酈曉飛，周國(guó)平，張宏玉，陳駿杰

智能溫控床墊的設(shè)計(jì)與研究

酈曉飛a，周國(guó)平a，張宏玉b，陳駿杰a

（南京林業(yè)大學(xué) a.信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 b.家具與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210018）

睡眠溫度是影響睡眠的重要因素。設(shè)計(jì)一款基于睡眠溫度曲線的三分區(qū)智能溫控床墊，通過分區(qū)、分時(shí)段調(diào)整睡眠溫度，有效改善用戶睡眠質(zhì)量。通過溫度記錄儀，記錄并繪制人體不同部位的睡眠溫度曲線。根據(jù)人體在睡眠期間不同時(shí)間段及不同部位的溫度需求，將床墊分為頭肩、軀干和腿部三個(gè)區(qū)域，通過分區(qū)、分時(shí)段進(jìn)行溫度控制，使人體在睡眠期間各區(qū)域、各時(shí)間段均處于睡眠溫度舒適域內(nèi)。針對(duì)硬件、軟件和結(jié)構(gòu)三個(gè)方面，以智能化和人性化為原則，對(duì)智能溫控床墊進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該床墊實(shí)現(xiàn)了高精度的分區(qū)、分時(shí)段溫度控制，同時(shí)能夠按照用戶設(shè)定進(jìn)行溫控時(shí)段和制熱制冷自適應(yīng)調(diào)整。該床墊溫度控制精準(zhǔn)、安全高效、智能化和人性化程度高，能夠有效改善用戶睡眠質(zhì)量。

睡眠溫度曲線；智能床墊；分區(qū)控制；舒適域；自適應(yīng)調(diào)整

隨著生活節(jié)奏的不斷加快，人們的精神壓力越來越大，睡眠質(zhì)量問題也逐漸被大家所關(guān)注。相關(guān)研究表明，睡眠質(zhì)量的好壞與溫度密切相關(guān)[1-2]，而被褥微環(huán)境溫度相較于室內(nèi)環(huán)境溫度對(duì)人體熱舒適的影響更加顯著[3-4]，將信息化技術(shù)與人體工程學(xué)理論相結(jié)合，營(yíng)造一個(gè)舒適、智能的睡眠環(huán)境，對(duì)改善睡眠質(zhì)量有著重要的實(shí)際意義[5]。

目前關(guān)于智能床墊的研究方向主要集中于通過對(duì)睡眠數(shù)據(jù)和人體健康數(shù)據(jù)的采集與處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶身體狀況的監(jiān)測(cè)[6-9]，同時(shí)也有少數(shù)研究人員致力于研究在醫(yī)療等方面具有特殊用途的智能床墊[10]。然而，通過智能溫度控制，改善用戶睡眠質(zhì)量的研究則相對(duì)較少。目前各類溫控床墊的研究[11-12]，均未能考慮人體不同部位隨時(shí)間變化的溫度需求，存在功能單一、溫控精度不高、智能化不足等問題。針對(duì)這些問題，本文提出一種基于睡眠溫度曲線的三分區(qū)智能溫控床墊，創(chuàng)新地將床墊分為頭肩區(qū)域、軀干區(qū)域和腿部區(qū)域，根據(jù)三個(gè)部位的人體睡眠溫度曲線與不同時(shí)段的睡眠溫度需求，分區(qū)、分時(shí)段進(jìn)行溫度智能調(diào)節(jié)。通過水循環(huán)及相關(guān)算法，使床墊溫控方式安全高效，溫度控制精準(zhǔn)穩(wěn)定，能夠自適應(yīng)調(diào)整溫控時(shí)段與制冷制熱模式，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的智能溫度控制。

1 智能溫控床墊的理論與算法

1.1 分區(qū)、分時(shí)段溫控設(shè)計(jì)

