嬰兒排便預警裝置的設(shè)計

朱誠　周楠

【摘 要】嬰兒無規(guī)律、無前兆的排便行為，使得年輕的家長疲于應(yīng)付、筋疲力盡。微處理器、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及智能家居概念的興起，為嬰兒用品的設(shè)計帶來了變革。文章旨在設(shè)計一種能夠在一定程度上對嬰兒的排便行為進行先期預警的裝置，介紹了采集節(jié)點主要部件的設(shè)計和相關(guān)的程序、流程，闡述了數(shù)據(jù)匹配與比較算法。經(jīng)測試表明，該裝置基本實現(xiàn)了預期的設(shè)計目標。

【關(guān)鍵詞】智能家居;嬰兒監(jiān)控;時間序列;數(shù)據(jù)匹配

【中圖分類號】R472 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）04-0072-05

1 研究背景

激烈的社會競爭和工作壓力，使得很多初為人父母的年輕家長需要在育兒和工作之間尋找平衡點。他們希望能在工作之余有更多的閑暇時間，卻往往被一個嬰兒搞得筋疲力盡、疲憊不堪，尤其是嬰兒無規(guī)律、無前兆的排便行為，更是讓家長疲于應(yīng)付。

微處理器、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及智能家居概念的興起，為嬰兒用品的設(shè)計帶來了變革。本文旨在設(shè)計一種能夠在一定程度上對嬰兒的排便行為進行先期預警，及時通知家長處理的裝置。

根據(jù)醫(yī)學相關(guān)理論，人體在排便前夕，腸道蠕動亢進，振動幅度、頻率同時上升[1]。牛頓第三定律表明：水平、垂直方向的移動將產(chǎn)生水平、垂直方向的震動[2]。通過高靈敏度傳感器采集嬰兒腸道蠕動所產(chǎn)生的震動信號，并將數(shù)據(jù)整合形成連續(xù)的時間序列。將一定周期內(nèi)的序列數(shù)據(jù)與事先保存的基準數(shù)據(jù)進行匹配和模式識別。比較兩條曲線在總體趨勢上是否具有相似性，當相似程度達到閾值時，即可認為嬰兒具有排便的傾向和可能性，再通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送預警信息。

2 硬件架構(gòu)

如圖1所示，預警裝置的核心是數(shù)據(jù)采集節(jié)點，它是由嵌入式處理器、傳感器、WIFI芯片、串行閃存、實時時鐘構(gòu)成。圖2為系統(tǒng)主要部件的連線原理圖。

2.1 嵌入式處理器

系統(tǒng)采用“意法半導體”出品的STM32F101RFT6作為中央處理器[3]，其內(nèi)核為Cortex-M3、主頻為36 MHz，擁有51個通用I/O接口、768 Kbytes閃存、80 KB內(nèi)存、2個I2C接口、5個USART接口、3個SPI接口。由于其供電需求為2.0～3.6 V，能夠?qū)崿F(xiàn)在很小功耗的前提下，完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

2.2 傳感器

人體腸道微弱震動信號的數(shù)據(jù)采集工作是由日本村田生產(chǎn)的SCA61T加速度傳感器完成的，圖3為傳感器芯片及其周邊電路，其具有以下特點：同時支持模擬輸出和數(shù)字輸出;內(nèi)置溫度傳感器，有效進行溫度補償;內(nèi)置EEPROM存儲器，保存補償信息。

2.3 WIFI模塊

為了能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)采用Espressif公司的ESP8266芯片作為無線局域網(wǎng)通信解決方案，其具有以下特點：支持802.11 b/g/n;內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧;支持SPI、UART接口;待機狀態(tài)消耗功率小于1.0 mW。

2.4 外部存儲

為了滿足保存監(jiān)測數(shù)據(jù)和時間序列的需要，系統(tǒng)外部連接了一塊Winbond出品的W25Q256FV串行閃存芯片，其具有256 M-bit的容量，通過SPI接口與MCU通信，工作電流只有4 mA，在掉電模式下，只有1 μA的電流[4]。

2.5 實時時鐘

系統(tǒng)在進行采樣時，需要同時記錄數(shù)據(jù)及其出現(xiàn)的時間，以便對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點進行標記，用于長時間連續(xù)檢測結(jié)果的分析。因此，系統(tǒng)使用了美國DALLAS公司的DS1302實時時鐘芯片，保證即使系統(tǒng)斷電，日期時間依然是正確的[5]。

3 傳感器模塊

3.1 傳感器的連接

表1說明了傳感器模塊與MCU之間的連接方式。

3.2 數(shù)據(jù)采集過程

SCA61T傳感器采集到的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過內(nèi)置放大器電路放大，將變化幅度較小的原始信號放大為變化幅度明顯、易于識別的信號。然后經(jīng)內(nèi)置模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬震動信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過SPI接口傳輸給MCU[6]。MCU對數(shù)字信號進行數(shù)字濾波，以濾除各種干擾。

