智能坐便器氣味識別技術的研究

葉益陽 翁曉偉 屈環宇

臺州市產品質量安全檢測研究院 浙江臺州 318000

1 引言

隨著生活品質的逐步提高，人們的生活習慣正悄然發生著改變，對于坐便器智能化、人性化、健康化的需求也日益強烈。在智能坐便器領域，利用信息技術、控制技術和計算機技術，已陸續開展將日常的坐便器與體檢裝置相結合的研究，各種生理參數可以在人們的如廁過程中自動檢測出來，并通過計算機存儲、處理和分析檢測數據，可以統籌利用時間，在如廁的同時檢查身體，滿足了人們快節奏的生活需求，并能保證體檢的長期性，為健康研判提供真實有效的數據。因而健康監測技術也慢慢變成智能坐便器領域的熱門研究課題[1]。

目前不少智能坐便器生產企業都在投入研發健康監測功能，通過尿液、心率心電等傳感器，檢測尿酸、尿糖、潛血、PH值、蛋白質、維生素等含量，進行常規分析，自動生成測量報告和各項生理水平趨勢曲線圖，打造貼身的健康目標，實現足不出戶，健康狀況了如指掌，同時有利于慢病篩查、亞健康預查。

但對于人體排泄的氣體檢測，目前尚未開展相關的研究，最近十幾年的臨床實驗，在代謝氣體與人體健康領域，取得不少研究成果，有力地證明了疾病的致病機理與患者排泄的某些氣體成分有關。目前人體內的代謝氣體中可以檢測到500多種揮發性有機成分，其中的某些內源性氣體與疾病有關聯，可以作為疾病的標志，顯示疾病的階段，用于疾病初步診斷。通過收集不同性別、不同年齡段、不同健康情況的代謝氣體，對胃部、腸部、肺部、肝臟、口腔等方面的國內外發病現狀，建立一個詳實的人體疾病與代謝氣體組分數據庫。通過人體排泄物所含特定氣體的濃度分析，可以了解腸道的健康狀況，調節生活飲食習慣，提高健康自我監測水平。

2 系統設計

本技術的開發適于居家日常腸道健康監測的智能坐便器，契合人機工程學，針對排泄物特定氣體，具備檢測、處理和數據分析功能，使用戶了解身體狀況，并對生活提供相應的指導與提示。

本技術的總體流程如圖1所示，系統擬采用多個高精度、高集成度金屬氧化物氣體傳感器，構建出智能坐便器氣味監測單元，負責采集氣味信息，并采用雙穩態隨機共振模型分析數據，通過無線傳輸網絡系統，將信息傳輸至手機端的APP系統，從而使用戶得知身體狀況以及相關的健康指導和提示。

圖1 智能坐便器氣味識別技術流程

2.1 傳感器陣列

氣體傳感器是一種對氣體濃度和種類測量的傳感器，它利用氣敏材料，與目標氣體分子發生理化反應，并由此轉變為有效測量的聲光電等信號[2]。本文采用電化學式氣體傳感器，原理是目標氣體通過還原或氧化反應在電極處產生電流，氣體濃度依據電流強度線性變化而獲得。

傳感器測量電路如圖2所示，氣體傳感器屬于金屬氧化物傳感器，其內部電阻阻值會隨著吸附氣體成分的變化而改變。氣體傳感器信號采集電路的設計，對于接下來的數據處理效果，關系重大，其主要功能是在一定的動態范圍內準確獲取阻值的變化，本文采取電橋法采集數據。如圖2所示，電壓差在不平衡電橋的輸出兩點間產生，先經過兩個電壓跟隨器的穩定輸出，再通過差分式運算放大器的一倍放大后，A/D轉換器處理該輸出電壓，并將模擬電壓量轉換為數字量輸出，送入數據傳輸芯片。當終端設備請求傳輸氣味數據時，數據傳輸芯片才發送產生的相關信息包。

圖2 傳感器測量電路

氣體傳感器通過電橋法接入后，輸出為數字電壓信號，通過對氣體傳感器進行動態加熱，由于氣體傳感器表面對氣體分子的吸附脫附會產生不同的響應值，使得氣體傳感器的響應隨著工作溫度的周期性變化而變化。通過對加熱電壓的占空比與采樣頻率進行合適的選取，測量并記錄氣體傳感器在不同氣體濃度和種類下的動態響應波形，如圖3所示，構建波形與氣體成分的相對關系。

圖3 氣體傳感器動態響應波形

由測試可見，單一氣體傳感器把氣味信號轉化成易測量信號，但難以滿足現實需求，檢測范圍過窄，故利用氣體傳感器的交叉敏感性，即單一氣體傳感器對特定氣體的擇優響應特性和對氣體響應的非專一性，將若干只不同的傳感器優化組合，排成陣列形式，構成氣體傳感器陣列[3]，氣體傳感器陣列的作用類似于初級嗅覺神經元。

