基于STM32的嬰幼兒健康檢測系統

翁詩浩　余江明　韓梅　趙子涵　鮑金澤

摘要：本課題小組在調查了智能紙尿褲的發展情況以及排泄物成分的檢測技術的基礎上，以排泄物成分檢測為切入點，提出建立一個以紙尿褲為載體和用戶端、云端、醫院端三位一體可循環的嬰幼兒健康檢測實時監護系統。

關鍵詞：嬰幼兒健康;尿液檢測;智能紙尿褲;健康監護;可循環

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）03-0242-03

1 理論價值

2019年5月9日，國務院辦公廳發布《關于促進3歲以下嬰幼兒照護服務發展的指導意見》（索引號：000014349/2019-00048），《意見》強調，發展嬰幼兒照護服務的重點是為家庭提供科學養育指導。但是對于絕大多數育兒家庭來說，由于自身知識能力的局限以及社會對于科學養育的忽視，很難接收到科學有效的養育指導來監測嬰幼兒的健康。

尿液在臨床上是一種常用的檢驗材料， 尿液中組成的變化不但能夠反映泌尿生殖道內發生的病變， 對一些全身性疾病也能夠通過尿液的成分改變而反映出來。因此通過檢測尿液可以得出非常有效的健康信息。

因此，本課題小組設計了以紙尿褲為載體的排泄物成分可循環檢測裝置——針對國家對于科學養育的要求，提出在紙尿褲上配置排泄物檢測裝置，科學有效地監測嬰幼兒健康。

2 前期調查

查閱資料可見，政府強調發展科學育兒，傳統的嬰兒照護模式已滿足不了人民對于嬰幼兒照護服務的需求。從人體的排泄物中可以得出非常多有效的健康信息，而且因為嬰兒有使用紙尿褲的需求，所以收集這些信息就變得更加方便。嬰幼兒身體的嬌弱性決定他們需要更細心的照護，然而傳統的照護模式不能滿足對于呵護嬰幼兒健康的需求。但是，無論是國內還是國外的研發都并未重視尿液中包含海量生理信息且紙尿褲是排泄物的天然收集體。然而，本課題小組查閱資料顯示國內外基于紙尿褲來檢測尿液的研究基本缺失，因此設計一款智能檢測尿液成分的紙尿褲健康分析系統十分必要。

3 系統功能

3.1 功能總述

本方案旨在發明一種低成本可循環嵌套于嬰幼兒紙尿褲內部的尿液檢測裝置，其功能為：實時檢測嬰幼兒尿液并通過藍牙技術與手機app相連，后臺算法通過分析尿液成分并且綜合多項醫療數據給出合理的分析結果，促使用戶提前偵測嬰幼兒的生理變化，使嬰幼兒疾病防患于未然。具體功能描述如圖1所示。

3.2 實時健康檢測

團隊創新性地提出了通過嵌入檢測設備于紙尿褲，檢測嬰幼兒尿液從而分析其生理健康的方式，真正做到了對嬰幼兒即時的生理信息監測，避免了嬰幼兒反饋身體狀況能力有限的問題，在對嬰幼兒進行健康評估的同時，能得到精確到個體的動態健康曲線模型，為其以后的健康發展做出科學的規劃和保障。

