基于PH檢測與智能傳感技術的兒童智能電動牙刷研究

梁嘉寶 嚴波 秦鎬 倪蓓露 楊宸銘

【摘 要】本文主要研究設計了一款基于PH檢測與智能傳感技術的兒童智能牙刷。通過研究分析現有產品，求解得到可以創新的功能模塊，并根據這些功能模塊求解可以實現這些功能的技術模塊，以此來實現改良設計。設計理念為“安全環保，做兒童私人牙醫”，以“私人、靈敏、交互”為核心。針對不同年齡階段兒童牙齒發育不同的特點，設計將目標設計對象定位為3-14歲各年齡階段兒童。兒童智能牙刷可以通過數據傳輸，將兒童的口腔狀況反饋至家長的手機客戶端，并給出相應的改善建議：牙膏選擇、生活習慣、就醫措施等，同時還具有引導兒童掌握正確刷牙姿勢，播放兒歌增加刷牙的趣味性等針對兒童的附加功能。

【關鍵詞】智能傳感；改良設計；功能模塊求解；技術模塊求解

中圖分類號： 文獻標識碼： A 文章編號：

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.

【Abstract】This paper mainly studies on children's smart toothbrush which is based on PH detection and intelligent sensing technology.Through research and analysis of existing products，solving functional modules that can be innovated， and solving technical modules that can realize these functions according to these functional modules，in order to achieve improved design.The design concept is“safe and environmentally friendly，as a private dentist for children”，with “private，sensitive and interactive” as the core.According to the different characteristics of childrens teeth development at different ages，the design target is to target children of all ages from 3 to 14 years old.The children's smart toothbrush can transmit the childs oral condition to the parents mobile phone client through data transmission，and give corresponding improvement suggestions：toothpaste selection， living habits，medical treatment measures，etc.，and also guide the child to master the correct brushing posture， play Childrens songs add additional features for children，such as the fun of brushing teeth.

【Key words】Intelligent Sensing；Improved Design；Functional Module Solving；Technical Module Solving

1 緒論

1.1 研究背景與動機

近年來，中國人在追求高品質生活的同時，許多家長對兒童的口腔健康也越來越重視，但也常因孩子討厭刷牙而頭痛。我們的團隊旨在研發一款分年齡階段的兒童環保智能牙刷創新項目。刷毛柔軟舒適，在兒童刷牙時可以播放兒歌，感應并糾正兒童的刷牙力度，讓孩子愛上刷牙；同時牙刷也可以監測兒童的口腔健康，將數據傳送至父母的手機客戶端，并相應的給出一些改善兒童口腔問題的建議，維護兒童的口腔健康。

如今產品的智能化產品的智能化成為未來商業社會的必然趨勢。在智能化社會，智能機逐漸代替工業革命式的機器大生產，智能產品逐漸代替傳統的工業產品。在智能產品中，首先走入人們視線的便是貼近人們生活的智能化產品。

兒童口腔健康問題現狀嚴峻，口腔護理受到越來越多家長的重視，但大部分家長對兒童口腔護理存在誤區。在我國，隨著人民生活水平不斷地提高，口腔問題收到越來越多人的重視，而兒童的口腔健康，更成為了家庭的重中之重。雖然近年來口腔問題已經得到了良好的改善，但據最近的調查顯示，超過六成家庭的兒童遇到過口腔問題，5歲兒童患齲齒率達66%，其中97%未得到及時的治療。口腔疾病不僅對牙齒、牙床、牙髓等造成傷害，還會對寶寶的語言發音、恒牙的排列、頜骨的發育造成影響。

根據科學研究顯示，唾液pH值可反映口腔健康狀況，唾液的正常pH值在6.6—7.1之間，屬于偏弱酸性到弱堿性之間。當口腔內部變為酸性環境（唾液pH約為5.5）時，牙菌斑滋生，引起局部脫鈣，引發齲齒問題。當pH值在7.2以上時，格蘭氏陰性菌生長，產生口臭等口腔問題。因此，我們考慮將牙刷作為載體，通過口腔內產生口腔問題時會導致唾液pH值的變化這一特性，從而實現預防口腔疾病（如齲齒、口臭等）的功能。

