基于物聯網技術的多功能廁紙盒系統設計

張華強，劉 明

（南通大學 杏林學院，江蘇 南通 226236）

0 引 言

眾所周知，廁所極易滋生細菌，不起眼的廁紙盒以及里面的廁紙長期處于潮濕環境下細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和習慣等，但上廁所的次數有時候能夠反映自己的身體健康狀況[1]?，F在人們上廁所時普遍喜歡刷手機導致如廁時間過長。研究表明，上廁所的時間過長容易導致靜脈曲張、便秘等問題。針對以上問題，設計了一套多功能廁紙盒系統，以期對人們如廁習慣進行改善；同時監測如廁次數以及大小便性狀等，對不正常性狀進行分析匹配后，向用戶進行警示，提醒其去醫院進行相關檢查，從而實現盡早發現盡早治療，避免從一個小病發展成為大病。該系統實時對紙盒內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，保障用戶的衛生安全。

1 系統總體設計

設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。根據所需功能設計合理的傳動方案，以單片機為基礎，將所需的硬件系統和Android 平臺上開發的軟件系統結合起來，針對用戶上傳的數據，數據庫自行比對統計，監測用戶如廁習慣以及健康狀況，可以通過APP引導設置相對應的如廁習慣以及大便性狀等數據；同時各項數據由APP實時監測，一旦發現某項異常數據即觸發警示信息，提醒用戶去往醫院進行相關檢查。產品設計流程如圖1所示。

圖1 產品設計流程

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊

系統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鋰離子電池，其采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。其優點在于不需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充電速率最大化的熱調節功能。其應用電路如圖2所示。

圖2 TP4056應用電路

2.2 消毒模塊

消毒模塊由UVC3535深紫外線LED燈珠和定時電路構成，如圖3所示。紫外線照射一小時即可達到好的殺菌效果[3]，通過用戶上傳如廁習慣規劃數據，數據經系統比對后，自動在用戶大概率如廁時間前后10 min內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，設置低電平LED點亮，高電平LED熄滅。定時器發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分頻預設值；C為Counter Period計數器周期；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成[4]。紅外傳感器感應到用戶時，啟動步進電機，帶動卷紙紙筒轉動實現出紙；同時超聲波測距傳感器測量卷紙距離，通過用戶設置可調節出紙長度。出紙長度控制由電機轉動角度實現，公式為：

式中：D為卷紙軸到紙張數檢測傳感器的距離；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]和霧化噴頭構成，DHT11原理如圖4所示。用戶觸發取用濕紙巾信號，則單片機發送一個初始信號后，DHT11從低功耗模式切換到高功耗模式；等待主機初始信號結束后DHT11發送響應信號，送出40 bit的數據，并觸發一次信號采集；將采集的數據與濕度設定值比對，如果未達到則開啟霧化噴頭，并再次采集，直到達到設定值，霧化噴頭關閉。

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，當電流通過電磁線圈時，電磁線圈上產生磁場來驅使振動膜發出聲音。因單片機的IO引腳輸出電流較小，輸出的TTL電平驅動不了蜂鳴器，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備連接到WiFi無線網絡上進行通信，從而實現聯網功能。ESP8266內置TCP/IP協議棧，且支持多路TCP Client連接，有多種Socket AT指令，且內置32位MCU，可兼作應用處理器，能耗低，適合電池供電，通常應用3.3 V電源供電，廣泛應用于智慧電網、智能交通、智能家具、手持設備、工業控制等領域。

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，能抵抗液體、食物殘渣和各種雜質，對各種不同程度的污染具有很強的適應性，在擁有穩定性和可靠性的同時，具有輕便易組裝和低成本等特點。

3 系統軟件交互功能設計

3.1 蜂鳴模塊軟件交互

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

3.2 觸摸屏功能設計

觸摸屏界面包括三個版塊：用戶登錄、數據設定、信息錄入。用戶使用觸摸屏時首先進行登錄選擇，用以確認用戶身份，匹配相對應的用戶數據，登錄后進入到大小便選擇，小便直接進入信息錄入界面，大便則進入數據設定界面。

在此選擇默認APP以往數據設定還是自主更改設定，用戶選擇自主更改設定則進入到：如廁時間設定、紙巾濕度設定以及紫外線快速消毒設定。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據錄入。首先使用BitmapConverter軟件將bmp圖片資源生成相應的.c文件；使用FontConverter軟件將字體文件材料生成相應的.c文件；使用GUIBuilder軟件將用戶自設計可視化窗口和控件材料生成相應的.c文件，再用VS開發應用程序去繪制背景層、layer0層、layer1層并進行調試，最后將應用程序植入STM32 MCU開發平臺。

3.3 APP功能設計

APP開發界面基于微信小程序開發平臺，包含四個版塊：用戶登錄、數據設定、信息錄入與更改、告警及就醫推薦。用戶使用微信小程序登錄，在主界面有數據設定、信息錄入與更改、告警及就醫推薦三個模塊：用戶可以選擇數據設定，設定相關如廁時間、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；在告警及就醫推薦模塊可以瀏覽各類健康相關常識，如果系統監測用戶如廁習慣和大小便性狀不正常，則會觸發告警，彈窗通知用戶及時就醫檢查以及就醫檢查掛號相關信息等。圖6為小程序界面。

圖6 小程序界面

3.4 數據處理功能

3.4.1 大便顏色識別設計

大便顏色識別設計主要是對大便圖片的顏色進行識別比對。從網上下載保存醫學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、放縮、拼接、翻轉操作對訓練集進行擴增[8]。通過MATLAB使用readdir函數將訓練集圖片全轉化為等寬高的227像素jpg格式圖片。圖7為訓練集紅色大便原圖片，圖8為轉換完格式的紅色大便圖片。加載ImageNet預訓練的網絡模型，這里采用的Alexnet模型[9]由5個卷積層、3個池化Pooling層和3個全連接層構成。其結構與LeNet類似，但其使用了更多的卷積層和更大的參數空間去擬合大規模數據集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練集和驗證集，因為原始網絡全連接層的1 000個輸出，不適用于設計所需的分類任務，所以在這里替換生成新的網絡。對數據集進行擴增，將MaxEpochs設定為20，即訓練20次。訓練過程如圖9所示；圖10為訓練結束時的圖片；圖11為各顏色組別訓練完成結果。從圖9、圖10來看，訓練完的net網絡對大便顏色識別的準確度達標，將其保存。分析圖11，其紅色輸出類占比略低于其他四組，分析后得出結論：紅色訓練集圖片數量少于其他四組。但其對識別結果準確度的影響可忽略不計。

圖8 訓練集轉換格式后紅色大便圖片

圖9 訓練過程

圖10 訓練結束圖片

圖11 各顏色組別訓練完成結果

3.4.2 測試識別結果

在MATLAB調用webcam插件進行輔助實驗[10]。通過插件調用電腦攝像頭進行循環拍攝，設置畫面圖片格式；加載訓練的net網絡，對拍攝圖進行顏色識別分類。結果如圖12所示。

圖12 測試識別結果

從識別結果來看，其對每種大便的顏色識別基本無誤，該訓練網絡模型對大便顏色識別的準確度滿足廁紙盒功能設計需要。

3.5 用戶使用數據分析

使用SQL Server管理系統工具，建立數據庫，將用戶上傳的如廁信息數據錄入數據庫，進行數據分析；對用戶15天的大便次數進行常態化分析，得出用戶大便規律次數及時間作為基礎數據用來判斷大便次數是否異常。

4 結 語

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