全球首款便攜式非穿戴睡眠監(jiān)測(cè)器RestOn拆解

Sleepace（中文名稱“享睡”）是深圳邁迪加科技發(fā)展有限公司的品牌，其產(chǎn)品RestOn智能睡眠監(jiān)測(cè)儀是全球首款便攜式非穿戴睡眠監(jiān)測(cè)器，于2014年推出。這款睡眠監(jiān)測(cè)儀可以實(shí)時(shí)檢測(cè)心率、呼吸、體動(dòng)等生理體征，分析睡眠狀況。它沒有與人體皮膚接觸的電極，也不需要佩帶在身體任何部位，而是通過一條長80cm，寬6.4cm，厚度只有約2mm的傳感帶來采集數(shù)據(jù)。使用時(shí)只需將這條傳感帶鋪放在床單與床墊之間就可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

這條傳感帶與監(jiān)測(cè)儀主體是一體的，不用時(shí)可以將帶子卷起來收納，旅行時(shí)也方便攜帶。傳感帶和床單床墊之間的摩擦力可以讓監(jiān)測(cè)儀主體部分懸掛在床邊也不會(huì)滑落。

監(jiān)測(cè)儀背面是一塊有弧度的后蓋，但后蓋上沒有螺絲孔。

監(jiān)測(cè)儀正面有一塊可隨時(shí)取下的蓋板，靠磁力吸附在主體上。將蓋板分離，可以看到操作方法的圖示，蓋板朝向起到開機(jī)關(guān)機(jī)控制的作用。

將蓋板按照開機(jī)的提示方向重新放置，其上的綠色指示燈會(huì)亮起并持續(xù)幾秒鐘表示正常開機(jī)。若隨時(shí)取下蓋板，監(jiān)測(cè)儀將進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。

活動(dòng)蓋板下面是監(jiān)測(cè)儀的前蓋，也是無螺絲孔的設(shè)計(jì)。為了拆解，筆者嘗試了從后蓋邊的縫隙下手，強(qiáng)行撬開后蓋，但最后還是通過撬開前蓋才成功拆開機(jī)器。實(shí)際上前蓋和后蓋以多處卡扣相互扣在一起，并非分別和邊框相扣。

前蓋里面嵌入了四塊磁鐵，這樣可以與活動(dòng)蓋板中的磁鐵相吸，起到定位的作用。機(jī)器內(nèi)部空間是扁平的，鋰電池和電路板各占了一半。

電路板除了與電池有連線之外，還有兩條多股漆包線連接傳感帶。筆者從電路板上的測(cè)試點(diǎn)標(biāo)記絲印推測(cè)這個(gè)監(jiān)測(cè)儀使用ARM Cortex-m系列MCU作為主控，主要的元件都在電路板的另一面。除了雙色LED，這一面還有一個(gè)SOT-23的元件，筆者推測(cè)它是一個(gè)霍爾（磁性）傳感器，用來檢測(cè)活動(dòng)蓋板的朝向。相應(yīng)地，在活動(dòng)蓋板里面應(yīng)該有五塊磁鐵，比前蓋多一塊，筆者推測(cè)其中四塊磁鐵與前蓋實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)定位，第五塊磁鐵當(dāng)正向放置蓋板時(shí)剛好位于霍爾傳感器上方。

很容易再卸下兩顆螺絲，將電路板拆卸下來。

在電路板的另一面的右邊，有一個(gè)容易引人注目的PCB小模塊，因?yàn)樗褂昧瞬煌念伾９P者推測(cè)這是TI的CC2540低功耗藍(lán)牙方案。在電路板中央位置是Freescale（已經(jīng)合并入NXP）的器件，經(jīng)查這是KL16Z128型號(hào)，ARM Cortex-m0+核心的MCU，具有128kB Flash, 16kB SRAM。 這個(gè)系列的MCU具有16-bit的SAR ADC，比一般MCU帶的ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)要高。

