基于STM32的智能馬桶的設計與實現

邵陽學院電氣工程學院 周 奇 李 輝 李世堯 丁鐿明

0 引言

判斷一個人是否處于健康狀態，需要監測的人的各種生理狀態有很多很多。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。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代。

本研究應用檢測技術、控制技術、計算機技術設計一個基于STM32單片機的將體檢裝置與馬桶相結合的智能馬桶系統[1]，并在如廁方便時實現抽風除臭的通風透氣。能夠讓用戶被動的長期堅持檢查，充分利用如廁時間，預防和及時發現疾病，并且舒適的如廁[2]。

1 系統工作原理

本設計在硬件上主要由檢測器、控制器、執行器和上位機組成，由檢測器采集數據到主控芯片上，上位機再分析數據，生成報表，發送至用戶。

系統工作過程如下：微波傳感器不停向空間發射高頻電磁波，用戶進入衛生間出現在馬桶周圍，接收到的反射信號發生變化，使主控芯片從空閑狀態快速進入工作狀態，采集信號的波形來判斷用戶的動作。若用戶使用馬桶，溫度模塊、尿液檢測模塊就會發送數據到主控芯片，顯示模塊顯示數據給用戶，并且上傳到上位機進行數據分析，生成報表，統計圖。若馬桶使用完畢，運動檢測模塊判斷用戶離開動作，自動沖水，直至微波感器檢測不到用戶，主控芯片切換至空閑狀態。

2 硬件設計

2.1 主控芯片

本設計采用STM32F103RCT6單片機作為主控芯片，此芯片具有三個16位的ADC模塊，72M主頻，以及84個中斷。精度高，速度快，價格不貴，擁有優異的實時性能，且每個外設都有自己的獨立時鐘開關，功耗很低。完全符合對此系統對多個傳感器數據的采集和處理的要求。

2.2 運動檢測模塊

微波傳感器是運動檢測模塊的重要部分，它作為中斷外設使用，實時監測馬桶周圍環境，降低CUP負擔。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]。微波傳感器發射高頻率的電磁波到空中，覆蓋馬桶正前方扇形范圍。當用戶在馬桶周圍活動時，微波傳感器接收到的中頻信號會根據用戶與馬桶之間的位置與相對速度而變化。返回來的多普勒中頻信號通過放大器放大，再經陷波器去除噪音，數據傳送至主控芯片進行對比識別，控制器開始工作。其原理框圖見圖1。

圖1 運動檢測模塊

2.3 溫度測量模塊

傳統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。本設計采用一種通過測量尿液溫度測量用戶體溫的方法，在馬桶內側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，采用快速動態測溫的MEMS溫度傳感器檢測溫度。MEMS是微型電子機械系統的簡稱，能夠在極小的接觸范圍內快速實現對固體、液體溫度的檢測[4]。其溫度變化函數為：T(t)=100+50*sin(31.4*t)，其溫度的交變周期T可達到0.2s。MEMS溫度傳感器的采集到溫度數據后發送至控制中樞，因為其溫度采集是一個連續的，溫度不斷降低的過程，控制中樞通過算法從其中一組數據中找出數值最高的，溫度誤差最小的數據傳輸至上位機。

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胞、白細胞、尿蛋白細胞是否異常的模塊。同一物質不同濃度的溶液，在此物質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度得到結果。

尿檢模塊是附于馬桶內側的復雜儀器，在尿液采集容器口上方，設置了一個自動彈出試紙的自動化裝置，在檢測溫度的同時，彈出一條試紙，光源發出一束單色光。此單色光通過尿液時，被采集容器里面的尿液吸收掉一部分,光電檢測器會接收到一定強度的光信號，轉變為電信號后經放大，傳送結果至儲存器。在一定時間間隔后，逐次發出其他單色光，測量紅細胞、白細胞、尿蛋白細胞等的濃度。分析完數據之后，吐出試紙，上傳數據至上位機，進行分析比對。

2.5 抽風除臭以及驅動模塊

為了創造更好如廁環境，在馬桶內側頂部設置了抽風除臭模塊，主要由抽風管道，靜音電機以及控制電路組成。在系統檢測到用戶離開后，驅動靜音風扇工作，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 軟件設計

在軟件設計中，主要處理各傳感器的數據信息，以及控制開機、空閑狀態、打開關閉閥門的工作次序。因此本系統采用了順序結構的工作方式。如圖2所示：

圖2 軟件設計流程圖

3.1 數據處理

數據處理主要是為了得到更加精準的數據結果，MEMS溫度傳感器傳到控制器的數據必定是一個不斷變化的數據，在MEMS溫度傳感器剛接觸液體測溫時，此過程不是瞬間發生的，而是先升后降的過程。其本質是Pt薄膜溫度測量有一定的延時與液體溫度在不斷被容器吸收。在50ms的取樣間隔下，取40組數據對比取其最大值。光電比色法法得到的數據是不同對象的，需要對每個對象的信號進行編號，送至上位機后，再分開進行數據分析。

3.2 上位機數據分析

本設計系統在一時取得的數據并不具有代表性，因為體溫受很多因素的影響，在一個群體間不能夠建立一個統一的判斷標準，而對一個個體進行長期的溫度記錄就可以跟蹤用戶的健康狀況。設計采用加權移動平均法作圖，給每個變量值以不同的權重Wj,其平滑波動效果好，能較好的預測出趨勢。公式如下：

其中Ti是平滑處理的溫度值，wi是各時間溫度的權重，ti是實際測量溫度。

主控芯片作為數據的中轉站，接收和發送數據。尿液的成分檢測數據主控芯片編號，在上位機分離分析，當濃度超過紅細胞、白細胞、尿蛋白細胞等的濃度紅線，上位機向用戶發出警告提示。上位機依據溫度曲線、尿液成分濃度曲線，結合醫學的相對指標，反饋給用戶不同的身體健康評價。

4 結語

本設計選用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。此設計具有方便快速測溫度，尿液成分的特點，作為嵌入式的開放結構，還可以與其他模塊、系統相連，主要可作為智能健康家居的子系統。在智能家居時代具有很大的市場價值。