二蓝牙模块接收来自信号检测装置的胸腹部起伏运动信号和体温信号；所述主控制装置上的第二单片机从胸腹部起伏运动信号中解调出体动信号和呼吸信号，提取呼吸信号特征判断当前时刻使用者的呼吸状态。
更进一步地，第二单片机利用体动信号和呼吸信号分析使用者的睡眠状态，并根据呼吸状态通过脉宽调制（PWM）信号控制LED灯光的亮度做相应的改变。
更进一步地，所述呼吸状态包括吸气、呼气、停顿和气流速度。
一种呼吸状态跟踪睡眠辅助方法，使用上述装置实现睡眠辅助，包括以下步骤：
步骤1、信号检测装置实时采集使用者的体温信号和受体动与呼吸调制的胸腹部起伏运动信号并发送到主控制装置；
步骤2、主控制装置从胸腹部起伏运动信号中解调出体动信号和呼吸信号，分析呼吸信号特征来判断使用者当前时刻所处的呼吸状态（吸气、呼气、停顿和气流速度）并结合体温和体动信号判断使用者当前所处的睡眠状态；
步骤3、如果步骤2中判断使用者尚未进入睡眠状态，主控装置根据使用者所处的呼吸状态控制LED灯光亮度跟随呼吸状态；
步骤4、如果步骤2中判断使用者已经进入睡眠状态，主控制器控制LED逐渐减小每个呼吸周期内灯光的最大亮度直至关闭。
进一步地，所述步骤2中分析呼吸信号特征的方法为提取呼吸信号斜率根据当前时刻之前的几个呼吸周期的斜率、最大值、最小值等特征来判断使用者当前时刻所处的呼吸状态（吸气、呼气、停顿和气流速度）；根据使用者的呼吸平稳程度和体动频率判断使用者当前的睡眠状态。
更进一步地，所述步骤3中LED灯光亮度改变方法为：结合图1，根据三个呼吸状态（吸气、呼气、停顿）和气流速度控制灯光亮度做上升、下降和全暗的周期变化，灯光亮度的变化速度是与呼吸过程中的气流速度一致的。
更进一步地，所述步骤4中使用者是否进入睡眠状态是通过分析使用者的呼吸特征、体温特征以及翻身次数决定的。
更进一步地，所述步骤4中使用者进入睡眠状态后的LED亮度变化方法为逐渐减小每个呼吸周期中光亮度的最大值，即后一个呼吸周期中亮度最大值小于前一个周期中亮度最大值，这样经过几个周期后LED灯光亮度的最大值便减小为零，这时结束本次睡眠辅助并关闭灯光。
本发明所产生的技术效果。
（1）本发明利用传感器实时采集使用者的呼吸信号通过分析呼吸信号实现对使用者当前呼吸状态（吸气、呼气、停顿和气流速度）的判断，从而控制灯光与呼吸状态一致以实现灯光亮度与使用者呼吸节律完全契合的助眠效果。
（2）本发明通过分析使用者的呼吸特征、体温特征、体动次数判断使用者是否已经进入睡眠状态从而决定是否结束本次助眠。
（3）本发明在判断结束本次助眠后LED灯光的变化仍然是跟踪呼吸状态的，但每个呼吸周期内的最大亮度逐渐减小，直到几个周期后彻底关闭灯光。
附图说明
图1为本发明的呼吸信号曲线及呼吸状态图。
图2为本发明呼吸状态跟踪睡眠辅助装置一种优选结构示意图。
图3为本发明呼吸状态跟踪睡眠辅助方法一优选实施例流程图。
具体实施方式
为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。
实施例1，如图2所示的一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置，包括：信号检测装置1和主控制装置2。
信号检测装置1包括加速度计11、温度传感器12、第一单片机13和第一蓝牙模块14。主控制装置2包括第二蓝牙模块21、第二单片机22、LED及驱动电路23第二蓝牙模块21。
结合图2信号检测装置1中：加速度计11、温度传感器12和、第一蓝牙模块14都第一单片机13的IO口相连；加速度计11和温度传感器12采集的信号传给第一单片机13，第一单片机13将数字信号通过第一蓝牙模块14发送出去。主控制装置2中：第二单片机22通过第二蓝牙模块21接收来自检测装置1的信号，第二单片机22通过指令控制LED及驱动电路23。