智能溫控床墊的設(shè)計(jì)目的為通過調(diào)整睡眠溫度，有效改善用戶睡眠質(zhì)量，因此，必須了解人體在睡眠狀態(tài)下的熱舒適性?，F(xiàn)有研究大多是基于清醒狀態(tài)的熱舒適性研究，而針對(duì)睡眠狀態(tài)的熱舒適性研究較少。通過人體熱舒適性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步探究人體睡眠狀態(tài)下熱舒適性與身體部位、睡眠時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)而能夠?qū)乜卮矇|進(jìn)行合理的分區(qū)設(shè)計(jì)和溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本次熱舒適性實(shí)驗(yàn)，共有10名實(shí)驗(yàn)人員（男女各5名），平均年齡為24.14歲（=1.06歲）；平均身高為167.6 cm（=9.16 cm）；平均體重為55.8 kg（=8.11 kg）；值均處于標(biāo)準(zhǔn)人群范圍。為控制無關(guān)變量，減少誤差，每位實(shí)驗(yàn)人員經(jīng)檢查均身體健康，通過匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)問卷保證近一個(gè)月內(nèi)無睡眠障礙，睡前6 h內(nèi)無劇烈運(yùn)動(dòng)與精神刺激，當(dāng)日未飲用咖啡等刺激性飲品，實(shí)驗(yàn)時(shí)均采用統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)服裝、被褥、床墊進(jìn)行測(cè)試。所有實(shí)驗(yàn)人員需要提前進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如有不適者，不予參加本次實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定為室溫16 ℃（人體所處環(huán)境的中性溫度），濕度范圍為50%～65%，風(fēng)速范圍為1.0～ 1.2 m/s。如圖1所示，將IBUTTON DS1922型溫度傳感器貼在受試人員的頭部、肩部、背部、上臂、下臂、臀部、大腿和小腿八個(gè)部位，記錄各個(gè)皮膚溫度測(cè)試點(diǎn)在整個(gè)睡眠過程中的溫度變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)受試人員進(jìn)行熱舒適性問卷調(diào)查，以保證記錄的溫度為人體熱舒適狀態(tài)下的睡眠溫度。

對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的各部位睡眠溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析后發(fā)現(xiàn)，頭部和肩部在整個(gè)睡眠過程中的溫度相似，可將其歸類為頭肩區(qū)域；同理可將背部、大臂、小臂、臀部歸類為軀干區(qū)域；將大腿、小腿歸類為腿部區(qū)域。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)取均值分別繪制三個(gè)區(qū)域的人體睡眠溫度變化曲線，見圖2。

圖1 皮膚溫度測(cè)試點(diǎn)

圖2 人體各區(qū)域睡眠溫度曲線

人體睡眠溫度曲線隨時(shí)間變化明顯，按時(shí)間可將整個(gè)睡眠周期大致分為三個(gè)階段——睡眠初期、睡眠中期和睡眠后期。睡眠初期，人體皮膚表面溫度迅速上升至各部位睡眠溫度最高點(diǎn)，然后出現(xiàn)稍許下降；睡眠中期，人體皮膚表面溫度趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)稍許波動(dòng)；睡眠后期，人體皮膚表面溫度出現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。同一時(shí)間身體三個(gè)區(qū)域的溫度也有明顯差異，軀干區(qū)域溫度最高，頭肩區(qū)域次之，腿部區(qū)域溫度最低。

相關(guān)研究表明，不同睡眠階段人體不同部位的溫度需求有所差異，同時(shí)在非均勻環(huán)境下通過局部溫度的刺激，能夠有效改善人體的睡眠時(shí)間與睡眠質(zhì)量[13-14]。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)人體各部位睡眠溫度需求的差異，床墊的水平分區(qū)和垂直分層結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 床墊結(jié)構(gòu)圖

床墊尺寸為2 000 mm×1 000 mm×150 mm，總共包括三層：面料層、溫控層和復(fù)合材料層。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)人體尺寸數(shù)據(jù)，根據(jù)長(zhǎng)度將整個(gè)床墊分為三個(gè)區(qū)域——頭肩區(qū)域440 mm，軀干區(qū)域660 mm，腿部區(qū)域900 mm。床墊面料層選擇3D透氣面料加聚氨酯棉，以保證床墊的柔軟性、透氣性，并保證溫度向上快速傳遞。在溫控層中每個(gè)區(qū)域的水管均勻排布，分三個(gè)水箱通過水循環(huán)對(duì)三個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行溫度控制，以求更好地滿足人體睡眠溫度的需求。復(fù)合材料層選擇熱阻較高的乳膠，輔以海綿、袋裝彈簧，以保證床墊良好的舒適性、支撐性，同時(shí)有效阻止溫度向下傳遞，減少溫度散失。

