一种可穿戴式远程睡眠监测系统的制作方法

1.本发明属于睡眠监测技术领域，涉及一种睡眠监测系统，具体是一种可穿戴式远程睡眠监测系统。


背景技术：

2.睡眠时打鼾容易发生呼吸暂停并且出现缺氧现象，有可能诱发心肌梗塞、脑血管意外和其他疾病，具有潜在危险性。为了健康与安全，可以对睡眠状态进行实时监视。目前关于睡眠分期，国际上比较常用的方法是依据睡眠过程中脑电图和心电图、眼球运动状况、肌肉张力状况等，把整个睡眠时段划分为两种不同的时相，这两种时相为非快速眼动睡眠(non
‑
rapideye movements sleep,nrems)时相和快速眼动睡眠(rapid eye movements sleep，rems)时相。通常正常的睡眠正是由nrem睡眠和rem睡眠两个时相组成，交替出现。睡眠开始进入 nrems，持续80～120分钟后，出现一次rems，再持续几分钟后进入下一次nrems。整个睡眠过程中，nrems和rems反复出现3～5次。快速眼动睡眠约占睡眠周期的20％，脑电状态类似于清醒状态，以持续的
ɑ
波和幅度较低的混频信号为主。非快动眼睡眠分为4个时相：第1期为入睡期，脑波中
ɑ
波逐渐消失，θ波逐渐增强；第2期为轻度睡眠期，脑电信号中出现睡眠纺锤波，并伴有幅度较大慢波k波；第3期为中度睡眠期，脑电信号波形中出现δ波，比例较小，约20％。第4期为深度睡眠期，δ波占主导地位，脑电信号总体呈现慢波状态。第3、4期合称慢波睡眠或δ睡眠。
3.目前，睡眠监测的系统有多导睡眠监测系统、床垫式睡眠监测系统等。多导睡眠监测系统是目前医院普遍使用的睡眠监测系统，主要由计算机系统、各种信号采集传感器，如脑电、心电、眼电、肌电、血氧、体位传感器、热敏气流传感器等组成。系统的优点是准确直观，是诊断睡眠障碍的金标准；缺点是检测设备成本高、多种传感器触携带不便且影响睡眠。床垫式睡眠监测系统检测卧床者生理信号微动带给敏感床垫的变化，避免了传感器对睡眠造成影响，成本较多导系统降低，缺点是隔着衣被等对采集信号有干扰，采集生理信号准确性低。视频睡眠监测主要是采用摄像头监控用户，根据视频图像和睡眠时肢体运动来判断睡眠状态。该方法能得到比较准确的睡眠状态，但暴露个人隐私。基于翻转睡眠状况检测法，穿戴在身体某部位的加速度传感器采集佩戴者睡眠过程中翻转运动时的各轴加速度变化数据，从而得到睡眠质量指标。此方法相比于以上几种检测方法，便于佩戴，操作简单，测量准确，对睡眠干扰少，适合家用检测。
4.人睡眠过程中体动类型根据体动幅度不同可以分为大幅度体动，如翻身，3
‑
5秒内完成；中等幅度体动，如腿动、身体扭动，小幅度体动如扭头、手臂动作，2
‑
3秒内完成。体动信号处理是为了更好的反映出睡眠状态的体动幅度和频率。采样周期可选择2
‑
5秒内，采样时间7 小时以上。
5.人体脉搏信号作为一种生理信号，在从非睡眠状态向睡眠状态过度时，脉搏会逐渐减慢，通过对脉搏信号的分析可完成对睡眠质量的评估。健康成人在安静状态下脉率为60
‑
75次/分，随年龄增加而降低，通常女性高于男性。脉搏信号属于超低频小信号，能量主
要集中在0
‑
40hz。在采集过程中，脉搏信号容易受到工频干扰、肌电干扰、基线漂移和传感器接触噪声等因素的影响。
6.如果采用普通的压力传感器采集脉搏信号需要进行调理，包括两级放大、50hz陷波、模数转换等，才能送给传送给处理器分析处理。外围电路复杂，易造成波形失真。红外脉搏传感器使用特定波长的红外线对由于心脏跳动而造成的血管末端血液微循环产生的血液容积变化敏感的特性，检测心跳引起的手指指尖的血容积发生的变化，无创，且具有体积小、稳定性好、功耗低、灵敏度高、抗干扰能力强的优点。
7.因此本实用新型采用基于翻转睡眠状况检测和人生理信号脉搏法作为睡眠状况的可穿戴远程无线监测设置，完成数据类型转换、存储、处理及计算脉率、脉搏波形、深、浅睡眠比例图形实时显示。根据睡眠姿势变化频率进行睡眠分期，分析睡眠质量，并在睡眠或脉搏异常情况下报警。


