基于STM32的智能馬桶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵陽學(xué)院電氣工程學(xué)院 周 奇 李 輝 李世堯 丁鐿明

0 引言

判斷一個(gè)人是否處于健康狀態(tài)，需要監(jiān)測的人的各種生理狀態(tài)有很多很多。比如說體溫、體重、尿液成分、脈搏、血壓甚至腦電波。而其中的一部分都可以在馬桶上完成，所以智能健康馬桶將是本文的重點(diǎn)。然而馬桶只是智能健康家居的很小的一部分，而且未來必定是智能傳感器的時(shí)代。

本研究應(yīng)用檢測技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32單片機(jī)的將體檢裝置與馬桶相結(jié)合的智能馬桶系統(tǒng)[1]，并在如廁方便時(shí)實(shí)現(xiàn)抽風(fēng)除臭的通風(fēng)透氣。能夠讓用戶被動(dòng)的長期堅(jiān)持檢查，充分利用如廁時(shí)間，預(yù)防和及時(shí)發(fā)現(xiàn)疾病，并且舒適的如廁[2]。

1 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)在硬件上主要由檢測器、控制器、執(zhí)行器和上位機(jī)組成，由檢測器采集數(shù)據(jù)到主控芯片上，上位機(jī)再分析數(shù)據(jù)，生成報(bào)表，發(fā)送至用戶。

系統(tǒng)工作過程如下：微波傳感器不停向空間發(fā)射高頻電磁波，用戶進(jìn)入衛(wèi)生間出現(xiàn)在馬桶周圍，接收到的反射信號(hào)發(fā)生變化，使主控芯片從空閑狀態(tài)快速進(jìn)入工作狀態(tài)，采集信號(hào)的波形來判斷用戶的動(dòng)作。若用戶使用馬桶，溫度模塊、尿液檢測模塊就會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)到主控芯片，顯示模塊顯示數(shù)據(jù)給用戶，并且上傳到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，生成報(bào)表，統(tǒng)計(jì)圖。若馬桶使用完畢，運(yùn)動(dòng)檢測模塊判斷用戶離開動(dòng)作，自動(dòng)沖水，直至微波感器檢測不到用戶，主控芯片切換至空閑狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

本設(shè)計(jì)采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控芯片，此芯片具有三個(gè)16位的ADC模塊，72M主頻，以及84個(gè)中斷。精度高，速度快，價(jià)格不貴，擁有優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能，且每個(gè)外設(shè)都有自己的獨(dú)立時(shí)鐘開關(guān)，功耗很低。完全符合對(duì)此系統(tǒng)對(duì)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理的要求。

2.2 運(yùn)動(dòng)檢測模塊

微波傳感器是運(yùn)動(dòng)檢測模塊的重要部分，它作為中斷外設(shè)使用，實(shí)時(shí)監(jiān)測馬桶周圍環(huán)境，降低CUP負(fù)擔(dān)。微波傳感器選擇方向性好，覆蓋面積大，精確度高的Microwave sensor微波傳感器模塊[3]。微波傳感器發(fā)射高頻率的電磁波到空中，覆蓋馬桶正前方扇形范圍。當(dāng)用戶在馬桶周圍活動(dòng)時(shí)，微波傳感器接收到的中頻信號(hào)會(huì)根據(jù)用戶與馬桶之間的位置與相對(duì)速度而變化。返回來的多普勒中頻信號(hào)通過放大器放大，再經(jīng)陷波器去除噪音，數(shù)據(jù)傳送至主控芯片進(jìn)行對(duì)比識(shí)別，控制器開始工作。其原理框圖見圖1。

圖1 運(yùn)動(dòng)檢測模塊

2.3 溫度測量模塊

傳統(tǒng)測溫方法并不適用于馬桶測量人體溫度，馬桶測量人體溫要求傳感器非接觸、速度快而且精度高。本設(shè)計(jì)采用一種通過測量尿液溫度測量用戶體溫的方法，在馬桶內(nèi)側(cè)的正前方和正后方即方便在大便與小便容易采集到尿液的地方安裝小型采集容器，采用快速動(dòng)態(tài)測溫的MEMS溫度傳感器檢測溫度。MEMS是微型電子機(jī)械系統(tǒng)的簡稱，能夠在極小的接觸范圍內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)對(duì)固體、液體溫度的檢測[4]。其溫度變化函數(shù)為：T(t)=100+50*sin(31.4*t)，其溫度的交變周期T可達(dá)到0.2s。MEMS溫度傳感器的采集到溫度數(shù)據(jù)后發(fā)送至控制中樞，因?yàn)槠錅囟炔杉且粋€(gè)連續(xù)的，溫度不斷降低的過程，控制中樞通過算法從其中一組數(shù)據(jù)中找出數(shù)值最高的，溫度誤差最小的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。

