CN108903466A - 基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫。本发明包括棉布软垫、滑道式气囊、薄膜压力传感器、气压传感器、主控电路板，棉布软垫上表面开有与人体臀部轮廓吻合的U型凹槽，棉布软垫内装有U型主气囊和两种气压传感器，分支气囊一端连接到气压传感器Ⅱ，另一端径向插入U型主气囊内，分支气囊内部有一气囊滑块，将分支气囊内气体分成独立两段，气囊滑块随着分支气囊内两段气体的气压变化在分支气囊内移动。本发明可直接铺在中小学生座椅上使用，简单方便，不仅可矫正中小学生坐姿，提醒中小学生劳逸结合避免久坐，还能监测中小学生身体和心理发育情况的基础工具。

Description

基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫

技术领域

本发明涉及坐垫技术领域的一种监测坐垫，尤其是涉及了一种基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫。

背景技术

近年来，中小学生的课堂坐姿受到越来越多的关注，因为课堂坐姿不仅可影响中小学生的脊椎等身体发育状况，还可反映中小学生好动或抑郁等心理健康状况。对中小学生课堂坐姿的关注，主要集中于两点：首先是中小学生的课堂坐姿是否准确，如身体是否有前倾后倒、左歪右斜、沉肩弓躯等现象；其次是中小学生在课堂上是否已经久坐，尤其是超过3个小时的久坐。

叶孙岳在其2015年发表的论文中指出，过长的久坐行为与死亡率、患病率以及相关心理指标(如抑郁度、焦虑感)存在正向关联，并且充分体育锻炼也并不能消除过长久坐行为对身体健康的伤害。钱清文教授在其2012年发表的论文中指出，久坐行为是青少年抑郁症状、焦虑症状和学校生活不满意的危险因素。

针对中小学生坐姿，市面上也有不少产品，例如某品牌智能成长椅，采用光线传感器和环境光传感器，当出现坐姿不正、光线不足、久坐等情况时，该智能成长椅可语音提醒学生坐正、调整角度、离座休息等。但该产品价格较高，且其特殊的外形结构设计，使其无法大规模应用于中小学生的课堂坐姿监测。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫，用于监测中小学生课堂坐姿，

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括棉布软垫、U型主气囊、气压传感器与薄膜压力传感器；棉布软垫上表面开有与人体臀部轮廓吻合的U型凹槽，使得U型凹槽内圈所围区域形成第一凸面，U型凹槽外圈的外围区域形成第二凸面，第一凸面和U型凹槽之间、第二凸面和U型凹槽之间通过圆弧圆角过渡，第一凸面、第二凸面的最高处与U型凹槽的最低处相差到m，U型凹槽主要由弧形区域和衔接位于弧形区域两端的两个矩形区域组成，多个薄膜压力传感器均匀布置于U型凹槽上表面中轴曲线上；棉布软垫内部设有滑道式气囊，滑道式气囊包括一个U型主气囊和多个分支气囊；第二凸面下的棉布软垫内部设有U型主气囊；多个分支气囊沿U型凹槽的中轴曲线间隔均布，每个分支气囊径向布置，分支气囊一端插入U型主气囊内，分支气囊另一端沿U型凹槽的弧形区域径向延伸到各自对应的薄膜压力传感器正下方，分支气囊内部有一气囊滑块，气囊滑块内部装有加速度传感器，气囊滑块将分支气囊内部的空间分隔成独立的两个腔，其中靠近薄膜压力传感器的腔为内腔，远离薄膜压力传感器的腔为外腔，外腔和U型主气囊连通；气压传感器包括气压传感器Ⅰ和气压传感器Ⅱ，气压传感器Ⅰ装于棉布软垫底部内的两侧且和U型主气囊连通，用于监测U型主气囊气压变化；每个薄膜压力传感器下方的棉布软垫内装有一个气压传感器Ⅱ，气压传感器Ⅱ连接到分支气囊的内腔，用于监测每个分支气囊的气压变化。

所述的棉布软垫受人体臀部下压进而分支气囊的内腔受挤压后导致气压增大，从而推动气囊滑块朝外腔移动，进而增大U型主气囊的气压，分别通过气压传感器Ⅰ和气压传感器Ⅱ检测U型主气囊和分支气囊的气压变换进而监测坐姿。

所述气囊滑块为一圆柱体且其外径等于分支气囊内径，气囊滑块随着分支气囊内两段气体的气压变化在分支气囊内移动。

还包括主控电路板，主控电路板装于棉部软垫内部一角处，电源安装于主控电路板上。

所述主控电路板包括低功耗单片机、传感器接口、加速度传感器接口、远程通讯模块、震动器、语音模块、稳压模块、电源；所述气压传感器和薄膜压力传感器均与传感器接口相连，加速度传感器与加速度传感器接口相连，电源、加速度传感器接口、低功耗单片机、语音模块均与稳压模块相连，传感器接口、加速度传感器接口、远程通讯模块、震动器、语音模块均与低功耗单片机相连。

