一种婴儿睡姿调整睡垫及调整婴儿睡姿的方法与流程

本发明属于自动化技术领域，特别涉及一种婴儿睡姿调整睡垫及调整婴儿睡姿的方法。

背景技术

婴儿从刚出生到3个月大的这段时间内，由于脖颈肌肉才开始逐渐生长，无法完成抬头、随意转头、翻身等动作。如果睡姿较为单一，再加上头骨发育尚未完全、囟门尚未闭合，长时间保持同一睡姿的话就会造成婴儿斜头、扁头的症状。经研究表明，如果不对称程度较大的话甚至会引发扁头综合征，不仅可能造成婴儿头部和面部发育不均衡，甚至可能会对婴儿大脑和智力的发育造成影响，尤其是会增加婴儿行动能力受到影响的可能。一旦婴儿超过3个月大的时候，后卤门基本闭合，扁头、斜头的矫正将特别困难。目前，通常采用定型枕或矫正头盔实现对婴儿偏头症的预防和矫正，但无法从根本上避免偏头症的发生。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是婴儿在睡觉过程中长时间保持一种睡姿，不能自动翻身的问题，本发明通过一种婴儿睡姿调整系统及调整婴儿睡姿的方法，自动调整婴儿睡垫两侧高度，帮助婴儿在睡眠过程中定时左右翻身，调整睡姿，避免偏头症的发生。

一种智能婴儿睡姿调整睡垫，包括充气睡垫和婴儿睡姿调整系统；所述的充气睡垫包括外套、隔离层、气垫和支撑层，隔离层、气垫和支撑层从上到下依次叠放在外套内，隔离层和支撑层长方形结构，尺寸相同，气垫的外边缘与隔离层和支撑层的外边缘对齐；所述的气垫包括两个形状相同且并排放置的气囊，且在两个气囊的接缝处互相连接，两个气囊的接缝与隔离层的长边平行，气垫的两个气囊充气后，气垫的厚度从接缝向两侧逐渐递增，两个气囊下表面与水平面平行；所述的婴儿睡姿调整系统包括压力传感器、气压传感器、静音气泵、电磁阀、单片机以及电源模块；所述的压力传感器和气压传感器分别连接单片机的输入端，单片机的输出端通过气泵驱动连接静音气泵，单片机的输出端连接排气阀，电源模块连接压力传感器、气压传感器、静音气泵驱动、排气阀和单片机。所述的压力传感器至少有两个，间隔设置在隔离层的表面，压力传感器位于隔离层的同一端，设置有压力传感器的一端为隔离层的上端，压力传感器均匀分布在隔离层两条短边中点连线的左右两侧，压力传感器包括左压力传感器和右压力传感器，位于所述两条短边中点连线左侧的传感器是左压力传感器，位于所述两条短边中点连线右侧的传感器为右压力传感器，气垫的两个气囊分别是左气囊和右气囊，左传感器位于左气囊的上方，右传感器位于右气囊的上方；所述的静音气泵包括左静音气泵和右静音气泵，所述的气压传感器包括左气压传感器和右气压传感器，电磁阀包括左电磁阀和右电磁阀；左气囊连接两根气管，左进气管和左排气管，左静音气泵与左气压传感器分别与左进气管连接，左排气管连接左电磁阀；右气囊连接两根气管，右进气管和右排气管，右静音气泵与右气压传感器分别与右进气管连接，右排气管连接右电磁阀；

婴儿躺在充气睡垫的中央位置，压力传感器位于婴儿头部的下方，用于检测婴儿的睡姿，左侧卧、右侧卧或是平趟，当左压力传感器的压力值之和大于右压力传感器的压力值之和时，表示婴儿的睡姿是左侧卧，当右压力传感器的压力值之和大于左压力传感器的压力值之和时，表示婴儿的睡姿是右侧卧，当右压力传感器的压力值之和等于左压力传感器的压力值之和时，表示婴儿的睡姿是平趟，当婴儿处于同一个睡姿的时间超过一定时长后，单片机通过控制静音气泵和电磁阀来控制两个气囊的充放气，实现婴儿的翻身。

