一种用于幼儿监控的智能床垫、系统及远程自动调整方法与流程

本发明涉及一种用于幼儿监控的智能床垫、系统及远程自动调整方法，属于智能床垫技术领域。

背景技术：

随着社会的发展和进步，生活水平的提高，人们越来越重视睡眠的质量，尤其是幼儿的睡眠质量。现在社会的生活节奏在加快，人们的精力有限，孩子即使放在幼儿园，由于幼儿园学生多，老师少，老师并不能时刻顾及并照顾到每个学生，因此因监护人疏忽而导致的幼儿感冒发烧，以及跌落摔伤的事件时有发生，并且若幼儿一直处于缺氧的状态而不进行及时调整，会导致其头晕，恶心，面部苍白，严重了甚至会影响孩子的生命安全。因此对于幼儿的监护者需要在未看到孩子在床上状态的时候也能够实时监测孩子的睡眠状态和生命体征，当孩子睡眠发生不适时能够及时预警并且能够及时改善睡眠环境。

为了减少监护人在孩子睡眠时监护压力，出现了幼儿智能床和床垫，传统的智能床垫即使能够检测到生命体征，但是生命体征并不明显并且不能满足异地的实时监测和报警，有些床和床垫即使能够监测，也不能对异常情况和环境进行实时的调整和改善。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于幼儿监控的智能床垫、系统及远程自动调整方法，解决目前缺少能够远程监视幼儿睡眠姿势并且进行及时提醒以及调整的设备。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种用于幼儿监控的智能床垫，其特征是，包括床垫主体和系统电路模块；

所述床垫主体从下到上依次包括依叠层设置的第一TPU面料层、3D高分子层、第一柔性下电极层、电容薄膜阵列层、第一柔性上电极层、第二柔性下电极层、巨压电氧化锌纳米阵列层、第二柔性上电极层、由复合纤维布包裹的加热层和第二TPU面料层；所述床垫主体上还设置有系统PCB电路板；

所述第一柔性下电极层和第一柔性上电极层均带有焊盘，通过导线连接到系统电路板，第一柔性下电极层和第一柔性上电极层的电极连接线均呈垂直分布；所述巨压电氧化锌纳米阵列均匀的分布在床垫上；

所述系统电路模块包括电源模块、依次连接的传感器信号调理模块、AD转换模块、主控芯片和其驱动的器件模块；

所述传感器信号调理模块包括电容薄膜阵列、湿度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、压电薄膜、放大滤波电路和电荷放大器；所述湿度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器各自对应一个放大滤波电路；所述压电薄膜对应一个电荷放大器；

所述主控芯片和其驱动的器件模块包括控制芯片和器件模块；所述控制芯片控制器件模块的开关；

所述第一温度传感器由屏蔽线连接到床垫的中间位置，用于测量睡眠时的床上的温度；所述第二温度传感器位于系统PCB电路板上，用于测量室内实际温度。

进一步地，所述第一TPU面料层和第二TPU面料层作为床垫的外侧保护层，采用防水透气材料；所述第二柔性上电极层通过导线引出接到系统PCB电路板。

进一步地，所述电源模块包括模拟电源模块、基准电压源模块和数字电源模块；所述模拟电源模块为传感器信号模块供电，基准电压源模块为AD转换模块供电，数字电源模块为主控芯片和其驱动的器件模块供电。

进一步地，所述AD转换模块包括第一AD转换模块和第二AD转换模块。

进一步地，所述控制芯片包括相互联调的MCU和FPGA；所述MCU连接有WIFI模块、蓝牙模块、报警器和三个继电器；三个所述继电器分别连接加热器件、加湿器和加氧机；所述电容薄膜阵列经第一AD转换模块转换后，由FPGA采用多通道选择对信号进行高速采集。

进一步地，所述加热层中的加热电阻丝呈竖条状条形排列，两侧加热电阻丝呈横条状排列；所述加氧机采用非接触空氧混合供氧。

一种用于幼儿监控的智能床垫系统，其特征是，所述系统电路模块还包括终端APP显示模块和软件算法处理模块；所述终端APP显示模块通过WIFI模块或蓝牙模块进行数据显示并且通过发送指令传给MCU，可对器件工作进行控制；所述软件算法处理模块基于POS粒子群优化小波去噪算法计算出温度值、湿度值、心率值和应力分布，并将计算数据传输给控制芯片。