加速度传感器将气囊滑块的移动信号传递到所述主控电路板，气压传感器将气压变化信号传递到主控电路板。

所述的远程通讯模块采用WIFI通信连接。

本发明具有的效益效果是：

1)本发明无需对中小学生课堂座椅做任何改造，直接铺在课堂座椅之上即可监测中小学生坐姿，即可采集并监测中小学生的课堂坐姿数据，进而通过坐姿分析矫正中小学生的课堂坐姿，并可提醒中小学生劳逸结合防止久坐，使用方便，易于推广。

2)本发明可将数据发送至云端服务器，不仅帮助家长和老师实时了解中小学生在课堂上的坐姿情况，还可帮助教育部门和卫生部门分析中小学生身体和心理发育状况。

3)本发明使用电池供电，并采用相关低功耗技术，一次充电即可长期使用，极大增加了使用便利性。

附图说明

图1为本发明的整体效果示意图；

图2为本发明各组成部分连接装配关系示意图；

图3为本发明滑道式分支气囊的工作原理示意图；

图4为本发明主控电路板的组成模块示意图；

图5为本发明对中小学生身体重心位置判断的示意图，图5a为重心适中(正坐姿)的信号图，图5b为重心偏左(坐姿偏左)的信号图，图5c为重心前倾(坐姿前倾)的信号图；

图6为本发明对中小学生多动情况及久坐行为判断的示意图，图6a是正常坐姿的信号图，图6b是久坐行为的信号图，图6c是多动行为的信号图；

图7为本发明的使用场景图。

图中：1、棉布软垫，2、U型主气囊，3、分支气囊，4、气囊滑块，5、加速度传感器，6、薄膜压力传感器，7、气压传感器Ⅰ，8、主控电路板，9、电源(电池)，10、气压传感器Ⅱ。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，棉布软垫1上表面开有与人体臀部轮廓吻合的U型凹槽，有利于棉质软垫1与中小学生身体(臀部和大腿部)的结合，便于本发明对坐姿的检测。使得U型凹槽内圈所围区域形成第一凸面1c，U型凹槽外圈的外围区域形成第二凸面1b，第一凸面1c和U型凹槽之间、第二凸面1b和U型凹槽之间通过圆弧圆角过渡，第一凸面1c、第二凸面1b的最高处与U型凹槽的最低处相差4到6cm，U型凹槽主要由弧形区域1d和衔接位于弧形区域1d两端的两个矩形区域1a组成。

如图1所示，本发明的薄膜压力传感器6数量为7到9个，均匀布置于U型凹槽上表面中轴曲线上。薄膜压力传感器6主要负责身体体重及重心位置的检测。在身体体重检测方面，将重点监测中小学生身体体重情况随时间缓慢增加的过程，并将此作为中小学生身体发育的一项指标。在重心位置检测方面，如果左边薄膜压力传感器6的检测值大于右边薄膜压力传感器6的检测值，则说明中小学生的坐姿重心位置靠左，同理也可检测到坐姿重心靠右、前倾、后倒等情况，这些指标可用于指导中小学生调节重心位置从而改善坐姿。此外，若薄膜压力传感器6的检测值长时间保持较高值，可以用于辅助判断中小学生处于久坐状态(久坐行为的检测以分支气囊3和气囊滑块4为主)，从而提醒中小学生起身并适当运动，以达到劳逸结合的目的。

如图2所示，棉布软垫1内部设有滑道式气囊，滑道式气囊包括一个U型主气囊2和多个分支气囊3；第二凸面1b下的棉布软垫1内部设有U型主气囊2；多个分支气囊3沿U型凹槽的中轴曲线间隔均布，每个分支气囊3径向布置，分支气囊3一端插入U型主气囊2内，分支气囊3另一端沿U型凹槽的弧形区域1d径向延伸到各自对应的薄膜压力传感器6正下方，分支气囊3内部有一气囊滑块4，气囊滑块4内部装有加速度传感器5，气囊滑块4将分支气囊3内部的空间分隔成独立的两个腔，其中靠近薄膜压力传感器6的腔为内腔，远离薄膜压力传感器6的腔为外腔，外腔和U型主气囊2连通；

气压传感器包括气压传感器Ⅰ7和气压传感器Ⅱ10，气压传感器Ⅰ7装于棉布软垫1底部内的两侧且和U型主气囊2连通，用于监测U型主气囊2气压变化；每个薄膜压力传感器6下方的棉布软垫1内装有一个气压传感器Ⅱ10，气压传感器Ⅱ10连接到分支气囊3的内腔，用于监测每个分支气囊3的气压变化。