作为进一步的技术改进，气垫的左气囊和右气囊充气后，气垫中间部分的厚度为0-1cm，气垫边缘部分最大厚度约为5cm。要实现婴儿翻身，充气后的气囊上表面与水平面要成一定的角度，所选择的充气后的厚度数据充分考虑了婴儿的体形及实现翻身所需要的气囊两侧高度差。

作为进一步的技术改进，所述的压力传感器关于气囊的连接线对称设置。对称设置更容易准确比较两边压力，对婴儿睡姿判断的准确率更高。

作为进一步的技术改进，所述的压力传感器共计8个，分别为左压力传感器4个和右压力传感器4个，4个左压力传感器和4个左压力传感器分别排列成正方形。设置多个压力传感器提高睡姿判断的准确率。

作为进一步的技术改进，压力传感器距离隔离层2短边距离大于等于5cm，距离气囊连接线的距离大于等于5cm。压力传感器尽量设置在婴儿睡觉时头部下方所在位置的睡垫中。

作为进一步的技术改进，婴儿睡姿调整系统还包括故障报警灯，所述的故障报警灯与单片机的输出端连接。当婴儿睡姿调整系统发生故障时可以及时发现。

作为进一步的技术改进，外套采用纯棉多孔材料制成，隔离层采用乳胶材料制成，所述的气垫采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料制成，所述的支撑层采用硬质材料制成。纯棉多孔外套和乳胶隔离层为婴儿提供了更为舒适透气的睡眠环境，tpu气垫帮助婴儿调整睡姿，最底层采用硬质支撑材料对整个睡垫起到支撑作用。

智能婴儿睡姿调整睡垫用于调整婴儿睡姿的方法，包括以下几个步骤：

s1：初始化婴儿睡姿调整系统，初始化设置单片机的输入输出端口、定时器模块以及adc模块；

s2：婴儿睡姿调整系统自检，单片机向气泵驱动发送信号启动与两个气囊相连接的静音气泵，静音气泵启动t1时长后，单片机向气泵驱动发送信号关闭与两个气囊相连接的静音气泵，单片机通过与两个气囊相连接的气压传感器分别读取两个气囊的气压值p3，单片机发送控制信号到与两个气囊连接的电磁阀，分别开启两个气囊的相连接的电磁阀，t2时长后读取两个气囊相连接的气压传感器的值p4；

s3：单片机气压值p3、p4分别与系统原设定值p1、p2比较，如超出允许偏差范围，则启动故障报警灯；如未超出允许偏差范围，则进入下一步操作；

s4：单片机读取所有压力传感器的值，在时间段t3内，单片机读取的所有薄膜压力传感器的压力值均为零，则单片机发送控制信号到两个电磁阀，打开电磁阀，当单片机读取到所有气压传感器的值均为零时，关闭所有设备；如果单片机读取到压力传感器有非零值，则进行下一步操作；

s5：当单片机读到的左压力传感器压力值之和大于右传感器之和时，开始计时t，单片持续对压力传感器的值进行读取，当t大于时间段t4时，单片机发送信号到右电磁阀，打开右电磁阀，同时单片机发送信号到左静音气泵，左静音气泵开始工作，单片机读到的左气压传感器的值大于等于设定值p5时，关闭左静音气泵；单片机读到的右气压传感器的值等于零时，关闭右电磁阀，回到步骤s4；

当单片机读到到的左压力传感器压力值之和等于右压力传感器之和时，开始计时t，单片持续对压力传感器的值进行读取，当t大于时间段t4时，单片机发送信号到右电磁阀，打开右电磁阀，同时单片机发送信号到左静音气泵，左静音气泵开始工作，单片机读到的左气压传感器的值大于等于设定值p5时，关闭左静音气泵；单片机读到的右气压传感器的值等于零时，关闭右电磁阀，回到步骤s4；

