CN114098648A - 基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统 - Google Patents

基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统，包括睡眠监测枕和睡眠监测床垫，睡眠监测枕和睡眠监测床垫中均设有睡眠监测传感器、信号处理模块、无线通信模块和供电模块，睡眠监测枕和睡眠监测床垫中均设有摩擦纳米发电层和压电纳米发电层，将人体睡眠时的机械能转化为电能，进行升压和蓄能后对传感器和通信模块进行供电，从而实现自驱动。睡眠监测传感器均为柔性传感器，相关电路为柔性电路，设置在睡眠监测枕和睡眠监测床垫内部，大大提高了使用的舒适性，且能对睡眠状态信息进行全面准确的采集，为睡眠状态分析提供有力的数据支撑。

Description

基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统
技术领域
本发明涉及一种睡眠监测系统，尤其涉及一种能够收集人体产生的机械能用于发电从而实现自驱动的睡眠监测系统。
背景技术
随着科学技术不断的发展，传感监测设备在生活的方方面面得到了广泛的运用。而传感设备常常采用传统的电池供电方式，这使得传感设备的使用周期短。不仅需要频繁更换电源，并且废旧电池也会带来对环境的污染。当今世界各国都面对能源短缺以及环境不断恶化的两大发展难题。为了解决以上问题有专家提出了直接从工作环境中采集能量的技术，即自驱动技术，从而使得电子设备可以在特定工作环境下持续不断的工作。自从自驱动技术概念的提出以来，利用人体活动过程中机械能转换成电能供给电子设备成为了可能。
当今社会睡眠问题已经是人们所面临的诸多健康问题中最为突出的问题之一，利用人在睡眠中的各项数据是分析解决睡眠健康问题的重要手段，该功能需要通过睡眠监测设备来实现。目前的睡眠监测设备大致可分为穿戴式设备和与床上用品结合的设备两类，其中，与床上用品结合的睡眠监测设备多在床上用品上设置传感器等用于采集人的睡眠信息，且需要设置外部电源，难以对睡眠状态下的人体活动产生的机械能进行利用，且多存在结构复杂、舒适性差等问题。此外，大部分的睡眠监测设备大部分都是对特定一个指标进行检测，功能比较单一且无法通过单一指标来准确全面的反映人体睡眠状态。甚至一些睡眠监测设备操作比较复杂，使用时会降低人睡眠时的舒适度，并且还存在信号可靠性低的缺点。目前将压电技术以及摩擦纳米发电机技术运用在睡眠监测方面的研究处于空白。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够利用人体机械能实现自驱动且舒适性较高的睡眠监测设备。
技术方案：本发明的基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统包括睡眠监测枕和睡眠监测床垫，所述睡眠监测枕和睡眠监测床垫中均设有睡眠监测传感器、信号处理模块、无线通信模块、供电模块和主控模块，所述睡眠监测枕中设置有第一摩擦纳米发电层和第一压电纳米发电层，所述睡眠监测床垫中设置有第二摩擦纳米发电层和第二压电纳米发电层，由第一摩擦纳米发电层、第一压电纳米发电层、第二摩擦纳米发电层和第二压电纳米发电层与供电模块电连接并储存其产生的电能，所述供电模块为睡眠监测传感器、信号处理模块、无线通信模块和主控模块供电。
所述睡眠监测传感器包括压力传感器、温湿度传感器、脉搏心率传感器和声音传感器，上述传感器均为柔性传感器。
所述睡眠监测枕由外向内层叠设置填充层、第一摩擦纳米发电层、柔性电路层和第一压电纳米发电层，所述睡眠监测枕的控制器、整流滤波电路、DC-DC升压模块、充电模块、蓄电模块、压力传感器、温湿度传感器、脉搏心率传感器、声音传感器、信号处理模块和无线通信模块集成在所述柔性电路层中。
所述睡眠监测床垫包括填充层、发电层、传感检测层和控制传输层，所述传感检测层和发电层层叠设置在填充层内，所述填充层内开有容纳腔，所述控制传输层设置在容纳腔内。
所述发电层包括第二摩擦纳米发电层和第二压电纳米发电层。
所述第一摩擦纳米发电层和第一压电纳米发电层通过整流滤波电路和DC-DC直流升压模块和充电电路连接蓄电池，所述第二摩擦纳米发电层和第二压电纳米发电层通过整流滤波电路和DC-DC直流升压模块和充电电路连接蓄电池。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：将压电纳米发电机以及摩擦纳米发电机进行合理的搭配结合，在充分利用枕内、垫内空间的基础上，最大限度的利用人体睡眠状态下的生理运动进行发电。并进行升压蓄电，对人体睡眠时的压力状况、温湿度信息、脉搏心率信息、打鼾情况等信息进行立体化、全面化的采集，利用这些数据对人们的睡眠状态进行分析，为解决睡眠问题提供有力的数据支持，结构简单且节省空间、舒适度高、功能齐全、使用寿命长。
附图说明
图1为本发明一个实施例的系统结构图；
图2为本发明一个实施例的睡眠监测枕和床垫结构图；
图3为本发明一个实施例的睡眠监测枕截面图；
图4为本发明一个实施例的睡眠监测床垫截面图；
图5为本发明的工作流程图；
图6为本发明的摩擦纳米发电机发电过程示意图；