技术实现要素：

8.本实用新型通过以下技术方案实现：
9.一种可穿戴式远程睡眠监测系统，包括中央处理器，与所述中央处理器通过i/o接口连接的信号采集模块、振动马达及其驱动电路、时钟电路、显示屏电路、无线通信电路和报警电路，与所述无线通信电路进行通信和交互的上位机和/或客户端，以及为所述可穿戴式远程睡眠监测系统供电的电源模块。其中，所述信号采集模块包括重力传感器、加速度传感器和脉搏传感器，所述电源模块包括电源接口电路和电压转换电路。
10.进一步的，所述信号采集模块还包括温度传感器，用于监测环境温度。
11.进一步的，所述重力传感器用于监测睡眠过程中的体位和移动、翻身等姿态的变化，所述加速度传感器用于监测运动的步数或者睡眠过程中的体位状态变化，所述脉搏传感器用于监测脉率。
12.进一步的，所述振动马达及其驱动电路受所述中央处理器的控制，在所述睡眠监测系统的检测值超出设定范围时，振动马达及其驱动电路中的驱动电路驱动马达振动，给出用户提示。
13.进一步的，所述时钟电路为所述睡眠监测系统提供日期和时间信息。
14.进一步的，所述显示屏电路为oled显示屏，用于显示睡眠监测结果。
15.进一步的，所述无线通信电路包括接收和发送两部分，所述无线通信电路将所述中央处理器中的睡眠监测数据通过发送部分传输到所述客户端和/或上位机，通过接收部分接收客户端和/或上位机的指令，再传给所述中央处理器。
16.进一步的，所述报警电路采用贴片式电磁无源蜂鸣器，在所述睡眠监测系统的检测值超出设定范围时，发出声音报警。
17.进一步的，所述睡眠监测系统还包括与所述中央处理器连接的状态灯电路。
18.进一步的，所述睡眠监测系统还包括与所述中央处理器连接的复位电路。
19.进一步的，所述中央处理器选用stm32f407vetx芯片；所述stm32f407vetx通过引脚 pb11、pb15、pb13、pb10、pc0、pc1与所述重力传感器相连，通过引脚pc12、pc11、pc10、 pc8、pc5、pc4与所述加速度传感器相连，通过引脚pa3与所述脉搏传感器相连，通过引脚 pc15、pb9、pb8、pc14与所述振动马达及其驱动电路相连，通过引脚pd3、pd2与所述时钟电路
相连，通过引脚pa9、pa10与所述无线通信电路相连，通过引脚pb6、pb7与所述显示屏电路相连。所述stm32f407vetx通过引脚pd11与所述温度传感器相连。
20.进一步的，所述重力传感器选用型号lis3dsh，所述加速度传感器选用型号bma250e 和adxl362bccz
‑
rl7，所述脉搏传感器选用型号pt17
‑
21c/l41/tr8，所述振动马达及其驱动电路中的驱动电路选用型号drv2605，所述时钟电路选用ds1338z
‑
33，所述无线通信电路选用型号esp
‑
12f，所述电压转换电路包括12v转5v、5v转3.3v和3.3v转2.8v三部分，分别选用型号78l05、ams1117
‑
1.2_c475600和pam3101dab280。所述温度传感器选用ntc热敏电阻。
21.有益效果：本实用新型提供了一种可穿戴式的远程睡眠监测系统的解决方案，采用重力传感器、加速度传感器和脉搏传感器等信号采集模块获取佩戴者在睡眠过程中的体位、移动或翻身等姿态变化、或者运动步数、脉率等信息，通过穿戴该便携式的睡眠监测系统，从而判断睡眠与否以及睡眠状态、时长等信息，分析睡眠质量，并在睡眠或脉搏异常情况下报警。相较于传统的睡眠监测系统，便于佩戴，操作简单，测量准确，对睡眠干扰少，适合家用检测。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面对实施例中所使用的附图作简单地介绍。
23.图1是本实用新型整体结构设计示意图。