1.2 分區(qū)、分時(shí)段睡眠溫度舒適域區(qū)間

相關(guān)研究表明，睡眠質(zhì)量與睡眠熱舒適性大致呈正相關(guān)，通過調(diào)整睡眠溫度使人體處于睡眠溫度舒適域內(nèi)，能夠有效提高人體睡眠效率、改善人體睡眠結(jié)構(gòu)、增加人體睡眠總時(shí)長(zhǎng)[1,5]。由于冬夏兩季的睡眠環(huán)境不同，睡眠熱舒適性也存在明顯區(qū)別[15]，同時(shí)人體不同區(qū)域、不同睡眠時(shí)段的睡眠溫度需求也有所不同，因此本文針對(duì)冬夏兩個(gè)季節(jié)，分區(qū)、分時(shí)段探究人體睡眠溫度舒適域區(qū)間。目前睡眠熱舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)大多采用主觀評(píng)價(jià)的方式，通過合理設(shè)計(jì)熱舒適性問卷，根據(jù)ASHRAE 55-2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)身體不同區(qū)域、不同溫度下恒溫睡眠環(huán)境的熱舒適、熱感覺進(jìn)行7級(jí)評(píng)價(jià)，對(duì)熱可接受度進(jìn)行6級(jí)評(píng)價(jià)[1]，能夠直接獲取人體的熱舒適感受。但該方法受主觀影響較大，且清醒后的實(shí)驗(yàn)人員，對(duì)睡眠狀態(tài)下的熱舒適性記憶可能出現(xiàn)偏差，因此需要輔以一種更客觀的評(píng)價(jià)方式。研究表明，心率、指尖血流量、血氧飽和度等客觀人體參數(shù)在一定程度上能夠反應(yīng)睡眠熱舒適性，其中心率與睡眠熱舒適性相關(guān)性最高，能夠較好地表征睡眠熱舒適性（心率越低，睡眠越平靜越舒適，即睡眠質(zhì)量越好）[15]。因此，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)合同課題組關(guān)于不同季節(jié)溫控床墊對(duì)人體熱舒適影響機(jī)理的研究[1,16]，于夏季（7、8月）和冬季（12、1月），利用熱舒適性問卷和心率參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過主客觀結(jié)合的方式，分別得出了冬夏兩季人體三個(gè)區(qū)域的睡眠溫度舒適域及中性溫度見表1。

表1 冬夏兩季各區(qū)域舒適域及中性溫度

Tab.1 Comfort zone and neutral temperature of each area in winter and summer

通過分區(qū)、分階段改變溫控床墊的溫控值，能夠使整個(gè)睡眠過程的三個(gè)階段，以及人體各區(qū)域均處于睡眠溫度舒適域內(nèi)，從而有效提高睡眠質(zhì)量。采用控制變量法，通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整睡眠各區(qū)域、各階段的溫控值，若在該溫控值，人體該區(qū)域該階段的皮膚表面溫度均處于睡眠溫度舒適域內(nèi)，則認(rèn)為該溫控值為該區(qū)域該階段的適宜溫控值。實(shí)驗(yàn)得出的夏冬兩季適宜溫控范圍和中性溫控值見表2—3。

理論上，軀干部位各系統(tǒng)較為活躍，溫度需求不高；而腿部區(qū)域血管稀疏，溫度需求較高。同時(shí)，睡眠前期，適當(dāng)降低睡眠溫度有助于用戶快速入眠；睡眠中期，人體皮膚表面溫度下降，對(duì)周圍溫度感知降低，適當(dāng)?shù)靥岣咚邷囟?，可以給予人體良性刺激；睡眠后期，適當(dāng)提高睡眠溫度，可以起到喚醒用戶的作用。由夏冬兩季適宜溫控范圍的縱向?qū)Ρ瓤傻茫和炔繀^(qū)域溫控范圍最高，軀干區(qū)域次之，頭頸區(qū)域最低。由橫向?qū)Ρ瓤傻茫核咔捌冢瑴乜胤秶鄬?duì)較低，睡眠中期和睡眠后期相對(duì)較高，符合相關(guān)理論。

表2 夏季各區(qū)域適宜溫控范圍和中性溫控值

Tab.2 Suitable temperature control range and neutral temperature control value of each area in summer

表3 冬季各區(qū)域適宜溫控范圍和中性溫控值

Tab.3 Suitable temperature control range and neutral temperature control value of each area in winter