如图3所示为本发明分支气囊3与气囊滑块4的工作原理示意图。当中小学生坐上本发明软垫时，棉布软垫1受人体臀部或腿部下压进而分支气囊3的内腔受挤压后导致气压增大，从而推动气囊滑块4朝外腔移动，进而增大U型主气囊2的气压；当学生离开软垫时，分支气囊内腔恢复原有体积导致气压减小，此时分支气囊3外腔的气压大于内腔的气压，从而推动气囊滑块4朝内腔移动，进而使得分支气囊3内外腔气压保持平衡。

分支气囊3、气囊滑块4与气压传感器配合使用，主要负责多动情况、久坐情况及身体重心的检测。在多动情况的检测方面，如果中小学生的身体多动(即身体左晃右晃，或者身体前摇后摇，或者身体上颠下颠等)，那么会频繁地改变分支气囊3内压力并频繁导致气囊滑块4移动，此时气囊滑块4内的加速度传感器5将触发信号传递到主控电路板8，主控电路板8可根据收到的触发信号判断中小学生是否多动(甚至是多动症)。在久坐情况检测方面，气囊滑块4将比薄膜压力传感器6更为敏感、更为准确，只要气囊滑块4长期未移动，则基本可判定为久坐行为。在身体重心的检测方面，如果左右两边的分支气囊3内压强差异较大，也可以作为身体重心的辅助检测(身体重心的检测以薄膜压力传感器6为主)。

如图2和图3所示，中小学生坐上软垫之后，虽然U型主气囊2也会受到挤压，但由于U型主气囊2的整体体积要远大于分支气囊3，因此相比于分支气囊3内的压强变化，U型主气囊2内的气体压强可近似认为保持不变。此外需说明的是，多少体重会引起气囊滑块4与分支气囊3顶端之间气体压强的多少变化，这个数值关系需要在本发明软垫出厂前加以标定。

如图4所示，本发明的主控电路板8由低功耗单片机、传感器接口、加速度传感器接口、低功耗远程通讯模块、稳压模块、震动器、语音模块组成。主控电路板8装于棉部软垫1内部一角处，电源9安装于主控电路板8上。所述气压传感器7和薄膜压力传感器6均与传感器接口相连，加速度传感器5与加速度传感器接口相连，电源9、加速度传感器接口、低功耗单片机、语音模块均与稳压模块相连，传感器接口、加速度传感器接口、远程通讯模块、震动器、语音模块均与低功耗单片机相连。

主控电路板8默认状态下处于低功耗模式，即单片机休眠、远程通讯模块等关断，以节约电池电量。当中小学生坐上软垫或中小学生在软垫上移动身体超过一定幅度时，加速度传感器5随气囊滑块4移动并产生一触发信号，该触发信号将唤醒主控电路板8，使主控电路板8切换到工作模式，采集软垫上的各个薄膜压力传感器6和气压传感器数据，并在单片机内部分析数据判断中小学生坐姿，同时启动远程通讯模块将坐姿数据发往远程服务器。完成上述工作之后，主控电路板8将再次进入低功耗模式。因此，气囊滑块4及其内部加速度传感器5的设置，是本发明主控电路板8实现低功耗的关键，气囊滑块4移动才触发的主控电路板8采集，不仅可以保证坐姿有变化时的必要性信号采集需求，还可以有效避免坐姿无变化时的非必要性信号采集。

如图4所示，本发明的主控电路板8中，低功耗单片机采用美国德州仪器公司(TI)的MSP430芯片等，远程通讯模块采用乐鑫信息科技公司的ESP8266芯片等，薄膜压力传感器6采用宇博智能科技的RFP-612薄膜式压力传感器等，薄膜压力传感器6配套连接有压力信号转换模块，薄膜压力传感器6经压力信号转换模块连接传感器结构，薄膜压力传感器6配套使用的压力信号转换模块采用宇博智能科技的RFP-ZHII转换模块，气压传感器7采用芜湖芯硅智电子公司的XGZP6847型气体压力模块。

图5为本发明对中小学生身体重心位置的判断示意图，其中，图5a为重心适中(正坐姿)的信号图，图5b为重心偏左(坐姿偏左)的信号图，图5c为重心前倾(坐姿前倾)的信号图。当中小学生处于正坐姿时，左右两侧的薄膜压力传感器6检测值基本相等，同时左右两侧的分支气囊3内气体压强基本相等。当中小学生的重心偏左时，由于身体更多的重量压在软垫偏左的部分，因此左侧的薄膜压力传感器6检测值高于右侧薄膜压力传感器6检测值，同理左侧分支气囊3内气体压强高于右侧。重心偏右的判断方法同理。当中小学生的重心前倾时，由于身体更多的重量压在软垫靠前的部分，因此前部的薄膜压力传感器6检测值将增加，而后端的薄膜压力传感器6检测值将减小。重心后倒的判断方法同理。