①將尿液檢測設備（可循環）放入定制的紙尿褲中，當嬰幼兒排出尿液的時候，尿液會接觸設備的顏色傳感器，通過基本算法過濾得出初步尿液成分數據。

②數據通過微型藍牙發送到手機終端，通過手機app終端上傳到后臺服務器。

③服務器通過神經網絡、云計算結合后臺數據庫和嬰幼兒的各項基礎指標（如：年齡、性別）分析得出目前發生疾病（如：腹瀉、感冒等）的概率及潛在的威脅。

3.3 醫療大數據分析

①后臺服務器的數據會發送至醫院終端，醫院終端經過篩選出特殊的個體數據由專業醫師進行分析。

②醫師的分析結果將上傳至服務器端，結合神經網絡分析的結果，精確化特殊個體的健康狀況，若目前幼兒的狀況不佳，可通過app及時通知就診。

③醫院終端通過統計不同地區，不同年齡、不同氣候、不同體質等的個體性質差異下的嬰幼兒的健康情況，可以給出廣泛性的建議，通過服務器端傳送至app使大部分人知曉，以預防嬰幼兒疾病的發生，同時得到的具有廣泛意義的數據結論能夠幫助醫療工作者或研究人員做出更有效，更具有廣泛意義的治療決定。

3.4 嬰幼兒的動態健康模型

①通過檢測裝置內嵌的數據集中系統，建立與數據處理系統的互聯網連接，將即時數據傳輸到云端，從而在中心服務器存儲的長期連續健康數據的前提下，建立模型收集個體健康信息與病例大數據對比分析，利用機器學習方法對嬰幼兒的健康狀況進行量化評估及風險評估。即時反饋給用戶終端。

②基于大量統計數據進行貝葉斯網絡建模，得到精確到個體的動態健康模型，用戶可以根據需要在手機建立連接，了解到寶寶的健康曲線和科學評估，并在授權的前提下與醫療中心建立聯系以得到專業的醫療分析和意見。

③數據建模首先建立模型，在通過后續產生的連續數據對系統進行參數學習，基于檢測端傳輸收集到的數據，實現云端數據的匯總分析和階段建模。

4 技術說明

4.1 基于單片機的可循環微型尿檢設備

以STM32F410單片機為核心集成了三刺激顏色傳感器AS7264N、STLC2690低耗高速的微型藍牙模塊微型SD 儲設卡和其他組件，通過在STM32F410 芯片上模擬、調試，再將編譯后的二進制代碼程序燒到 SD 中，系統每次上電便從 SD 卡中啟動文件，而顏色采集系統則采用顏色傳感器AS7264N模塊，這時微處理器STM32F410就要讀取 SD 卡中的顏色信息實現顏色的預處理、邊緣檢測、圖像分割等，從而得出初步的尿液檢測數據，通過微型藍牙模塊將檢測得到的初步數據傳輸到手機app，app會通過連接后臺運營服務器，服務器算法結合大量相似生理數據及醫療數據進行人工智能分析，從而得到精確到個體的健康分析。綜合以上信息流處理，得出圖2。

本設備總體結構如下圖所示，數字標識說明：1紙尿褲本體;2粘扣;3顏色傳感器;4藍牙;5sd卡;6電池;7單片機;本設備紅色部分為可循環裝置，可以隨時安裝或者取下，其尺寸近似于成年人大拇指指甲蓋。同時定制紙尿褲的裝置安放處含有特質綿軟材料，保證了無存在感，試紙直接附于紙尿褲上，僅貼顏色傳感器。

4.2 裝置硬度分析

經過本小組初步研究的STM32F410芯片，其尺寸為2.55mm*2.58mm，通過集成微型Bluetooth及顏色傳感器等相關設備，小組最終得到的純設備大小不超過一個指甲蓋，同時，外層包裹特殊的綿軟材質，以實現最大程度的無存在感。

4.3 設備拓展分析

該設備通過以STM32F410芯片為核心，可以將測量的基本數據進行頻率帶分割，在檢測時，使對應的梯度和濃度準確地與頻率范圍相吻合，使得各獨立反應塊內的數據結果更為有效，最后在得到實驗數據后，對系統可能存在的誤差進行了分析，使得該技術能夠達到相應要求，目標實現測試結果準確，運行穩定。同時，酶聯免疫吸附技術主要借助抗體和輪狀病毒結構蛋白之間的特異性反應來實踐檢測，以會導致嬰幼兒嚴重腹瀉的輪狀病毒為例，該病毒會大量寄生在腸道內，并隨糞便排出體外。若嬰幼兒感染此類病毒，如果后續技術條件成熟，此設備后續可拓展通過在檢測區域內的固相表面上病毒的結合程度，便可通過對糞便中病毒的含量分析提取關鍵數據，在上傳至云端后，可以由醫療中心得到個體的染病情況，同時在數據中心服務器能通過對地區的染病情況匯總，得到該病毒的傳播情況和發病趨勢，并做出有效預防措施。

