CN212878604U - 一种智能床垫的压力分布监测反馈系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能床垫的压力分布监测反馈系统，包括压力传感器、控制器和压力支撑矩阵，压力支撑矩阵设置在压力传感器的底下，压力支撑矩阵包括若干个按阵列排列的且可调压力的支撑件，压力传感器的输出端与控制器的输入端连接。其优点是：结构科学，设计合理；智能床垫的压力分布监测反馈系统可对睡眠者对床垫产生睡眠压力分布进行监测和反馈，更加简便、更加快捷、成本更低；利用压电纤维网络阵列形式对智能床垫的压力分布进行监测及反馈，利用三组压电纤维呈横向、纵向、斜向三个方向交织而成的网络阵列，形成多个三角形阵列连接到压力驱动单元进行反馈控制床垫此处的压力大小，从而使睡眠者在满意舒适硬度的床垫上入睡。

Description

一种智能床垫的压力分布监测反馈系统

技术领域

本实用新型涉及一种智能家居，尤其涉及一种智能床垫系统。

背景技术

随着生活水平及健康意识的不断提高，人们对睡眠质量的要求越来越高。并且睡眠质量与身体健康存在着直接关系，睡眠质量又与床垫有关，因此对影响睡眠质量的床垫进行监测反馈具有重要意义。以摄像监控方式进行监测反馈可能引起窥探隐私等道德问题；采用可穿戴设备又容易干扰人们日常的正常生活行为。

智能床垫作为一种新的、简便、无干扰的监测方法，近年来成为研究热点并受到广泛欢迎。其核心技术是压力的智能监测反馈控制，这就涉及多种技术手段。其中，光纤阵列技术由于不受电磁干扰、光纤质量轻、成本低等优势被广泛研究，但应用在智能床垫系统时需要多个光源或光电探测器模块里构成，光纤阵列技术必须包括多个光源或光电探测器模块，从而增加成本和复杂度。基于各种新型材料的压电薄膜技术能够快速直接的检测到所受压力，但其压力分布信息的解调却涉及大量复杂的算法和图像重建过程，如申请号为CN201820765009.5的中国实用新型专利公开了一种智能床垫，公开了由一根压电电缆不均匀分布形成的智能床垫，该方案通过人体压到电缆从而采集到心率信息，并利用8×6柔性薄膜阵列实现对压力分布的监测。利用气体或液体监测压力的手段今年也常被使用，但对压力的检测反馈往往需要复杂的驱动调节及管道设计；传统的压电元件阵列在一个方形面上通常需要N2 个压电传感元件，这对压力分布监测来说消耗量是巨大的。

实用新型内容

为解决现有智能床垫的压力的智能监测反馈控制系统的存在上述缺陷，本实用新型提供一种智能床垫的压力分布监测反馈系统。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种智能床垫的压力分布监测反馈系统，包括压力传感器、控制器和用于调整床垫的弹性力分布的压力支撑矩阵，压力支撑矩阵设置在压力传感器的底下，压力支撑矩阵包括若干个按阵列排列的且可调压力的支撑件，压力传感器的输出端与控制器的输入端连接；其特征是：所述压力传感器包括：

压电纤维网络阵列，镶嵌在棉布或织物内部形成床单式薄层，固定于床垫表面与人体接触，它将床垫划分成了压力矩阵网络结构，与床垫集成在一起构成智能床垫；

矩阵网格，置于床垫底部，将整个床垫划分成N×M个均匀的阵列网格，其中N的范围为5～20，M的范围为5～20；

压力支撑矩阵的支撑件与矩阵网格的阵列网格一一对应，所有支撑件与床垫底部充分接触，每个支撑件在控制器的控制下可通过改变伸长量调节床垫对应部位的硬度。

其中，所述控制器包括：

数据处理模块，对各路信号进行快速的分析处理；

床垫压力分布监测模块，包括压电纤维网络阵列和阵列网格；

信号采集模块，主要由多路开关、采样维持器、放大器、AD转换器组成，形成多路信号采集通道的信号采集模块，每一路信号采集通道都对应压电纤维网络阵列中的一根压电纤维；信号采集模块的信号输出端与数据处理模块的输入端连接；

反馈驱动模块，主要由MCU和驱动电路组成，接收数据处理模块的反馈调节指令并驱动压力支撑矩阵控制床垫的硬度；反馈驱动模块的信号输入端与数据处理模块的输出端连接；反馈驱动模块的信号输出端与压力支撑矩阵的输入端连接；

显示模块，用于直观地显示床垫实时压力分布数值图表及各项数据指标。

优选地，所述压电纤维网络阵列为横向、纵向、斜向三个方向的三组压电纤维交织而成的网络阵列，每组中相邻的压电纤维均相互平行设置；网络阵列受到人体压力时，任意两根纤维的输出电压数值代表了他们交叉点处的受力信息，以此进行床垫上的压力定位和信息采集即压力分布实时监测；