图6为本发明对中小学生多动情况及久坐行为判断的示意图，其中图6a是正常坐姿的信号图，图6b是久坐行为的信号图，图6c是多动行为的信号图。为排除坐姿变化对传感器信号所带来的干扰，久坐行为的判断可以由所有气压传感器的总体波动情况作为判断依据，如果所有气压传感器均在一定范围内波动，则可认为此时中小学生没有大幅移动过身体，气压传感器数值的小幅度波动可认为是噪声干扰或坐姿微调引起，此时应视为正处于久坐期间。

图7为本发明的一种使用场景。如图7所示，本发明可直接放置在座椅上，仅需简单的绑定后即可使用，无需复杂的施工和安装。教室内多个软垫可直接连接位于教室角落的WiFi路由器，进而通过WiFi将各个中小学生的坐姿检测数据实时上传至远程服务器(或云端平台)，供家长、教师、教育部门和卫生部门等查看。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫，其特征在于：

包括棉布软垫(1)、U型主气囊(2)、气压传感器与薄膜压力传感器(6)；棉布软垫(1)上表面开有与人体臀部轮廓吻合的U型凹槽，使得U型凹槽内圈所围区域形成第一凸面(1c)，U型凹槽外圈的外围区域形成第二凸面(1b)，第一凸面(1c)和U型凹槽之间、第二凸面(1b)和U型凹槽之间通过圆弧圆角过渡，U型凹槽主要由弧形区域(1d)和衔接位于弧形区域(1d)两端的两个矩形区域(1a)组成，多个薄膜压力传感器(6)均匀布置于U型凹槽上表面中轴曲线上；棉布软垫(1)内部设有滑道式气囊，滑道式气囊包括一个U型主气囊(2)和多个分支气囊(3)；第二凸面(1b)下的棉布软垫(1)内部设有U型主气囊(2)；多个分支气囊(3)沿U型凹槽的中轴曲线间隔均布，分支气囊(3)一端插入U型主气囊(2)内，分支气囊(3)另一端沿U型凹槽的弧形区域(1d)径向延伸到各自对应的薄膜压力传感器(6)正下方，分支气囊(3)内部有一气囊滑块(4)，气囊滑块(4)内部装有加速度传感器(5)，气囊滑块(4)将分支气囊(3)内部的空间分隔成独立的两个腔，其中靠近薄膜压力传感器(6)的腔为内腔，远离薄膜压力传感器(6)的腔为外腔，外腔和U型主气囊(2)连通；气压传感器包括气压传感器Ⅰ(7)和气压传感器Ⅱ(10)，气压传感器Ⅰ(7)装于棉布软垫(1)底部内的两侧且和U型主气囊(2)连通；每个薄膜压力传感器(6)下方的棉布软垫(1)内装有一个气压传感器Ⅱ(10)，气压传感器Ⅱ(10)连接到分支气囊(3)的内腔。

2.根据权利要求1所述的基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫，其特征在于：所述的棉布软垫(1)受人体臀部下压进而分支气囊(3)的内腔受挤压后导致气压增大，从而推动气囊滑块(4)朝外腔移动，进而增大U型主气囊(2)的气压，分别通过气压传感器Ⅰ(7)和气压传感器Ⅱ(10)检测U型主气囊(2)和分支气囊(3)的气压变换进而监测坐姿。

3.根据权利要求1所述的基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫，其特征在于：所述气囊滑块(4)为一圆柱体且其外径等于分支气囊(3)内径，气囊滑块(4)随着分支气囊(3)内两段气体的气压变化在分支气囊(3)内移动。

4.根据权利要求1所述的基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫，其特征在于：还包括主控电路板(8)，主控电路板(8)装于棉部软垫(1)内部一角处，电源(9)安装于主控电路板(8)上。

5.根据权利要求4所述的基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫，其特征在于：所述主控电路板(8)包括单片机、传感器接口、加速度传感器接口、远程通讯模块、震动器、语音模块、稳压模块、电源(9)；所述气压传感器(7)和薄膜压力传感器(6)均与传感器接口相连，加速度传感器(5)与加速度传感器接口相连，电源(9)、加速度传感器接口、低功耗单片机、语音模块均与稳压模块相连，传感器接口、加速度传感器接口、远程通讯模块、震动器、语音模块均与低功耗单片机相连。

6.根据权利要求4所述的基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫，其特征在于：加速度传感器(5)将气囊滑块(4)的移动信号传递到所述主控电路板(8)，气压传感器将气压变化信号传递到主控电路板(8)。

7.根据权利要求5所述的基于滑道式气囊的中小学生课堂坐姿监测软垫，其特征在于：所述的远程通讯模块采用WIFI通信。