綜合考慮空調(diào)睡眠環(huán)境的季節(jié)差異、溫度等各項(xiàng)因素，智能溫控床墊普通模式以各季節(jié)的中性溫控值為默認(rèn)溫控值，能夠較好地滿足整體的睡眠熱舒適性。同時(shí)從普適性和人性化角度出發(fā)，考慮地域差異與用戶個(gè)體差異，床墊設(shè)有個(gè)性化模式。在該模式下，用戶可根據(jù)自身所處地域與個(gè)人睡眠感受的不同，在工作范圍內(nèi)調(diào)節(jié)各區(qū)域各睡眠階段的溫控值，以求更好地滿足不同地域與不同用戶的睡眠溫度需求。

1.3 自適應(yīng)調(diào)整

1.3.1 溫控時(shí)段自適應(yīng)調(diào)整

因?yàn)楦饔脩羲邥r(shí)長(zhǎng)不同，所以對(duì)于不同用戶在睡眠過程中三個(gè)時(shí)段的劃分需進(jìn)行調(diào)整。人體睡眠時(shí)間的長(zhǎng)短因人而異，但睡眠初期、中期和后期所占睡眠總時(shí)長(zhǎng)的比例卻大致相等，依次大約為31%、52%和17%。用戶可以自定義睡眠時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)床墊具有記憶功能，在長(zhǎng)時(shí)間使用中自動(dòng)記錄用戶的睡眠數(shù)據(jù)，按照睡眠時(shí)長(zhǎng)和各睡眠時(shí)間段所占比例，自動(dòng)調(diào)整不同的溫度控制方案，滿足用戶睡眠的溫度需求，實(shí)現(xiàn)溫控時(shí)段自適應(yīng)調(diào)整。同時(shí)考慮個(gè)體差異，用戶也可以在個(gè)性化模式下，自主調(diào)節(jié)睡眠各階段時(shí)長(zhǎng)。

1.3.2 預(yù)冷預(yù)熱自適應(yīng)調(diào)整

為踐行綠色高效的理念，達(dá)到節(jié)能的目的，床墊根據(jù)用戶設(shè)定的工作時(shí)間，自適應(yīng)調(diào)整預(yù)冷或預(yù)熱時(shí)間。通過檢測(cè)水箱溫度，將該溫度與床墊表面目標(biāo)溫度進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)床墊預(yù)冷預(yù)熱模式的選擇。當(dāng)水箱溫度高于目標(biāo)溫度時(shí)，床墊采用預(yù)冷模式，否則采用預(yù)熱模式。同時(shí)根據(jù)兩者的溫差，自適應(yīng)調(diào)整預(yù)冷預(yù)熱時(shí)間，使預(yù)冷預(yù)熱完成時(shí)間與用戶設(shè)定的工作時(shí)間近似。制冷制熱測(cè)試表明，在工作溫度范圍內(nèi)，預(yù)熱時(shí)間、預(yù)冷時(shí)間與溫差，大致符合以下關(guān)系：

式中：heat為預(yù)熱時(shí)間；cold為預(yù)冷時(shí)間；Δ0為水箱溫度與目標(biāo)溫度的溫差；為預(yù)熱預(yù)冷裕度（單位/min），可設(shè)置為1～10的整數(shù)，保證預(yù)熱預(yù)冷效果。

通過預(yù)冷預(yù)熱自適應(yīng)調(diào)整，保證床墊從與用戶接觸開始，就達(dá)到目標(biāo)溫度，在有效改善用戶體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目標(biāo)。

1.4 床墊表面溫度-水箱溫度變化關(guān)系模型

通過床墊表面溫度的反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)溫度控制，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的溫度控制。然而，溫度傳感器的使用，會(huì)降低床墊的舒適感，導(dǎo)致床墊表面線路復(fù)雜、漏電、傳感器易損等潛在問題。因此，需要建立床墊表面溫度與水箱溫度的變化關(guān)系模型，通過檢測(cè)水箱溫度，以實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。

溫度損耗Δ1產(chǎn)生的主要原因?yàn)樗鱾鬏斶^程中與外界環(huán)境的熱量交換，而熱量交換的速度在水管表面積等條件相同的情況下，主要取決于水溫與環(huán)境溫度的溫差Δ2。通過實(shí)驗(yàn)采集Δ1與Δ2的數(shù)據(jù)，在床墊溫度控制范圍內(nèi)，Δ1與Δ2的線性度較好。因此，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過最小二乘法進(jìn)行擬合，建立Δ1與Δ2的一次關(guān)系模型：

