《传感器在婴幼儿床具上的设计和应用》
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摘 要：婴幼儿身体发育的主要时间在睡眠,但睡眠时间段却与父母休息时间重叠,父母不能及时关注孩子睡眠的生理变化,婴幼儿无法用语言描述自己的状态.本文描述利用传感器与婴幼儿床具结合,对婴幼儿进行睡眠监测,可以汇总婴幼儿睡眠数据,及时提醒突发事件,实时呵护婴幼儿身体健康.概述数种通过传感器进行婴幼儿睡眠监测的实际情况,带给婴幼儿安稳的睡眠.
关键词：传感器;睡眠监测;婴幼儿床具
1 婴幼儿睡眠
婴幼儿睡眠的重要性：睡眠作为一种保护性机制,让大脑、神经系统和全身进行暂时的休息,是人体十分重要的生命活动,更是婴幼儿生命活动的重要组成部分.[1]一个合适的,具有睡眠监测功能的婴幼儿床是不可或缺的,通过传感器和婴幼儿床具的结合设计,实现对睡眠的实时监控,保证婴幼儿正常的身体发育,为婴幼儿带来优质的睡眠.这能促进婴幼儿中枢神经系统的形成与完善,同时对体质发育、平衡系统、消耗系统有着积极的促进作用,使情绪更稳定健康,也有利于婴幼儿的智力发展.
2 婴幼儿床具与传感器结合设计
2.1 呼吸传感器的设计应用
打鼾在成年人的睡眠过程中并不罕见,故此婴幼儿睡眠中打鼾常被父母视而不见.然而,婴儿存在打鼾行为可能是患有阻塞性睡眠呼吸暂停综合征.患儿的临床症状,在呼吸上有着明显的体现.几乎所有的患儿睡眠都有着打鼾行为,并且存在呼吸暂停数秒的生理特征.因呼吸障碍而猝死的案例每年频频发生,是导致婴幼儿早夭的罪魁祸首之一.
可利用PVDF呼吸传感器进行呼吸监测,将传感器设置于婴儿床面,幼儿在睡眠呼吸时,胸部会产生振动.PVDF传感器中的PVDF压电薄膜作为一种换能元件,可通过自身的压电效应把胸部运动产生的振动物理信号转化为电信号.在本设计中,为了在檢测过程中避免检测到的信号失真,从而将振动量最大限度地转化为电信号.PVDF传感器采用接触式的方法检测振动信号,并设计合适的放大滤波电路,可实现PVDF传感器的信号放大及滤波,精准测量.[2]因PVDF压电材料的阻抗和人相近,同时具有质量轻、伸展性好的优点,并且该设计可以避免直接接触皮肤,故PVDF呼吸传感器不会刺激婴幼儿皮肤,可以在婴儿床具上使用.
使用呼吸传感器检测婴幼儿睡眠,能够实时监测动态呼吸,及时提醒出现呼吸暂停等症状,防止发生呼吸衰竭或心力衰竭症状,导致婴幼儿猝死现象.睡眠监测能采集收纳整理呼吸数据,实现呼吸数据的可视化.
2.2 睡眠监测婴幼儿声音与湿度
在婴幼儿睡眠过程中,声音传感器的使用对睡眠监测也有着重要的意义.佝偻症多发于婴幼儿时期,主要因为维生素D的缺乏,以致骨骼发生病变,同时可影响神经、肌肉、造血、免疫等组织器官的功能,对小儿的健康危害较大.[3]初期佝偻症患儿仅具有神经精神方面的症状,夜啼等症状,这与正常发育期的婴幼儿行为无明显区别,难以被监护人重视.因忽视导致初期佝偻症,会导致其演变成中后期,严重影响婴幼儿正常的生理发育,会带来严重的后遗症,不可不防.
设计将声音识别传感器与床具结合,安置于婴儿床床首,识别和准确记录夜间婴幼儿的惊叫和啼哭次数.同时采用无线温湿度传感器,测量新生儿培养箱内部温湿度数据.将无线温湿度传感器模块终端安放在培养箱内部,温度采集终端采用3.6 V 电池供电,采集数据通过无线方式传送.同时,采用无线数据传输方式将周期性采集的数据实时、精准、快速地传输到指定移动端设备,实现数据交互.[4]利用互联网大数据综合分析,判断是否有潜在的疾病隐患.
现如今,婴儿尿床是监护人最头痛的状况之一.婴幼儿无法控制主动排尿行为,尿床行为会引起瘙痒不适,滋生细菌引起生殖系统感染,也影响呼吸系统的健康.通过设置湿度传感器和气体检测装置于床面,当出现尿床行为时,传感器所反馈的信息超过设定的阈值,同时检测到挥发的尿液中的有毒气体;通过单片机与无线数据传输技术,将信息及时反馈至可移动设备处,进而发出警报信息.通过湿度传感器监测湿度变化提醒父母及时更换尿布,保证睡眠环境的干净干爽,防止婴幼儿出现皮炎或湿疹红疹等皮肤疾病.
