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CN111657862A - 可洗涤一体化柔性织物阵列传感器及其方法和智能床垫 - Google Patents

可洗涤一体化柔性织物阵列传感器及其方法和智能床垫 Download PDF

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CN111657862A
CN111657862A CN202010512048.6A CN202010512048A CN111657862A CN 111657862 A CN111657862 A CN 111657862A CN 202010512048 A CN202010512048 A CN 202010512048A CN 111657862 A CN111657862 A CN 111657862A
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CN
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washable
pressure
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CN202010512048.6A
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赵一囡
刘琳
李震
姚菊明
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Zhejiang University of Technology ZJUT
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Zhejiang University of Technology ZJUT
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Abstract

本发明公开了一种可洗涤一体化柔性织物阵列传感器及其方法和智能床垫。主要由柔性织物面料和一体化压敏传感涂层组成，一体化压敏传感涂层制备于柔性织物面料表面上；涂层由纳米导电功能材料在柔性织物面料表面以一体化图案式阵列分布；对柔性织物面料进行脱胶预处理；用生物大分子超声剥离纳米导电功能材料制作导电墨水；柔性织物面料上用导电墨水通过一体化打印或喷涂或涂覆；床垫包括床垫主体、可洗涤一体化柔性织物阵列传感器、区域选择与信号采集模块、信号处理模块及通信适配器。本发明将可洗涤一体化柔性织物阵列传感器与智能床垫相结合，能准确监测睡眠中的呼吸、离床体动状态且不受监测范围限制且可拆卸洗涤避免卫生问题。

Description

可洗涤一体化柔性织物阵列传感器及其方法和智能床垫
技术领域
本发明涉及一种织物传感器及其床垫，特别涉及一种可洗涤一体化柔性织物阵列传感器及其制备方法和构成的智能床垫。
背景技术
随着人口老龄化的发展，独居老人及养老院中的老人面临着夜间突发疾病无人知晓或起夜摔倒等隐患；此外临床医疗中一些病患也常常由于医护人员短缺无法得到及时的夜间监护。因此，在夜间实时对老人或病患进行睡眠呼吸、体动及离床的监测就显得尤为重要。
由于现阶段的医用睡眠呼吸监测仪器价格昂贵，操作复杂，于是也有一些床上的智能设备，可以监测用户的生命体征，进行网络的远程监控，但也存在一些问题，如监测面积有限，通常包含金属材料无法洗涤容易产生卫生问题等。
国内专利：201811332099.X，公开了一种可监测睡眠的床垫，其通过外置在床垫上的长条状监测条监测用户的睡眠状况，但条状监测条面积小，使用者进行体位翻转就可能导致监测不准；使用时有异物感，影响睡眠的舒适性。
国内专利：201911093049.5，公开了一种基于压电陶瓷传感器的医用智能床垫，其主要通过将压电陶瓷传感器分布在床垫不同部位监测，但压电陶瓷传感器质硬，柔性传感较差；传感单元通过导线连接无法洗涤。
国内专利：201610662722.2，公开了一种柔性智能织物传感器及其制造方法、智能床垫及监测系统，其通过柔性织物传感器进行生命体征的监测但压敏材料层与电极层分离，最外层附有保护膜，非一体化，有界面剥离危险，整体同样无法洗涤。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的智能床垫，能够实时监测使用者在睡眠中的呼吸及离床体动状态，并且提供了一种可洗涤一体化柔性织物阵列传感器及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种可洗涤一体化柔性织物阵列传感器：
如图1所示，主要由柔性织物面料和一体化压敏传感涂层组成，一体化压敏传感涂层制备于柔性织物面料表面上，人体位于可洗涤一体化柔性织物阵列传感器上，用于实时监测其上人体呼吸、体动产生的压阻信号。
