CN113143212A - 光强式高敏压力传感器、睡眠状态监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光强式高敏压力传感器、睡眠状态监测系统及方法，系统包括感知子系统、控制子系统、网络子系统和应用子系统；感知子系统与控制子系统连接通信，控制子系统通过网络子系统与应用子系统连接通信；感知子系统由床垫、若干光强式高敏压力传感器、电压采集模块组成；传感探头的心率传感探头与压力传感探头分布式布置于床垫中；若干光强式高敏压力传感器均分别与电压采集模块电连接；电压采集模块与控制子系统电连接。本发明对于多个分布式置于床垫中的光强式高敏压力传感器，通过测得用户躺下时产生的压力分布以及心跳振动频率，得出睡姿种类与心率参数。本发明可实现心率在线监测并分析睡姿，提升老人/病患的睡眠质量与突发救治率。
Description
技术领域
本发明属于智能制造技术领域，涉及一种智能家居、医疗保健等领域的非侵入式睡眠状态光纤智能监测系统及方法，具体涉及一种用于人体多体征采集的基于光强式高敏压力传感器、睡眠状态监测系统及方法。
背景技术
睡眠是人类最重要的生理需求之一，据美国国立卫生研究院调查，睡眠质量好坏会直接影响到民众的身体健康，睡眠信息的异常变化通常是疾病的前兆。我国社会对睡眠状态监测设备有着巨大的需求：2019年末全国60岁及以上的老年人口已达2.5亿，当今年轻人在快节奏的生活压力下也时常受到失眠、入眠困难的困扰，但是睡眠信息却主要依靠家属及医护人员进行采集，这是社会的医疗资源的极大浪费，还有着不可靠的缺点。基于此需要开发一种人体睡眠状态监测系统，可以实时分析并记录用户的睡眠状态，并对一些紧急情况如心率骤停进行预防。
睡姿作为睡眠状态的有效反映参数之一，具有易于监测、可靠性高等优点。不良的睡姿不仅会降低睡眠质量，还会长期压迫人体某侧神经、器官、皮肤等进而导致呼吸暂停、褥疮等疾病。进行有效的用户睡姿信息监测，可以方便用户后续自行调整以及寻求医师进行指导，进而提升睡眠质量以及降低相关疾病的发生概率；除了保障用户的睡眠质量，由于夜晚缺乏监护人员，老人及患者若发生心率骤停等突发情况往往无法被及时发现，进而导致死亡对有关家庭造成巨大的创伤。因此我们还需要一种心率监测设备实时传输用户及患者生命参数，若有异常可通过移动端对家属及医护人员进行救治，达到早发现早治疗的目的。基于睡姿与心率信息开发一种人体睡眠状态无线信息监测系统，这对于保障老年人及患者健康、缓解医疗压力、促进中国医疗现代化具有重要意义。
目前，许多人体睡眠质量监测设备仍存在无法在线监测，侵入式，易受电磁干扰等缺点，且价格昂贵给用户家庭带来沉重的负担。较为廉价的智能手环等体测产品对呼吸、心率等体征参量的测量灵敏度有限，可靠性不足。与上述监测设备相比，基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测系统具有体积小，性价比高，抗电磁干扰，非侵入式，无线信号传输等优点，既可应用于充满电磁干扰的重症病房也可普及用于日常家居。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于人体多体征采集的基于光强式高敏压力传感器、人体睡眠状态非侵入式光强感知监测系统及方法，可实时检测用户的心率波动并分析睡姿。
本发明高敏压力传感器所采用的技术方案是：一种光强式高敏压力传感器，其特征在于：包括光源、第一塑料光纤、耦合器、棱柱尖端光、传感探头、第二塑料光纤和光电探测器；
所述光源通过所述第一塑料光纤与所述耦合器连接，所述传感探头通过所述棱柱尖端光纤与所述耦合器连接，所述光电探测器通过所述第二塑料光纤与所述耦合器连接；所述传感探头包括心率传感探头与压力传感探头两种；所述光源、第一塑料光纤、耦合器、第二塑料光纤和光电探测器均固定设置在光路器件收纳盒中；