在床垫压力分布监测模块中，压电纤维网络阵列中的每根压电纤维都输出电压信号，三个方向的压电纤维会形成多个三角形阵列，每个三角形会对应矩阵网格中的一个阵列网格，对矩阵网格进行反馈控制即可调节床垫位于此处的压力大小；反馈作用的力度由三角形的三个角受力情况来确定，而每个角受力大小则由对应此处交叉的两根纤维输出电压值来确定。

优选地，所述支撑件为液压弹簧，该液压弹簧可在驱动电路输出的电信号驱动下改变伸长量，通过液压弹簧的支撑力来改变床垫对应的阵列网格处的硬度；液压弹簧能够容忍床垫的反作用力在设定区间值的范围内波动，在超出设定区间值的范围时，在反馈驱动模块的控制下，该液压弹簧可顺应该反作用力调整伸长量，在回到设定区间值的范围时恢复到原伸长量，液压弹簧内设有防止受过大外力损坏液压弹簧的锁止器。

优选地，所述数据处理模块可以记录若干睡眠模式，睡眠模式包括深睡模式、浅睡模式、夜间熟睡模式、午间小憩模式、按摩入睡模式。

优选地，所述数据处理模块可存储若干不同睡姿对应的模式数据；当睡眠者改变睡姿时，数据处理模块自动匹配相应舒适的睡姿，当匹配不到睡眠者习惯睡姿时，则标记睡眠者不在常态，数据处理模块向显示模块发出提醒信号。

优选地，所述床垫由椰棕、记忆棉或乳胶制成。

作为本实用新型技术方案的原理说明，通过控制器的各模块的的合理布置，在睡眠者的压力作用下，床垫的压力变化得到闭环反馈，并实时调整床垫与人体对应位置的硬度，形成智能床垫的智能自动压力调节。更具体地，作为压力传感器的压电纤维网络阵列为横向、纵向、斜向三个方向的三组压电纤维交织而成的网络阵列，受到人体压力时，任意两根纤维的输出电压数值代表了他们交叉点处的受力信息，以此可以对床垫进行压力定位和信息采集，即床垫压力的分布实时监测。此外，三个方向的压电纤维会形成多个三角形阵列，每个三角形阵列对应一个阵列网格形成了压力支撑矩阵网格，对矩阵网格进行反馈控制就能调节床垫对应位置硬度的大小。这样，睡眠者在床垫上产生的压力分布可快捷实时监测，同时床垫上各处压力均能被反馈调节，从而达到睡眠者满意舒适的硬度分布状态。

由上可知，相对于现有技术，本实用新型具有如下的优点：结构科学，设计合理；智能床垫的压力分布监测反馈系统可对睡眠者对床垫产生睡眠压力分布进行监测和反馈，更加简便、更加快捷、成本更低；利用压电纤维网络阵列形式对智能床垫的压力分布进行监测和反馈，利用三组压电纤维呈横向、纵向、斜向三个方向交织而成的网络阵列，三个方向的压电纤维形成多个三角形阵列，每个三角形连接到压力驱动单元并反馈控制床垫此处所受到的压力大小，睡眠者在床垫上产生的压力分布可被快捷实地监测，同时床垫上对应的各处压力能被反馈调节，从而使睡眠者在满意舒适硬度的床垫上入睡。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图。

图2为压电纤维网络阵列和矩阵网格的结构示意图。

附图标号说明：1-压电纤维网络阵列，2-床垫，3-矩阵网格，4-压力支撑矩阵，5-床垫压力分布监测模块，6-信号采集模块，7-数据处理模块，8- 反馈驱动模块，9-显示模块。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施方式，对本实用新型及其有益技术效果进行进一步详细说明。

参见图1～图2，本实用新型优选实施的智能床垫的压力分布监测反馈系统，包括压力传感器、控制器和用于调整床垫2的弹性力分布的压力支撑矩阵 4，压力支撑矩阵4设置在压力传感器的底下，压力支撑矩阵4包括若干个按阵列排列的且可调压力的支撑件，压力传感器的输出端与控制器的输入端连接；所述压力传感器包括：

参见图2，压电纤维网络阵列1，镶嵌在棉布或织物内部形成床单式薄层，固定于床垫2表面与人体接触，它将床垫2划分成了压力矩阵网络结构，与床垫2集成在一起构成智能床垫2；

参见图2，矩阵网格3，置于床垫2底部，将整个床垫2划分成N×M个均匀的阵列网格，其中N的范围为5～20，M的范围为5～20；

参见图2，压力支撑矩阵4的支撑件与矩阵网格3的阵列网格一一对应，所有支撑件与床垫2底部充分接触，每个支撑件在控制器的控制下可通过改变伸长量调节床垫2对应部位的硬度。