電路板上尺寸比較大的幾塊芯片還有：TI的TLV2764：低功耗低電壓四運(yùn)放；Microchip的MCP41100：100kΩ數(shù)字電位器；Holtek的HT1381：實(shí)時(shí)鐘，旁邊還有一顆晶振；Winbond的W25Q64：串行Flash，64Mbit容量。這幾個(gè)芯片的用途筆者分析是：TLV2764結(jié)合MCP41100用于傳感器信號(hào)放大，增益可控，放大后的模擬信號(hào)供給KL16Z MCU的ADC輸入。HT1381用來記錄時(shí)間，在關(guān)機(jī)狀態(tài)下也要保持運(yùn)行（至于為什么沒有用MCU內(nèi)部的RTC，也許是為了更低的功耗）。W25Q64用來存放睡眠數(shù)據(jù)，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)儀采集時(shí)不能依賴手機(jī)或網(wǎng)絡(luò)，必須有自己的存儲(chǔ)。

電路板上還有不少小尺寸封裝的芯片或者三極管，筆者沒有查其型號(hào)，僅僅猜測(cè)它們主要用于電源管理，包括鋰電池的保護(hù)和充電、數(shù)字系統(tǒng)和模擬前端的穩(wěn)壓電源。

為了大致了解這個(gè)睡眠監(jiān)測(cè)儀采集的信號(hào)是什么樣的，筆者將數(shù)字示波器連到TLV2764的一個(gè)輸出引腳進(jìn)行觀察。當(dāng)人躺在傳感帶上面時(shí)，可以觀察到一個(gè)隨著呼吸起伏的波形。然而人眼不能直觀判定是否有心跳的信號(hào)，原因可能是筆者測(cè)試的這一路信號(hào)將其濾除了，或者可能是心跳信號(hào)相對(duì)比較弱，需要算法處理提取。此外，人體的明顯動(dòng)作比如抬胳膊引起的信號(hào)幅度就很大，運(yùn)放輸出直接飽和。

為了解傳感帶是怎樣產(chǎn)生信號(hào)的，筆者繼續(xù)對(duì)傳感帶進(jìn)行拆解。這條傳感帶兩側(cè)邊有嚴(yán)密的縫線，然而拆去了一段縫線后，帶子還是無法從側(cè)面撐開。看來非破壞性的拆解不大可能了。然后，筆者又試圖從頭部拆起。將傳感帶的引線焊點(diǎn)焊開，并將后蓋卸下后可以把傳感帶與監(jiān)測(cè)儀主體分離。

筆者由此推測(cè)，傳感帶是用膠粘合的，而且像是粘合后再切割成型的，使得拆解很難進(jìn)行。傳感帶最外面部分看起來像是一種合成革，從分解上下兩層的難度可以感受其用膠的粘性。從引線這一端拆解只能算方便一點(diǎn)，這里兩層之間還夾了泡沫層。逐漸揭開表層后，筆者發(fā)現(xiàn)中間至少是三層結(jié)構(gòu)，泡沫是一塊一塊排列的。如此拆解完全沒有復(fù)原的可能了。

從監(jiān)測(cè)儀過來的引線在傳感帶里還走了一段，另一端的焊接點(diǎn)夾在另外一塊泡沫材料中間。不過從一塊塊條狀的泡沫之間，已經(jīng)可以看到露出來的傳感器了。除去局部的覆蓋材料，可斷定傳感器呈一長條薄膜狀。

為了將傳感器的接頭從夾著它的泡沫材料中分離出來，筆者使用了電吹風(fēng)進(jìn)行局部加熱，趁熱再剝離就容易一些了。這種泡沫像是一種雙面膠，單片厚度大約1mm，在傳感帶的頭部和傳感器引線端處都是用了兩片對(duì)貼，其它地方是上下交錯(cuò)粘貼的。

剝離上層的泡沫材料之后可以看到傳感器的引出線接頭，不過在它上面還隔著一層半透明的薄膜。這層薄膜好象覆蓋了整個(gè)傳感帶，不過由于與灰色的表層材料貼合太緊密，拆解過程中已經(jīng)被撕破了多處。再將這里的薄膜去除掉，便可以清晰地觀看傳感器。

