Sleepace RestOn 智能睡眠監測儀拆解：不需佩帶在身體任何部位即可檢測

      Sleepace（中文名稱“享睡”）是深圳邁迪加科技發展有限公司的品牌，其產品RestOn智能睡眠監測儀是全球首款便攜式非穿戴睡眠監測器，于2014年推出。這款睡眠監測儀可以實時檢測心率、呼吸、體動等生理體征，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的傳感帶來采集數據。使用時只需將這條傳感帶鋪放在床單與床墊之間就可以進行監測。

監測儀正面有一塊可隨時取下的蓋板，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，蓋板朝向起到開機關機控制的作用。

活動蓋板下面是監測儀的前蓋，也是無螺絲孔的設計。為了拆解，筆者嘗試了從后蓋邊的縫隙下手，強行撬開后蓋，但最后還是通過撬開前蓋才成功拆開機器。實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。

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試點標記絲印推測這個監測儀使用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SOT-23的元件，筆者推測它是一個霍爾（磁性）傳感器，用來檢測活動蓋板的朝向。相應地，在活動蓋板里面應該有五塊磁鐵，比前蓋多一塊，筆者推測其中四塊磁鐵與前蓋實現對準定位，第五塊磁鐵當正向放置蓋板時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，有一個容易引人注目的PCB小模塊，因為它使用了不同的顏色。筆者推測這是TI的CC2540低功耗藍牙方案。在電路板中央位置是Freescale（已經合并入NXP）的器件，經查這是KL16Z128型號，ARM Cortex-M0+核心的MCU，具有128kB Flash, 16kB SRAM。 這個系列的MCU具有16-bit的SAR ADC，比一般MCU帶的ADC轉換位數要高。
電路板上尺寸比較大的幾塊芯片還有：TI的TLV2764：低功耗低電壓四運放；Microchip的MCP41100：100kΩ數字電位器；Holtek的HT1381：實時鐘，旁邊還有一顆晶振；Winbond的W25Q64：串行Flash，64Mbit容量。這幾個芯片的用途筆者分析是：TLV2764結合MCP41100用于傳感器信號放大，增益可控，放大后的模擬信號供給KL16Z MCU的ADC輸入。HT1381用來記錄時間，在關機狀態下也要保持運行（至于為什么沒有用MCU內部的RTC，也許是為了更低的功耗）。W25Q64用來存放睡眠數據，因為監測儀采集時不能依賴手機或網絡，必須有自己的存儲。
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，僅僅猜測它們主要用于電源管理，包括鋰電池的保護和充電、數字系統和模擬前端的穩壓電源。
為了大致了解這個睡眠監測儀采集的信號是什么樣的，筆者將數字示波器連到TLV2764的一個輸出引腳進行觀察。當人躺在傳感帶上面時，可以觀察到一個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，原因可能是筆者測試的這一路信號將其濾除了，或者可能是心跳信號相對比較弱，需要算法處理提取。此外，人體的明顯動作比如抬胳膊引起的信號幅度就很大，運放輸出直接飽和
為了解傳感帶是怎樣產生信號的，筆者繼續對傳感帶進行拆解。這條傳感帶兩側邊有嚴密的縫線，然而拆去了一段縫線后，帶子還是無法從側面撐開?？磥矸瞧茐男缘牟鸾獠淮罂赡芰?。然后，筆者又試圖從頭部拆起。將傳感帶的引線焊點焊開，并將后蓋卸下后可以把傳感帶與監測儀主體分離。

從監測儀過來的引線在傳感帶里還走了一段，另一端的焊接點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。

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。

拆解到這個程度，再繼續就可以逐步地把傳感器從傳感帶其它材料剝離了。其實剝離一段就足以預計它的全貌。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該是導電層，寬度9mm. 從接頭的地方看來，導電層分為上下兩層，因為太薄了筆者沒有條件測量中間的介質厚度。

雖然RestOn睡眠監測儀用的傳感器尺寸與之有所差別，原理上應該是一致的。本次拆解對象所用的 TE 傳感器，中間的PVDF（聚氟化乙烯）層厚度估計只有28微米，加上正負極的導電層和保護層，筆者用數顯游標卡尺測量厚度讀數為0.05mm. 這個5層結構的薄膜厚度竟然比普通A4打印紙還要薄，而且很軟。
TE網站上對這種材料介紹說，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，質量輕，機械韌性好的材料。該薄膜可制成多種厚度和較大面積。它可以直接貼附在機件表面而不會影響機件的機械運動, 壓電薄膜具有寬頻帶，寬動態范圍，高電壓靈敏度的優點。它的另外一個主要優點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材料的聲阻抗。一個接近的阻抗匹配便于更有效地在水和人體組織中轉導聲音信號（>>數據來源）。
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輸出。此時，傳感器已經與監測儀電路脫離，不再有電路處理。


當傳感器受到振動，以及產生形變的瞬間，都可以從示波器上觀察到明顯的電壓信號。這表明此傳感器并不需要加電，而是基于壓電效應，本身就能輸出變化的電壓信號。另外由于輸出阻抗高，在這個簡單實驗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。
那么RestOn睡眠監測儀為什么要把傳感帶做得那么復雜呢？筆者推測，原因一方面可能是為了更好地傳導人體的壓力和震動到傳感器，另一方面可能是為了保護傳感器，避免它承受拉力，也避免在局部出現極端的彎折、扭曲等形變。

總結，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換成電信號，再經過睡眠監測儀內部模擬電路放大等處理，送給主控MCU內部的ADC轉換成數字信號之后，即可進行信號濾波、數據記錄、數據分析等處理。再通過低功耗藍牙與手機APP進行數據交互，便可以由手機軟件生成圖形化的睡眠報告。借助手機或者遠程服務器更強大的數據處理能力，就有可能實現更豐富的健康管理應用。