一种多功能无线智能床垫及其人体生理信号测量方法技术

本发明专利技术公开了一种多功能无线智能床垫及其人体生理信号测量方法，其特征是，包括床垫本体和控制电路模块；所述床垫本体从上到下依次包括上面料层、压力感应层、海绵层、下面料层；所述压力感应层从上到下依次包括巨压电薄膜层和电容薄膜层；所述巨压电薄膜层和电容薄膜层的上下面上均设置有屏蔽层；所述控制电路模块包括巨压电薄膜层和电容薄膜层各自的控制电路；所述控制电路模块根据所述压力感应层的变化获取床垫上人体信号。本发明专利技术所达到的有益效果：通过巨压电薄膜层进行体震信号的测量，经过滤波及提取，得到人体的生理信号，通过柔性电容薄膜阵列测量睡姿压力分布特征，可有效准确的监测大众的睡眠姿态，对疾病的预防和保健起到积极的作用。

Multifunctional wireless intelligent mattress and method for measuring physiological signal of human body

The invention discloses a multifunctional wireless intelligent mattress and its physiological signal measurement method, which is characterized, including a mattress body and a control circuit module; the mattress body from top to bottom, including the above material layer, pressure sensitive layer, spongy layer, the material layer; the pressure sensitive layer from top to bottom includes giant piezoelectric film layer and a capacitor film layer; the giant piezoelectric film layer and the film layer on the capacitor is arranged on the shielding layer; the control circuit module includes giant piezoelectric film layer and the film layer of each capacitor control circuit; the control circuit module according to the change of the pressure sensor to obtain the signal of human body and mattress layer. Beneficial effects: measurement of body vibration signals through the giant piezoelectric thin film layer, after filtering and extraction, get the physiological signal of human body, through the flexible thin film capacitor array measurement position of pressure distribution, monitoring public can effectively and accurately sleep posture, active role in disease prevention and health up.

