基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能廁紙盒系統(tǒng)設(shè)計

張華強，劉 明

（南通大學(xué) 杏林學(xué)院，江蘇 南通 226236）

0 引 言

眾所周知，廁所極易滋生細(xì)菌，不起眼的廁紙盒以及里面的廁紙長期處于潮濕環(huán)境下細(xì)菌生長繁殖速度更快，給人們身體健康帶來危害。同時干燥衛(wèi)生紙大多粗糙，存在無法擦干凈且會對肛門造成損傷的問題，肛門四周不干凈加上處在高溫潮濕環(huán)境下，就會引起肛門四周瘙癢。另外，在生活中絕大部分人不會去記錄自己上廁所的次數(shù)和習(xí)慣等，但上廁所的次數(shù)有時候能夠反映自己的身體健康狀況[1]?，F(xiàn)在人們上廁所時普遍喜歡刷手機導(dǎo)致如廁時間過長。研究表明，上廁所的時間過長容易導(dǎo)致靜脈曲張、便秘等問題。針對以上問題，設(shè)計了一套多功能廁紙盒系統(tǒng)，以期對人們?nèi)鐜?xí)慣進行改善；同時監(jiān)測如廁次數(shù)以及大小便性狀等，對不正常性狀進行分析匹配后，向用戶進行警示，提醒其去醫(yī)院進行相關(guān)檢查，從而實現(xiàn)盡早發(fā)現(xiàn)盡早治療，避免從一個小病發(fā)展成為大病。該系統(tǒng)實時對紙盒內(nèi)的紙張進行紫外線消毒，且可對紙張進行加濕，滿足用戶日常功能需要，保障用戶的衛(wèi)生安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計的多功能廁紙盒包含WiFi模塊、蜂鳴模塊、自動出紙模塊、濕度檢測模塊、加濕模塊和殺菌消毒模塊。根據(jù)所需功能設(shè)計合理的傳動方案，以單片機為基礎(chǔ)，將所需的硬件系統(tǒng)和Android 平臺上開發(fā)的軟件系統(tǒng)結(jié)合起來，針對用戶上傳的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫自行比對統(tǒng)計，監(jiān)測用戶如廁習(xí)慣以及健康狀況，可以通過APP引導(dǎo)設(shè)置相對應(yīng)的如廁習(xí)慣以及大便性狀等數(shù)據(jù)；同時各項數(shù)據(jù)由APP實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)某項異常數(shù)據(jù)即觸發(fā)警示信息，提醒用戶去往醫(yī)院進行相關(guān)檢查。產(chǎn)品設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品設(shè)計流程

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源模塊

系統(tǒng)電源模塊包括一塊鋰電池和一個TP4056充電模塊[2]，TP4056是一個較為完善的單節(jié)鋰離子電池，其采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。其優(yōu)點在于不需MOSFET、檢測電阻器或隔離二極管，可在沒有過熱警報的情況下實現(xiàn)充電速率最大化的熱調(diào)節(jié)功能。其應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 TP4056應(yīng)用電路

2.2 消毒模塊

消毒模塊由UVC3535深紫外線LED燈珠和定時電路構(gòu)成，如圖3所示。紫外線照射一小時即可達(dá)到好的殺菌效果[3]，通過用戶上傳如廁習(xí)慣規(guī)劃數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)比對后，自動在用戶大概率如廁時間前后10 min內(nèi)開始啟動紫外線燈進行消毒，避免全天消毒，減少電量損耗。通過對PA1、PA2即GPIOA.1、GPIOA.2引腳的配置和操作，設(shè)置低電平LED點亮，高電平LED熄滅。定時器發(fā)生中斷時間計算方法：

圖3 紫外線燈連線

式中：T為定時時間；P為Prescaler分頻預(yù)設(shè)值；C為Counter Period計數(shù)器周期；f為定時器時鐘頻率。

2.3 自動出紙模塊

自動出紙模塊由紅外傳感器、US-100超聲波測距傳感器和步進電機構(gòu)成[4]。紅外傳感器感應(yīng)到用戶時，啟動步進電機，帶動卷紙紙筒轉(zhuǎn)動實現(xiàn)出紙；同時超聲波測距傳感器測量卷紙距離，通過用戶設(shè)置可調(diào)節(jié)出紙長度。出紙長度控制由電機轉(zhuǎn)動角度實現(xiàn)，公式為：

