基于物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)的失能失禁監(jiān)測

鄧克恒 吳成偉 謝伊郎 張斌

摘要：失能失禁監(jiān)測方案采用UHF RFID技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及單片機(jī)技術(shù)，通過使用內(nèi)置濕度傳感器的柔性無源標(biāo)簽使普通紙尿褲“智能化”，實(shí)現(xiàn)對失禁情況的實(shí)時(shí)檢測和提示失禁情況，并將檢測結(jié)果上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺。失能失禁監(jiān)測方案使用的無源傳感器標(biāo)簽輕薄如紙，防水并能重復(fù)使用，擁有實(shí)用性、便捷性與經(jīng)濟(jì)性較高。結(jié)合云平臺，護(hù)理人員將能及時(shí)得知失禁情況，降低醫(yī)護(hù)護(hù)理難度及減少額外支出，使失禁人士生活質(zhì)量得到極大的提高。

關(guān)鍵詞：濕度；UHF RFID；失禁檢測；物聯(lián)網(wǎng)

*基金項(xiàng)目：2020年廣西大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202010595071）

0 引言

由于 RFID 的非接觸性、多目標(biāo)識別等重要特性，已經(jīng)在服務(wù)領(lǐng)域，貨物銷售，后勤分配，物流，圖書文件管理等領(lǐng)域得到了快速的普及和推廣 [1]。RFID 技術(shù)應(yīng)用到智能失禁檢測中，是將低功耗濕度傳感器與 UHFRFID 無源柔性標(biāo)簽結(jié)合，并通過單片機(jī)以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺讓普通紙尿褲具備失禁報(bào)警功能，能提醒護(hù)理人員及時(shí)更換。這種利用可重復(fù)使用的 UHF RFID 傳感器標(biāo)簽以及物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)低成本的失能失禁系統(tǒng)，將極大地方便家庭和醫(yī)院的失禁護(hù)理，降低護(hù)理難度及成本，為失禁人士的正常生活帶來方便，并可避免水分泄露引發(fā)的皮膚問題，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，通過 STM32F103C8T6向 UHF RFID 閱讀器發(fā)送濕度傳感器標(biāo)簽讀取指令，UHF RFID 閱讀器向標(biāo)簽提供能量并接受濕度信息，STM32F103C8T6將接收到的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過向 EC600N 通信模組發(fā)送基于 MQTT 通信協(xié)議的消息到阿里云 IOT 物聯(lián)網(wǎng)平臺，阿里云接收到信息之后將在工作臺顯示濕度，可以通過電腦和手機(jī)進(jìn)行查看濕度信息。而后護(hù)理人員將根據(jù)失禁情況對紙尿褲進(jìn)行更換以及將傳感器標(biāo)簽揭下并重新貼到新紙尿褲上。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1硬件設(shè)計(jì)

智能失禁紙尿布是一種對實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)失禁情況檢測，提高對失禁人士護(hù)理服務(wù)，讓失禁人士享受正常生活以及減輕護(hù)理成本的重要工具。智能失禁紙尿褲使用 RFM2120-ARF 濕度標(biāo)簽，其具有標(biāo)簽可重復(fù)使用且防水的特點(diǎn)。系統(tǒng)具有錯(cuò)誤濕度數(shù)據(jù)處理、失禁檢測結(jié)果實(shí)時(shí)顯示、失禁檢測數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺的功能。硬件主要包括以下部分：

1）柔性無源 UHF RFID 傳感器標(biāo)簽 RFM2120-ARF

RFM2120-ARF 是一款無線無電池濕度傳感器標(biāo)簽，采用帶內(nèi)置膠條的柔性材料制造，具有5 Bit 的濕度檢測數(shù)值。它是一款醫(yī)療級濕度檢測標(biāo)簽，為失禁檢測而設(shè)計(jì)，輕薄可彎曲，完全防水，可重復(fù)使用。支持變色龍自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)，使用閱讀器天線提供的 RF 射頻能量進(jìn)行工作。

2） UHF RFID 超高頻讀寫器 RP26

超高頻閱讀器支持 ISO 18000-6C 與 EPC Class1 Gen2等多種通信標(biāo)準(zhǔn)通過串口與其他設(shè)備連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。模塊功率大，需獨(dú)立供電，抗干擾能力強(qiáng)，支持標(biāo)簽防碰撞技術(shù)，26 dBi增益。

3） STM32F103C8T6單片機(jī)

STM32F103C8T6是基于 ARM Cortex-M3內(nèi)核 STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64 KB，擁有多路串口，運(yùn)行速度快。

4）移遠(yuǎn) EC600N 4G LTE Cat1模塊

EC600N-CN 是移遠(yuǎn)通信專為 M2M 和 IoT 領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的 LTE Cat1無線通信模塊，支持最大下行速率10 Mbit/s 和最大上行速率5 Mbit/s ，超小封裝，超高性價(jià)比[2]。同時(shí)，擁有比 NB-IOT 更廣的信號普及范圍，更大的帶寬和更低的延時(shí)，可以接入4G 網(wǎng)絡(luò)。