所述传感探头包括正交平面弹簧、反射镜、底板、热缩管、第一粘接剂、第二粘接剂和第三粘接剂；所述反射镜通过第二粘接剂与正交平面弹簧进行连接，正交平面弹簧通过第三粘接剂与底板进行连接，所述反射镜及正交平面弹簧在连接过程中与底板保持水平；所述热缩管通过加热的方式与棱柱尖端光纤紧密配合，之后通过第一粘接剂与底板进行连接。
本发明的系统采用的技术方案是：一种基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测系统，其特征在于：包括感知子系统、控制子系统、网络子系统和应用子系统；所述感知子系统与所述控制子系统连接通信，所述控制子系统通过所述网络子系统与所述应用子系统连接通信；
所述感知子系统由床垫、若干光强式高敏压力传感器、电压采集模块组成；所述传感探头的心率传感探头与压力传感探头均保持同样深度分布式布置于所述床垫中；所述若干光强式高敏压力传感器均分别与所述电压采集模块电连接；所述电压采集模块与所述控制子系统电连接。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测方法，其特征在于：对于多个分布式置于床垫中的光强式高敏压力传感器，通过测得用户躺下时产生的压力分布以及心跳振动频率，得出睡姿种类与心率参数；
其中，针对光强式高敏压力传感器，通过对柔性铰链进行受力分析以计算正交平面弹簧的灵敏度s，其中柔性铰链运动端H受载荷F产生的总位移Δ由柔性铰链弯曲变形导致的位移Δ1与扭转变形导致的位移Δ2组合而成。
本发明的有益效果为：
(1)基于平面凸起结构(LEMS)设计了一种结构紧凑，加工简便的正交平面弹簧，解决了大多数平面弹簧在变形过程中有周向运动和摩擦损耗的问题。
(2)基于正交平面弹簧设计的传感探头使用棱柱尖端光纤改变光路传播方向，其尺寸较同类光强反射式位移传感器可实现大幅缩减。
(3)本发明光路系统基于棱柱尖端塑料光纤进行搭建，具有较高灵敏度与良好的性价比。
(4)所用光强式高敏压力传感器为非侵入式感知，对使用者有良好的适应性，还具有抗电磁干扰，可实现分布式布置等优点。
(5)通过调节正交平面弹簧尺寸参数，可以实现光强式高敏压力传感器的灵敏度调整。
(6)基于电压采集模块ADS1256结合处理器STM32对外围电路实现模块化控制，可以提升采集精度与电路接线方式灵活度。
(7)基于MQTT协议开发了上位机软件，该软件使用界面简洁美观，数据与功能封装完整，扩容简单，数据储存简单直观，可直接导入matlab等软件进行分析。
(8)基于NB-IoT模块结合OneNET云平台实现传感器数据采集实时在线监测，可以大大节省能耗，且系统兼容性强，用户使用更为方便。
(9)本发明所设计的光强式高敏压力传感器及其睡眠状态监测系统制造简单，使用方便，通用性强，易于实现产品化并产生良好的经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例基于光强式高敏压力传感器及其睡眠状态监测系统原理图。
图2是本发明实施例光强式高敏压力传感器原理图。
图3是本发明实施例光强式高敏压力传感器中光路原理图。
图4是本发明实施例光强式高敏压力传感器中传感探头封装流程图。
图5是本发明实施例光强式高敏压力传感器中传感探头剖视图与俯视图。
图6是本发明实施例光强式高敏压力传感器传感探头中正交平面弹簧结构图。
图7是本发明实施例正交平面弹簧柔性片段受力分析图。
图8是本发明实施例睡眠状态监测系统电路硬件结构图。
图9是本发明实施例睡眠状态监测系统电路硬件原理图。
图10是本发明实施例睡眠状态监测系统串口屏显示界面。
图11是本发明实施例睡眠状态监测系统软件流程图。
图中：
图2：1－光源，2－第一根塑料光纤，3－2-1耦合器，4－棱柱尖端光纤，5－传感探头，6－第二根塑料光纤，7－光电探测器；
图5：5.1－正交平面弹簧，5.2－反射镜，5.3－底板，5.4－热缩管，5.5－第一粘接剂，5.6－第二粘接剂，5.7－第三粘接剂；