該擬合函數(shù)擬合優(yōu)度2為0.995 7，表明該擬合曲線能夠較好地表征原樣本數(shù)據(jù)Δ1與Δ2的關(guān)系。根據(jù)式（3），建立床墊表面溫度bed與水箱溫度wx的變化關(guān)系模型：

檢測(cè)水箱水溫并帶入模型，采用增量型PID算法，調(diào)整PWM占空比來控制設(shè)備的加熱制冷功率和水泵功率，從而調(diào)整水箱水溫和水循環(huán)速度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)床墊溫度的控制。

2 智能控床墊軟硬件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

智能溫控床墊總體設(shè)計(jì)框圖見圖4。

圖4 總體設(shè)計(jì)框圖

整個(gè)床墊的硬件模塊及功能如下，具體通過模塊組合實(shí)現(xiàn)智能床墊的智能溫度控制、用戶信息設(shè)置保存和自適應(yīng)調(diào)整等功能：

1）MCU模塊：MCU模塊是整個(gè)電路的核心部分，通過與各模塊的通信以及對(duì)各模塊的控制，實(shí)現(xiàn)床墊的智能控制。

2）加熱制冷模塊：加熱采用PTC陶瓷加熱管，自動(dòng)恒溫、熱效率高、安全性好；制冷采用半導(dǎo)體制冷片，體積小、無噪聲、制冷速度快。

3）過熱保護(hù)模塊：采用常閉溫控開關(guān)，檢測(cè)加熱器溫度和水箱溫度，實(shí)現(xiàn)加熱器和水箱溫度的雙重保護(hù)。

4）溫濕度檢測(cè)模塊：通過溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)。一方面用于床墊預(yù)冷預(yù)熱自適應(yīng)調(diào)整，一方面用于校正床墊溫度-水箱溫度變化關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

5）水位監(jiān)測(cè)模塊：通過干簧管和磁環(huán)配合，從而對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止干燒等事故的發(fā)生。

6）觸摸屏模塊：通過觸摸屏與用戶進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)床墊個(gè)性化設(shè)置等功能。

7）WIFI模塊：利用WIFI進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)床墊的遠(yuǎn)程控制。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置采用模塊化編程，僅需通過函數(shù)接口就可完成各個(gè)模塊的調(diào)用，移植性好。智能溫控床墊的溫度控制主要流程圖見圖5。

圖5 床墊溫控主要流程

上電后，裝置自動(dòng)初始化各模塊，之后依次判斷水箱水位是否在安全范圍內(nèi)，是否到達(dá)工作時(shí)間，并根據(jù)不同運(yùn)行狀況執(zhí)行相應(yīng)指令。裝置有兩種工作模式：普通模式和個(gè)性化模式。若選擇個(gè)性化模式，還需在正式工作前通過觸摸屏或APP進(jìn)行用戶參數(shù)輸入。在開始工作后，床墊會(huì)根據(jù)設(shè)定，按照不同的模式進(jìn)行工作，根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)床墊進(jìn)行預(yù)冷或預(yù)熱，在預(yù)冷或預(yù)熱結(jié)束后，系統(tǒng)按照用戶設(shè)定的工作時(shí)間和工作模式開始運(yùn)行，直到工作時(shí)間結(jié)束。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的水箱見圖6a，在結(jié)構(gòu)上充分考慮了溫控床墊的實(shí)際需求，創(chuàng)新性地進(jìn)行了水箱設(shè)計(jì)。水倉與水箱注水口的長(zhǎng)回廊設(shè)計(jì)，一方面避免了水泵工作前后頻繁缺水或溢水的問題，另一方面能夠保證水位平穩(wěn)，以便監(jiān)測(cè)水位。水倉中的分區(qū)葉片與嵌入水倉中的散熱片結(jié)合形成的柵欄式結(jié)構(gòu)，能夠增大水流與散熱片的接觸面積，保證水流與散熱片充分接觸，有效提升水溫冷卻效果。水箱支柱內(nèi)含干簧管，水位浮子套在水箱支柱上，兩者結(jié)合，能夠簡(jiǎn)單可靠地對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水箱下部的兩個(gè)出水口，一個(gè)與床墊溫控層相連，一個(gè)與水泵和PTC加熱器相連，以實(shí)現(xiàn)水循環(huán)和加熱功能。與市面上的水箱相比，本次設(shè)計(jì)的水箱具有體積較小、功能完善、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 水箱與控制箱結(jié)構(gòu)圖