式中：D為卷紙軸到紙張數(shù)檢測傳感器的距離；d為此時傳感器檢測的距離；L為出紙長度；n為一次轉(zhuǎn)動的角度。

2.4 加濕模塊

加濕模塊由DHT11濕度傳感器[5]和霧化噴頭構(gòu)成，DHT11原理如圖4所示。用戶觸發(fā)取用濕紙巾信號，則單片機發(fā)送一個初始信號后，DHT11從低功耗模式切換到高功耗模式；等待主機初始信號結(jié)束后DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40 bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集；將采集的數(shù)據(jù)與濕度設(shè)定值比對，如果未達(dá)到則開啟霧化噴頭，并再次采集，直到達(dá)到設(shè)定值，霧化噴頭關(guān)閉。

圖4 DHT11原理

2.5 蜂鳴模塊

蜂鳴模塊主要用于聲音提醒警示，該模塊使用的是電磁式蜂鳴器，當(dāng)電流通過電磁線圈時，電磁線圈上產(chǎn)生磁場來驅(qū)使振動膜發(fā)出聲音。因單片機的IO引腳輸出電流較小，輸出的TTL電平驅(qū)動不了蜂鳴器，因此增加一個電流放大的電路，通過一個三極管C8550去放大電流驅(qū)動蜂鳴器。其電路如圖5所示。

圖5 蜂鳴器電路

2.6 WiFi模塊

WiFi模塊采用ESP8266 WiFi模塊[6]，是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，可以讓用戶的外部設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上進行通信，從而實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。ESP8266內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，且支持多路TCP Client連接，有多種Socket AT指令，且內(nèi)置32位MCU，可兼作應(yīng)用處理器，能耗低，適合電池供電，通常應(yīng)用3.3 V電源供電，廣泛應(yīng)用于智慧電網(wǎng)、智能交通、智能家具、手持設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

2.7 觸摸屏模塊

觸摸屏模塊采用四線電阻觸摸屏[7]，可以使用電容筆、手指、手套等多種觸摸介質(zhì)，能抵抗液體、食物殘渣和各種雜質(zhì)，對各種不同程度的污染具有很強的適應(yīng)性，在擁有穩(wěn)定性和可靠性的同時，具有輕便易組裝和低成本等特點。

3 系統(tǒng)軟件交互功能設(shè)計

3.1 蜂鳴模塊軟件交互

蜂鳴模塊通過用戶在APP端設(shè)定的如廁時間，設(shè)定時間到了觸發(fā)信號，P1腳高電平觸發(fā)信號，蜂鳴器發(fā)聲提醒用戶時間，避免用戶上廁所時間過長。同時當(dāng)電源模塊電量過低時觸發(fā)報警聲音。

3.2 觸摸屏功能設(shè)計

觸摸屏界面包括三個版塊：用戶登錄、數(shù)據(jù)設(shè)定、信息錄入。用戶使用觸摸屏?xí)r首先進行登錄選擇，用以確認(rèn)用戶身份，匹配相對應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)，登錄后進入到大小便選擇，小便直接進入信息錄入界面，大便則進入數(shù)據(jù)設(shè)定界面。

在此選擇默認(rèn)APP以往數(shù)據(jù)設(shè)定還是自主更改設(shè)定，用戶選擇自主更改設(shè)定則進入到：如廁時間設(shè)定、紙巾濕度設(shè)定以及紫外線快速消毒設(shè)定。待用戶如廁完后進入信息錄入界面進行大小便性狀和時間數(shù)據(jù)錄入。首先使用BitmapConverter軟件將bmp圖片資源生成相應(yīng)的.c文件；使用FontConverter軟件將字體文件材料生成相應(yīng)的.c文件；使用GUIBuilder軟件將用戶自設(shè)計可視化窗口和控件材料生成相應(yīng)的.c文件，再用VS開發(fā)應(yīng)用程序去繪制背景層、layer0層、layer1層并進行調(diào)試，最后將應(yīng)用程序植入STM32 MCU開發(fā)平臺。

3.3 APP功能設(shè)計

APP開發(fā)界面基于微信小程序開發(fā)平臺，包含四個版塊：用戶登錄、數(shù)據(jù)設(shè)定、信息錄入與更改、告警及就醫(yī)推薦。用戶使用微信小程序登錄，在主界面有數(shù)據(jù)設(shè)定、信息錄入與更改、告警及就醫(yī)推薦三個模塊：用戶可以選擇數(shù)據(jù)設(shè)定，設(shè)定相關(guān)如廁時間、紙巾濕度、紫外線消毒等功能；也可以點擊信息錄入與更改模塊，查看歷史如廁信息，上傳大便性狀照片等；在告警及就醫(yī)推薦模塊可以瀏覽各類健康相關(guān)常識，如果系統(tǒng)監(jiān)測用戶如廁習(xí)慣和大小便性狀不正常，則會觸發(fā)告警，彈窗通知用戶及時就醫(yī)檢查以及就醫(yī)檢查掛號相關(guān)信息等。圖6為小程序界面。