图6：5.1.1－固定端，5.1.2－柔性铰链，5.1.3－运动平台；
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测系统，包括感知子系统、控制子系统、网络子系统和应用子系统。感知子系统由床垫、光强式高敏压力传感器、电压采集模块等组成。
本实施例的电压采集模块基于模数转换芯片ADS1256进行设计；控制子系统由微处理器、外界串口屏、上位机组成，微处理器采用STM32F103C8T6芯片，外界串口屏为USARTHMI智慧串口屏；网络子系统由NB-IoT模块、核心网及OneNET云平台组成，其中NB-IoT模块基于经典BC26芯片进行设计；应用子系统通过上位机程序从云平台获取的数据进行处理统计与直观显示，将信息传递给检测者。
本实施例的传感器光路元器件置于收纳盒中，传感探头分布式置于床垫中以采集外界的物理信号并转换成模拟信号，电压采集模块将模拟信号转换成数字信号传递给控制子系统；控制子系统中微处理器基于心率提取算法与睡姿识别算法将数字信号进行处理后发送至网络子系统，同时将原始数据初发送至串口屏与上位机中；网络子系统由NB-IoT模块、核心网、物联网云平台组成，在NB-IoT终端建立传输通道，进行数据传输，采用OneNet云平台接收从接入网得到的传感器请求内容，使设备接入互联网；应用子系统通过手机或电脑端下载OneNET云平台适配软件从云平台获取数据并直观显示，将信息传递给检测者。
本实施例的电压采集模块基于ADS1256模数转换芯片进行设计，在应用期间要特别注意该器件的外围电路和印刷电路板设计。在印刷电路板布线时，应将外部晶振尽可能地靠近ADS1256。本实施例的电压采集模块基于ADS1256模数转换芯片进行设计，在ADS1256芯片外要将模拟地AGND和数字地DGND连接在一起。
本实施例的微处理器基于STM32F103C8T6芯片进行设计，其作为各模块的枢纽负责模块之间的数据通信和指令发送，协调不同模块的工作以完成本系统所需功能。本实施例的微处理器基于STM32F103C8T6芯片进行设计，向芯片中写入心率提取算法与睡姿识别算法，将处理后的数据经NB-IoT模块接入网络子系统。
本实施例的上位机数据格式为二进制，微处理器使用JSON格式进行通信，基于新型QT架构开发了一种自定义编码插件供上位机调用以完成二进制格式和JSON格式的转换。
本实施例的上位机开发了一种自定义测试软件，具体流程如下：首先，基于数据库中的通讯、图表等模块进行集成开发设计ui界面和操作方式；然后，采用字符串切割与提取的方式对下位机传输来的数据包进行解码，通过特定的标志位对数据包中的八个通道数据进行识别与解码，实现八个通道的数据分离；最后，对数据进行处分析并理以曲线的方式实时显示在设计好的ui界面上。为了便于研究与观察，该软件还采用二维空间坐标变换与实时定位技术增加了图表放大缩小、时间轴拖动功能与数据储存功能。利用该软件测试心率提取算法与睡姿识别算法可行性，同时可方便开发者进行系统维护。
本实施例的NB-IoT模块使用的是蜂窝网络，需要通过专用的物联网卡提供身份识别和鉴权功能才可接入运营商网络。本实施例的NB-IoT模块基于BC26芯片进行设计，其串口电压为1.8V与外部单片机的3.3V不合，需要采用TI公司的电平转换芯片TXSO108EPWR进行信号匹配。
本实施例的感知子系统，控制子系统，网络子系统及应用子系统基于模块化思想进行控制，每个模块自身带有自己驱动程序，微处理器作为枢纽连接各个模块以协调各模块的工作。
其中网络子系统OneNet云平台接入步骤如下：
(1)创建设备，定义Profile，选择接入协议；
Profile开发是通过定义Profile说明设备的基本信息，接入NB-loT之前必须先定义系统终端的设备模型定，根据设备的实际情况进行各项参数的配置。使用MQTT访问协议在平台上创建产品，并查看产品创建。创建产品后，记录产品的产品ID.