进一步地，所述终端APP显示模块用于动态显示当前温度、湿度、心率和呼吸值、心率曲线；所述终端APP显示模块的界面设有加热器按钮、加湿器按钮、加氧机按钮、应力分布按钮、开启远程视频和睡眠分析按钮；所述终端APP显示模块通过按应力分布按钮可显示人体的应力分布、通过按开启远程视频按钮可以通过远程视频查看睡眠者的睡眠状态、通过按睡眠分析按钮系统可分析睡眠者的睡眠时间。

进一步地，所述电容薄膜阵列信号呈9行17列均匀的排布在床垫，用表示，当人体压在床垫上时，通过对阵列信号的提取可到到人体的应力分布，并且通过设置如果应力分布不在a₂到a₆，系统可进行报警，并且在a₀到a₂或a₆到a₈记录所压的压电薄膜的个数，若超过10个系统进行提示，若超过14个进行报警，提醒当前幼儿睡眠时睡姿不合理或睡眠位置不佳。

一种用于幼儿监控的智能床垫系统的远程自动调整方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一：系统设置温度低于T₁，湿度低于RH₁，心率高于N次每分时，由MCU通过控制继电器闭合从而控制加热器、加湿器或者加氧机进行工作，并设置工作时间为10分钟，10分钟后MCU通过控制继电器开关打开从而控制器件停止工作；

步骤二：再次判断温度、湿度或心率是在合理范围内，如果不是打开终端APP显示模块开启睡眠分析；

步骤三：MCU判断当前温度是否低于预设温度T₁，若是对应指示灯亮，终端APP显示模块建议开启加热器，若温度达到T₁指相应示灯亮，终端APP显示模块建议关闭加热器，终端APP显示模块反馈给MCU，MCU控制加热器停止工作；

步骤四：MCU判断当前湿度是否低于预设湿度RH₁，若是对应指示灯亮，终端APP显示模块建议开启加湿器，若湿度达到预设湿度RH₁，相应示灯亮，终端APP显示模块建议关闭加热器，终端APP显示模块反馈给MCU，MCU控制加湿器停止工作；

步骤五：MCU判断心率是否超过N₁次/分，体动次数超过N₂次，或心率持续过低若是对应指示灯亮，终端APP显示模块建议开启加氧机，若否相应示灯亮，终端APP显示模块建议关闭加氧机，反馈给MCU，MCU控制加氧机停止工作；

步骤六:应力分布不在a₂到a₆行，系统可进行报警，并且在a₀到a₂行或a₆到a₈行记录所压的压电薄膜的个数，若超过10个系统进行提示并建议调整合理的睡姿，若超过14个进行报警，并建议调整合理的睡姿。

以上数据根据经验值设定。

本发明所达到的有益效果：

1.本发明所采用的床垫，采用的加热部分，其上下表面采用复合纤维布，可防辐射，以及顶层采用TPU面料具有防水透气的特点，并且温度具有反馈调节机制，温度达到一定值将停止加热，提高的睡眠的舒适性和安全性；

2.采用巨压电氧化锌纳米阵列与柔性电极受力形成肖特基势垒，比传统选用PVDF压电薄膜具有更高的应变能力，测量精度更高；

3.电容薄膜阵列上下部分采用柔性电极，减少了接线的数量，制造工艺简单，适合阵列数量多的场合，同时减少了成本；

4.本发明提供的供氧系统，其为非接触式空氧混合供氧，可避免氧浓度过高引起中枢系统损伤的危险，同时当监测到心率呼吸突然过快体动次数过多或呼吸率持续过低时体动次数过少，通过APP设置，反馈给MCU，由MCU控制加氧机及时对环境进行加氧气，当心率呼吸正常时，可通过设置加氧机停止加氧；

5.床垫系统有效减小了幼儿监护人在幼儿睡眠时的看护压力，能够具有防水透气可实时监测孩子的生命体征的特点，并且系统自行和APP反馈可以进行温度、湿度的调控，适时的加氧，改善孩子的睡眠质量，同时减小了监护人的压力。

