【评论有礼】Sleepace RestOn 智能睡眠监测仪拆解

EEWORLD 发表于 2018-05-17

Sleepace(中文名称“享睡”)是深圳迈迪加科技发展有限公司的品牌,其产品RestOn智能睡眠监测仪是全球首款便携式非穿戴睡眠监测器,于2014年推出。这款睡眠监测仪可以实时检测心率、呼吸、体动等生理体征,分析睡眠状况。它没有与人体皮肤接触的电极,也不需要佩带在身体任何部位,而是通过一条长80cm,宽6.4cm,厚度只有约2mm的传感带来采集数据。使用时只需将这条传感带铺放在床单与床垫之间就可以进行监测。

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这条传感带与监测仪主体是一体的,不用时可以将带子卷起来收纳,旅行时也方便携带。传感带和床单床垫之间的摩擦力可以让监测仪主体部分悬挂在床边也不会滑落。

 

监测仪背面是一块有弧度的后盖,但后盖上没有螺丝孔。

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监测仪正面有一块可随时取下的盖板,靠磁力吸附在主体上。将盖板分离,可以看到操作方法的图示,盖板朝向起到开机关机控制的作用。

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将盖板按照开机的提示方向重新放置,其上的绿色指示灯会亮起并持续几秒钟表示正常开机。若随时取下盖板,监测仪将进入关机状态。

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活动盖板下面是监测仪的前盖,也是无螺丝孔的设计。为了拆解,笔者尝试了从后盖边的缝隙下手,强行撬开后盖,但最后还是通过撬开前盖才成功拆开机器。实际上前盖和后盖以多处卡扣相互扣在一起,并非分别和边框相扣。

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前盖里面嵌入了四块磁铁,这样可以与活动盖板中的磁铁相吸,起到定位的作用。机器内部空间是扁平的,锂电池和电路板各占了一半。

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电路板除了与电池有连线之外,还有两条多股漆包线连接传感带。笔者从电路板上的测试点标记丝印推测这个监测仪使用ARM Cortex-m系列MCU作为主控,主要的元件都在电路板的另一面。除了双色LED,这一面还有一个SOT-23的元件,笔者推测它是一个霍尔(磁性)传感器,用来检测活动盖板的朝向。相应地,在活动盖板里面应该有五块磁铁,比前盖多一块,笔者推测其中四块磁铁与前盖实现对准定位,第五块磁铁当正向放置盖板时刚好位于霍尔传感器上方。

很容易再卸下两颗螺丝,将电路板拆卸下来。

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在电路板的另一面的右边,有一个容易引人注目的PCB小模块,因为它使用了不同的颜色。笔者推测这是TI的CC2540低功耗蓝牙方案。在电路板中央位置是Freescale(已经合并入NXP)的器件,经查这是KL16Z128型号,ARM Cortex-m0+核心的MCU,具有128kB Flash, 16kB SRAM。 这个系列的MCU具有16-bit的SAR ADC,比一般MCU带的ADC转换位数要高。

电路板上尺寸比较大的几块芯片还有:TI的TLV2764:低功耗低电压四运放;Microchip的MCP41100:100kΩ数字电位器;Holtek的HT1381:实时钟,旁边还有一颗晶振;Winbond的W25Q64:串行Flash,64Mbit容量。这几个芯片的用途笔者分析是:TLV2764结合MCP41100用于传感器信号放大,增益可控,放大后的模拟信号供给KL16Z MCU的ADC输入。HT1381用来记录时间,在关机状态下也要保持运行(至于为什么没有用MCU内部的RTC,也许是为了更低的功耗)。W25Q64用来存放睡眠数据,因为监测仪采集时不能依赖手机或网络,必须有自己的存储。

电路板上还有不少小尺寸封装的芯片或者三极管,笔者没有查其型号,仅仅猜测它们主要用于电源管理,包括锂电池的保护和充电、数字系统和模拟前端的稳压电源。

 

为了大致了解这个睡眠监测仪采集的信号是什么样的,笔者将数字示波器连到TLV2764的一个输出引脚进行观察。当人躺在传感带上面时,可以观察到一个随着呼吸起伏的波形。然而人眼不能直观判定是否有心跳的信号,原因可能是笔者测试的这一路信号将其滤除了,或者可能是心跳信号相对比较弱,需要算法处理提取。此外,人体的明显动作比如抬胳膊引起的信号幅度就很大,运放输出直接饱和。

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为了解传感带是怎样产生信号的,笔者继续对传感带进行拆解。这条传感带两侧边有严密的缝线,然而拆去了一段缝线后,带子还是无法从侧面撑开。看来非破坏性的拆解不大可能了。然后,笔者又试图从头部拆起。将传感带的引线焊点焊开,并将后盖卸下后可以把传感带与监测仪主体分离。