24.图2是重力传感器连接示意图。
25.图3是加速度传感器连接示意图。
26.图4是脉搏传感器连接示意图。
27.图5是温度传感器连接示意图。
28.图6是复位电路示意图。
29.图7是振动马达及其驱动电路示意图。
30.图8是中央处理器连接示意图。
31.图9是时钟电路示意图。
32.图10是显示屏电路示意图。
33.图11是报警电路示意图。
34.图12是无线通信电路示意图。
35.图13是状态灯电路示意图。
36.图14是电源接口电路和电压转化电路中12v转5v电路示意图。
37.图15是电压转换电路中5v转3.3v示意图。
38.图16是电压转换电路中3.3v转2.8v示意图。
具体实施方式
39.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细完整的描述。
40.本实用新型专利涉及一种可穿戴式的远程睡眠监测系统，如图1～图16所示，包括
中央处理器，与中央处理器通过i/o接口连接的信号采集模块、振动马达及其驱动电路、时钟电路、显示屏电路、无线通信电路和报警电路，与无线通信电路进行通信和交互的上位机和/或客户端，以及为可穿戴式远程睡眠监测系统供电的电源模块。其中，信号采集模块包括重力传感器、加速度传感器和脉搏传感器，电源模块包括电源接口电路和电压转换电路。
41.睡眠质量不仅与人体自身相关，也与外界环境相关。因此本实用新型的信号采集模块还设置了温度传感器，用于环境监测温度。温度传感器选用ntc热敏电阻。其具有小于5秒的快速响应时间、超强的耐热冲击能力，高灵敏度，在
‑
55～150℃范围内
±
1℃的高精度、长期工作的高稳定性。25℃时的标准电阻值范围为2.1～100kω，电阻容差低至
±
1％。远程睡眠监测系统还提供能控制调节环境温度设备的扩展接口，如空调遥控等，通过其他设备给环境调节至适宜使用者睡眠的最佳温度，以提高睡眠质量。
42.为了远程睡眠监测系统的设备状态，还设置了状态灯电路。状态灯电路选用led灯，包括电源状态灯及其他三个可自定义的状态灯，如中央处理器状态灯，通过程序定义指令在中央处理器工作的时候才亮。其他两个也是通过程序定义，由中央处理器在特定情况下给出指令，如在接受到某种信号，电压不足、网络正常工作的时候发光等。
43.复位电路能是中央处理器在特殊情况下，如电压低于2.0v，自动回到初始状态，或手动复位。中央处理器芯片选用stm32f407vetx，其内核是arm 32位cortex
tm
‑
m4 cpu，flash 存储器中实现零等待状态运行性能的自适应实时加速器，主频168mhz，具有dsp指令集。 1mb闪存和192+4kb sram。1.8～3.6v工作电压，具有上电复位、掉电复位和欠压复位功能。芯片内置4～26mhz晶体振荡器，有休眠、停止和待机三种模式，电池供电，功耗低。有 3个12位2.4转换速率a/d转换器；17个计时器，亚秒级精度；有串行线调试(swd)和 jtag接口的调试模式；140个i/o端口，15个通信接口，其中3个i2c接口，4个usart、 2个uart，3个spi，2个复用全双工i2s；控制数据采集，并对采集数据进行处理。
44.重力传感器通过采集用户在睡眠过程中的体位和移动、翻身等姿态的变化，将采集到的信息给到中央处理器，实现监测睡眠过程中的睡眠质量。选用型号为lis3dsh。lis3dsh是超低功耗、高性能的三轴线性加速度嵌入式状态机。其工作电压范围是1.71～3.6v，独立io (1.8v)和电源电压兼容，
±
2g/
±
4g/
±
6g/
±
8g/
±
16g的动态选择，i2c/spi数字输出接口， 16位数据输出，嵌入式温度传感器，嵌入式自检，嵌入式先进先出，能够测量加速度的输出数据速率从3.125hz～1.6khz。