附图说明

图1是床垫的剖面示意图；

图2是床垫加热层；

图3是床垫巨压电氧化锌纳米阵列层；

图4是床垫电容薄膜阵列层；

图5是智能床垫系统整体图；

图6是床垫的电路系统图；

图7是心率算法处理流程图；

图8是某幼儿算法处理后的心率图；

图9(a)(b)分别是床垫系统APP界面图；

图10是互反馈调节环境的流程图。

图中附图标记的含义：

1-第一TPU面料层，2-3D高分子层，3-第一柔性下电极层，4-电容薄膜阵列层，5-第一柔性上电极层，6-第二柔性下电极层，7-巨压电氧化锌纳米阵列层，8-第二柔性上电极层，9-加热层，10-第二TPU面料层，11-第一柔性下电极层的局部放大部分、12-第一柔性上电极层的局部放大部分，13～20-引线，21-温度传感器，22～24-人体所压床垫的区域，25-电容薄膜，26-报警器，27-设置按钮，28-指示灯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图5为智能床垫系统整体图，系统床垫的巨压电氧化锌纳米阵列层、电容薄膜阵列层和加热层，各层通过屏蔽线连接到系统PCB电路板，所述系统PCB电路板上还包括温度传感器、湿度传感器、声光报警器、蓝牙和WIFI模块等主要部分，如图5中a为位于床垫一头TPU面料制作的矩形容器，系统PCB电路板位于该矩形容器中。加湿器和加氧机其上部都连接有3分支的导气管,加氧机为非接触式加氧，其成分为空氧混合，当系统检测到空气过干或者缺氧的时候，由系统控制通过选通专属气路实现加氧和加湿的目的，APP通过互联网实现对器件的远程控制和数据互换。

图1为床垫的剖面示意图，床垫主体从下到上包括依叠层设置的第一TPU面料层1、3D高分子层2、第一柔性下电极层3、电容薄膜阵列层4、第一柔性上电极层5、第二柔性下电极层6、巨压电氧化锌纳米阵列层7、第二柔性上电极层8、由复合纤维布包裹的加热层9、第二TPU面料层10，其中，第一柔性下电极层的局部放大部分为序号11，第一柔性上电极层的局部放大部分为12，13为第一柔性下电极层3的引线，14为第一柔性上电极层5，15为第二柔性下电极层6的引线，16为第二柔性上电极层8，各引线连接到系统电路板。

图2为加热层的结构示意图，其上下由复合纤维布覆盖，复合纤维布具有防辐射防腐蚀和绝缘的特点，其中电极通过引线17和18连接到系统PCB电路板，置于床垫上的温度传感器21由引线19和20连接到系统PCB电路板，加热电阻丝，其中间电阻丝呈竖条状条形排列，两侧电阻丝呈横条状排列，此种加热结构具有加热面积大和加热均匀的优点。

图3为巨压电氧化锌纳米阵列层，其均匀的排列在床垫上，当幼儿位于床上时巨压电氧化锌纳米阵列7与带有焊盘的第二柔性上电极层8间由于血液周期性的泵血过程和血液流经动脉返回心脏，会对人体产生反作用力，氧化锌与柔性电极间会产生极化现象即产生肖特基势垒ΔΦ_E，其中q为电荷量，ρ为极化电荷密度，W_ρ为界面上极化层宽度，ε为氧化锌的介电常数，进而导致氧化锌纳米阵列的电压特性改变显著，系统MCU通过对压电信号进行采集，并采用相应的算法处理可计算出心率值并提取出心率波形。

图4为电容薄膜阵列层，电容薄膜阵列为9行17列均匀的排布在床垫上，所述电容薄膜阵列信号用表示，当人体压在床垫上时，通过对阵列信号的提取可到到人体的应力分布，并且通过编程设置如果应力分布不在a₂到a₆行，系统可进行报警，并且在a₀到a₂行或a₆到a₈行记录所压的电容薄膜的个数，若超过10个系统进行提示，若超过14个进行报警，进而避免幼儿睡眠时由睡姿不合理或睡眠位置不佳导致掉床的危险；人体所压的区域如24，全部在a₂到a₆行之间，说明睡眠区域为安全区域；人体所压部分区域如22，在a₆到a₈行人体所压的电容薄膜阵列数为10个此时进行提示；人体所压部分区域如23在a₆到a₈行人体所压的电容薄膜阵列数为15个，超过14个，MCU控制系统进行报警，说明此时有掉床的危险。