床墊控制箱的結(jié)構(gòu)圖見圖6b?？刂葡渫ㄟ^觸摸屏與用戶完成交互，通過三個(gè)水箱分別實(shí)現(xiàn)對(duì)頭肩區(qū)域、軀干區(qū)域和腿部區(qū)域三個(gè)區(qū)域的溫度控制。每個(gè)水箱通過散熱片、制冷片（安裝于散熱片中）、制冷風(fēng)扇進(jìn)行降溫控制；通過PTC加熱管進(jìn)行升溫控制；冷卻風(fēng)扇輔助電源散熱，避免電源出現(xiàn)過熱故障；靜音水泵在完成水循環(huán)的基礎(chǔ)上，有效降低了裝置的噪音，改善了用戶體驗(yàn)；同時(shí)水箱中還有水位監(jiān)測(cè)、過熱保護(hù)等裝置，有效提升了整個(gè)裝置的可靠性與安全性。

3 智能溫控床墊實(shí)物與測(cè)試

3.1 實(shí)物

智能溫控床墊控制箱部分與床墊部分的實(shí)物見圖7a與7b。床墊控制箱尺寸為400 mm×250 mm× 250 mm，體積較小，便于日常安裝與使用。床墊通過三根水管，利用水循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)床墊的分區(qū)溫度控制。觸摸屏日常工作界面見圖7c，顯示信息包括各分區(qū)溫度、時(shí)間、水位報(bào)警、溫度報(bào)警等。整個(gè)界面操作簡(jiǎn)單、信息明了，方便老人、幼童操作，符合人性化設(shè)計(jì)原則。同時(shí)智能溫控床墊自帶WIFI模塊，且開發(fā)了對(duì)應(yīng)的手機(jī)APP，能夠通過移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在萬物互聯(lián)的時(shí)代，將信息化技術(shù)與床墊相結(jié)合，符合智能家居全屋互聯(lián)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 溫控測(cè)試

對(duì)床墊的三個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行升降溫測(cè)試，三個(gè)區(qū)域的升降溫曲線基本一致。以軀干部分為例，在2 cm鋪蓋（100%棉），室溫10 ℃，升溫目標(biāo)溫度為30 ℃的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)軀干部位床墊進(jìn)行升溫測(cè)試；在2 cm鋪蓋（100%棉），室溫30 ℃，降溫目標(biāo)溫度為23 ℃的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)軀干部位床墊進(jìn)行降溫測(cè)試，兩次測(cè)試的溫度響應(yīng)曲線見圖8a。在升溫模式下，當(dāng)設(shè)定溫度與床墊表面溫度溫差大于2 ℃時(shí)，裝置加熱模塊按最大功率運(yùn)行；當(dāng)溫差縮小至2 ℃以內(nèi)時(shí)，裝置采用PID算法進(jìn)行溫度控制。裝置在升溫溫差為20 ℃的實(shí)驗(yàn)條件下升溫時(shí)間約為35 min，穩(wěn)定后床墊表面溫度穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5 ℃；在降溫模式下，裝置采用類似的控制模式控制制冷模塊，在降溫溫差為7 ℃的實(shí)驗(yàn)條件下降溫時(shí)間約為25 min，穩(wěn)定后床墊表面溫度穩(wěn)態(tài)誤差同樣小于0.5 ℃。基于PID算法的溫控方式使整個(gè)床墊溫度控制速度快、精度高且超調(diào)量小。

基于對(duì)應(yīng)的測(cè)試條件，在日常工作溫度（20～ 35 ℃）下對(duì)床墊的各溫控值進(jìn)行升降溫測(cè)試，三次測(cè)試取誤差最大值作為該溫度的升降溫床墊表面溫度穩(wěn)態(tài)誤差，其測(cè)試結(jié)果見圖8b。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在常用溫度范圍內(nèi)，床墊各溫度的升降溫穩(wěn)態(tài)誤差均小于0.5 ℃，能夠精準(zhǔn)調(diào)節(jié)人體各區(qū)域的睡眠溫度。

3.3 用戶測(cè)試

受試者一共6名（男女各3名），受試者受試要求與分區(qū)、分時(shí)段溫控設(shè)計(jì)的熱舒適性實(shí)驗(yàn)一致。在冬季環(huán)境溫度（12 ℃、14 ℃、16 ℃）和夏季環(huán)境溫度（26 ℃、28 ℃、30 ℃）六種工況下，利用熱舒適性問卷對(duì)受試者睡眠感受進(jìn)行主觀測(cè)試，利用e睡眠多維健康檢測(cè)墊對(duì)用戶的睡眠質(zhì)量進(jìn)行客觀測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下：