45.加速度传感器能感知人体体位状态变化如快速翻身等，将信号给到中央处理器。选用型号bma250e、adxl362bccz
‑
rl7。通过bma250e完成用户觉醒状态下床计步情况。通过三轴加速度adxl362bccz
‑
rl7，采集用户运动的步数或者睡眠时翻身的姿态变化，在运动模式下根据该步数判断当前的运动状态，在睡眠模式下根据翻身次数判断当前的睡眠状况。其中，bma250e是超小、三轴、低g加速度传感器，测量3个互相垂直的轴加速度，支持流数据操作模式和中断发动机操作模式。对新数据、任何动作监测、抽头感应，方向识别，低 g/高g检测等的运动触发中断信号生成。可编程，加速度范围
±
2g/
±
4g/
±
8g/
±
16g，低通滤波1khz
‑
<8hz。集成fifo，深度为32帧。低功耗，唤醒时间短，1.2～3.6v工作电压。2mm
ꢀ×
2mm
×
0.95mm lga包装(12针)。
46.axdl362bccz
‑
rl7是一款超低功耗、3轴mems加速度计，输出数据速率为100hz 时功耗低于2μa，在运动触发唤醒模式下功耗270na。采用全数据速率对传感器的整个带宽进
行采样，提供12位输出分辨率；在较低分辨率足够时提供8位数据输出以实现更高效的单字节传送。测量范围为
±
2g/
±
4g/
±
8g，
±
2g范围内的分辨率为1mg/lsb，噪声低至175 μg/√hz。内置系统级节能功能：深度嵌入式fifo、内置微功耗温度传感器、运动检测模式，阈值可调的睡眠和唤醒工作模式。支持对采样时间和/或系统时钟进行外部控制。1.6～3.5v的宽电源电压范围内工作。采用3mm
×
3.25mm
×
1.06mm封装。通过测定人体活动幅度和频率的大小，由此反映人体是觉醒还是睡眠状态，进而判断睡眠质量。主要通过检测3个矢量轴(xyz)输出的加速度信号，以及3个轴与重力加速度方向形成的夹角，得到3个矢量轴的三个方向的正交量和合向量的值。人体正常状态下合向量的值为1，人体运动状态下合向量值会偏离1。通过三个正交量、加速度的大小，以及传感器采集的相邻两个电压信号的差别，可以判断人体姿态情况(平躺、左侧卧、右侧卧、俯卧、上身直立、上身前倾、上身后倾)。
47.脉搏传感器采集深睡眠的脉搏信息，主要监测用户睡眠过程中深度睡眠情况。选用型号 pt17
‑
21c/l41/tr8。保存用户一段时间睡眠的脉率数据，分析计算脉率阈值判断用户的睡眠情况。对特定用户生理特征情况下会设定脉率上限和下限值，对于超过极限值，系统会给出警报。pt17
‑
21c/tr8具有快速响应时间，高感光度，结电容小的特点，是一种小型smd封装的光电晶体管，带有平顶视镜头，在光谱上与可见光和红外发光二极管匹配。其集电极发射极电压30v，发射极集电极电压5v，集电极电流20ma。主要监测用户睡眠过程中深度睡眠的情况，将信号通过运放输出口给到中央处理器。采集脉搏信号通过运放lm358放大滤波。 lm358是由两个独立的高增益运算放大器组成。可单电源工作(3～30v)或双电源(
±
1.5～15v) 作，功耗小，单位增益频率宽(约1mhz)，内部频率补偿，低输入偏流，直流电压增益高(约 100bb)，共模输入电压范围宽。采用dip8或sop8封装形式。
48.振动马达及其驱动电路接收来自中央处理器信号，振动马达及其驱动电路中的驱动电路驱动马达振动。当使用者睡眠出现异常时，及时振动，唤醒使用者避免发生意外。同时保存其生理数据。振动马达驱动选用型号drv2605。drv2605通过共享的i2c兼容总线提供灵活的偏轴转动惯量(erm)和线性谐振致动器(lra)传动器触控。智能环路架构实现自动过驱/制动，自动谐振跟踪，自动致动器诊断，自动水平校准，最终实现可靠的电机控制和稳定的电机性能。占空比控制范围0～100％之间的可选脉宽调制(pwm)输入。
49.时钟电路选用实时日历时钟芯片ds1338z
‑
33，ds1338z
‑