所述一体化压敏传感涂层中是由纳米导电功能材料在柔性织物面料表面以一体化图案式阵列分布，一体化图案式阵列分布包括按阵列间隔排布的压敏传感区以及按行方向连接同一行上各个压敏传感区的电极、按列方向连接同一列上各个压敏传感区的电极，形成按横纵向连接各压敏传感区的电极。
所述一体化压敏传感涂层的压敏传感区和电极均是由导电墨水以一体化打印或喷涂或涂覆而成。
所述可洗涤一体化柔性织物阵列传感器能进行水洗或干洗。
所述阵列排布方式包括但不限于6×6矩形阵列排布形式。
所述压敏传感区图案包括但不限于矩形和圆形。
二、可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的制造方法，方法包括如下步骤：
织物预处理，对柔性织物面料进行脱胶预处理；
制作导电墨水，用生物大分子超声剥离纳米导电功能材料获得；
在柔性织物面料上用导电墨水通过一体化打印或喷涂或涂覆形成一体化压敏传感涂层，并烘干使纳米导电功能材料固着，制备而成可洗涤一体化柔性织物阵列传感器。
所述的制作导电墨水，具体为：将易团聚的纳米导电功能材料置于生物大分子溶液中进行超声，使得纳米导电功能材料分散剥离，制备获得导电墨水。
所述生物大分子采用纤维素/明胶；所述纳米导电功能材料采用石墨烯/碳纳米管。柔性织物面料种类包括但不限于棉、涤纶、尼龙、氨纶等一种或两种及以上混纺织物面料。
本发明的生物大分子还可赋予可洗涤一体化柔性织物阵列传感器一定的抗菌功能。
三、一种基于可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的智能床垫：
如图5所示，包括：床垫主体、设置在床垫主体上的可洗涤一体化柔性织物阵列传感器、区域选择与信号采集模块、信号处理模块及通信适配器，通信适配器包括通讯模块和USB供电模块；可洗涤一体化柔性织物阵列传感器为权利要求1-3任一所述的可洗涤一体化柔性织物阵列传感器；可洗涤一体化柔性织物阵列传感器输出端依次经区域选择与信号采集模块、信号处理模块后和通信适配器的通讯模块连接，通讯模块和云服务器或移动终端通信连接，USB供电模块连接在电源和通讯模块之间。
区域选择与信号采集模块选定可洗涤一体化柔性织物阵列传感器中不同压敏传感区并采集人体睡眠时的呼吸、体动等对智能床垫产生的压力信号并转换成电学信号发送到信号处理模块；信号处理模块对选择与信号采集模块的输出信号进行数据分析处理后获得人体的呼吸、体动等生命体征信号并发送到通讯模块，通讯模块通过有线以太网或无线WIFI或蓝牙或2G或4G或5G将生命体征信号传送至云服务器或移动终端。
所述区域选择与信号采集模块还可通过选定不同压敏传感区采集不同人体部位对智能床垫的压力信号及不同床垫部位所受压力信号分别用于对人体睡姿的监测及离床监测。
所述可洗涤一体化柔性织物阵列传感器可通过魔术贴或纽扣等活动式设置于床垫主体上，方便取下洗涤。
本发明将直接集成智能传感于柔性织物的技术与一体化阵列传感技术相结合，制作了一种使用舒适、仅需要躺着就能够准确监测使用者睡眠呼吸、离床体动状态不受监测范围限制的智能床垫，且具有抗菌可洗涤功能，为用户在睡眠质量监测、离床监测及健康状况评估等方面的需求，是一种创新的技术解决方案。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的可洗涤一体化柔性织物阵列传感器利用生物大分子将纳米导电功能材料剥离并实现稳定、均匀分散，通过打印或喷涂或涂覆的方式将纳米导电功能材料以一体化图案阵列的形式均匀牢固结合在织物纤维表面，形成一体化压敏传感涂层，实现了柔性传感织物对外界压力的高灵敏监测，摒弃了传统的金属电极材料，为应用于可洗涤智能床垫提供可能。
2、可洗涤一体化柔性织物阵列传感器采用低成本、生物相容性高、绿色环保的原材料，织物轻薄柔软透气使用舒适，工艺简单易于大面积制造。
3、可洗涤一体化柔性织物阵列传感器能够持续、稳定采集人体呼吸、体动引起的微小震动信号，与智能床垫监测系统结合能够避免因翻转身体导致监测不准的情况，实现对人体呼吸、体动等的无创、可持续、稳定监测；同时还可监测不同人体部位的压力信号，监测睡姿。
4、基于可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的智能床垫实现的主要功能包括：生命体征的实时监测；体动与睡姿状态实时监测；异常生命体征告警，出现异常生命体征时能够即时发送告警，方便家人或医护人员及时送医或救助；离床告警，老人、小孩或卧床病人夜间离床超时可以发送告警，方便后续进行帮助与跟进。
附图说明
图1是本发明可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的结构示意图；
图2是实施例一中人体呼吸信号输出的压阻响应图；
图3是实施例二中不同压力信号输出的压阻响应图；
图4是实施例三中脉搏跳动输出的压阻响应图；
图5是本发明基于可洗涤一体化柔性织物阵列传感器智能床垫的结构示意图；