因此，針對以上幾種現象、問題和需求，我們提出了基于pH檢測與智能傳感技術的兒童環保智能牙刷研究項目。

1.2 研究目的

在現有產品的基礎上，針對兒童對電動牙刷進行改良設計。

1.3 研究問題

本次研究主要解決以下三個方向的問題：（1）目前市場的pH檢測多為工業用，沒有適用于檢測口水的小pH模塊，因此我們需要自己研發適用于本創新課題的pH模塊。（2）測量施加在牙齒上的力的方法、尋找最合適的壓力感應模式，實現感應兒童刷牙力度的功能。（3）APP的設計、牙刷數據的傳輸。

2 研究方案

本文在對兒童電話牙刷進行研究設計時，由功能出領域出發，根據現有產品不足提出功能的可創新點，再以功能模塊對應到專業技術領域，求解技術路線。

在討論功能時，引入“私人牙醫”概念，主要是在對個人口腔環境可以進行檢測與反饋。本文研究的主要的創新點是這種檢測與反饋的牙刷模式。而創新點主要分為以下幾點：

3 研究結果

3.1 pH模塊結果

在牙刷背部會有一個測點，即為PH傳感器，刷牙時測點采集的非電量信號轉成模擬信號再通過A/D轉換電路變成數據量傳輸至主控制中心。主控制中心將數據傳輸至父母的手機app，依據PH參數的檢測值設定的上下限，app進行數據分析兒童的口腔狀況，并給出相應建議。

3.2 壓力感應模塊結果

在刷柄內部安裝一個壓力感應器。壓力感應器將收到的壓力信號處理后分為三個力度區間：（1）輕微（2）適中（3）過度。并通過紅、黃、綠三種顏色反饋在牙刷刷柄的光圈部分，也可通過APP查看。

3.3 牙刷底座播放音樂

牙刷柄處有一個按鈕，當按鈕被按下后，主控制中心識別到信號，通過揚聲器播放兒童喜歡的音樂。

3.4 無線通信

數據采集設備將信號傳輸至主控制系統即單片機進行A/D轉換，單片機再向GPRS無線收發模塊發送AT指令將數據傳送至服務器，app再通過服務器訪問到這些數據。

4 結論

本研究基于產品智能化成為未來商業社會的必然趨勢、兒童口腔健康問題現狀嚴峻，口腔護理受到越來越多家長的重視，但大部分家長對兒童口腔護理存在誤區、兒童智能產品市場火爆但功能單一，兒童口腔智能產品市場存在大量缺口多和唾液pH值可反映口腔健康狀況的基礎條件上，根據現有產品進行調研分析，得到可以創新改良的設計點，根據可設計的功能點發散，映射到相應的專業知識領域，求解最佳技術方案以滿足產品功能創新。

本研究期望能夠對未來智能電動牙刷提供一種設計思路，也期望其中使用的由功能模塊求解對應技術領域的方法可以為其他產品的設計改良提供一種方法和思路。

【參考文獻】

[1]傘海生，宋子軍，王翔，趙燕立，余煜璽.適用于惡劣環境的MEMS壓阻式壓力傳感器[J].光學精密工程，2012，20（03）：550-555.

[2]軒春青，軒志偉，賴富文.壓力傳感器測試系統的動態校準及特性分析[J].傳感技術學報，2015，28（07）：982-986.

[3]許高斌，李凌宇，陳興，馬淵明.SOI基納米硅薄膜超微壓壓力傳感器研究[J].電子測量與儀器學報，2013，27（12）：1107-1113.

[4]何洪濤，王偉忠，杜少博，胡立業，楊志.一種新型MEMS壓阻式SiC高溫壓力傳感器[J].微納電子技術，2015，52（04）：233-239+255.

[5]劉在爽，王堅，孫瑞，王昭誠.無線通信物理層安全技術綜述[J].通信技術，2014，47（02）：128-135.

[6]盧慶林.基于單片機MPS430F的無線通信系統設計[J].國外電子測量技術，2014，33（12）：74-77.

[7]王陳海，吳太虎.短距離無線通信技術發展及在醫療監護中的應用[J].醫療衛生裝備，2008（01）：30-34.

[8]王科.基于FBS的機械產品概念設計方法與應用[D].寧波大學，2011.

[9]聶慶峰.基于FBS模型的產品模塊劃分方法研究[J].裝備制造技術，2013（06）：43-46.

[10]樊帆，李彥，李文強.基于FBS的設計知識組織與應用策略研究[J].機械設計，2012，29（10）：9-14.

[11]龔京忠，李國喜，邱靜.基于功能-行為-結構的產品概念模塊設計研究[J].計算機集成制造系統，2006（12）：1921-1927.