如圖4所示，采集節(jié)點上電后，首先進行MCU各個相關(guān)功能部件的初始化，然后對傳感器進行初始化。系統(tǒng)按照每秒鐘采樣1 000次的頻率讀取SPI接口數(shù)據(jù)，實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)獲取，然后進行數(shù)字濾波，并將處理后的數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)存儲函數(shù)完成數(shù)據(jù)的保存操作。整個過程是連續(xù)的、周而復始的。

3.3 底噪處理

由于使用環(huán)境、各種無線信號等因素的影響，傳感器會存在底噪。底噪在一定程度上影響信號采集的精確性，且很難通過硬件方面的優(yōu)化和改進完全消除。所以，系統(tǒng)通過軟件層面進行針對性調(diào)整。在數(shù)字濾波函數(shù)DigitalFilter（）中，除完成必要的常規(guī)濾波工作外，還設(shè)置有一個子程序CorrectNoiseFloor（），利用表2中3個參數(shù)不同的變化調(diào)整檢測窗口、有效濾除底噪，以使采集的數(shù)據(jù)更準確。

如圖5所示，左側(cè)圖為傳感器的底噪，通過設(shè)置修正參數(shù)，將右側(cè)圖檢測窗口上移，避開底噪?yún)^(qū)域，有效地減小底噪影響。

3個參數(shù)中比較重要的是Level_Floor和Signal_Range，如果設(shè)置不當將影響信號準確性。Level_Floor過低，導致部分底噪被誤認為是有效信號被采集。嬰兒未在床上，依然能夠采集到信號。Level_Floor過高，導致部分有效信號被誤認為是底噪而被過濾掉。嬰兒在床上，依然無法采集到信號。Signal_Range過低或過高，都能夠采集到信號，但是有延遲。

3.4 采集節(jié)點的安裝

如圖6所示，傳感器采用非接觸式，無需直接安裝于嬰兒身上，只需安裝于嬰兒床、嬰兒車上即可采集到數(shù)據(jù)。

如圖7所示，考慮到加速度傳感器x軸的有效工作方向，安裝傳感器模塊時，其x軸的軸向要與嬰兒身體軸向一致，且正方向指向頭部。如果兩個軸向不一致，將嚴重影響傳感器的靈敏度。

4 WIFI模塊

為了降低功耗和減小體積，采集節(jié)點沒有設(shè)置任何人機交互界面。所有的控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)是通過WIFI網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機軟件或手機APP完成的。

ESP8266芯片專為移動設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計，擁有3種模式運行：激活模式、睡眠模式和深度模睡眠式。在睡眠模式下，其消耗的電流小于12uA，處于連接狀態(tài)時，其消耗的功率少于1.0 mW。只需簡單的串口配置，即可實現(xiàn)WIFI數(shù)據(jù)傳輸[7]。表3說明了WIFI芯片與MCU之間的連接方式。

ESP8266支持STA/AP/STA+AP 3種工作模式。STA模式：ESP8266通過路由器接入無線網(wǎng)絡(luò)，通過手機或電腦對設(shè)備的遠程控制。AP模式：ESP8266作為WIFI熱點。STA+AP模式：以上兩種模式共存。

在STA模式下，可以設(shè)置3個子模式：TCP服務(wù)器、TCP客戶端、UDP。本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計需要，使用了STA模式的TCP服務(wù)器模式。表4是通過AT指令進行ESP8266工作模式的配置。

系統(tǒng)通過Esp8266_send_cmd（uchar*cmd，uchar *ack，uint w）函數(shù)向ESP8266芯片發(fā)送AT指令。該函數(shù)帶3個參數(shù)，cmd表示要發(fā)送的指令字符串，ack表示發(fā)送指令后期待得到的應(yīng)答，w表示等待應(yīng)答的時間。函數(shù)返回值0表示發(fā)送成功。如Esp8266_send_cmd（"AT+RST"，"OK"，20）表示發(fā)送指令AT+RST到WIFI模塊，重啟模塊;期待的應(yīng)答為“OK”;等待時間為20 ms。函數(shù)執(zhí)行流程如圖8所示。

5 數(shù)據(jù)保存與傳輸

5.1 數(shù)據(jù)格式

MCU對傳感器采集到的數(shù)據(jù)完成濾波處理后，將每1秒鐘、即1 000次的采樣數(shù)據(jù)以幀的形式進行封裝儲存在內(nèi)存中，格式見表5。

每幀長度為2 014個字節(jié)，能夠攜載1秒鐘、2 000個字節(jié)的有效采集數(shù)據(jù)，起始標記和結(jié)束標記共占用2個字節(jié)。時間標簽字段中數(shù)據(jù)是通過實時時鐘芯片DS1302獲取的當前系統(tǒng)時間，用于標記每一幀數(shù)據(jù)發(fā)生的具體時刻。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸使用“小端”模式，即最低有效位在前，最高有效位在后。