图7为本发明的压电纳米发电机发电过程示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本实施例中的基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统包括睡眠监测床垫和睡眠监测枕，睡眠监测床垫和睡眠监测枕中均设有压电纳米发电层、摩擦纳米发电层、控制器、整流滤波电路、DC-DC升压模块、充电模块、蓄电模块、柔性压力传感器、柔性温湿度传感器、Pulse sensor脉搏心率传感器、柔性声音传感器、信号处理模块和无线通信模块。如图1所示，通过压电纳米发电层和摩擦纳米发电层采集人体睡眠时活动产生的机械能用于发电，并依次通过整流滤波电路、DC-DC升压模块、充电电路进入蓄电模块，由蓄电模块对控制器、传感器、信号处理模块和无线通信模块进行供电。
本实施例中睡眠监测枕整体外形结构为U形，如图2所示，包括天然乳胶制成的第一填充层1、第一摩擦纳米发电层2、柔性电路层3和第一压电纳米发电层4，其结构在保证监测发电功能正常工作的条件下，尽可能让人体保持睡眠时的舒适。其截面图如图3所示，摩擦纳米发电层和压电纳米发电层堆叠分布，能够充分的利用空间保持发电的效率。睡眠监测枕的控制器、整流滤波电路、DC-DC升压模块、充电模块、蓄电模块、柔性压力传感器、柔性温湿度传感器、Pulse sensor脉搏心率传感器、柔性声音传感器、信号处理模块、无线通信模块等电路部分集中放置于柔性电路层3。既能在保证舒适性的同时，极大的节约枕内空间。
本实施例中，睡眠监测床垫整体结构为分层分布式结构，如图2所示，包括天然乳胶制成的第二填充层5、发电层6、传感检测层7和控制传输层8，其结构与睡眠监测枕不同，将第二摩擦纳米发电层和第二压电纳米发电层集中放置于发电层6。并且将控制器及其他柔性电路集中于控制传输层8，传输控制层8放置于第二填充层5中开设的容纳腔中，保证人体睡眠的舒适性。传感检测层中在不同位置设有多个传感器，做到全床垫任意位置的传感检测。其截面图如图4所示，本床垫在极大考虑到用户舒适性的同时，将所有器件集成化处理，所以床垫在保证功能性的同时结构较为简单。
主控模块采用STC125A60S2单片机，它控制传感模块监测、信号处理模块进行信息处理、无线通信模块进行信息传输等功能模块。
DC-DC升压模块采用TPS61202DC-DC升压芯片，由纳米发电机输出的电源与TPS61202的VIN端输入，经TPS61202升压后从VOUT端输出电源供锂电池充电模块。
锂电池充电模块采用BP24266充电芯片，作用是为本装置提供电源。
无线通信模块采用nRF24L01芯片，nRF24L01通过软件查询方式通信。
整流滤波电路采用桥式整流电路与滤波电容并且结合三端稳压块7130的方式，其作用是对纳米发电机所发电能进行整流滤波。
本发明的具体工作流程如图5所示，首先由压电纳米发电机和摩擦纳米发电机发出电能，再经过整流滤波电路及DC-DC升压模块对信号进行处理后，经充电电路对蓄电模块进行充电。接着蓄电模块供给电能给其他设备，由传感器模块进行检测，并将检测到的数据传送到控制器单片机，由信号处理模块对传感器产生的电信号进行处理，最后传输到无线通信模块对外发送。
摩擦纳米发电机采用柱状摩擦纳米发电机，其结构和具体发电过程如图6所示，包括外表面保护层9、外层电极层10、摩擦层11、内层电极层12。在受挤压时柔性内电极层与摩擦内表面充分接触以及分离，使得内外电极层发生电荷的流动，从而产生电能，利用人体在睡眠状态的生理活动所带来的机械运动转换为可利用的电能。
压电纳米发电机其结构和具体发电过程如图7所示，包括石墨烯层13、ZnO纳米线14、柔性基板PET15。在受挤压时会使得柔性压电纳米发电机发生形变。而ZnO纳米线14由于极化效应，会产生极化电荷形成极化电场，上下两个电极连通后会使得电子发生流动，从而将人体睡眠活动的机械能转化为电能。
本发明的工作原理如下：
(1)根据人体睡眠时身体活动的机械能运用柱状摩擦纳米发电机与柔性压电纳米发电机进行发电。两个纳米发电机置于床垫内和枕内堆叠放置，能够将人体睡眠时的微弱运动的机械能充分获取转化为电能，供给其他的装置元件。
(2)通过整流滤波电路以及DC-DC升压模块对纳米发电机产生的电能进行升压整流滤波处理，再对锂电池进行充电，给装置自身供电。
(3)本装置通过多个压力传感器的多点检测，检测出人体在睡眠状态下不同压力点的压力大小，可以推测出人体睡姿变化。利用柔性温湿度传感器获取人体睡眠时温湿度。利用Pulse sensor脉搏心率传感器用来检测人体脉搏心率。通过柔性声音传感器用于检测环境声音强度，通过一定阈值范围内的鼾声，来记录入睡者的打鼾信息。利用这些传感器可以全方位的多角度的来对人们的睡眠数据进行准确采集，所采集的数据对于解决分析人体睡眠健康问题至关重要。
(4)如果在人体处于睡眠状态时，本装置依靠压电纳米发电机和摩擦纳米发电机所产生的能量自行启动，纳米发电机所发电能由整流滤波电路及DC-DC升压模块进行信号处理后，经充电电路对蓄电模块进行充电，所述蓄电模块可为控制器及传感器提供工作电源。传感器模块用于接收外界信号并将该信号转换为电信号，由信号处理模块对传感器产生的电信号进行处理，最后传输到无线通信模块对外发送。从而对人们睡眠时的各项数据进行收集，对收集到的睡眠信息进行分析可以了解人体的睡眠状况，为人们的睡眠健康提供数据支撑。