当单片机读到到的右压力传感器压力值之和大于左压力传感器之和时，开始计时t，单片持续对压力传感器的值进行读取，当t大于时间段t4时，单片机发送信号到左电磁阀，打开右电磁阀，同时单片机发送信号到右静音气泵，右静音气泵开始工作，单片机读到的右气压传感器的值大于等于设定值p5时，关闭右静音气泵；单片机读到的左气压传感器的值等于零时，关闭左电磁阀，回到步骤s4；

当单片机读到的左压力传感器压力值和右压力传感器值都为零时，回到步骤s4。

有益效果：

通过自动调整气垫两侧高度，帮助婴儿在睡眠过程中定改变睡姿，从根本上避免偏头症的发生。当婴儿保持同一睡姿超过一定时长后，充气睡垫将会调整一侧高度，推动婴儿向另一侧翻身，避免了婴儿长期保持同一睡姿过久，同时也减轻了看护人员帮婴儿翻身的负担。

附图说明

图1是本发明的智能婴儿睡姿调整系统结构图；

图2是本发明的充气睡垫结构示意图；

图3是本发明的压力传感器排布图；

图4是压力传感器调整电路图；

图5是控制器最小系统电路图；

图6是电机驱动电路图；

图7是电磁阀电路图；

图8是电源模块电路原理图

图9是本发明智能婴儿睡姿调整系统的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1和2所示，一种智能婴儿睡姿调整睡垫，包括充气睡垫和婴儿睡姿调整系统。充气睡垫包括纯棉多孔外套1、乳胶隔离层2、气垫3和支撑层4，乳胶隔离层2、气垫3和支撑层4从上到下依次叠放在纯棉多孔外套1内，乳胶隔离层2、气垫3和支撑层4均为长方形结构，形状相同，气垫3采用的是tpu（热塑性聚氨酯弹性体橡胶）气垫，气垫3包括两个形状、大小完全相同的气囊，两个气囊的长度和睡垫的长度相同，两个气囊分别沿睡垫的长边方向并排放置，tpu气垫3的两个气囊充气后，tpu气垫3的厚度从接缝向两侧逐渐递增，下表面为平面，两个气囊在接缝处相互连接，充气后，tpu气垫中间接缝处厚度约为1cm，外侧约为5cm。纯棉多孔外套1和乳胶隔离层2为婴儿提供了更为舒适透气的睡眠环境，tpu气垫3帮助婴儿调整睡姿，最底层采用硬质支撑材料对整个睡垫起到支撑作用。

所述的婴儿睡姿调整系统包括压力传感器5、气压传感器、静音气泵、排气阀、单片机以及电源模块。所述的压力传感器5和气压传感器分别连接单片机的输入端，单片机的输出端连接静音气泵和排气阀，电源模块连接压力传感器5、气压传感器、静音气泵、排气阀和单片机。

所述的单片机采用ti公司的低功耗单片机msp430f5529。所述气压传感器采用松下公司adp5100型气压传感器，静音气泵采用台湾科際（koge）精密股份有限公司kpm27w-6a型静音气泵，电磁排气阀采用深圳aiyima公司fa0520e微型常闭电磁排气阀，压力传感器5采用interlinkelectronics公司fsr400型薄膜压力感器。

压力传感器5用于监测婴儿睡姿，设置在乳胶隔离层2的上表面，压力传感器5间隔分布在乳胶隔离层2的一端，有压力传感器5的一端为乳胶隔离层2的上端，且分布于乳胶隔离层2两条短边中点连线的左右两侧，位于所述两条短边中点连线左侧的传感器为左压力传感器，位于所述两条短边中点连线右侧的压力传感器为右压力传感器，tpu气垫3的两个气囊分别为左气囊和右气囊，左气囊与左压力传感器相对应，左压力传感器位于左气囊的上方，右气囊与右压力传感器相对应，右压力传感器位于右侧气囊的上方。