5.2 數(shù)據(jù)存儲傳輸方式

考慮網(wǎng)絡(luò)負載、數(shù)據(jù)完整性、系統(tǒng)執(zhí)行效率、采集節(jié)點功耗，MCU并不是立即將傳感器采集數(shù)據(jù)通過WIFI網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機。而是首先在內(nèi)存中創(chuàng)建一個“先進先出”隊列，然后在將封裝好的數(shù)據(jù)幀存入隊列中。在隊列中存儲的數(shù)據(jù)量達到1 min時，MCU通過“中斷”機制將數(shù)據(jù)幀依次從隊列中取出，存入W25Q256串行閃存中。在此期間，ESP8266芯片時鐘處于睡眠模式，有效降低了功耗。待W25Q256芯片中保存10 min數(shù)據(jù)后，MCU喚醒處于休眠狀態(tài)的ESP8266并啟動發(fā)送功能，通過WIFI網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位程序。由于W25Q256的容量遠大于10 min數(shù)據(jù)所需空間，所以W25Q256采取滾動更新數(shù)據(jù)的原則，當剩余空間不足2 MB時，刪除最舊的10 min數(shù)據(jù)，騰出存儲空間（如圖9所示）。

這樣，融合內(nèi)存的存儲高速性和海量的存儲空間，保證采集工作的實時性和數(shù)據(jù)的完整性，同時實現(xiàn)系統(tǒng)的功耗控制，有效地延長系統(tǒng)待機時間。操作流程如圖10所示。

6 數(shù)據(jù)匹配算法

上位程序?qū)⒉杉?jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)與樣本數(shù)據(jù)進行匹配和比較，判斷嬰兒是否有排便的可能性。但是需要比較相似性的兩段時間序列的長度可能并不相等，而且兩組數(shù)據(jù)在幅度、頻率、峰值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)也不可能完全一致?？赡軆H僅存在時間軸上的位移，亦即在還原位移的情況下，兩個時間序列是一致的。所以，使用傳統(tǒng)的歐幾里得算法無法有效地求得兩個時間序列之間的距離（或者相似性）。本系統(tǒng)采用動態(tài)時間歸整（Dynamic Time Warping，DTW）算法解決這個問題，通過把時間序列進行延伸和縮短，計算兩個時間序列性之間的相似性。

如圖11所示，上下兩條實線代表兩個時間序列，時間序列之間的虛線代表兩個時間序列之間的相似的點。DTW使用所有這些相似點之間的距離之和，稱為歸整路徑距離（Warp Path Distance）來衡量兩個時間序列之間的相似性。

設(shè)樣本時間序列和比對時間序列分別為Q和C，長度分別是n和m[8]。

Q=q1，q2，……，qi，……，qn

C=c1，c2，……，cj，……，cm

構(gòu)造一個n×m的矩陣，矩陣元素（i，j）表示qi和cj兩個點的距離d（qi，cj），即序列Q的每一個點和序列C的每一個點之間的相似度，距離越小則相似度越高。算法的核心思想為在矩陣中尋找一條路徑，路徑通過的格點即為兩個序列進行計算的對齊點。

路徑的形式為D=d1，d2，……，DK，其中max（n，m）≤K≤n+m。

D中d（i，j）的i和j必須是單調(diào)增加的，以保證圖11中的虛線不會相交，所謂單調(diào)增加是指：

dk=（x，j）

dk+1=（i’，j’）

i<=i’≤1，j≤j’

歸整路徑D必須從d1=（1，1）開始，到dK=（n，m）結(jié)尾，以保證Q和C中的每個坐標都在D中出現(xiàn)。根據(jù)每個元素的代價找出一條最短路徑，如圖12中標出的黑色曲線。

D（n，m）表示長度為n和m的兩個時間序列之間的歸整路徑距離。從（m，n）點開始，遞歸直到（1，1）點，最后求得的歸整路徑距離為D（n，m）。

D（n，m）=d（n，m）+min[D（n-1，m），D（n，m-1），D（n-1，m-1）]

當求得歸整路徑距離后，系統(tǒng)與匹配閾值進行比較，低于閾值說明比對時間序列與樣本序列是相似的，意味著嬰兒存在排便的可能性。

7 總結(jié)

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，體積小、功耗低、重量輕，因為采用無線數(shù)據(jù)傳輸和鋰電池供電，所以沒有各種電線帶來的不便。嵌入式處理器通過高靈敏度傳感器實時采集嬰兒的腸道震動信息，并進行歸檔、比對。當生理指標中出現(xiàn)預示有可能排便的線索時，及時通知家長做出相應(yīng)的防范措施。經(jīng)測試表明，該裝置基本實現(xiàn)了預期的設(shè)計目標。

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[責任編輯：鐘聲賢]