傳感器在嬰幼兒床具上的設計與應用

張涵陽 金冬

摘 要：嬰幼兒身體發(fā)育的主要時間在睡眠，但睡眠時間段卻與父母休息時間重疊，父母不能及時關注孩子睡眠的生理變化，嬰幼兒無法用語言描述自己的狀態(tài)。本文描述利用傳感器與嬰幼兒床具結(jié)合，對嬰幼兒進行睡眠監(jiān)測，可以匯總嬰幼兒睡眠數(shù)據(jù)，及時提醒突發(fā)事件，實時呵護嬰幼兒身體健康。概述數(shù)種通過傳感器進行嬰幼兒睡眠監(jiān)測的實際情況，帶給嬰幼兒安穩(wěn)的睡眠。

關鍵詞：傳感器;睡眠監(jiān)測;嬰幼兒床具

1 嬰幼兒睡眠

嬰幼兒睡眠的重要性：睡眠作為一種保護性機制，讓大腦、神經(jīng)系統(tǒng)和全身進行暫時的休息，是人體十分重要的生命活動，更是嬰幼兒生命活動的重要組成部分。[1]一個合適的，具有睡眠監(jiān)測功能的嬰幼兒床是不可或缺的，通過傳感器和嬰幼兒床具的結(jié)合設計，實現(xiàn)對睡眠的實時監(jiān)控，保證嬰幼兒正常的身體發(fā)育，為嬰幼兒帶來優(yōu)質(zhì)的睡眠。這能促進嬰幼兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)的形成與完善，同時對體質(zhì)發(fā)育、平衡系統(tǒng)、消耗系統(tǒng)有著積極的促進作用，使情緒更穩(wěn)定健康，也有利于嬰幼兒的智力發(fā)展。

2 嬰幼兒床具與傳感器結(jié)合設計

2.1 呼吸傳感器的設計應用

打鼾在成年人的睡眠過程中并不罕見，故此嬰幼兒睡眠中打鼾常被父母視而不見。然而，嬰兒存在打鼾行為可能是患有阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征?；純旱呐R床癥狀，在呼吸上有著明顯的體現(xiàn)。幾乎所有的患兒睡眠都有著打鼾行為，并且存在呼吸暫停數(shù)秒的生理特征。因呼吸障礙而猝死的案例每年頻頻發(fā)生，是導致嬰幼兒早夭的罪魁禍首之一。

可利用PVDF呼吸傳感器進行呼吸監(jiān)測，將傳感器設置于嬰兒床面，幼兒在睡眠呼吸時，胸部會產(chǎn)生振動。PVDF傳感器中的PVDF壓電薄膜作為一種換能元件，可通過自身的壓電效應把胸部運動產(chǎn)生的振動物理信號轉(zhuǎn)化為電信號。在本設計中，為了在檢測過程中避免檢測到的信號失真，從而將振動量最大限度地轉(zhuǎn)化為電信號。PVDF傳感器采用接觸式的方法檢測振動信號，并設計合適的放大濾波電路，可實現(xiàn)PVDF傳感器的信號放大及濾波，精準測量。[2]因PVDF壓電材料的阻抗和人相近，同時具有質(zhì)量輕、伸展性好的優(yōu)點，并且該設計可以避免直接接觸皮膚，故PVDF呼吸傳感器不會刺激嬰幼兒皮膚，可以在嬰兒床具上使用。

使用呼吸傳感器檢測嬰幼兒睡眠，能夠?qū)崟r監(jiān)測動態(tài)呼吸，及時提醒出現(xiàn)呼吸暫停等癥狀，防止發(fā)生呼吸衰竭或心力衰竭癥狀，導致嬰幼兒猝死現(xiàn)象。睡眠監(jiān)測能采集收納整理呼吸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)呼吸數(shù)據(jù)的可視化。

2.2 睡眠監(jiān)測嬰幼兒聲音與濕度

在嬰幼兒睡眠過程中，聲音傳感器的使用對睡眠監(jiān)測也有著重要的意義。佝僂癥多發(fā)于嬰幼兒時期，主要因為維生素D的缺乏，以致骨骼發(fā)生病變，同時可影響神經(jīng)、肌肉、造血、免疫等組織器官的功能，對小兒的健康危害較大。[3]初期佝僂癥患兒僅具有神經(jīng)精神方面的癥狀，夜啼等癥狀，這與正常發(fā)育期的嬰幼兒行為無明顯區(qū)別，難以被監(jiān)護人重視。因忽視導致初期佝僂癥，會導致其演變成中后期，嚴重影響嬰幼兒正常的生理發(fā)育，會帶來嚴重的后遺癥，不可不防。

設計將聲音識別傳感器與床具結(jié)合，安置于嬰兒床床首，識別和準確記錄夜間嬰幼兒的驚叫和啼哭次數(shù)。同時采用無線溫濕度傳感器，測量新生兒培養(yǎng)箱內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)。將無線溫濕度傳感器模塊終端安放在培養(yǎng)箱內(nèi)部，溫度采集終端采用3.6 V 電池供電，采集數(shù)據(jù)通過無線方式傳送。同時，采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將周期性采集的數(shù)據(jù)實時、精準、快速地傳輸?shù)街付ㄒ苿佣嗽O備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。[4]利用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)綜合分析，判斷是否有潛在的疾病隱患。

