臥床病人人體尿液檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與研究

趙明舉　張敢

【摘? 要】本文介紹了一種以ARM控制器芯片的臥床病人尿液檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成：尿液的檢測(cè)識(shí)別以及人機(jī)交互。通過單片機(jī)的內(nèi)部邏輯控制引腳驅(qū)動(dòng)外圍器件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，采用顏色傳感器STC3200檢測(cè)判斷臥床病人是否有尿液排出，通過特殊的尿液使試紙變色，由顏色傳感器STC3200進(jìn)行識(shí)別，單片機(jī)與顏色傳感器通過引腳連接讀取顏色的數(shù)字量，通過液晶顯示屏LCD1602來進(jìn)行顯示，按鍵可以設(shè)置顏色的選擇，可以選擇藍(lán)色和紅色，使用采集得來的數(shù)據(jù)與顏色進(jìn)行比較，判斷是否有尿液排出，再通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警同時(shí)可以采用水位探針來檢測(cè)液位的高度并控制對(duì)應(yīng)的水位沖洗泵啟動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)提高了病人的就醫(yī)體驗(yàn)，減輕了醫(yī)護(hù)人員的醫(yī)護(hù)難度，同時(shí)具有靈活性高和可靠性高等特點(diǎn)，有一定開發(fā)價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】ARM控制器;STC3200顏色傳感器;水位探針;沖洗泵

一、緒論

為了解決臥床病人在小便時(shí)可以徹底告別便盆和尿不濕的傳統(tǒng)護(hù)理，避免了異性護(hù)理的尷尬，讓使用者不再感覺自己是個(gè)累贅而產(chǎn)生的負(fù)罪感，讓護(hù)理工作變得更加輕松。然而由于該弱勢(shì)群體數(shù)量大、護(hù)理人員緊缺和護(hù)理費(fèi)用高等問題。本文設(shè)計(jì)研究了針對(duì)臥床病人人體尿液檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與研究方案。該設(shè)備可對(duì)病人產(chǎn)生小便具有自動(dòng)感應(yīng)、自動(dòng)收集、自動(dòng)清洗、自動(dòng)烘干、自動(dòng)沖洗等功能。

1、自動(dòng)感應(yīng)功能

當(dāng)病人有小便的時(shí)候，通過在隱私部位所帶專用包褲包裹，自動(dòng)開啟智能護(hù)理儀控制裝置。

2、自動(dòng)收集功能、自動(dòng)清洗功能和自動(dòng)烘干功能

通過智能護(hù)理儀控制裝置可以自動(dòng)開啟清洗模式及收集糞便模式。并立刻啟動(dòng)負(fù)壓裝置，將小便直接吸凈，大便通過水流水壓粉碎并吸凈，排泄物通過連接軟管輸送并儲(chǔ)存在機(jī)箱中的污物箱內(nèi)，然后清潔水通過集便器壁上的噴水孔自動(dòng)噴水，沖洗患者隱私部位以及集便器內(nèi)部，沖洗結(jié)束后，通過噴水孔開始送風(fēng)進(jìn)行10分鐘的暖風(fēng)干燥。

3、小便沖洗功能

系統(tǒng)能夠根據(jù)病人的排泄情況，通過高精度檢測(cè)電路（光電開關(guān)、及水浸模擬量的檢測(cè)）檢測(cè)到和區(qū)分小便，主機(jī)開始進(jìn)行小便的收集工作。

4、身體沖洗功能

病人身體的沖洗，需要有合理的控制流程，包括水溫、水壓的控制和烘干排風(fēng)溫度和風(fēng)速的控制，還能夠控制沖洗噴頭的方向，能夠使病人感到舒適，而且又能夠沖洗干凈。當(dāng)小便被收集完成后，系統(tǒng)迅速進(jìn)入沖洗環(huán)節(jié)，干凈溫水通過噴嘴對(duì)集便器內(nèi)部和使用者隱部位進(jìn)行清潔。噴出的凈水是都是經(jīng)過預(yù)加熱的，可根據(jù)使用者的要求設(shè)置合適的水溫范圍。

烘干完成后，即本次小便清理工作結(jié)束，小便斗恢復(fù)與人體皮膚的非緊密接觸狀態(tài)，保持通風(fēng)透氣效果。

5、人機(jī)交互功能

護(hù)理機(jī)采用LCD液晶大屏顯示，結(jié)合觸摸功能可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)查詢（包括各個(gè)傳感器的狀態(tài)），以及報(bào)警信息的查詢。

1.2.2智能護(hù)理控制裝置系統(tǒng)主要構(gòu)成方案

系統(tǒng)主要由ARM單片機(jī)主控板、按鍵板和LCD顯示模塊、傳感/變送器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊、4G全網(wǎng)通通信模塊等幾部分組成。報(bào)警信息通過4G無線通訊模塊以及手機(jī)APP的形式查看病人情況，有報(bào)警就提示監(jiān)護(hù)人及時(shí)回家處理。

二、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架圖

本系統(tǒng)主要包含了小便沖洗電路、水位探針檢測(cè)電路、顯示屏顯示電路、檢測(cè)電路、溫度設(shè)置電路、按鍵電路、報(bào)警電路等構(gòu)成。