(2)数据流创建，数据上传；
利用SDK中提供的接口函数，编写代码将数据上传到平台。在OneNET的设备管理下，点击数据显示进入数据显示页面。
请见图2，本实施例提供一种基于正交平面弹簧的光强式高敏压力传感器由光源1，第一根塑料光纤2，2-1耦合器3，棱柱尖端光纤4，传感探头5，第二根塑料光纤6，光电探测器7组成；光源1通过将塑料光纤平切后直接插入光源凹槽的方式与第一根塑料光纤2相连，光电探测器7与第二根塑料光纤6的连接方式同上，接着第一根塑料光纤2与第二根塑料光纤6通过HFBR-4503Z连接器与2-1耦合器3左端相连，耦合器3右端通过HFBR-4503Z连接器与棱柱尖端光纤4相连，棱柱尖端光纤4通过添加热缩管5.4进行保护，之后通过第一粘接剂5.5与传感探头5进行连接。
本实施例的传感探头5包括正交平面弹簧5.1、反射镜5.2、底板5.3、热缩管5.4、第一粘接剂5.5、第二粘接剂5.6和第三粘接剂5.7；反射镜5.2通过第二粘接剂5.6与正交平面弹簧5.1进行连接，正交平面弹簧5.1通过第三粘接剂5.7与底板5.3进行连接，反射镜5.2及正交平面弹簧5.1在连接过程中与底板5.3保持水平；热缩管5.4通过加热的方式与棱柱尖端光纤4紧密配合，之后通过第一粘接剂5.5与底板5.3进行连接。底板5.3侧壁开有圆孔，沿圆孔向内发展设有凹槽，凹槽顶部设有斜面；底板5.3侧壁顶部与正交平面弹簧5.1相接，弹簧中间是运动平台，运动平台上端凸起，下端与反射镜5.2连接，反射镜5.2中心正对着棱柱尖端光纤4纤芯端面。
本实施例的传感探头包括压力传感探头与心率传感探头两种，均保持同样深度的分布式布置于床垫中。本实施例的传感探头在保证满足安装条件的情况下，棱柱尖端光纤纤芯应沿圆孔与凹槽插入底板，纤芯端面与底板斜面重合。本实施例的传感探头在保证满足安装条件的情况下，棱柱尖端光纤末端需去除长度略大于底板半径的塑料包层。本实施例的传感探头在保证满足安装条件的情况下，正交平面弹簧及反射镜需保持水平。
本实施例的正交平面弹簧由固定端5.1.1、柔性铰链5.1.2、运动平台5.1.3组成，运动方式为固定端水平固定，固定端经柔性铰链与运动平台进行连接，运动平台受力可垂直上下移动。本实施例的正交平面弹簧可设计出两种结构参数，其中灵敏度高量程小的结构参数用于心率传感探头，灵敏度低量程大的结构参数用于压力传感探头。
本实施例的传感光路的元器件并排固定于光路器件收纳盒中，通过棱柱尖端光纤4与置于床垫中的传感探头5进行连接。
请见图3，本实施例基于该光路原理进行传感器光路搭建，包括：棱柱尖端光纤4、反射镜5.2。入射光中与光纤中心轴近似平行的光线为主要有效光，基于全反射原理，入射光线经棱柱尖端光纤4的45°端面可实现全反射改变传播方向垂直射出，出射光线经反射镜5.2反射返回棱柱尖端光纤4。其中反射镜5.2可上下移动，进而导致返回棱柱尖端光纤4的光强发生改变，达到对光强进行调制的目的。
请见图4，本实施例提供一种基于正交平面弹簧的传感探头具体封装流程：棱柱尖端光纤4通过加热的方式与热缩管5.4紧密配合，接着沿底板5.3凹槽插入直至光纤端面与底板5.3斜面重合，热缩管5.4通过第一粘接剂5.5与底板5.3进行连接。正交平面弹簧5.1的运动平台5.1.3通过第二粘接剂5.6与平面镜5.2进行连接，然后将正交平面弹簧5.1与底板5.3对齐，采用第三粘接剂5.7将固定端5.1.1与底板5.3进行连接。
请见图5，本实施例提供一种基于正交平面弹簧的传感探头由正交平面弹簧5.1、平面镜5.2、底板5.3、热缩管5.4，第一粘接剂5.5，第二粘接剂5.6，第三粘接剂5.7组成。
请见图6，本实施例提供一种基于LEMS结构的正交平面弹簧由固定端5.1.1、柔性铰链5.1.2、运动平台5.1.3组成，弹簧运动平台与固定端由四个对称的柔性铰链5.1.2进行连接，其中运动平台5.1.3向上凸起0.6mm方便受力。由于弹簧四个柔性铰链5.1.2结构相同受力情况相似，可任取其中一个进行受力分析。
请见图7，本实施例提供一种基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测方法，对于多个分布式置于床垫中的光强式高敏压力传感器，通过测得用户躺下时产生的压力分布以及心跳振动频率，得出睡姿种类与心率参数；
其中，针对光强式高敏压力传感器，通过对柔性铰链5.1.2进行受力分析以计算正交平面弹簧5.1的灵敏度s，其中柔性铰链5.1.2运动端H受载荷F产生的总位移Δ由柔性铰链弯曲变形导致的位移Δ1与扭转变形导致的位移Δ2组合而成。
