Sleepace RestOn 智能睡眠监测仪拆解：不需佩带在身体任何部位即可检测

      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。

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。

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。

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。

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
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。

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。

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。

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。

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。


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。