Claims (7)

1.一种基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统，包括睡眠监测枕和睡眠监测床垫，其特征在于，所述睡眠监测枕和睡眠监测床垫中均设有睡眠监测传感器、信号处理模块、无线通信模块、供电模块和主控模块，所述睡眠监测枕中设置有第一摩擦纳米发电层(2)和第一压电纳米发电层(4)，所述睡眠监测床垫中设置有第二摩擦纳米发电层和第二压电纳米发电层，由第一摩擦纳米发电层(2)、第一压电纳米发电层(4)、第二摩擦纳米发电层和第二压电纳米发电层与供电模块电连接并储存其产生的电能，所述供电模块为睡眠监测传感器、信号处理模块、无线通信模块和主控模块供电。
2.根据权利要求1所述的基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统，其特征在于，所述睡眠监测传感器包括压力传感器、温湿度传感器、脉搏心率传感器和声音传感器。
3.根据权利要求1所述的基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统，其特征在于，所述压力传感器、温湿度传感器、脉搏心率传感器和声音传感器均为柔性传感器。
4.根据权利要求1所述的基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统，其特征在于，所述睡眠监测枕由外向内层叠设置填充层、第一摩擦纳米发电层(2)、柔性电路层(3)和第一压电纳米发电层(4)，所述睡眠监测枕的控制器、整流滤波电路、DC-DC升压模块、充电模块、蓄电模块、压力传感器、温湿度传感器、脉搏心率传感器、声音传感器、信号处理模块和无线通信模块集成在所述柔性电路层(3)中。
5.根据权利要求1所述的基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统，其特征在于，所述睡眠监测床垫包括填充层(5)、发电层(6)、传感检测层(7)和控制传输层(8)，所述传感检测层(7)和发电层(6)层叠设置在填充层(5)内，所述填充层(5)内开有容纳腔，所述控制传输层(8)设置在容纳腔内。
6.根据权利要求1所述的基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统，其特征在于，所述发电层(6)包括第二摩擦纳米发电层和第二压电纳米发电层。
7.根据权利要求1所述的基于压电和摩擦电的智能睡眠监测系统，其特征在于，所述第一摩擦纳米发电层(2)和第一压电纳米发电层(4)通过整流滤波电路和DC-DC直流升压模块和充电电路连接蓄电池，所述第二摩擦纳米发电层和第二压电纳米发电层通过整流滤波电路和DC-DC直流升压模块和充电电路连接蓄电池。
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