信号检测装置1上：加速度计11是能够直接将加速度信息转换为数字信号的集成芯片，本实施实例通过型号为ADXL362的芯片实现；温度传感器12本实施实例用MF54体温计用NTC热敏电阻和型号为INA317的仪表放大器实现；第一单片机13本实施实例用STC15W408实现；第一蓝牙模块14本实施实例用CC2541蓝牙模块实现。主控制装置2上：第二蓝牙模块21本实施实例用CC2541蓝牙模块实现；第二单片机22本实施实例用STM32F103实现；LED及驱动电路23本实施实例用红光灯珠及LED驱动芯片TPS61158实现。
如图3所示一种使用上述装置的睡眠辅助方法，步骤如下：
本实施实例中信号检测装置1通过两片磁铁吸附夹在使用者的内衣或睡衣上；本实施实例中主控制装置2夹持在使用者的床头。
S1采集信号：第一单片机13发送指令控制加速度计11实时监测使用者胸腹部起伏运动、温度传感器12每隔30秒采集一次使用者的体温并通过第一蓝牙模块14发送出去。
S2分析信号，判断呼吸状态和睡眠状态:第二单片机22通过第二蓝牙模块21接收来自检测装置1的信号；第二单片机22通过程序分析使用者的呼吸信号和体温信号，根据峰值、斜率、频率、最大值、最小值等呼吸特征和体温、体动次数判断使用者当前所处的睡眠状态；若使用者没有进入睡眠则进行S4，若使用者已经进入睡眠状态则进行S3。
S3逐周期地减小最大光强至关闭：使用者已经进入睡眠状态，为避免干扰使用者睡眠需要关闭灯光；假设当前呼吸周期中的吸气过程灯光亮度从0增大到100,呼气过程灯光亮度从100减小到0；下一个呼吸周期中的吸气过程灯光亮度从0增大到90，呼气过程灯光亮度从90减小到0…如此经过10个周期后关闭灯光，结束本次睡眠辅助。
S4控制灯光亮度跟踪呼吸状态：分析呼吸信号的最大值、最小值、斜率等特征确定当前时刻使用者的呼吸状态并根据呼吸状态和呼吸信号斜率推断出使用者呼吸进气（或出气）的相对速度；根据使用者当前呼吸的进气（或出气）的相对速度通过脉宽调制（PWM）信号控制灯光给出与呼吸的进气（或出气）的相对速度相对应的光亮度变化，若当前时刻进气速度快则使灯光亮度增大的速度加快，若当前出气速度快则使灯光亮度降低的速度加快。
本方法的基本原理为：在人体准备进入睡眠状态前，呼吸动作是最容易引起使用者注意的慢节奏周期性生理动作，眼睛是人脑摄入信息的主要通道，通过将慢节奏、周期性的呼吸动作转化为光信息能够让使用者能够通过眼睛将完整的呼吸过程摄入大脑，可以有效地转移并释放导致使用者难以入睡的比较集中的注意力。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，并非对发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案作出的各种变化和改进，均属于发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置，其特征在于，包括信号检测装置和主控制装置；所述的信号检测装置包括加速度计、温度传感器、第一蓝牙模块和第一单片机，加速度计、温度传感器及蓝牙模块与第一单片机的I/O口连接；所述的主控制装置包括第二单片机、LED及驱动电路和第二蓝牙模块，LED驱动电路的电流控制端口及蓝牙模块与第二单片机的I/O口连接；所述的信号检测装置通过蓝牙模块以无线通信的方式与主控制装置连接；所述的信号检测装置监测使用者的体温、体动和呼吸信号并通过第一蓝牙模块发送出去；所述的主控制装置通过第二蓝牙模块接收来自于信号检测装置的数据然后分析该数据得出使用者实时的睡眠状态、呼吸状态并根据这些结果控制LED灯光亮度做出改变。