1)求解弯曲变形导致的位移Δ1
采用能量法中单位载荷法可得柔性铰链5.1.2中梁弯曲导致的位移计算公式为：
柔性铰链5.1.2为线弹性结构服从胡克定理，小变形下结构的位移与载荷呈线性关系如下：
联立公式(1)与(2)，可得莫尔定理表达式如下：
其中，
为单位力引起的内力、M(x)为原载荷引起的内力、E是材料杨氏模量、I为杆惯性矩、x为杆上任一截面与受力端的距离；
柔性铰链梁左右对称，由于左右梁变形形况相同，取左侧梁AB、CD及中间梁EG进行具体受力分析：
1.1求解原载荷作用下的弯矩方程
柔性铰链5.1.2初始处于水平状态，运动端H受向下载荷F，根据力平移定理可将力F由运动端H平移至G点，此时杆AB、CD与EG均会受方向向下的力与方向向上的弯矩产生“之”字变形，杆上任意截面的弯矩分别为：
其中，a为力F的平移距离，x1 x2与x3分别为杆EG、CD与AB上任意截面与G点的水平距离；
1.2求解单位载荷作用下的弯矩方程
将载荷F更换为一个向下的单位载荷，此时杆EG、CD与AB上任意截面的弯矩分别为：
1.3基于单位载荷法求解弯矩方程
其中，E是材料杨氏模量，l1、l2与l3分别为杆EG、CD与AB的变形长度，I为杆惯性矩，b为杆宽，d为杆厚；
2)求解扭转变形导致的位移Δ2
柔性铰链受力过程中杆AB、CD均会产生扭转变形，由于柔性铰链杆左右对称，只有外部杆(AB)产生的扭转变形会导致受力端产生位移，基于材料力学计算杆AB产生的扭转角度σ：
其中，G为且切变模量，ν为泊松比，Ip为杆极惯性矩；
由于杆AB扭转导致的倾斜主要发生在BC段，故扭转变形导致的位移Δ2为：
其中，b为杆宽、c为杆间距；
基于公式(6)与公式(11)，载荷F作用下运动端H的总位移Δ为：
所述压力传感器灵敏度计算需将载荷F′转换为压力P：
其中，F′为作用于运动平台的载荷、S为运动平台面积；
所述运动平台5.1.3通过四条柔性铰链5.1.2与固定端5.1.1进行连接，当载荷F′垂直作用于运动平台5.1.3上时，其中一组柔性铰链5.1.2所受的力
据此计算正交平面弹簧(5.1)的灵敏度s；
综上所述，对于单个光强式高敏压力传感器，基于LEMS结构的正交平面弹簧可以构建压力与位移的关系，结合基于棱柱尖端光纤光路可构建位移与光强关系，进而构建压力与光强关系，监测压力变化；对于多个分布式置于床垫中的光强式高敏压力传感器，通过测得用户躺下时产生的压力分布以及心跳振动频率，进过算法处理即可得出睡姿种类与心率参数。
请见图8，本实施例提供一种睡眠状态监测系统电路硬件结构，其中信号采集模块属于感知子系统，直接与单片机控制模块连接；微处理器模块与串口屏属于控制子系统，微处理器负责协调不同模块的工作，串口屏可以实时显示原始数据避免失真；NB-IoT模块属于网络子系统，负责进行无线信号传输；TTL模块与上位机监控软件属于应用子系统，可以对传感器采集的数据进行处理与分析，方便实验人员进行内部调试。
请见图9，本实施例提供的一种睡眠状态监测系统，包括电源模块、信号采集模块、单片机控制与NB-IoT模块四部分。其中重点介绍信号采集模块与NB-IoT模块两部分。
(1)信号采集模块
信号采集模块包括ADC接口、ADS1256外围电路和ADS电压基准三部分，其设计重点为高精度以适配光强式高敏压力传感器。基于上述目标提出一种基于ADS1256八路24位高精度模数转换芯片的设计方案：如图9中ADC接口所示，在模拟电源和数字电源输入端需将单对靠近输入端的陶瓷电容和钮电容并联接入，其中电容较小者更靠近ADS芯片；如图9中ADS1256外围电路所示，印刷电路板布线时，应将外部晶振尽可能地靠近ADS1256，可通过改变晶振两端电容来调整输入幅值的大小；为了保持ADS1256性能，需提供具有极低的噪声和温漂的纯净电源，如图9中ADS基准电压所示，采用电压基准ICADR4525ARZ将输入的5V电压转为低噪声的2.5V的基准电压，在输入端要采用RC低通滤波器来限制高频噪声，输入线越短越好。
(2)NB-IoT模块