参见图1，其中，所述控制器包括：

数据处理模块7，对各路信号进行快速的分析处理；

床垫压力分布监测模块5，包括压电纤维网络阵列1和阵列网格；

信号采集模块6，主要由多路开关、采样维持器、放大器、AD转换器组成，形成多路信号采集通道的信号采集模块6，每一路信号采集通道都对应压电纤维网络阵列1中的一根压电纤维；信号采集模块6的信号输出端与数据处理模块7的输入端连接；

反馈驱动模块8，主要由MCU和驱动电路组成，接收数据处理模块7的反馈调节指令并驱动压力支撑矩阵4控制床垫2的硬度；反馈驱动模块8的信号输入端与数据处理模块7的输出端连接；反馈驱动模块8的信号输出端与压力支撑矩阵4的输入端连接；

显示模块9，用于直观地显示床垫2实时压力分布数值图表及各项数据指标。

优选地，所述压电纤维网络阵列1为横向、纵向、斜向三个方向的三组压电纤维交织而成的网络阵列，每组中相邻的压电纤维均相互平行设置；网络阵列受到人体压力时，任意两根纤维的输出电压数值代表了他们交叉点处的受力信息，以此进行床垫2上的压力定位和信息采集即压力分布实时监测；

在床垫压力分布监测模块5中，压电纤维网络阵列1中的每根压电纤维都输出电压信号，三个方向的压电纤维会形成多个三角形阵列，每个三角形会对应矩阵网格3中的一个阵列网格，对矩阵网格3进行反馈控制即可调节床垫2 位于此处的压力大小；反馈作用的力度由三角形的三个角受力情况来确定，而每个角受力大小则由对应此处交叉的两根纤维输出电压值来确定。

优选地，所述支撑件为液压弹簧，该液压弹簧可在驱动电路输出的电信号驱动下改变伸长量，通过液压弹簧的支撑力来改变床垫对应的阵列网格处的硬度；液压弹簧能够容忍床垫2的反作用力在设定区间值的范围内波动，在超出设定区间值的范围时，在反馈驱动模块8的控制下，该液压弹簧可顺应该反作用力调整伸长量，在回到设定区间值的范围时恢复到原伸长量，液压弹簧内设有防止受过大外力损坏液压弹簧的锁止器。

优选地，所述数据处理模块7可以记录若干睡眠模式，睡眠模式包括深睡模式、浅睡模式、夜间熟睡模式、午间小憩模式、按摩入睡模式。

优选地，所述数据处理模块7可存储若干不同睡姿对应的模式数据；当睡眠者改变睡姿时，数据处理模块7自动匹配相应舒适的睡姿，当匹配不到睡眠者习惯睡姿时，则标记睡眠者不在常态，数据处理模块7向显示模块9发出提醒信号。

优选地，所述床垫2由椰棕、记忆棉或乳胶制成。

系统的工作流程如下：

1)睡眠者以一种姿态躺在床垫2上，对床垫2的相应部分产生压力，床垫压力分布监测模块5会直接感应到人体施加在床垫2上的压力；由于压电纤维网络阵列1中压电纤维的压电效应会将压力转化为纤维输出的电压信号，因此多路输出的电压信号会被信号采集模块6采集；信号采集模块6将采集到的多路电压信号送入数据处理模块7进行快速分析处理，通过相应的算法得到床垫 2各处所受人体实时压力位置和大小的信息；通过整合数据描绘床垫2各处所受实时压力分布数值图，并将它及相关数据指标显示在显示模块9上供观察者实时监测查看；

2)通过实时监测查看床垫2各处所受实时压力分布数值图及相关数据指标，观察者可以根据输出结果对床垫2各处的压力值进行反馈调节；通过反馈驱动模块8输入电信号调整压力支撑矩阵4中对应支撑元件的升高或降低，直至该部位到满意或舒适状态；当整个床垫2各处压力值都满足睡眠者的需求时，数据处理模块7可以记录存储此模式数据以便下次直接调用供睡眠者再次使用；

3)数据处理模块7可以记录多个睡眠模式，比如深睡模式、浅睡模式、夜间熟睡模式、午间小憩模式、按摩入睡模式等；此外，数据处理模块7可存储多个不同睡姿对应的模式数据；当睡眠者改变睡姿时，对床垫2的相应部分产生压力，数据处理模块7会自动匹配相应舒适的睡姿，当匹配不到睡眠者习惯睡姿时表明睡眠者不在常态，系统会发出提醒信号；