本实施例中采用的压力传感器5共计8个，分别是左压力传感器4个和右压力传感器4个，4个左压力传感器和4个右压力传感器分别排列成正方形，且关于乳胶隔离层2两条短边中点连线对称，所有压力传感器5位于乳胶隔离层2的同一端，压力传感距离乳胶隔离层2短边距离大于等于5cm，左压力传感器和右压力传感器间的最小距离大于等于5cm，小于等于10cm。

左气囊连接两根气管，左进气管和左排气管，左静音气泵和左气压传感器分别与左进气管连接，左静音气泵和左气压传感器可通过三通与左进气管连接，左排气管连接左电磁阀；右气囊连接两根气管，右进气管和右排气管，右静音气泵与右气压传感器分别与右进气管连接，右排气管连接右电磁阀；进气管和排气管的材质与tpu气垫材质相同。

婴儿睡姿调整系统具体的电路连接如图4到图8所示，图4是压力传感器调整电路图，将压力传感器fsr-400与100kω电阻串联构成电阻分压电路，分压输出通过lm393运算放大器放大后输出给单片机的模数转换端口。

如图5是单片机最小系统电路图，包括了一个电源滤波电路，一个按键复位电路和两个晶振电路。

如图6是电机驱动电路图，在单片机与所泵之间连接了气泵驱动模块，采用了东芝公司生产的tb6612fng直流电机驱动芯片来驱动所选的kpm27w-6a型静音气泵。

图7是电磁阀电路图，单片机通过三极管驱动电磁阀工作，所述的电磁阀为深圳aiyima公司生产的fa0520e微型常闭电磁阀。

图8是电源模块电路原理图，所述的电源模块包括电源适配器和稳压芯片，电源适配器的输出端与稳压芯片连接，电源适配器将220v的交流电转换为电压12v、电流4a的直流电；再通过lm2596-5.0稳压芯片降压至5v，为压力传感器5调整电路、静音气泵驱动模块及气压传感器模块提供电源。通过ams1117-3.3降稳压芯片再将5v电压将至3.3v，为mcu最小系统电路提供稳定的工作电压。

图9是本发明智能婴儿睡姿调整系统的流程图，一种婴儿睡姿调整睡垫及调整婴儿睡姿的方法包括以下几个步骤：

s1：初始化婴儿睡姿调整系统，初始化单片机的输入输出端口、定时器模块以及adc模块；在初始化的过程中完成时长t1、t2、t3、t4和压力值p1、p2、p5的设定。

s2：婴儿睡姿调整系统自检，单片机向气泵驱动发送信号启动与两个气囊相连接的静音气泵，静音气泵启动t1时长后，单片机向气泵驱动发送信号关闭与两个气囊相连接的静音气泵，单片机通过与两个气囊相连接的气压传感器分别读取两个气囊的气压值p31和p32，单片机发送控制信号到与两个气囊连接的电磁阀，分别开启两个气囊的相连接的电磁阀，t2时长后读取两个气囊相连接的气压传感器的值p41和p42。

s3：单片机把读取到的气压值p31、p32分别与系统原设定值p1比较，把读取到的气压值p41、p42分别与系统原设定值p2比较，如超出允许偏差范围，则启动故障报警灯；如未超出允许偏差范围，则进入下一步操作。

s4：单片机读取所有压力传感器5的受到的压力值，定时器模块开始计时，若在时间段t3内，单片机读取的所有压力传感器5受到的压力值均为零，则单片机发送控制信号到电磁阀，打开电磁阀，单片机读取的左气压传感器和右气压传感器的值都为零时，单片机处于待机状态，与单片机相连的其它设备都断电；若在时间段t3内，单片机读取到压力传感器5有非零值，则进行下一步操作。