【技术实现步骤摘要】
一种多功能无线智能床垫及其人体生理信号测量方法
本专利技术涉及一种多功能无线智能床垫及其人体生理信号测量方法，属于智能床垫

技术介绍
近年来，由于持续不间断地长期超负荷工作，很多人身体长期处在亚健康状态，过度劳累造成的精力、体力透支，紧张情绪导致的睡眠不足，引起机体代谢紊乱，进而影响机体各系统的正常生理功能。太累、太疲劳已是人们日常生活中的流行词。出现亚健康的人群往往伴随心率，呼吸率等生理信号的异常，并伴有长期的睡眠障碍。所以对生理信号有效的采集与分析是亚健康预防的首要环节，生理信号质量的好坏对后期的分析有着决定性的影响。目前主流的生理信号测量仪主要有接触式和非接触式两大类。但是目前的接触式测量仪器存在如下问题：(1)需要将电极或传感器与人体紧密接触，这给受检测者带来极大不便和心理压力；(2)由于电极对人体的刺激作用，不适合长时间使用，长时间的粘贴电极，会使局部皮肤瘙痒、甚至发炎。同样的，非接触式测量仪器也存在较多问题，主要概括为以下几方面：(1)光电类测量精度受环境光干扰严重；(2)加速度传感器类价格较昂贵，并且核心技术在国外，不利于进一步开发；(3)视频图像类是近年来刚兴起的技术，技术尚不成熟。(4)PVDF压电薄膜类应变系数较小，不能满足现代高灵敏度检测的要求，尤其是生理信号超高灵敏超快检测的要求。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种多功能无线智能床垫及其人体生理信号测量方法，解决目前在无线智能床垫领域，灵敏度和检测效率都很低下的问题。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种多功能无线智能床垫，其特征是，包括床垫本体和控制电路模块；所述床垫本体从上到下依次包括上面料层、压力感应层、海绵层、下面料层；所述压力感应层从上到下依次包括巨压电薄膜层和电容薄膜层；所述巨压电薄膜层和电容薄膜层的上下面上均设置有屏蔽层；所述巨压电薄膜层包括第一电极、第一引出端电极、从上到下依次分布的第一上绝缘薄膜层、PZT巨压电薄膜条和第一下绝缘薄膜层；所述第一上绝缘薄膜层和第一下绝缘薄膜层上均设置有所述第一电极和第一引出端电极；所述电容薄膜层包括第二电极、第二引出端电极、从上到下依次分布的第二上绝缘薄膜层、柔性电容薄膜和第二下绝缘薄膜层；所述第二上绝缘薄膜层和第二下绝缘薄膜层上均设置有所述第二电极和第二引出端电极；所述控制电路模块包括巨压电薄膜层的控制电路模块和电容薄膜层的控制电路模块，所述巨压电薄膜层的控制电路模块包括依次连接的调理电路和第一控制电路；所述调理电路与巨压电薄膜层之间通过屏蔽线传输；所述第一控制电路模块根据所述巨压电薄膜层的变化获取床垫上人体生理信号；所述调理电路包括依次电联接的运放电路和滤波电路；所述第一控制电路包括依次电联接的模数转换器、数字信号处理模块和主控制器；所述电容薄膜层的控制电路模块包括依次连接的选择电路和第二控制电路；所述选择电路与电容薄膜层之间通过屏蔽线传输；所述第二控制电路模块根据所述电容薄膜层的变化获取床垫上人体睡姿信号；所述选择电路为多路选择器；所述第二控制电路包括依次电联接的电容转换器和主控制器；所述巨压电薄膜层将生理信号转化为电信号，依次传递给调理电路和模数转换器；所述模数转换器将电信号转化后的数字量传输给数字信号处理模块进行信号的去噪及提取，将数据传输给主控制器；所述电容薄膜层将睡姿信号转换为电信号后传递给多路选择器；所述多路选择器将信号传递给电容转换器后，将电信号转化后的数字量传输给主控制器。进一步地，所述PZT巨压电薄膜条为梳子状。进一步地，所述第一电极的形状与PZT巨压电薄膜条的形状一致。进一步地，所述柔性电容薄膜采用医用硅胶作为介电层；所述柔性电容薄膜为等边三角形状，在绝缘薄膜层之间呈阵列式分布。进一步地，所述第二电极的形状与柔性电容薄膜的形状一致。进一步地，所述绝缘薄膜层选用聚酰亚胺材料；所述屏蔽层选用双面铝箔胶带。进一步地，所述床垫上人体生理信号包括心率、呼吸率、体动率、打呼频率、咳嗽频率以及睡姿压力分布特征。进一步地，所述主控制器还分别连接有与多路选择器、电容数字转换器、显示模块、无线通信模块、存储模块、体感音乐模块和电源模块；所述主控制器和数字信号处理模块还分别连接有串口模块。进一步地，所述运放电路包括运算放大器及其外围电路；所述运算放大器采用芯片TLC2254；所述滤波电路采用低通滤波电路；所述模数转换器采用24位的AD7795模数转换器；所述数字信号处理模块中采用EP4CE10E22C8N型号芯片；所述主控制器采用ARMCortex-M4系列的STM32F407ZGT6；所述无线通信模块包括WIFI模块和蓝牙模块；所述WIFI模块采用ATK-RM04WIFI模块；所述蓝牙模块采用蜂汇B-0004蓝牙模块；所述串口模块采用TTL串口线；所述存储模块采用AT24C02；所述多路选择器采用四选一多路选择器；所述电容转换器采用28位双通道转换器FDC2212。基于上述多功能无线智能床垫的人体生理信号测量方法，其特征是，通过峰值和斜率混合检测算法进行信号的频率计算；所述峰值和斜率混合检测算法针对生理信号的伪周期特性，采用伪周期检测方法来提取心率、呼吸率的数值，具体内容为：首先对4秒内采集的所有数据值进行微分运算求得整个测量过程的所有波峰并去除伪峰点，其次按照设置的幅度阈值对波峰进行筛选，随后选取最大斜率的连续4个符合心跳、呼吸规律的波峰，最后根据它们的时间间隔计算出心率与呼吸率；所述数字信号处理模块通过基于Morlet小波的滤波方法对测量的生理信号进行噪声的去除，具体步骤如下：步骤1)利用Morlet小波基建立滤波器组；步骤2)分别对测量的生理信号和Morlet小波实部进行傅里叶变换；步骤3)在频域上计算测量的生理信号的小波变换；步骤4)通过反傅里叶变换求得时域的小波系数；步骤5)通过小波系数求得信号的傅里叶变换；步骤6)通过反傅里叶变换得到时域的信号，输出得到降噪后的测量的生理信号。本专利技术所达到的有益效果：1)本专利技术中的智能床垫具有睡姿监测功能和生理信号检测功能，在睡眠过程中，通过电容薄膜阵列实时测量睡姿各受力点的大小，通过微处理器分析各受力点之间的位置与距离关系，得到人体睡姿信息，通过柔性电容薄膜阵列测量睡姿压力分布特征；可以有效准确的监测大众的睡眠姿态，对疾病的预防和保健起到积极的作用；通过巨压电薄膜层进行体震信号的测量，经过滤波及提取，得到人体的生理信号，经无线传输模块传输给手机APP，使用者通过客户端就可以随时了解自己的睡姿特点及生理信号变化，结合在不同睡姿情况下，心率、呼吸率等生理信号特点，设计了体感音乐模块，通过播放极低频率的舒缓音乐刺激大脑皮层，调节神经系统，改善睡眠质量；2)为了提高信号测量的时效性以及系统工作的稳定性，提出了FPGA+STM32的双处理器模式；由于FPGA芯片内部filter的IP核可以很方便的调用，极大的提高了信号处理的效率；另外，FPGA内部集成了大量的逻辑门电路，对其进行硬件语言的编程即可达到对硬件电路的测量需求，这样极大的减少了外围器件数量，简化了电路的布局布线，有效的提高了系统的集成度，也使系统更加稳定；3)针对以往体震信号测量系统信号处理方面的不足，通过小波变换算法和峰值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能无线智能床垫，其特征是，包括床垫本体和控制电路模块；所述床垫本体从上到下依次包括上面料层、压力感应层、海绵层、下面料层；所述压力感应层从上到下依次包括巨压电薄膜层和电容薄膜层；所述巨压电薄膜层和电容薄膜层的上下面上均设置有屏蔽层；所述巨压电薄膜层包括第一电极、第一引出端电极、从上到下依次分布的第一上绝缘薄膜层、PZT巨压电薄膜条和第一下绝缘薄膜层；所述第一上绝缘薄膜层和第一下绝缘薄膜层上均设置有所述第一电极和第一引出端电极；所述电容薄膜层包括第二电极、第二引出端电极、从上到下依次分布的第二上绝缘薄膜层、柔性电容薄膜和第二下绝缘薄膜层；所述第二上绝缘薄膜层和第二下绝缘薄膜层上均设置有所述第二电极和第二引出端电极；所述控制电路模块包括巨压电薄膜层的控制电路模块和电容薄膜层的控制电路模块，所述巨压电薄膜层的控制电路模块包括依次连接的调理电路和第一控制电路；所述调理电路与巨压电薄膜层之间通过屏蔽线传输；所述第一控制电路模块根据所述巨压电薄膜层的变化获取床垫上人体生理信号；所述调理电路包括依次电联接的运放电路和滤波电路；所述第一控制电路包括依次电联接的模数转换器、数字信号处理模块和主控制器；所述电容薄膜层的控制电路模块包括依次连接的选择电路和第二控制电路；所述选择电路与电容薄膜层之间通过屏蔽线传输；所述第二控制电路模块根据所述电容薄膜层的变化获取床垫上人体睡姿信号；所述选择电路为多路选择器；所述第二控制电路包括依次电联接的电容转换器和主控制器；所述巨压电薄膜层将生理信号转化为电信号，依次传递给调理电路和模数转换器；所述模数转换器将电信号转化后的数字量传输给数字信号处理模块进行信号的去噪及提取，将数据传输给主控制器；所述电容薄膜层将睡姿信号转换为电信号后传递给多路选择器；所述多路选择器将信号传递给电容转换器后，将电信号转化后的数字量传输给主控制器。...