主板電路主要由ARM單片機(jī)主控板、按鍵板和LCD顯示模塊、傳感/變送器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊、4G全網(wǎng)通通信模塊等幾部分組成。報(bào)警信息通過4G無線通訊模塊以及手機(jī)APP的形式查看病人情況，有報(bào)警就提示監(jiān)護(hù)人及時(shí)回家處理，其主要CPU及外圍控制電路。

三、尿液檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)臥床病人產(chǎn)生尿液可采用采用顏色傳感器STC3200檢測(cè)判斷臥床病人是否有尿液排出。TCS3200采用的是8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在使用的時(shí)候需要使用純白色進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣可以達(dá)到光平衡，使用控制器的定時(shí)器設(shè)置一固定時(shí)間1s，然后選通三原色的濾波器，讓被測(cè)物體反射光中紅、綠、藍(lán)三色光分別通過濾波器，計(jì)算1s時(shí)間內(nèi)三色光對(duì)應(yīng)的TCS3200傳感器OUT輸出信號(hào)脈沖數(shù)（單位時(shí)間的脈沖數(shù)包含了輸出信號(hào)的頻率信息），再通過正比算式得到白色物體RGB值255與三色光脈沖數(shù)的比例因子。有了白平衡校正得到的RGB比例因子，則其它顏色物體反射光中紅、綠、藍(lán)三色光對(duì)應(yīng)的TCS3200輸出信號(hào)1s內(nèi)脈沖數(shù)乘以R、G、B比例因子，就可換算出了被測(cè)物體的RGB標(biāo)準(zhǔn)值了。

四、顏色檢測(cè)顯示子程序流程圖

本設(shè)計(jì)的顏色傳感器TCS3200，程序主要通過在初始化的時(shí)候進(jìn)行白平衡的檢測(cè)，校準(zhǔn)顏色的初始值，之后開始等待顏色卡片的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到顏色的時(shí)候，計(jì)算RGB的三色值，對(duì)比設(shè)定的顏色。

五、小便沖洗模式流程圖

通過顏色傳感器TCS3200和水位探針在檢測(cè)到臥床病人產(chǎn)生小便情況下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入小便模式下，可以根據(jù)每個(gè)人的情況不同來手動(dòng)設(shè)定小便的時(shí)間長(zhǎng)短，在時(shí)間達(dá)到以后。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開沖洗泵對(duì)所產(chǎn)生的小便進(jìn)行沖洗，沖過時(shí)間可以自由進(jìn)行設(shè)定。沖洗時(shí)間到系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)退出小便模式。其系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

通過對(duì)顏色傳感器TCS3200的設(shè)置，可以通過顯示屏觀察出對(duì)應(yīng)數(shù)值是否產(chǎn)生變化。如果在尿液管上的顏色傳感器發(fā)生數(shù)值變化且水位探針檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的數(shù)值時(shí)可以判斷出臥床病人有小便的產(chǎn)生并發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)沖洗泵啟動(dòng)，會(huì)對(duì)病人產(chǎn)生小便進(jìn)行自動(dòng)沖洗，沖洗時(shí)間到，退出沖洗模式。

六、關(guān)鍵問題分析

本文擬在設(shè)計(jì)研究了一種獨(dú)特的針對(duì)臥床病人產(chǎn)生小便檢測(cè)裝置，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)完成人機(jī)交互功能和自動(dòng)檢測(cè)的獨(dú)特功能如下。

1 獨(dú)特的大小便檢測(cè)裝置

該設(shè)備可利用現(xiàn)有的溫度、濕度、壓力、光電等現(xiàn)有傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、采集、分析來實(shí)現(xiàn)部分相關(guān)功能;同時(shí)也可以結(jié)合臥床病人產(chǎn)生小便時(shí)壓力、心率、氣味等生物特征來研制出的傳感器來采集相關(guān)信號(hào)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

2.2 人機(jī)交互功能設(shè)計(jì)

可以通過手機(jī)、PC機(jī)終端實(shí)時(shí)查看臥床病人有無小便產(chǎn)生，并可以自動(dòng)啟動(dòng)沖洗泵對(duì)小便沖洗。利用4G全網(wǎng)通通訊模塊，將護(hù)理機(jī)報(bào)警信息以“手機(jī)短信”或者手機(jī)APP的形式供監(jiān)護(hù)人實(shí)時(shí)查看護(hù)理機(jī)工作狀態(tài)，監(jiān)護(hù)病人的身體狀況，并可以通過遠(yuǎn)程視頻觀看病人。還可以遠(yuǎn)程發(fā)送命令控制家中護(hù)理機(jī)的運(yùn)行，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)家庭長(zhǎng)期臥床病人大小便清潔護(hù)理機(jī)的“無人護(hù)理”功能，將在很大程度上解決我國(guó)長(zhǎng)期臥床病人家庭的陪護(hù)人員緊缺和護(hù)理費(fèi)用高昂這些亟待解決社會(huì)難題。

題目來源：

2021年度鄭州科技學(xué)院校級(jí)橫向預(yù)研科研項(xiàng)目，項(xiàng)目類別：自然科學(xué)，項(xiàng)目名稱《安寢-老年人自動(dòng)排便處理控制系統(tǒng)研發(fā)》。