图6为床垫的系统电路图，包括电源模块、传感器及其信号调理模块、AD转换模块、主控芯片和其驱动的器件模块、终端APP显示模块(以下简称APP)和软件算法处理模块。

本实施例中AD转换模块包括第一AD模块AD7746和第二AD模块AD7794,湿度信号经过放大滤波电路后由第一AD模块进行AD转换，并连接主控芯片，所述控制芯片包括MCU和FPGA,并且MCU和FPGA进行联调，两个温度信号经过放大滤波电路后有第二AD转换模块进行AD转换，第二AD转换模块与系统MCU相连。这里MCU采用STM32ZGT6，由STM32ZGT6连接WIFI和蓝牙模块进行数据传输，APP通过与蓝牙或WIFI连接进行数据显示并且通过发送指令传给STM32ZGT6，可对器件工作进行控制；STM32ZGT6还连接报警器和三个继电器，三个继电器分别连接加热器件、加湿器和加氧机，软件算法模块包括压电信号、湿度信号、电容薄膜阵列信号和温度信号的处理，压电信号经过FIR低通滤波和50HZ工频滤波并通过基于粒子群的小波去噪算法提取出心率和呼吸值，湿度信号和电容薄膜阵列信号通过AD7746的程序配置以及数据处理得到相应的湿度值和应力分布，温度信号通过AD7794的程序配置以及数据处理得到相应的温度值。

图7为心率算法处理流程图，压电薄膜经电荷放大器后的信号，经过50HZ工频滤波去除工频干扰，然后经过FIR低通滤波滤除高频噪声，最后经过粒子群优化的小波阈值去噪算法提取心率值。利用Coif4小波对含有噪声的心电信号进行8层小波分解，并得到一组小波系数w_j,k，采用均方误差MSE作为适应度函数，将数据位置和速度随机初始化，第i个粒子t时刻数据的表示为x_i(t),第i个粒子的t时刻的速度为v_i(t)，个体最优位置为p_i,数据整体最佳位置为p_b，权重为ω，其中数据粒子位置按不断调整更新目前的位置和速度，直到达到最优解得到最优化阈值λ_best，其中系数d₁和d₂为学习因子，r₁和r₂为[0,1]之间的随机数。

对得到的小波系数w_j,k进行阈值处理，选取阈值函数

其中，||·||表示2-范数，a和b为大于1的常数，本实施例中1通过实验取a的值为8000、b的值为13此时去噪效果最佳，提取第8层低频系数a₈，第1,2,3...8层高频系数b₁，b₂，...b₈,对高频系数进行阈值处理得到新的系数b₁₁，b₁₂，...b₁₈,，最后对高频部分和低频部分进行信号重构，得到去噪的心率信号。图8为一幼儿经算法处理后的心率图形及心率值以及采集到的心率波形图。

图9(a)(b)分别为床垫系统的APP界面图，APP登陆后可动态显示当前温度、湿度、心率和心率曲线。所述APP界面设有加热器按钮、加湿器按钮、加氧机按钮、应力分布按钮、开启远程视频和睡眠分析按钮。通过按应力分布按钮可显示人体的应力分布，进而分析睡眠者的睡姿和睡眠位置；通过按开启远程视频按钮可以通过远程视频查看睡眠者的睡眠状态；通过按睡眠分析按钮系统可分析睡眠者的睡眠时间，可显示睡眠环境的温度曲线、湿度曲线，记录体动次数，分析睡眠质量，并提出合理建议，并通过加热器按钮、加湿器按钮或加氧机按钮，由APP通过WIFI模块将反馈信号传给MCU，由MCU控制器件是否工作。

如图10为互反馈调节环境的流程图，其步骤如下：

步骤一：系统设置温度低于T₁，湿度低于RH₁，心率高于N次每分时由MCU通过控制继电器闭合从而控制加热器、加湿器或者加氧机进行工作，并设置工作时间为10分钟，10分钟后MCU通过控制继电器开关打开从而控制器件停止工作。

步骤二：再次判断温度、湿度或心率是在合理范围内，如果不是打开APP开启睡眠分析。

步骤三：MCU判断当前温度是否低于预设温度T₁，若是对应指示灯亮，APP建议开启加热器，若温度达到T₁指相应示灯亮，APP建议关闭加热器，APP反馈给MCU，MCU控制加热器停止工作；

步骤四：MCU判断当前湿度是否低于预设湿度RH₁，若是对应指示灯亮，APP建议开启加湿器，若湿度达到预设湿度RH₁，相应示灯亮，APP建议关闭加热器，APP反馈给MCU，MCU控制加湿器停止工作；

步骤五：MCU判断心率是否超过N₁次/分，体动次数超过N₂次，或心率持续过低若是对应指示灯亮，APP建议开启加氧机，若否相应示灯亮，APP建议关闭加氧机，APP反馈给MCU，MCU控制加氧机停止工作；

步骤六:应力分布不在a₂到a₆行，系统可进行报警，并且在a₀到a₂行或a₆到a₈行记录所压的压电薄膜的个数，若超过10个系统进行提示并建议调整合理的睡姿，若超过14个进行报警，并建议调整合理的睡姿。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。