圖6 小程序界面

3.4 數(shù)據(jù)處理功能

3.4.1 大便顏色識別設(shè)計

大便顏色識別設(shè)計主要是對大便圖片的顏色進行識別比對。從網(wǎng)上下載保存醫(yī)學(xué)上常見的五大類顏色（紅、黃、白、黑、綠）的大便圖片，一般的大便圖片背景多為白色，運用色彩比對從中識別出大便圖像部分，將其劃分為訓(xùn)練集、驗證集和測試集，針對樣例圖片過少而帶來的泛化能力不足問題采用旋轉(zhuǎn)、放縮、拼接、翻轉(zhuǎn)操作對訓(xùn)練集進行擴增[8]。通過MATLAB使用readdir函數(shù)將訓(xùn)練集圖片全轉(zhuǎn)化為等寬高的227像素jpg格式圖片。圖7為訓(xùn)練集紅色大便原圖片，圖8為轉(zhuǎn)換完格式的紅色大便圖片。加載ImageNet預(yù)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)模型，這里采用的Alexnet模型[9]由5個卷積層、3個池化Pooling層和3個全連接層構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)與LeNet類似，但其使用了更多的卷積層和更大的參數(shù)空間去擬合大規(guī)模數(shù)據(jù)集ImageNet，解決了Sigmoid的梯度消失問題，使收斂更快。加載圖像，修改其地址并劃分訓(xùn)練集和驗證集，因為原始網(wǎng)絡(luò)全連接層的1 000個輸出，不適用于設(shè)計所需的分類任務(wù)，所以在這里替換生成新的網(wǎng)絡(luò)。對數(shù)據(jù)集進行擴增，將MaxEpochs設(shè)定為20，即訓(xùn)練20次。訓(xùn)練過程如圖9所示；圖10為訓(xùn)練結(jié)束時的圖片；圖11為各顏色組別訓(xùn)練完成結(jié)果。從圖9、圖10來看，訓(xùn)練完的net網(wǎng)絡(luò)對大便顏色識別的準(zhǔn)確度達(dá)標(biāo)，將其保存。分析圖11，其紅色輸出類占比略低于其他四組，分析后得出結(jié)論：紅色訓(xùn)練集圖片數(shù)量少于其他四組。但其對識別結(jié)果準(zhǔn)確度的影響可忽略不計。

圖8 訓(xùn)練集轉(zhuǎn)換格式后紅色大便圖片

圖9 訓(xùn)練過程

圖10 訓(xùn)練結(jié)束圖片

圖11 各顏色組別訓(xùn)練完成結(jié)果

3.4.2 測試識別結(jié)果

在MATLAB調(diào)用webcam插件進行輔助實驗[10]。通過插件調(diào)用電腦攝像頭進行循環(huán)拍攝，設(shè)置畫面圖片格式；加載訓(xùn)練的net網(wǎng)絡(luò)，對拍攝圖進行顏色識別分類。結(jié)果如圖12所示。

圖12 測試識別結(jié)果

從識別結(jié)果來看，其對每種大便的顏色識別基本無誤，該訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型對大便顏色識別的準(zhǔn)確度滿足廁紙盒功能設(shè)計需要。

3.5 用戶使用數(shù)據(jù)分析

使用SQL Server管理系統(tǒng)工具，建立數(shù)據(jù)庫，將用戶上傳的如廁信息數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)分析；對用戶15天的大便次數(shù)進行常態(tài)化分析，得出用戶大便規(guī)律次數(shù)及時間作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用來判斷大便次數(shù)是否異常。

4 結(jié) 語

多功能廁紙盒系統(tǒng)具有多個功能版塊，能夠滿足用戶需要，摒除當(dāng)前傳統(tǒng)廁紙盒的弊端，實時監(jiān)測模塊通過分析用戶如廁次數(shù)、時間以及大便性狀等，根據(jù)大便習(xí)慣變化以及其顏色幫助人們在早期發(fā)現(xiàn)腸胃消化道類疾病，提醒人們及時就醫(yī)，避免病情延誤，很大程度上保障了人們的身體健康。