4.4 App設計

App設計功能初步包含檢測實時更新結果、疾病分析預測、各項指標圖、醫師建議、在線問診、社區論壇等部分。在對上傳的數據進行匯總并交由醫療中心進行處理分析后，在通過中心服務器將分析數據和健康情況更新在用戶app上，用戶可在app中即時了解寶寶的生理健康狀況和醫生的專業分析建議，用戶可在圈內“刷”到有關寶寶健康的專業文章，為寶寶健康成長提供完整的專業服務。

5 特色創新

5.1 基于紙尿褲的尿液檢測裝置

創新性地提出了通過嵌入檢測設備于紙尿褲，檢測嬰幼兒尿液從而分析其生理健康的方式，真正做到了對嬰幼兒即時的生理信息監測，避免了嬰幼兒反饋身體狀況能力有限的問題，在對嬰幼兒進行健康評估的同時，能得到精確到個體的動態健康曲線模型，為其以后的健康發展做出科學的規劃和保障。

5.2 用戶端、服務器端和醫院端三位一體的數據利用

服務器收集來自用戶端的海量數據，可通過建立用戶各項生理數據的大數據模型，利用數據處理算法，結合統計學規律，得到一個具有廣泛意義的醫學分析模型，可初步判斷用戶的基本情況并提供相應建議。醫院可以通過數據篩選，精確到對特殊患病個體的數據進行分析，由專業醫師進行進一步的診斷。這樣保證了既保證了治療的及時性，又節省了客戶到醫院就診的時間，也減少了醫院人群的密度，使得醫療資源分配更加合理。

5.3 低成本、可循環利用

檢測分析裝置只需配備檢測系統和傳輸系統，具有成本低廉的特點。檢測裝置由柔軟親膚的材質包裹，放入配套紙尿褲中，檢測結束后只需更換配套紙尿褲即可進行下次檢測，實現了產品的可循環利用。產品低價能有效減少用戶的經濟壓力，從而降低用戶流失率。

6 后續發展

6.1 市場分析

將紙尿褲市場進行細分，智能檢測紙尿褲的消費者群體為有年齡在六個月到兩周歲的嬰幼兒的家庭。隨著二孩政策的實行，越來越多的家庭有了新生命的誕生，對紙尿褲的需求量大大增加。同時，由于嬰幼兒父母的工作壓力大，照看嬰幼兒的時間有限，對嬰幼兒健康狀況的監控與預防便顯得尤為重要。智能檢測紙尿褲以簡便快捷的使用方法與反饋系統，實現了當代嬰幼兒家庭與醫院的有機聯通。目前市面上暫時沒有專注于嬰兒尿液和糞便檢測功能的紙尿褲，但對此類產品的市場需求已十分旺盛。本產品基于傳統紙尿褲的基礎功能，拓展關于監測嬰幼兒健康狀況的智能系統，能夠一定程度上彌補當前紙尿褲市場的空缺。

6.2 產品定價

STM32芯片投入、檢驗技術研發等成本的投入使其售價高于普通紙尿褲。考慮到尿液與病毒的檢驗技術和交互功能的實現成本，基于新型健康動態分析模式的可循環智能檢測裝置售價預計在500元左右每件，用于搭配使用的配套紙尿褲售價預計在1元左右每件，此價格在大眾所能接受的范圍內。

6.3 技術前瞻

在芯片以及單片機結構有新突破時，可采用更先進的芯片與單片機技術。

在醫療檢測技術有提升后，采用更先進的檢測技術，對于身體健康數據進行更全方位的檢測。

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