NB-IoT模块包括唤醒复位控制、SIM座、BC26外围电路与通信电平转换四部分。该模块使用蜂窝网络，需通过专用物联网卡提供身份识别和鉴权功能才可接入运营商网络，如图SIM座电路图，BC26模块的内部电源直接通过SIM VDD接口给SIM卡供电；由于单片机控制模块与NB-IoT模块电平不同，需加入电平转换芯片实现电平匹配，如图通信电平转换所示：基于TI公司的TXSO108EPWR电平转换芯片进行设计，该款8位非反向转换器具备两个独立电源轨，A端口跟踪VccA引脚的电源电压，B端口跟踪VccB引脚的电源电压，通过两个输入电源引脚可实现1.8V和3.3V电压节点之间的任意低压双向转换。
考虑到信号在无线传输的过程中可能会有数据丢失或出错的情况，为了提升产品可靠性，希望传感器采集电压经过微处理器后可以在串口屏上离线显示以应对断网等突发情况，还可在客户端和串口屏显示数据不一致时及时发现问题并予以更正。基于上述目的，请见图10，本实施的串口屏为基USART HMI智慧串口屏，屏幕型号为TJC3224T022_011，支持电阻式触摸可以节省空间和MCU管脚资源。图10左侧为界面主页，可实时显示八通道的电压值。通过点击所需查看的通道可进入折线图页面，以查看历史数据和电压走势，如图10左侧所示。
请见图11，本实施例提供一种睡眠状态监测方法，包括(1)信号采集模块程序执行流程图，(2)NB-IoT模块程序执行流程图，(3)上位机程序开发流程图。
其中：
(1)ADS1256根据设置寄存器参数来进行初始化，当寄存器设定值与读取值相等时表明初始化完成。信号采集模块通过ADS1256对8通道数据进行轮流采集与模数转换，当模块转换完成时DRDY值取1，否则为0。信号采集模块程序通过发送校验指令来判断DRDY取值，当其不为0时表明采样完成，转换后的数字信号可通过串口发送给STM32模块。
(2)NB-IoT模块完成初始化后，首先判断发送队列是否为空，若接收到来自STM32模块的数据则不为空；接下来需要判断模块是否联网接入到OneNet云平台，若否则进行等待，若是则向云平台发送数据；OneNet云平台接收到数据后会向NB-IoT模块发送下行数据以告发送成功，NB-IoT模块有15秒的等待时间，若超过15秒仍未收到下行数据则会重新向云平台发送，若收到下行数据则会通过数据发送端告知微处理器数据发送成功。
(3)上位机模块基于新型QT架构设计，编写了自定义的接收协议与下位机通信，将数据分离后，可同时显示八个通道的数据，将所有数据按通道分别储存。基于心率提取算法与睡姿识别算法对储存心率信号的单个通道与储存睡姿信号的七个通道的数据进行分析处理：
心率分析：首先使用巴特沃兹滤波器除去心跳原始数据的噪声与漂。心率信号中混杂的呼吸信号，体动信号和心跳信号之间有所区别，呼吸信号最强但变化平稳，心跳信号有突变特征，体动信号最微弱。心率提取算法基于SVD的成分分解法将呼吸信号除去，然后做平滑处理以突出心跳信号，基于波峰提取算法记录数据得到最终结果。
睡姿分析：为了对六种经典睡姿进行监测，首先采用滤波器去除睡姿信号随机噪声，基于七个压力传感探头绘制压力分布图，通过大量测试获取统计样本；然后基于对称和平衡的特征进行人体压力分布图特征提取，采用决策树法对睡眠姿势进行分类，特定睡姿往往是几个压力分布特征的集合；最后对用户床垫采集到的压力分布图进行特征提取，结合分类后的样本进行对比分析，得到用户睡姿参数。
本发明的工作原理为：实现对卧床者睡姿与心率监测包括感知子系统中将压力转换为数字信号、控制子系统中对数字信号进行处理与数据分析、网络子系统实现信号无线传输、应用子系统接收云端数据四部分。首先感知子系统中将两种传感探头水平分布式置于床垫内，用户躺下时传感探头中正交平面弹簧运动平台受压向下运动，导致贴于运动平台上的反射镜与棱柱尖端光纤端面间距离变化，进而导致反射回光电转换器的光强发生变化，达到了将压力变化转换为模拟信号变化的目的，模拟信号经电压采集模块转化为数字信号；然后控制子系统中微处理器将基于心率提取算法与睡姿识别算法处理后的信号传输至网络子系统，同时将原数字信号传递给串口屏与上位机，方便进行实验测试与后期维护；网络子系统中NB-IoT模块经寻卡、注网、注册、设置IP和Port等一系列操作建立数据传输通道并将处理后的信号发送至OneNET云平台；应用子系统通过手机或电脑端下载OneNET云平台适配软件从云平台获取数据并直观显示，将信息传递给检测者。