图中：1-柔性织物面料，2-一体化压敏传感涂层，21-压敏传感区，22-电极，3-床垫主体，4-区域选择与信号采集模块，5-信号处理模块，6-通信适配器，7-通讯模块，8-USB供电模块，9-云服务器。
具体实施方式
下面通过具体实施例及说明书附图对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”等指示方位或位置关系均基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是规定所指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“连接”、“设置”应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，可洗涤一体化柔性织物阵列传感器主要由柔性织物面料1和一体化压敏传感涂层2组成，一体化压敏传感涂层2制备于柔性织物面料1表面上，人体位于可洗涤一体化柔性织物阵列传感器上，用于实时监测其上人体呼吸、体动产生的压阻信号。柔性织物面料种类包括但不限于棉织物、涤纶织物等。
一体化压敏传感涂层2中是由纳米导电功能材料在柔性织物面料1表面以一体化图案式6×6阵列分布，一体化图案式阵列分布包括按阵列间隔排布的压敏传感区21以及按行方向连接同一行上各个压敏传感区21的电极22、按列方向连接同一列上各个压敏传感区21的电极22，形成按横纵向连接各压敏传感区的电极22。
一体化压敏传感涂层2的压敏传感区21和电极22均是由导电墨水以一体化打印或喷涂或涂覆而成。
本发明可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的制备实施例如下：
实施例1
生物大分子采用纤维素；纳米导电功能材料采用石墨烯。
织物预处理，对棉织物的柔性织物面料1进行脱胶预处理；
制作导电墨水：将团聚的石墨烯置于纤维素溶液中进行超声，使得石墨烯分散成片状而剥离在溶液中均匀分散，制备获得导电墨水。
在柔性织物面料1上用导电墨水通过一体化打印或喷涂或涂覆形成一体化压敏传感涂层2，并烘干使纳米导电功能材料固着，制备而成可洗涤一体化柔性织物阵列传感器。可以实现对人体呼吸的监测，如图2所示为人体呼吸信号输出的压阻响应图，图中一个波峰就是一次呼吸运动。因此，根据波峰就可以得出呼吸的频率。
实施例2
生物大分子采用明胶；纳米导电功能材料采用碳纳米管。
织物预处理，对涤纶织物的柔性织物面料1进行脱胶预处理；
制作导电墨水：将碳纳米管置于明胶的溶液中进行超声，使得碳纳米管在溶液中均匀分散，制备获得导电墨水。
在柔性织物面料1上用导电墨水通过一体化打印或喷涂或涂覆形成一体化压敏传感涂层2，并烘干使纳米导电功能材料固着，制备而成可洗涤一体化柔性织物阵列传感器。可以实现对不同压力信号的监测，如图3所示为不同压力信号输出的压阻响应图，不同压力下会会产生不同幅度的压阻响应曲线变化。因此，根据不同变化的幅度就可以得到不同的压力大小。
实施例3
生物大分子采用纤维素；纳米导电功能材料采用碳纳米管。
织物预处理，对棉织物的柔性织物面料1进行脱胶预处理；
制作导电墨水：将碳纳米管置于纤维素的溶液中进行超声，使得碳纳米管在溶液中均匀分散，制备获得导电墨水。
在柔性织物面料1上用导电墨水通过一体化打印或喷涂或涂覆形成一体化压敏传感涂层2，并烘干使纳米导电功能材料固着，制备而成可洗涤一体化柔性织物阵列传感器。可以实现对人体脉搏跳动的监测，如图4所示为脉搏跳动输出的压阻响应图，可以看到脉搏跳动的典型波形，每个波形都与一次脉搏跳动相对应，根据波峰就可以得出脉搏跳动的频率。
如图5所示，具体实施的智能床垫包括：
床垫主体3和可洗涤一体化柔性织物阵列传感器，其中柔性织物阵列传感器位于床垫主体3上方与床垫主体3，其中可洗涤一体化柔性织物阵列传感器可可通过魔术贴或纽扣等与床垫主体3活动式连接，方便取下洗涤。
区域选择与信号采集模块4，与可洗涤一体化柔性织物阵列传感器通过导线连接，用于采集人体睡眠时的呼吸、体动等对智能床垫的压力信号，并转换成相应的电学信号。
可洗涤一体化柔性织物阵列传感器中，各行的压敏传感区21通过行方向的电极22引出连接作为输出端的一端，各列的压敏传感区21通过列方向的电极22引出连接作为输出端的另一端。
信号处理模块5，对信号采集模块输出的电学信号进行滤波和放大处理后，对数据进行分析处理得出使用者的呼吸、体动等生命体征信号。
通信适配器6，内置有通讯模块7和USB供电模块8。所述通信适配器6通过USB串口与信号处理模块5相连。
具体实施中，区域选择与信号采集模块4还可通过选定不同压敏传感区21采集不同人体部位对智能床垫的压力信号及不同床垫部位所受压力信号分别用于对人体睡姿的监测及离床监测。
具体实施中，通讯模块7可通过多种通讯方式，其中蓝牙或WIFI或2G或4G或5G用于移动端和智能床垫的直接通讯；以太网或WIFI通过局域网和云服务器9相连；2G、4G、5G基于移动通信基站和云服务器9相连。