当单片机在某段时间内都读取到压力传感器5受到的压力值都为零时，可判定婴儿不在婴儿睡姿睡垫上或是不在检测范围之内，则单片机就可以发送控制信号到电磁阀，开启泄压阀，排尽气囊中的空气，关闭所有设备。

s5：当单片机读到到的左压力传感器压力值之和大于右压力传感器之和时，开始计时t，单片持续对所有压力传感器的值进行读取和比较，当t大于时间段t4时，单片机发送信号到右电磁阀，打开右电磁阀，同时单片机发送信号到左静音气泵，左静音气泵开始工作，单片机读到的左气压传感器的值大于等于设定值p5时，关闭左静音气泵；单片机读到的右气压传感器的值等于零时，关闭右电磁阀，回到步骤s4；

当单片机读到的左压力传感器压力值之和等于右压力传感器之和且不为零时，重新开始计时t，单片持续对所有压力传感器5的值进行读取和比较，当t大于时间段t4时，单片机发送信号到右电磁阀，打开右电磁阀，同时单片机发送信号到左静音气泵，左静音气泵开始工作，单片机读到的左气压传感器的值大于等于设定值p5时，关闭左静音气泵；单片机读到的右气压传感器的值等于零时，关闭右电磁阀，回到步骤s4；

当单片机读到到的右压力传感器压力值之和大于左压力传感器之和时，重新开始计时t，单片持续对压力传感器的值进行读取和比较，当t大于时间段t4时，单片机发送信号到左电磁阀，打开左电磁阀，同时单片机发送信号到右静音气泵，右静音气泵开始工作，单片机读到的右气压传感器的值大于等于设定值p5时，关闭右静音气泵；单片机读到的左气压传感器的值等于零时，关闭左电磁阀，回到步骤s4；

当单片机读到的左压力传感器压力值和右压力传感器值都为零时，回到步骤s4。

例，智能婴儿睡姿调整系统在初始化的过程中完成时长t1、t2、t3、t4和压力值p1、p2、p5的设定，t1=60s，t2=60s，t3=120s，t4=1800s，p1=120mmhg、p2=20mmhg、p5=300mmhg。

单片机向气泵驱动发送信号启动与两个气囊相连接的静音气泵，静音气泵启动60s后，单片机向气泵驱动发送信号关闭与两个气囊相连接的静音气泵，单片机通过与两个气囊相连接的气压传感器分别读取两个气囊的气压值，左气囊的气压值p31和右气囊的气压值p32，单片机发送控制信号到与两个气囊连接的电磁阀，分别开启两个气囊的相连接的电磁阀，60s后读取两个气囊相连接的气压传感器的值，左气囊的气压值p41和右气囊的气压值p42；

单片机把读取到的气压值p31、p32分别与系统原设定值120mmhg比较，把读取到的气压值p41、p42分别与系统原设定值20mmhg比较，如未超出允许偏差范围，则进入下一步操作，所述的允许偏差范围在步骤s1中设定，可以设定为±5mmhg。

单片机读取所有压力传感器5的受到的压力值，定时器模块开始计时，若在时间段120s内，单片机读取到压力传感器5有非零值，则进行下一步操作。

当单片机读到的左的压力传感器压力值之和大于右压力传感器之和时，表明婴儿处于左侧卧姿，开始计时t，单片持续对所有压力传感器的值进行读取和比较，当t大于等于1800s时，系统判定婴儿处于左侧卧姿达到设定时长1800s，单片机启动左静音气泵，提升左气囊高度；同时开启右电磁阀，降低该右气囊高度，排尽右气囊内的空气，由于左右两侧气囊的高度差，以及气囊膨胀过程中产生的对婴儿的推力，帮助婴儿完成向右侧翻的动作，单片机实时读取两个气囊相连接气压传感器值，当左气囊的气压达到允许最大气压值300mmhg时，关闭左静音气泵；当右气囊气压值为零时，关闭该右电磁阀，至此完成睡姿调整操作。返回步骤s4，循环执行步骤s4-s5。