2.4 尿液檢測模塊

尿液檢測模塊是通過光電比色法測量尿液紅細(xì)胞、白細(xì)胞、尿蛋白細(xì)胞是否異常的模塊。同一物質(zhì)不同濃度的溶液，在此物質(zhì)的最大吸收波長處吸光度隨溶液的濃度增大而增大。故求溶液離子濃度可以測量單色光通過溶液后光的強(qiáng)度得到結(jié)果。

尿檢模塊是附于馬桶內(nèi)側(cè)的復(fù)雜儀器，在尿液采集容器口上方，設(shè)置了一個(gè)自動(dòng)彈出試紙的自動(dòng)化裝置，在檢測溫度的同時(shí)，彈出一條試紙，光源發(fā)出一束單色光。此單色光通過尿液時(shí)，被采集容器里面的尿液吸收掉一部分,光電檢測器會(huì)接收到一定強(qiáng)度的光信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后經(jīng)放大，傳送結(jié)果至儲(chǔ)存器。在一定時(shí)間間隔后，逐次發(fā)出其他單色光，測量紅細(xì)胞、白細(xì)胞、尿蛋白細(xì)胞等的濃度。分析完數(shù)據(jù)之后，吐出試紙，上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)，進(jìn)行分析比對(duì)。

2.5 抽風(fēng)除臭以及驅(qū)動(dòng)模塊

為了創(chuàng)造更好如廁環(huán)境，在馬桶內(nèi)側(cè)頂部設(shè)置了抽風(fēng)除臭模塊，主要由抽風(fēng)管道，靜音電機(jī)以及控制電路組成。在系統(tǒng)檢測到用戶離開后，驅(qū)動(dòng)靜音風(fēng)扇工作，且打開電磁水閥，沖洗裝有溫度傳感器和尿液檢測模塊采集容器。

3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，主要處理各傳感器的數(shù)據(jù)信息，以及控制開機(jī)、空閑狀態(tài)、打開關(guān)閉閥門的工作次序。因此本系統(tǒng)采用了順序結(jié)構(gòu)的工作方式。如圖2所示：

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要是為了得到更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，MEMS溫度傳感器傳到控制器的數(shù)據(jù)必定是一個(gè)不斷變化的數(shù)據(jù)，在MEMS溫度傳感器剛接觸液體測溫時(shí)，此過程不是瞬間發(fā)生的，而是先升后降的過程。其本質(zhì)是Pt薄膜溫度測量有一定的延時(shí)與液體溫度在不斷被容器吸收。在50ms的取樣間隔下，取40組數(shù)據(jù)對(duì)比取其最大值。光電比色法法得到的數(shù)據(jù)是不同對(duì)象的，需要對(duì)每個(gè)對(duì)象的信號(hào)進(jìn)行編號(hào)，送至上位機(jī)后，再分開進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.2 上位機(jī)數(shù)據(jù)分析

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在一時(shí)取得的數(shù)據(jù)并不具有代表性，因?yàn)轶w溫受很多因素的影響，在一個(gè)群體間不能夠建立一個(gè)統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)一個(gè)個(gè)體進(jìn)行長期的溫度記錄就可以跟蹤用戶的健康狀況。設(shè)計(jì)采用加權(quán)移動(dòng)平均法作圖，給每個(gè)變量值以不同的權(quán)重Wj,其平滑波動(dòng)效果好，能較好的預(yù)測出趨勢。公式如下：

其中Ti是平滑處理的溫度值，wi是各時(shí)間溫度的權(quán)重，ti是實(shí)際測量溫度。

主控芯片作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。尿液的成分檢測數(shù)據(jù)主控芯片編號(hào)，在上位機(jī)分離分析，當(dāng)濃度超過紅細(xì)胞、白細(xì)胞、尿蛋白細(xì)胞等的濃度紅線，上位機(jī)向用戶發(fā)出警告提示。上位機(jī)依據(jù)溫度曲線、尿液成分濃度曲線，結(jié)合醫(yī)學(xué)的相對(duì)指標(biāo)，反饋給用戶不同的身體健康評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)選用STM32F103RCT6作為主控芯片，把新穎的非接觸式測溫和尿液分析模塊嵌入智能馬桶。此設(shè)計(jì)具有方便快速測溫度，尿液成分的特點(diǎn)，作為嵌入式的開放結(jié)構(gòu)，還可以與其他模塊、系統(tǒng)相連，主要可作為智能健康家居的子系統(tǒng)。在智能家居時(shí)代具有很大的市場價(jià)值。