拆解到這個(gè)程度，再繼續(xù)就可以逐步地把傳感器從傳感帶其它材料剝離了。其實(shí)剝離一段就足以預(yù)計(jì)它的全貌。這是一條寬度13mm，很薄的一條薄膜帶子，中間不透明的部分應(yīng)該是導(dǎo)電層，寬度9mm. 從接頭的地方看來，導(dǎo)電層分為上下兩層，因?yàn)樘×斯P者沒有條件測(cè)量中間的介質(zhì)厚度。

據(jù)說這個(gè)傳感器是TE Connectivity (TE) 公司的產(chǎn)品。從TE公司網(wǎng)站上，可以找到用于睡眠監(jiān)測(cè)的傳感器產(chǎn)品信息，并可以下載到傳感器產(chǎn)品10184000-01的圖紙。該圖紙中結(jié)構(gòu)示意如下：

雖然RestOn睡眠監(jiān)測(cè)儀用的傳感器尺寸與之有所差別，原理上應(yīng)該是一致的。本次拆解對(duì)象所用的 TE 傳感器，中間的PVDF（聚氟化乙烯）層厚度估計(jì)只有28微米，加上正負(fù)極的導(dǎo)電層和保護(hù)層，筆者用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量厚度讀數(shù)為0.05mm. 這個(gè)5層結(jié)構(gòu)的薄膜厚度竟然比普通A4打印紙還要薄，而且很軟。

TE網(wǎng)站上對(duì)這種材料介紹說，壓電薄膜是PVDF（聚氟化乙烯）的薄而透明的薄膜; 它是一種柔韌性好，密度低，質(zhì)量輕，機(jī)械韌性好的材料。該薄膜可制成多種厚度和較大面積。它可以直接貼附在機(jī)件表面而不會(huì)影響機(jī)件的機(jī)械運(yùn)動(dòng), 壓電薄膜具有寬頻帶，寬動(dòng)態(tài)范圍，高電壓靈敏度的優(yōu)點(diǎn)。它的另外一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是它有低的聲阻抗,其聲阻抗更接近水，人體組織和其他有機(jī)材料的聲阻抗。一個(gè)接近的阻抗匹配便于更有效地在水和人體組織中轉(zhuǎn)導(dǎo)聲音信號(hào)（>>數(shù)據(jù)來源）。

筆者再將示波器探頭和地線夾直接接在傳感器兩端，試試能否觀察到信號(hào)輸出。此時(shí)，傳感器已經(jīng)與監(jiān)測(cè)儀電路脫離，不再有電路處理。

當(dāng)傳感器受到振動(dòng)，以及產(chǎn)生形變的瞬間，都可以從示波器上觀察到明顯的電壓信號(hào)。這表明此傳感器并不需要加電，而是基于壓電效應(yīng)，本身就能輸出變化的電壓信號(hào)。另外由于輸出阻抗高，在這個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)條件下示波器也接收到了明顯的工頻干擾，所以圖線上有50Hz擾動(dòng)。

那么RestOn睡眠監(jiān)測(cè)儀為什么要把傳感帶做得那么復(fù)雜呢？筆者推測(cè)，原因一方面可能是為了更好地傳導(dǎo)人體的壓力和震動(dòng)到傳感器，另一方面可能是為了保護(hù)傳感器，避免它承受拉力，也避免在局部出現(xiàn)極端的彎折、扭曲等形變。

總結(jié)，通過壓電薄膜傳感器，將人體心跳、呼吸等生理體征引起的微弱壓力變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過睡眠監(jiān)測(cè)儀內(nèi)部模擬電路放大等處理，送給主控MCU內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后，即可進(jìn)行信號(hào)濾波、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析等處理。再通過低功耗藍(lán)牙與手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，便可以由手機(jī)軟件生成圖形化的睡眠報(bào)告。借助手機(jī)或者遠(yuǎn)程服務(wù)器更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，就有可能實(shí)現(xiàn)更豐富的健康管理應(yīng)用。

本文所述內(nèi)容為筆者個(gè)人見解，與深圳邁迪加科技發(fā)展有限公司或TE Connectivity 公司無關(guān)。本文中提及的各項(xiàng)標(biāo)識(shí)、產(chǎn)品和/或公司名稱可能是各自所有者的商標(biāo)。?