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笔者由此推测,传感带是用胶粘合的,而且像是粘合后再切割成型的,使得拆解很难进行。传感带最外面部分看起来像是一种合成革,从分解上下两层的难度可以感受其用胶的粘性。从引线这一端拆解只能算方便一点,这里两层之间还夹了泡沫层。逐渐揭开表层后,笔者发现中间至少是三层结构,泡沫是一块一块排列的。如此拆解完全没有复原的可能了。

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从监测仪过来的引线在传感带里还走了一段,另一端的焊接点夹在另外一块泡沫材料中间。不过从一块块条状的泡沫之间,已经可以看到露出来的传感器了。除去局部的覆盖材料,可断定传感器呈一长条薄膜状。

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为了将传感器的接头从夹着它的泡沫材料中分离出来,笔者使用了电吹风进行局部加热,趁热再剥离就容易一些了。这种泡沫像是一种双面胶,单片厚度大约1mm,在传感带的头部和传感器引线端处都是用了两片对贴,其它地方是上下交错粘贴的。

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剥离上层的泡沫材料之后可以看到传感器的引出线接头,不过在它上面还隔着一层半透明的薄膜。这层薄膜好象覆盖了整个传感带,不过由于与灰色的表层材料贴合太紧密,拆解过程中已经被撕破了多处。再将这里的薄膜去除掉,便可以清晰地观看传感器。

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拆解到这个程度,再继续就可以逐步地把传感器从传感带其它材料剥离了。其实剥离一段就足以预计它的全貌。这是一条宽度13mm,很薄的一条薄膜带子,中间不透明的部分应该是导电层,宽度9mm. 从接头的地方看来,导电层分为上下两层,因为太薄了笔者没有条件测量中间的介质厚度。

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据说这个传感器是TE Connectivity (TE) 公司的产品。从TE公司网站上,可以找到用于睡眠监测的传感器产品信息,并可以下载到传感器产品10184000-01的图纸。该图纸中结构示意如下:

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虽然RestOn睡眠监测仪用的传感器尺寸与之有所差别,原理上应该是一致的。本次拆解对象所用的 TE 传感器,中间的PVDF(聚氟化乙烯)层厚度估计只有28微米,加上正负极的导电层和保护层,笔者用数显游标卡尺测量厚度读数为0.05mm. 这个5层结构的薄膜厚度竟然比普通A4打印纸还要薄,而且很软。

TE网站上对这种材料介绍说,压电薄膜是PVDF(聚氟化乙烯)的薄而透明的薄膜; 它是一种柔韧性好,密度低,质量轻,机械韧性好的材料。该薄膜可制成多种厚度和较大面积。它可以直接贴附在机件表面而不会影响机件的机械运动, 压电薄膜具有宽频带,宽动态范围,高电压灵敏度的优点。它的另外一个主要优点就是它有低的声阻抗,其声阻抗更接近水,人体组织和其他有机材料的声阻抗。一个接近的阻抗匹配便于更有效地在水和人体组织中转导声音信号(>>数据来源)。

 

笔者再将示波器探头和地线夹直接接在传感器两端,试试能否观察到信号输出。此时,传感器已经与监测仪电路脱离,不再有电路处理。

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当传感器受到振动,以及产生形变的瞬间,都可以从示波器上观察到明显的电压信号。这表明此传感器并不需要加电,而是基于压电效应,本身就能输出变化的电压信号。另外由于输出阻抗高,在这个简单实验条件下示波器也接收到了明显的工频干扰,所以图线上有50Hz扰动。

 

那么RestOn睡眠监测仪为什么要把传感带做得那么复杂呢?笔者推测,原因一方面可能是为了更好地传导人体的压力和震动到传感器,另一方面可能是为了保护传感器,避免它承受拉力,也避免在局部出现极端的弯折、扭曲等形变。


总结,通过压电薄膜传感器,将人体心跳、呼吸等生理体征引起的微弱压力变化转换成电信号,再经过睡眠监测仪内部模拟电路放大等处理,送给主控MCU内部的ADC转换成数字信号之后,即可进行信号滤波、数据记录、数据分析等处理。再通过低功耗蓝牙与手机APP进行数据交互,便可以由手机软件生成图形化的睡眠报告。借助手机或者远程服务器更强大的数据处理能力,就有可能实现更丰富的健康管理应用。

 

  本文所述内容为笔者个人见解,与深圳迈迪加科技发展有限公司或TE Connectivity 公司无关。本文中提及的各项标识、产品和/或公司名称可能是各自所有者的商标。 


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