光强式高敏压力传感器、睡眠状态监测系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
光强式高敏压力传感器、睡眠状态监测系统及方法
本专利技术属于智能制造
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果为：(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)本专利技术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)本专利技术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是本专利技术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是本专利技术实施例光强式高敏压力传感器原理图。图3是本专利技术实施例光强式高敏压力传感器中光路原理图。图4是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术实施例正交平面弹簧柔性片段受力分析图。图8是本专利技术实施例睡眠状态监测系统电路硬件结构图。图9是本专利技术实施例睡眠状态监测系统电路硬件原理图。图10是本专利技术实施例睡眠状态监测系统串口屏显示界面。图11是本专利技术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；...

【技术保护点】
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)；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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USARTHMI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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李天梁，裴青峰，梁宇晨，秦骁，谭跃刚，周祖德，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42