与传统的电测传感器相比，光强式高敏压力传感器具有体积小、性价比高、抗电磁干扰、非侵入式等优点。本发明基于柔顺机构学与材料力学设计一种新型结构的传感探头，结合棱柱尖端光纤光路与上位机测试软件提出一种人体多体征非侵入式无线信息监测系统，可实现心率在线监测并分析睡姿，有望形成智能床垫以提升老人/病患的睡眠质量与突发救治率。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光强式高敏压力传感器，其特征在于：包括光源(1)、第一塑料光纤(2)、耦合器(3)、棱柱尖端光纤(4)、传感探头(5)、第二塑料光纤(6)和光电探测器(7)；
所述光源(1)通过所述第一塑料光纤(2)与所述耦合器(3)连接，所述传感探头(5)通过所述棱柱尖端光纤(4)与所述耦合器(3)连接，所述光电探测器(7)通过所述第二塑料光纤(6)与所述耦合器(3)连接；所述传感探头(5)包括心率传感探头与压力传感探头两种；所述光源(1)、第一塑料光纤(2)、耦合器(3)、第二塑料光纤(6)和光电探测器(7)均固定设置在光路器件收纳盒中；
所述传感探头(5)包括正交平面弹簧(5.1)、反射镜(5.2)、底板(5.3)、热缩管(5.4)、第一粘接剂(5.5)、第二粘接剂(5.6)和第三粘接剂(5.7)；所述反射镜(5.2)与正交平面弹簧(5.1)进行连接，正交平面弹簧(5.1)与底板(5.3)进行连接，所述反射镜(5.2)及正交平面弹簧(5.1)在连接过程中与底板(5.3)保持水平；所述热缩管(5.4)与棱柱尖端光纤(4)紧密配合，之后与底板(5.3)进行连接。
2.根据权利要求1所述的光强式高敏压力传感器，其特征在于：所述底板(5.3)侧壁开有圆孔，上端面开有凹槽，凹槽顶部设有斜面；所述棱柱尖端光纤(4)末端通过圆孔插入后沿凹槽水平布置，纤芯端面与斜面重合。
3.根据权利要求1所述的光强式高敏压力传感器，其特征在于：所述正交平面弹簧(5.1)由固定端(5.1.1)、柔性铰链(5.1.2)和运动平台(5.1.3)组成；
所述运动平台(5.1.3)上端凸起，通过若干条结构相同且位置对称的柔性铰链(5.1.2)与固定端(5.1.1)进行连接；所述固定端(5.1.1)、柔性铰链(5.1.2)、运动平台(5.1.3)均在同一水平面上。
4.一种基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测系统，其特征在于：包括感知子系统、控制子系统、网络子系统和应用子系统；所述感知子系统与所述控制子系统连接通信，所述控制子系统通过所述网络子系统与所述应用子系统连接通信；
所述感知子系统由床垫、若干光强式高敏压力传感器、电压采集模块组成；所述传感探头(5)的心率传感探头与压力传感探头分布式布置于所述床垫中；所述若干光强式高敏压力传感器均分别与所述电压采集模块电连接；所述电压采集模块与所述控制子系统电连接。
5.根据要求4所述的基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测系统，其特征在于：所述电压采集模块包括ADC接口、ADS1256外围电路和ADS电压基准；所述ADC接口，在模拟电源和数字电源输入端将单对靠近输入端的陶瓷电容和钮电容并联接入，其中电容较小者更靠近ADS芯片；所述ADS1256外围电路，将外部晶振尽可能地靠近ADS1256，通过改变晶振两端电容来调整输入幅值的大小；为了保持ADS1256性能，需提供具有极低的噪声和温漂的纯净电源，所述ADS电压基准，采用电压基准ICADR4525ARZ将输入的5V电压转为低噪声的2.5V的基准电压，在输入端采用RC低通滤波器来限制高频噪声，输入线越短越好。
6.根据要求4所述的基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测系统，其特征在于：所述控制子系统包括微处理器、串口屏和上位机；所述微处理器分别与所述串口屏和上位机电连接，负责协调不同模块的工作；所述串口屏，为USART HMI智慧串口屏，屏幕型号为TJC3224T022_011，支持电阻式触摸和MCU管脚资源，用于实时显示八通道的电压值。
7.根据要求4-6任意一项所述的基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测系统，其特征在于：所述网络子系统NB-IoT模块、核心网和OneNET云平台；
所述NB-IoT模块，包括唤醒复位控制、SIM座、BC26外围电路与通信电平转换；所述BC26外围电路的内部电源直接通过SIM座VDD接口给SIM座供电；所述控制子系统与NB-IoT模块之间通过电平转换芯片实现电平匹配，所述电平转换芯片是基于TI公司的TXSO108EPWR电平转换芯片，具备两个独立电源轨，A端口跟踪VccA引脚的电源电压，B端口跟踪VccB引脚的电源电压，通过两个输入电源引脚可实现1.8V和3.3V电压节点之间的任意低压双向转换。