2.2 數據分析

傳感器陣列在對氣體樣本進行采集的時候，周圍環境會夾雜著大量的無關氣體，從而對有效的排泄氣體造成較大的干擾，在這種情況下，某些氣體樣本對傳感器不敏感的話，傳感器陣列的響應信號就會很微弱，因此非常有必要對氣體樣本數據進行處理與分析。

本文采用隨機共振模型分析智能坐便器的氣味感知信息。基于隨機共振原理，通過非線性系統，能夠將有用信號從含噪聲信號中的噪聲能量轉化出來，從而強化有用信號，弱化噪聲，實現將有用信號從強噪聲背景下提取出來的目的。隨機共振之所以被稱為一種非線性動力學的反直觀現象，是由于其提出施加外噪聲不但不會導致測量信號被徹底淹沒，反而會誘發系統產生共振，將內秉噪聲能量傳遞到測量信號中去，抑制噪聲的同時又增強了測量信號[4]。

所有的隨機共振系統中，雙穩態隨機共振是最為普遍采用的分析模型。雙穩態隨機共振包括三要素：雙穩態系統、弱輸入信號和外噪聲。如果隨機共振三要素達到協同狀態，輸入信號中的弱特征信息就會得到加強，從而有利于被揀出來。在一個合理的范圍內調制噪聲強度使系統達到協同狀態，即發生隨機共振現象，就可以計算出輸出信號與輸入信號之間的信噪比參數，用于提取和表征智能坐便器氣味特征信息。

系統采用雙穩態隨機共振模型的算法設計，對采集的氣體樣本進行二次處理，可以更好地識別出有用的氣味信號，以便后續的健康管理。基于實際測試，通過配置不同濃度的CH2和H4氣體組合，由氣體傳感器陣列采集得到的樣本數據如表1所示。系統H2濃度的檢測效果更好，對CH4濃度的檢測誤差相對比較大，原因在于該氣體傳感器對混合氣體中H2的響應大于對CH4的響應，從而H2濃度的檢測效果更加穩定，氣味識別基本上達到了預期的效果。

表1 組合氣體濃度檢測結果

2.3 傳輸網絡設計

在采集與識別氣味信息后，系統擬構建一個智能坐便器氣味監測立體信息云平臺，針對同一個智能坐便器的多個傳感器監測信息以及某個特定區域內的多個監測信息，設計一個無線傳輸網絡系統，實現對多個智能坐便器的傳感器監測數據的實時傳輸和記錄，并對監測數據進行精準的特征分析，為健康狀況研判提供科學的數據支撐。針對智能坐便器氣味監測數據采集、傳輸和存儲的具體需求，結合無線傳輸網絡自身特點，搭建了整體的網絡結構[5]，系統框架圖如圖4所示。

圖4 無線傳輸網絡系統框架圖

在每個檢測區域都布置了一個到兩個傳感器節點，其中所有節點將會組成一個網狀網絡，傳感器節點采集并處理氣味信號后，發送到匯聚節點上，匯聚節點收到數據后，再通過互聯網的方式發送至云端，最后在用戶端的任務管理節點顯示于相應的軟件系統。用戶端作為數據處理終端，再對采集到的數據進行分析和備份。

2.4 APP系統設計

用戶終端的軟件系統主要是手機端的APP設計，APP系統可實現多重功能，包括定時響應、實時提醒、模型感知、情景評估等，可實現實時、連續、長時間的監測。

傳感器陣列采集的氣味數據，實時通過傳輸網絡上傳到APP系統，APP系統的主要作用在于數據的存儲、顯示、分析，系統接收傳輸過來的氣味信息，通過對參數的軟件處理，用戶可以通過文本形式或者曲線圖顯示查看歷史測量數據[6]。對這些氣味信號的特征提取以及數據分析，可以實現腸道疾病的自動早期識別，從居家非察覺式腸道健康檢測角度，根據排泄物特定氣體數據分析，給出合理膳食和運動的建議。每次的檢測結果都會自動儲存并形成曲線，可以足不出戶，就能獲知個人健康狀況，實現數據在掌上，診療在云端。根據個體營養需求狀況和健康膳食原理，結合對身體狀況的檢測和分析，可有針對性地推薦適宜的調節或維護健康狀態所需的食材、藥物等。

3 結論

身處快節奏的現代社會，簡單便捷的生活方式越來越受人們推崇。家用衛生間是一個相對隱蔽的私人空間，非常適合進行健康檢測。將醫療功能與智能坐便器相結合，可以把在坐便器上所消耗的碎片化時間充分利用起來，檢測使用者的身體狀況，實現一邊如廁一邊檢測的雙重效果。本文所述的氣味識別技術采用氣體傳感器陣列結合非線性隨機共振信號信噪比特征分析方法，具有識別速度快、監測精度好等優勢，可以進一步提升人民群眾的健康管理水平。