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。本文描述利用傳感器與嬰幼兒床具結合，對嬰幼兒進行睡眠監測，可以匯總嬰幼兒睡眠數據，及時提醒突發事件，實時呵護嬰幼兒身體健康。概述數種通過傳感器進行嬰幼兒睡眠監測的實際情況，帶給嬰幼兒安穩的睡眠。

關鍵詞：傳感器;睡眠監測;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、神經系統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合設計，實現對睡眠的實時監控，保證嬰幼兒正常的身體發育，為嬰幼兒帶來優質的睡眠。這能促進嬰幼兒中樞神經系統的形成與完善，同時對體質發育、平衡系統、消耗系統有著積極的促進作用，使情緒更穩定健康，也有利于嬰幼兒的智力發展。

2 嬰幼兒床具與傳感器結合設計

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。患兒的臨床癥狀，在呼吸上有著明顯的體現。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秒的生理特征。因呼吸障礙而猝死的案例每年頻頻發生，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測，將傳感器設置于嬰兒床面，幼兒在睡眠呼吸時，胸部會產生振動。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生的振動物理信號轉化為電信號。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，同時具有質量輕、伸展性好的優點，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，能夠實時監測動態呼吸，及時提醒出現呼吸暫停等癥狀，防止發生呼吸衰竭或心力衰竭癥狀，導致嬰幼兒猝死現象。睡眠監測能采集收納整理呼吸數據，實現呼吸數據的可視化。

2.2 睡眠監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測也有著重要的意義。佝僂癥多發于嬰幼兒時期，主要因為維生素D的缺乏，以致骨骼發生病變，同時可影響神經、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精神方面的癥狀，夜啼等癥狀，這與正常發育期的嬰幼兒行為無明顯區別，難以被監護人重視。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。同時采用無線溫濕度傳感器，測量新生兒培養箱內部溫濕度數據。將無線溫濕度傳感器模塊終端安放在培養箱內部，溫度采集終端采用3.6 V 電池供電，采集數據通過無線方式傳送。同時，采用無線數據傳輸方式將周期性采集的數據實時、精準、快速地傳輸到指定移動端設備，實現數據交互。[4]利用互聯網大數據綜合分析，判斷是否有潛在的疾病隱患。

現如今，嬰兒尿床是監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感染，也影響呼吸系統的健康。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，同時檢測到揮發的尿液中的有毒氣體;通過單片機與無線數據傳輸技術，將信息及時反饋至可移動設備處，進而發出警報信息。通過濕度傳感器監測濕度變化提醒父母及時更換尿布，保證睡眠環境的干凈干爽，防止嬰幼兒出現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，嬰幼兒身處悶熱環境中，無法用語言表達自身不適，悶熱的環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系統，引起患兒身體無力。[5]父母卻不能及時發現問題。可使用紅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，同時結合呼吸傳感器實時監測嬰幼兒呼吸，就可以在遇到此類緊急情況時及時發出警報，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育，嬰幼兒的行為模式從躺和爬將逐漸向走變化，將會出現有爬床這一普遍行為。為了避免出現爬床跌落現象，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合，通過檢測壓力的大小來監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，將通過無線數據傳輸的方式傳遞移動端，及時提醒父母嬰幼兒的爬床行為，發出警報，讓監護人及時處理，避免孩子意外跌落受傷的風險。

3 嬰幼兒床具的設計

嬰幼兒床具是監護人與嬰幼兒雙方共用的產品，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，以木制等觸感溫和材質來制作。床具產品應色彩鮮明，色彩飽滿，結構需符合嬰幼兒身體發育的特點，造型以圓潤的弧線和圓角為主，孩子經常用手感受世界，尖角會對嬰幼兒產生傷害。所以，去棱角化成了親子互動產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，免去了監護人頻繁為孩子穿戴設備或忘記穿戴的煩惱。考慮到嬰幼兒生長速度，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。

在形態設計符合需要的同時，通過使用傳感器實現嬰幼兒床具的睡眠檢測功能，利用無線信息傳遞技術使數據之間交互，信息共享，將床具融入智能家居的生態鏈中。基于監護人的使用需求將信息傳遞至終端，數據可視化嬰幼兒的睡眠信息，讓監護者對嬰幼兒的睡眠狀況一目了然，讓監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護人進行處理，并收集嬰幼兒睡眠數據。利用互聯網等手段來歸納分析總結，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現和重視，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展。

參考文獻：

[1] 張涵，李晶，楊玉婷.老年人助眠產品設計[J].戲劇之家，2019（15）：194-196.

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[4] 孫少平.基于云平臺的新生兒培養箱中央智能監護系統的設計與應用[J].醫院數字化管理，2019（12）：84-87.

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[6] 孟子玲，李晶.基于親子互動的產品設計分析[J].戲劇之家，2019（15）：119-120.

[7] 陳楊威，郁舒蘭，李策，等.產品材料與形態設計相契合的研究[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：工業設計。