33是低功耗、二
‑
十进制编码时钟日历，外加56字节nv ram。1.3～3.7v供电电压，125～200μa超低计时电流，支持高达 100kω的高esr晶振工作，i2c串口，提供秒、分钟、小时、日、月、星期及年计时，闰年补偿，可编程方波输出信号，自动电源失效检测和切换电路。为数据采集提供准确时间。
50.显示屏电路选用0.96寸oled显示屏，有机发光二极管，具备自发光，不需背光源、分辨率高、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快等优异特性。分辨率为128
×
64，包含多种接口方式，包括6800、8080两种并行接口方式、3线或4线的串行spi接口方式、i2c接口。显示睡眠时姿态、深、浅睡眠比例图形和脉率、脉搏图形。
51.报警电路选用贴片式电磁无源蜂鸣器(外部驱动)，gsc4317ya
‑
16r4000，当脉率超过设定极限值时，触发系统产生报警声响报警或语音报警。
52.无线通信电路选用型号esp
‑
12f，超小的802.11b/g/n wi
‑
fi soc模块，低功耗32位cpu，也可作为应用处理器，最高160mhz时钟速度，内置10位高精度adc，支持 uart/gpio/iic/pwm/adc，uart波特率高达4mbps，集成wi
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fi mac/bb/rf/pa/lna，支持多种睡眠模式。
深度睡眠电流低至20ua，嵌入式lwip协议栈，支持sta/ap/sta+ap 运行模式，支持智能配置/airkiss技术，支持远程固件升级(fota)，通用at命令可快速使用，集成windows、linux开发，24mm
×
16mm
×
3mm smd
‑
22封装。
53.电源模块输出电压在2.8～12v的电压范围内，12v锂电池供电，可以充电。实现自动切换保证电池不会过充。电池供电时，液晶屏在5秒钟内没任何操作关闭显示电源，达到省电目的。电源接口采用dc座充电，电压转换电路包括12v转5v、5v转3.3v和3.3v转2.8v 三种，分别选用型号78l05、ams1117
‑
1.2_c475600和pam3101dab280。其中，78l05是三端正电压调节器，最大输出电流输出0.15a，输出电压：5v/6v/8v/9v/10v/12v/15v/18v/ 20v/24v，连续总功耗0.5w(环境温度25℃)。本例中将12v电压转换为5v。ams1117
‑ꢀ
1.2_c475600是低压差三端稳压器，在1a负载电流下压降为1.3v。最大输出电流为1.4a，工作输入电压范围最大30v，线路调节0.03％/v，2ma待机电流，0.2％/a负载调节。固定输出版本输出电压1.5v、1.8v、2.5v、2.85v、3.3v和5v时，1％精度；输出电压1.2v时，2％精度。可调版本在两个外部电阻器作用下提供1.25到12v的输出电压。提供过热切断、限流功能，保证芯片和电源系统的稳定性。sot
‑
223包装。本例中将5v电压转3.3v。 pam3101dab280是正电压线性调节器，低压差电压：300ma时为180ma(vo＝3.3v)，输出电压精确度
±
2％，高psrr；70db@1khz，关闭电流0.5ua，具有良好的线性和负荷调整，以及快速响应，短路保护和热保护功能，sot23封装。本例中将3.3v电压转化为2.8v。
54.在可穿戴式的远程睡眠监测系统中，需要5v电压供电的有：脉搏传感器、温度传感器、复位电路、时钟电路、显示屏电路、报警电路、无线通信电路；需要3.3v供电的电路有：加速度传感器、中央处理器、状态灯电路、振动马达及其驱动电路中的马达驱动电路部分；需要2.8v供电的有：重力传感器、振动马达及其驱动电路中的振动马达部分。