8.一种基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测方法，其特征在于：对于多个分布式置于床垫中的光强式高敏压力传感器，通过测得用户躺下时产生的压力分布以及心跳振动频率，得出睡姿种类与心率参数；
其中，针对光强式高敏压力传感器，通过对柔性铰链(5.1.2)进行受力分析以计算正交平面弹簧(5.1)的灵敏度s，其中柔性铰链(5.1.2)运动端H受载荷F产生的总位移Δ由柔性铰链弯曲变形导致的位移Δ1与扭转变形导致的位移Δ2组合而成。
9.根据权利要求8所述基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测方法，其特征在于：所述计算正交平面弹簧(5.1)的灵敏度s，具体实现包括以下步骤：
步骤1：求解柔性铰链弯曲变形导致的位移Δ1；
联立公式(1)与(2)，得莫尔定理表达式如下：
其中，
为单位力引起的内力、M(x)为原载荷引起的内力、E是材料杨氏模量、I为杆惯性矩、x为杆上任一截面与受力端的距离；
柔性铰链梁左右对称，由于左右梁变形形况相同，取左侧梁AB、CD及中间梁EG进行具体受力分析：
(1)计算原载荷作用下的弯矩方程；
柔性铰链(5.1.2)初始处于水平状态，运动端H受向下载荷F，根据力平移定理可将力F由运动端H平移至G点，此时杆AB、CD与EG均会受方向向下的力与方向向上的弯矩产生“之”字变形，杆上任意截面的弯矩分别为：
其中，a为力F的平移距离，x1 x2与x3分别为杆EG、CD与AB上任意截面与G点的水平距离；
(2)计算单位载荷作用下的弯矩方程；
将载荷F更换为一个向下的单位载荷，此时杆EG、CD与AB上任意截面的弯矩分别为：
(3)基于单位载荷法求解柔性铰链弯曲变形导致的位移Δ1；
其中，l1、l2与l3分别为杆EG、CD与AB的变形长度，b为杆宽，d为杆厚；
步骤2：求解扭转变形导致的位移Δ2；
基于材料力学计算杆AB产生的扭转角度σ：
其中，G为且切变模量，ν为泊松比，Ip为杆极惯性矩；
故扭转变形导致的位移Δ2为：
其中，b为杆宽、c为杆间距；
步骤3：计算载荷F作用下运动端H的总位移Δ；
基于公式(6)与公式(11)，载荷F作用下运动端H的总位移Δ为：
步骤4：计算正交平面弹簧(5.1)的灵敏度s；
所述压力传感器灵敏度计算需将载荷F′转换为压力P：
其中，F′为作用于运动平台的载荷、S为运动平台面积；
所述运动平台5.1.3通过四条柔性铰链5.1.2与固定端5.1.1进行连接，当载荷F′垂直作用于运动平台5.1.3上时，其中一组柔性铰链5.1.2所受的力
据此计算正交平面弹簧(5.1)的灵敏度s；
10.根据权利要求8或9所述基于光强式高敏压力传感器的睡眠状态监测方法，其特征在于：所述通过测得用户躺下时产生的压力分布以及心跳振动频率，得出睡姿种类与心率参数；是基于心率提取算法与睡姿识别算法对储存心率信号的单个通道与储存睡姿信号的七个通道的数据进行分析处理：
所述心率提取算法，首先使用巴特沃兹滤波器除去心跳原始数据的噪声与漂移；然后基于SVD的成分分解法将呼吸信号除去，做平滑处理以突出心跳信号，基于波峰提取算法记录数据得到最终结果；
所述睡姿识别算法，首先采用滤波器去除睡姿信号随机噪声，基于七个压力传感探头绘制压力分布图，通过若干次测试获取统计样本；然后基于对称和平衡的特征进行人体压力分布图特征提取，采用决策树法对睡眠姿势进行分类；最后对用户床垫采集到的压力分布图进行特征提取，结合分类后的样本进行对比分析，得到用户睡姿参数。
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2021
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Also Published As
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|---|---|
| CN113143212B (zh) | 2024-03-22 |
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