2.3 温度传感器的应用
出于对婴幼儿健康的考虑,温度传感器的使用是必不可少的.冬季温度降低,父母爱子心切,为孩子盖了过多的保暖御寒衣物,婴幼儿身处闷热环境中,无法用语言表达自身不适,闷热的环境很快就会带来高温缺氧的症状.缺氧将影响婴幼儿正常的哭喊,声音会变得微弱,热量无法排除带来长期的高温,会破坏婴幼儿的神经系统,引起患儿身体无力.[5]父母却不能及时发现问题.可使用红外耳温度传感器和单片机技术,以非接触式的方式准确测量婴幼儿体温,同时结合呼吸传感器实时监测婴幼儿呼吸,就可以在遇到此类紧急情况时及时发出警报,提醒父母查看孩子状况,减轻或避免捂热,导致高温高烧的病症发生.
2.4 压力传感器的应用
考虑到伴随年龄的增长和生理发育,婴幼儿的行为模式从躺和爬将逐渐向走变化,将会出现有爬床这一普遍行为.为了避免出现爬床跌落现象,可在婴儿床的床面铺设压力传感器,压力传感器通过与单片机结合,通过检测压力的大小来监测婴幼儿是否会在睡眠时突然爬床离开或者跌落.当识别压力在减少时,将通过无线数据传输的方式传递移动端,及时提醒父母婴幼儿的爬床行为,发出警报,让监护人及时处理,避免孩子意外跌落受伤的风险.
3 婴幼儿床具的设计
婴幼儿床具是监护人与婴幼儿双方共用的产品,在造型和色彩的设计与选择上应顾及双方的需求,安全、无毒无害、坚固耐用的需求应当放在首位.床具的设计应注意避免使用金属材质,以木制等触感温和材质来制作.床具产品应色彩鲜明,色彩饱满,结构需符合婴幼儿身体发育的特点,造型以圆润的弧线和圆角为主,孩子经常用手感受世界,尖角会对婴幼儿产生伤害.所以,去棱角化成了亲子互动产品中一个必不可缺的要素.[6,7]在选择配件时,要尽量避免精细零件以防儿童误吞.在选择滚轮时,应选择制动装置的滚轮,方便移动与固定.在儿童易接触到的边角处,要放置食品级的防啃条,这能有效防止婴幼儿误食有毒有害的表面漆层涂料.床具应有一定的倾角,满足孩子的脊椎发育需求.
此外,所有传感器均不必直接接触婴儿皮肤.和可穿戴式相比,传感器与床具融为一体,给了婴幼儿更为自由舒适的睡眠空间,免去了监护人频繁为孩子穿戴设备或忘记穿戴的烦恼.考虑到婴幼儿生长速度,避免父母频繁更换床具,婴儿床应具有一定的延伸拓展能力,满足婴幼儿的空间需求.
在形态设计符合需要的同时,通过使用传感器实现婴幼儿床具的睡眠检测功能,利用无线信息传递技术使数据之间交互,信息共享,将床具融入智能家居的生态链中.基于监护人的使用需求将信息传递至终端,数据可视化婴幼儿的睡眠信息,让监护者对婴幼儿的睡眠状况一目了然,让监护者在使用的过程中记录用户的行为、了解用户的习惯,为使用者提供更加舒适的睡眠感受
4 結语
本文概述了传感器在婴幼儿床具上的综合设计和应用,实时检测孩子生理状况,异常情况能够及时提醒监护人进行处理,并收集婴幼儿睡眠数据.利用互联网等手段来归纳分析总结,避免父母因为休息时间重叠等,容易忽视婴幼儿生理变化.孩子因无法用语言表述自身不适,或因身体原因无法及时通过哭泣吵闹行为来吸引注意,使得种种初露苗头的症状没有被父母及时发现和重视,延误了处理和治疗的最佳时期.这种利用多传感器与床具结合的设计,使得父母能对孩子睡眠变化一目了然,防患于未然,保证婴幼儿生理上的健康发展.
参考文献：
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[6] 孟子玲,李晶.基于亲子互动的产品设计分析[J].戏剧之家,2019（15）：119-120.
[7] 陈杨威,郁舒兰,李策,等.产品材料与形态设计相契合的研究[J].大众文艺,2016（13）：67.
作者简介：张涵阳,男,陕西咸阳人,本科,研究方向：工业设计.
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传感器引用文献:
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