4)在睡眠者离床超过十分钟，信号采集模块6采集不到床垫2上的压力分布数据，这时数据处理模块7将发出指令给反馈驱动模块8驱动压力支撑矩阵4 停止工作，系统将自动进入休眠模式；等睡眠者重新躺在床上时，信号采集模块6又重新采集床垫2上的压力分布数据,并通过数据处理模块7向反馈驱动模块8发送指令，系统将重新开始运转。

上述说明内容中，对属于现有技术中常规使用的内容，如结构和工艺，为了节省篇幅，不再赘述。未揭示的加工工艺和零件，按现有技术的常规技术处理即可。

根据上述说明书及具体实施例并不对本实用新型构成任何限制，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变形，也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种智能床垫的压力分布监测反馈系统，包括压力传感器、控制器和用于调整床垫的弹性力分布的压力支撑矩阵，压力支撑矩阵设置在压力传感器的底下，压力支撑矩阵包括若干个按阵列排列的且可调压力的支撑件，压力传感器的输出端与控制器的输入端连接；其特征是：所述压力传感器包括：

压电纤维网络阵列，镶嵌在棉布或织物内部形成床单式薄层，固定于床垫表面与人体接触，它将床垫划分成了压力矩阵网络结构，与床垫集成在一起构成智能床垫；

矩阵网格，置于床垫底部，将整个床垫划分成N×M个均匀的阵列网格，其中N的范围为5～20，M的范围为5～20；

压力支撑矩阵的支撑件与矩阵网格的阵列网格一一对应，所有支撑件与床垫底部充分接触，每个支撑件在控制器的控制下可通过改变伸长量调节床垫对应部位的硬度。

2.如权利要求1所述的智能床垫的压力分布监测反馈系统，其特征是：所述控制器包括：

数据处理模块，对各路信号进行快速的分析处理；

床垫压力分布监测模块，包括压电纤维网络阵列和阵列网格；

信号采集模块，主要由多路开关、采样维持器、放大器、AD转换器组成，形成多路信号采集通道的信号采集模块，每一路信号采集通道都对应压电纤维网络阵列中的一根压电纤维；信号采集模块的信号输出端与数据处理模块的输入端连接；

反馈驱动模块，主要由MCU和驱动电路组成，接收数据处理模块的反馈调节指令并驱动压力支撑矩阵控制床垫的硬度；反馈驱动模块的信号输入端与数据处理模块的输出端连接；反馈驱动模块的信号输出端与压力支撑矩阵的输入端连接；

显示模块，用于直观地显示床垫实时压力分布数值图表及各项数据指标。

3.如权利要求2所述的智能床垫的压力分布监测反馈系统，其特征是：所述压电纤维网络阵列为横向、纵向、斜向三个方向的三组压电纤维交织而成的网络阵列，每组中相邻的压电纤维均相互平行设置；网络阵列受到人体压力时，任意两根纤维的输出电压数值代表了他们交叉点处的受力信息，以此进行床垫上的压力定位和信息采集即压力分布实时监测；

在床垫压力分布监测模块中，压电纤维网络阵列中的每根压电纤维都输出电压信号，三个方向的压电纤维会形成多个三角形阵列，每个三角形会对应矩阵网格中的一个阵列网格，对矩阵网格进行反馈控制即可调节床垫位于此处的压力大小；反馈作用的力度由三角形的三个角受力情况来确定，而每个角受力大小则由对应此处交叉的两根纤维输出电压值来确定。

4.如权利要求3所述的智能床垫的压力分布监测反馈系统，其特征是：所述支撑件为液压弹簧，该液压弹簧可在驱动电路输出的电信号驱动下改变伸长量，通过液压弹簧的支撑力来改变床垫对应的阵列网格处的硬度；液压弹簧能够容忍床垫的反作用力在设定区间值的范围内波动，在超出设定区间值的范围时，在反馈驱动模块的控制下，该液压弹簧可顺应该反作用力调整伸长量，在回到设定区间值的范围时恢复到原伸长量，液压弹簧内设有防止受过大外力损坏液压弹簧的锁止器。

5.如权利要求4所述的智能床垫的压力分布监测反馈系统，其特征是：所述数据处理模块可以记录若干睡眠模式，睡眠模式包括深睡模式、浅睡模式、夜间熟睡模式、午间小憩模式、按摩入睡模式。

6.如权利要求5所述的智能床垫的压力分布监测反馈系统，其特征是：所述数据处理模块可存储若干不同睡姿对应的模式数据；当睡眠者改变睡姿时，数据处理模块自动匹配相应舒适的睡姿，当匹配不到睡眠者习惯睡姿时，则标记睡眠者不在常态，数据处理模块向显示模块发出提醒信号。

7.如权利要求6所述的智能床垫的压力分布监测反馈系统，其特征是：所述床垫由椰棕、记忆棉或乳胶制成。

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