1）在六種工況下，受試者在智能溫控床墊使用前后，睡眠熱感覺由使用前的–1.5～ +1.5縮小至使用后的–0.5～ +0.5，表明智能溫控床墊能夠有效改善受試者睡眠期間的熱舒適性。

圖7 床墊控制箱實(shí)物圖

圖8 溫度響應(yīng)曲線與各溫度穩(wěn)態(tài)誤差

2）在六種工況下，受試者在智能溫控床墊使用前后，深睡眠占整個(gè)睡眠時(shí)間的比例總體上增加約2%；睡眠效率總體上提高約3%，表明智能溫控床墊能夠有效改善受試者整體睡眠質(zhì)量。

以上實(shí)物測(cè)試表明，該裝置能夠較好地實(shí)現(xiàn)分區(qū)、分時(shí)段溫度控制、自適應(yīng)調(diào)整、用戶個(gè)性化設(shè)置等預(yù)期功能。目前該智能溫控床墊已通過企業(yè)驗(yàn)收，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工作測(cè)試，樣機(jī)運(yùn)行良好，工作可靠，能夠智能調(diào)整睡眠環(huán)境溫度，有效改善測(cè)試人員的睡眠質(zhì)量。

4 結(jié)語

根據(jù)人體不同區(qū)域的睡眠溫度曲線，對(duì)智能溫控床墊進(jìn)行了綜合設(shè)計(jì)與開發(fā)。相對(duì)于市場(chǎng)上床墊的單一溫控模式，該床墊能夠根據(jù)人體睡眠溫度曲線進(jìn)行分區(qū)、分時(shí)段溫度控制，使人體各個(gè)區(qū)域在整個(gè)睡眠過程中都處于睡眠溫度舒適域中。床墊通過用戶設(shè)定或自主學(xué)習(xí)，自適應(yīng)調(diào)整不同的溫度控制方案，同時(shí)根據(jù)床墊溫度-水箱溫度變化關(guān)系模型，結(jié)合PID算法實(shí)現(xiàn)了溫度的快速、準(zhǔn)確響應(yīng)。該裝置的出現(xiàn)提升了溫控床墊的智能化與人性化程度，解決了常規(guī)溫控床墊溫度控制模式單一、精度低下等一系列問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該床墊能夠精準(zhǔn)調(diào)整睡眠環(huán)境溫度，有效改善睡眠質(zhì)量，可廣泛運(yùn)用于生活之中，具有較高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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Design and Research of Three Zone Intelligent Temperature Control Mattress

LI Xiao-feia, ZHOU Guo-pinga, ZHANG Hong-yub, CHEN Jun-jiea

(a. College of Information Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210018, China; b. College of Furnishings and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210018, China)

Sleep temperature is an important factor affecting sleep. The paper aims to design a three zone intelligent temperature control mattress based on sleep temperature curve to effectively improve users' sleep quality by adjusting sleep temperature in zones and periods. With the temperature recorder, the sleep temperature curves of different parts of the human body are recorded and drawn. According to the temperature requirements of different time periods and different parts of the human body during sleep, the mattress is divided into three areas: head-shoulder, trunk, and leg. The temperature is controlled by zoning and time periods, so that each area of the human body in any period during sleep is in the sleep temperature comfort area. Aiming at the three aspects of hardware, software and structure, the intelligent temperature control mattress is innovatively designed based on the principle of intelligence and humanization. The experimental results show that the mattress realizes high-precision zoning and time-division temperature control, and can adjust the temperature control period or heating and cooling adaptively according to user settings and device independent learning. The temperature control of the mattress is accurate, safe and efficient, intelligent and user-friendly, and can effectively improve users' sleep quality.

sleep temperature curve; intelligent mattress; partition control; comfort zone; adaptive time adjustment

TB472

A

1001-3563(2022)24-0197-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.24.022

2022–07–31

江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃（KYCX21_0903）

酈曉飛（1998—），男，碩士生，主攻智能家具與控制。

周國(guó)平（1963—），男，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄軆x器儀表與控制。

責(zé)任編輯：馬夢(mèng)遙