1.2軟件設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6運(yùn)行程序，負(fù)責(zé)收發(fā)來自閱讀器的數(shù)據(jù)并處理，并提示濕度監(jiān)測結(jié)果，使用 AT 指令將檢測結(jié)果發(fā)送至 EC600N 4G 模塊，模塊通過 MQTT 指令將數(shù)據(jù)上傳至阿里云 IOT 云平臺。

1）模塊與 STM32F103C8T6間的通信

模塊均通過串口通信的方式與 STM32F103C8T6進(jìn)行通信，并使用多路串口 DMA 通信的方式的進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，波特率均為115.2 kbit/s。主要軟件設(shè)計(jì)部分如下：

2）傳感器數(shù)據(jù)讀取

UHF RFID 閱讀器模塊接收到 STM32F103C8T6下達(dá)的連接標(biāo)簽指令后，將通過射頻天線連接指定標(biāo)簽，檢測連接標(biāo)簽成功后，STM32F103C8T6通過閱讀器向傳感器標(biāo)簽發(fā)送濕度讀取指令，標(biāo)簽會返回傳感器數(shù)據(jù)，STM32F103C8T6處理后即可得出濕度。相關(guān)指令需要按標(biāo)簽數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行設(shè)置，標(biāo)簽主要信息如表2所示。

3）云平臺配置

本設(shè)計(jì)使用阿里云 IOT 平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集，通過 AT 指令與 MQTT 協(xié)議進(jìn)行平臺信息配置并上傳實(shí)時(shí)濕度數(shù)據(jù)。阿里云 IOT 云平臺會將濕度數(shù)據(jù)與失禁情況在控制臺顯示。除此之外，阿里云 IOT 平臺還可以將數(shù)據(jù)下發(fā)到手機(jī)終端。

2系統(tǒng)測試

2.1系統(tǒng)搭建

將傳感器標(biāo)簽粘貼在普通紙尿褲上，傳感器標(biāo)簽在閱讀器天線上的投影面積應(yīng)盡量大，傳感器標(biāo)簽與閱讀器天線之間無阻擋。4G 模塊天線也應(yīng)該與 UHF RFID 天線保持一定的距離。

2.2失禁閾值

通過測量貼在紙尿褲上的傳感器標(biāo)簽在紙尿褲干燥，濕水時(shí)和失禁后的濕度值，得出濕度在不同狀態(tài)下的變化曲線，從而選擇濕度閾值，濕度超過閾值時(shí)，失能失禁檢測系統(tǒng)將會判斷發(fā)生失禁，如果濕度值未超過閾值，系統(tǒng)將會判斷未發(fā)生失禁情況。

從阿里云平臺濕度隨時(shí)間變化如圖2。其中43 s ～125 s 之間為排尿用時(shí)。由圖可選取22作為閾值，超過此閾值即為失禁，反之為未失禁。當(dāng)選取22作為閾值，系統(tǒng)擁有足夠時(shí)間去判斷使用人是否發(fā)生了失禁情況并上報(bào)，這將提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

2.3標(biāo)簽的使用距離范圍

UHF RFID 閱讀器擁有自動(dòng)射頻功率調(diào)節(jié)功能，閱讀器將盡量保證與標(biāo)簽通信成功率導(dǎo)致 RSSI 波動(dòng)較大。但在超出一定范圍時(shí)，通信成功率將會有顯著下滑，將不再能可靠使用。將天線正對標(biāo)簽的情況下，通過室內(nèi)閱讀器發(fā)送30次讀取指令下獲取正確的濕度信息次數(shù)確定使用范圍以及大致的表現(xiàn)。

通過表2可以發(fā)現(xiàn)其大致規(guī)律，當(dāng)標(biāo)簽與天線距離從10 cm ～100 cm，閱讀器接收到的消息數(shù)較多，系統(tǒng)能較好地反映實(shí)時(shí)濕度，但超過100 cm 時(shí)，接收到的消息數(shù)顯著下降，故而天線與標(biāo)簽的距離不建議超過100 cm。

3結(jié)束語

通過利用周圍環(huán)境濕度對柔性標(biāo)簽阻抗的影響的原理，設(shè)計(jì)本套系統(tǒng)用以對失禁情況進(jìn)行檢測。本套使用具有優(yōu)異防水性能，免電池的柔性超薄 RFM2120標(biāo)簽以及低價(jià)的 UHF RFID 閱讀器，加上 STM32F103C8T6 MCU 以及移遠(yuǎn) EC600N 4G CAT1模塊，實(shí)現(xiàn)了一款實(shí)用性高，成本相對低廉的物聯(lián)網(wǎng)失能失禁檢測系統(tǒng)，并具有最大1 m 的讀取距離，實(shí)用性高，并將極大地降低失能失禁監(jiān)護(hù)的難度，提高使用者的生活質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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