本发明的呼吸和体动信号的监测原理是：人在睡眠时产生的呼吸和体动带来的微小压力变化导致可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的导电通路发生变化，从而引起输出电学信号的变化。区域选择与信号采集模块4采集得到不同人体部位对床垫的压力信号后将其转换为相应的电学信号输出。输出的电学信号经过信号处理模块5进行滤波和放大处理，再根据预设的处理算法提取出特征的呼吸和体动及睡姿等信号。数据处理模块5对测得的实时数据进行持续记录并通过通讯模块7传送至云服务器9进行对比，分析出使用者当前的睡姿、体动、呼吸频率等信息，为使用者评估睡眠质量。
同时，智能床垫可以根据采集的不同部位的压力信号判断使用者的睡姿、离床情况等，必要时可以设置离床报警系统。
由此实施可见，本发明通过将可洗涤一体化柔性织物阵列传感器与智能床垫相结合，使使用者仅需要躺着就能够准确监测睡眠中的呼吸、离床体动状态且不受监测范围限制且可拆卸洗涤避免卫生问题。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (9)

1.一种可洗涤一体化柔性织物阵列传感器，其特征在于：主要由柔性织物面料(1)和一体化压敏传感涂层(2)组成，一体化压敏传感涂层(2)制备于柔性织物面料(1)表面上，用于实时监测其上人体呼吸、体动产生的压阻信号。
2.根据权利要求1所述的一种可洗涤一体化柔性织物阵列传感器，其特征在于：所述一体化压敏传感涂层(2)中是由纳米导电功能材料在柔性织物面料(1)表面以一体化图案式阵列分布，一体化图案式阵列分布包括按阵列间隔排布的压敏传感区(21)以及按行方向连接同一行上各个压敏传感区(21)的电极(22)、按列方向连接同一列上各个压敏传感区(21)的电极(22)。
3.根据权利要求1所述的一种可洗涤一体化柔性织物阵列传感器，其特征在于：所述一体化压敏传感涂层(2)的压敏传感区(21)和电极(22)均是由导电墨水以一体化打印或喷涂或涂覆而成。
4.应用于权利要求1-3任一所述可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的制造方法，其特征在于，方法包括如下步骤：
织物预处理，对柔性织物面料(1)进行脱胶预处理；
制作导电墨水，用生物大分子超声剥离纳米导电功能材料获得；
在柔性织物面料(1)上用导电墨水通过一体化打印或喷涂或涂覆形成一体化压敏传感涂层(2)，并烘干使纳米导电功能材料固着，制备而成可洗涤一体化柔性织物阵列传感器。
5.根据权利要求4所述的可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的制造方法，其特征在于：所述的制作导电墨水，具体为：将易团聚的纳米导电功能材料置于生物大分子溶液中进行超声，使得纳米导电功能材料分散剥离，制备获得导电墨水。
6.根据权利要求4所述的可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的制造方法，其特征在于：所述生物大分子采用纤维素/明胶；所述纳米导电功能材料采用石墨烯/碳纳米管。
7.一种基于可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的智能床垫，其特征在于：
包括：床垫主体(3)、设置在床垫主体上的可洗涤一体化柔性织物阵列传感器、区域选择与信号采集模块(4)、信号处理模块(5)及通信适配器(6)，通信适配器(6)包括通讯模块(7)和USB供电模块(8)；可洗涤一体化柔性织物阵列传感器为权利要求1-3任一所述的可洗涤一体化柔性织物阵列传感器；可洗涤一体化柔性织物阵列传感器输出端依次经区域选择与信号采集模块(4)、信号处理模块(5)后和通信适配器(6)的通讯模块(7)连接，通讯模块(7)和云服务器(9)或移动终端通信连接，USB供电模块(8)连接在电源和通讯模块(7)之间。
8.根据权利要求7所述的一种基于可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的智能床垫，其特征在于：区域选择与信号采集模块(4)选定可洗涤一体化柔性织物阵列传感器中不同压敏传感区(21)并采集人体睡眠时的呼吸、体动等对智能床垫产生的压力信号并转换成电学信号发送到信号处理模块(5)；信号处理模块(5)对选择与信号采集模块(4)的输出信号进行数据分析处理后获得人体的生命体征信号并发送到通讯模块(7)，通讯模块(7)通过有线以太网或无线WIFI或蓝牙或2G或4G或5G将生命体征信号传送至云服务器(9)或移动终端。
9.根据权利要求7所述的一种基于可洗涤一体化柔性织物阵列传感器的智能床垫，其特征在于：所述可洗涤一体化柔性织物阵列传感器可通过魔术贴或纽扣等活动式设置于床垫主体(3)上，方便取下洗涤。
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