2.根据权利要求1所述的一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置，其特征在于：
所述信号检测装置配置为利用加速度计监测受体动信号和呼吸信号调制的胸腹部起伏运动并转化为数字信号，然后第一单片机通过第一蓝牙模块将胸腹部起伏运动信号发送出去。
3.根据权利要求1所述的一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置，其特征在于：所述温度传感器将温度信息转换为电压信号，利用放大电路将电压信号放大，再由模拟-数字转换器将电压信号转换为数字信号从而把体温信号转换为数字信号；然后第一单片机通过第一蓝牙模块将体温的数字信号发送出去。
4.根据权利要求1所述的一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置，其特征在于：
所述主控制装置上的第二单片机通过第二蓝牙模块接收来自信号检测装置的胸腹部起伏运动信号和体温信号；所述主控制装置上的第二单片机从胸腹部起伏运动信号中解调出体动信号和呼吸信号，提取呼吸信号特征判断当前时刻使用者的呼吸状态。
5.根据权利要求4所述的一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置，其特征在于，所述呼吸状态包括吸气、呼气、停顿和气流速度。
6.根据权利要求1所述的一种呼吸状态跟踪睡眠辅助装置，其特征在于：
所述第二单片机被配置为根据呼吸状态通过脉宽调制（PWM）信号控制LED灯光的亮度做相应的改变，并利用体动信号、呼吸信号和体温信号分析使用者的睡眠状态。
7.一种呼吸状态跟踪睡眠辅助方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、信号检测装置实时采集使用者的体温信号和受体动与呼吸调制的胸腹部起伏运动信号并发送到主控制装置；
步骤2、主控制装置从胸腹部起伏运动信号中解调出体动信号和呼吸信号，分析呼吸信号特征来判断使用者当前时刻所处的呼吸状态（吸气、呼气、停顿和气流速度）并结合体温和体动信号判断使用者当前所处的睡眠状态；
步骤3、如果步骤2中判断使用者尚未进入睡眠状态，主控制装置根据使用者所处的呼吸状态控制LED灯光亮度跟随呼吸状态；
步骤4、如果步骤2中判断使用者已经进入睡眠状态，主控制器控制LED逐渐减小每个呼吸周期内灯光的最大亮度直至关闭。
8.根据权利要求7所述的一种呼吸状态跟踪睡眠辅助方法，其特征在于，所述步骤2中分析呼吸信号特征的方法为提取呼吸信号斜率根据当前时刻之前的几个呼吸周期的斜率、最大值、最小值等特征来判断使用者当前时刻所处的呼吸状态（吸气、呼气、停顿和气流速度）；根据使用者的呼吸平稳程度和体动频率判断使用者当前的睡眠状态。
9.根据权利要求7所述的一种呼吸状态跟踪睡眠辅助方法，其特征在于，所述步骤3中LED灯光亮度改变方法为：根据三个呼吸状态（吸气、呼气、停顿）和气流速度控制灯光亮度做上升、下降和全暗的周期变化，灯光亮度的变化速度是与呼吸过程中的气流速度一致的。
10.根据权利要求7所述的一种呼吸状态跟踪睡眠辅助方法，其特征在于，所述步骤4中使用者进入睡眠状态后的LED亮度变化方法为逐渐减小每个呼吸周期中光亮度的最大值，即后一个呼吸周期中亮度最大值小于前一个周期中亮度最大值，这样经过几个周期后LED灯光亮度的最大值便减小为零，这时结束本次睡眠辅助并关闭灯光。
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