現(xiàn)如今，嬰兒尿床是監(jiān)護人最頭痛的狀況之一。嬰幼兒無法控制主動排尿行為，尿床行為會引起瘙癢不適，滋生細菌引起生殖系統(tǒng)感染，也影響呼吸系統(tǒng)的健康。通過設置濕度傳感器和氣體檢測裝置于床面，當出現(xiàn)尿床行為時，傳感器所反饋的信息超過設定的閾值，同時檢測到揮發(fā)的尿液中的有毒氣體;通過單片機與無線數(shù)據(jù)傳輸技術，將信息及時反饋至可移動設備處，進而發(fā)出警報信息。通過濕度傳感器監(jiān)測濕度變化提醒父母及時更換尿布，保證睡眠環(huán)境的干凈干爽，防止嬰幼兒出現(xiàn)皮炎或濕疹紅疹等皮膚疾病。

2.3 溫度傳感器的應用

出于對嬰幼兒健康的考慮，溫度傳感器的使用是必不可少的。冬季溫度降低，父母愛子心切，為孩子蓋了過多的保暖御寒衣物，嬰幼兒身處悶熱環(huán)境中，無法用語言表達自身不適，悶熱的環(huán)境很快就會帶來高溫缺氧的癥狀。缺氧將影響嬰幼兒正常的哭喊，聲音會變得微弱，熱量無法排除帶來長期的高溫，會破壞嬰幼兒的神經(jīng)系統(tǒng)，引起患兒身體無力。[5]父母卻不能及時發(fā)現(xiàn)問題?？墒褂眉t外耳溫度傳感器和單片機技術，以非接觸式的方式準確測量嬰幼兒體溫，同時結(jié)合呼吸傳感器實時監(jiān)測嬰幼兒呼吸，就可以在遇到此類緊急情況時及時發(fā)出警報，提醒父母查看孩子狀況，減輕或避免捂熱，導致高溫高燒的病癥發(fā)生。

2.4 壓力傳感器的應用

考慮到伴隨年齡的增長和生理發(fā)育，嬰幼兒的行為模式從躺和爬將逐漸向走變化，將會出現(xiàn)有爬床這一普遍行為。為了避免出現(xiàn)爬床跌落現(xiàn)象，可在嬰兒床的床面鋪設壓力傳感器，壓力傳感器通過與單片機結(jié)合，通過檢測壓力的大小來監(jiān)測嬰幼兒是否會在睡眠時突然爬床離開或者跌落。當識別壓力在減少時，將通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞絺鬟f移動端，及時提醒父母嬰幼兒的爬床行為，發(fā)出警報，讓監(jiān)護人及時處理，避免孩子意外跌落受傷的風險。

3 嬰幼兒床具的設計

嬰幼兒床具是監(jiān)護人與嬰幼兒雙方共用的產(chǎn)品，在造型和色彩的設計與選擇上應顧及雙方的需求，安全、無毒無害、堅固耐用的需求應當放在首位。床具的設計應注意避免使用金屬材質(zhì)，以木制等觸感溫和材質(zhì)來制作。床具產(chǎn)品應色彩鮮明，色彩飽滿，結(jié)構(gòu)需符合嬰幼兒身體發(fā)育的特點，造型以圓潤的弧線和圓角為主，孩子經(jīng)常用手感受世界，尖角會對嬰幼兒產(chǎn)生傷害。所以，去棱角化成了親子互動產(chǎn)品中一個必不可缺的要素。[6，7]在選擇配件時，要盡量避免精細零件以防兒童誤吞。在選擇滾輪時，應選擇制動裝置的滾輪，方便移動與固定。在兒童易接觸到的邊角處，要放置食品級的防啃條，這能有效防止嬰幼兒誤食有毒有害的表面漆層涂料。床具應有一定的傾角，滿足孩子的脊椎發(fā)育需求。

此外，所有傳感器均不必直接接觸嬰兒皮膚。和可穿戴式相比，傳感器與床具融為一體，給了嬰幼兒更為自由舒適的睡眠空間，免去了監(jiān)護人頻繁為孩子穿戴設備或忘記穿戴的煩惱?？紤]到嬰幼兒生長速度，避免父母頻繁更換床具，嬰兒床應具有一定的延伸拓展能力，滿足嬰幼兒的空間需求。

在形態(tài)設計符合需要的同時，通過使用傳感器實現(xiàn)嬰幼兒床具的睡眠檢測功能，利用無線信息傳遞技術使數(shù)據(jù)之間交互，信息共享，將床具融入智能家居的生態(tài)鏈中?；诒O(jiān)護人的使用需求將信息傳遞至終端，數(shù)據(jù)可視化嬰幼兒的睡眠信息，讓監(jiān)護者對嬰幼兒的睡眠狀況一目了然，讓監(jiān)護者在使用的過程中記錄用戶的行為、了解用戶的習慣，為使用者提供更加舒適的睡眠感受

4 結(jié)語

本文概述了傳感器在嬰幼兒床具上的綜合設計和應用，實時檢測孩子生理狀況，異常情況能夠及時提醒監(jiān)護人進行處理，并收集嬰幼兒睡眠數(shù)據(jù)。利用互聯(lián)網(wǎng)等手段來歸納分析總結(jié)，避免父母因為休息時間重疊等，容易忽視嬰幼兒生理變化。孩子因無法用語言表述自身不適，或因身體原因無法及時通過哭泣吵鬧行為來吸引注意，使得種種初露苗頭的癥狀沒有被父母及時發(fā)現(xiàn)和重視，延誤了處理和治療的最佳時期。這種利用多傳感器與床具結(jié)合的設計，使得父母能對孩子睡眠變化一目了然，防患于未然，保證嬰幼兒生理上的健康發(fā)展。

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[7] 陳楊威，郁舒蘭，李策，等.產(chǎn)品材料與形態(tài)設計相契合的研究[J].大眾文藝，2016（13）：67.

作者簡介：張涵陽，男，陜西咸陽人，本科，研究方向：工業(yè)設計。