【技术特征摘要】
1.一种多功能无线智能床垫，其特征是，包括床垫本体和控制电路模块；所述床垫本体从上到下依次包括上面料层、压力感应层、海绵层、下面料层；所述压力感应层从上到下依次包括巨压电薄膜层和电容薄膜层；所述巨压电薄膜层和电容薄膜层的上下面上均设置有屏蔽层；所述巨压电薄膜层包括第一电极、第一引出端电极、从上到下依次分布的第一上绝缘薄膜层、PZT巨压电薄膜条和第一下绝缘薄膜层；所述第一上绝缘薄膜层和第一下绝缘薄膜层上均设置有所述第一电极和第一引出端电极；所述电容薄膜层包括第二电极、第二引出端电极、从上到下依次分布的第二上绝缘薄膜层、柔性电容薄膜和第二下绝缘薄膜层；所述第二上绝缘薄膜层和第二下绝缘薄膜层上均设置有所述第二电极和第二引出端电极；所述控制电路模块包括巨压电薄膜层的控制电路模块和电容薄膜层的控制电路模块，所述巨压电薄膜层的控制电路模块包括依次连接的调理电路和第一控制电路；所述调理电路与巨压电薄膜层之间通过屏蔽线传输；所述第一控制电路模块根据所述巨压电薄膜层的变化获取床垫上人体生理信号；所述调理电路包括依次电联接的运放电路和滤波电路；所述第一控制电路包括依次电联接的模数转换器、数字信号处理模块和主控制器；所述电容薄膜层的控制电路模块包括依次连接的选择电路和第二控制电路；所述选择电路与电容薄膜层之间通过屏蔽线传输；所述第二控制电路模块根据所述电容薄膜层的变化获取床垫上人体睡姿信号；所述选择电路为多路选择器；所述第二控制电路包括依次电联接的电容转换器和主控制器；所述巨压电薄膜层将生理信号转化为电信号，依次传递给调理电路和模数转换器；所述模数转换器将电信号转化后的数字量传输给数字信号处理模块进行信号的去噪及提取，将数据传输给主控制器；所述电容薄膜层将睡姿信号转换为电信号后传递给多路选择器；所述多路选择器将信号传递给电容转换器后，将电信号转化后的数字量传输给主控制器。2.根据权利要求1所述的一种多功能无线智能床垫，其特征是，所述PZT巨压电薄膜条为梳子状。3.根据权利要求1所述的一种多功能无线智能床垫，其特征是，所述第一电极的形状与PZT巨压电薄膜条的形状一致。4.根据权利要求1所述的一种多功能无线智能床垫，其特征是，所述柔性电容薄膜采用医用硅胶作为介电层；所述柔性电容薄膜为等边三角形状，在绝缘薄膜层之间呈阵列式分布。5.根据权利要求1所述的一种多功能无线智能床垫，其特征是，所述第二电极的形状与柔性...

【专利技术属性】
技术研发人员：张加宏，潘周光，李敏，刘敏，孙林峰，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32