基于物聯網的便后提醒系統設計

黃仕賢 宋珂珂 湯赟 劉金方 張慧銀 程進 鄒小平

北京信息科技大學北京市傳感器重點實驗室，北京 100101

0 前言

隨著國家實行三胎政策[1]，未來我們中國家庭的嬰幼兒數量會大幅增加，本系統可以即時提醒新生代爸爸媽媽及時給嬰幼兒更換紙尿褲，從而保持嬰兒肌膚干爽，預防由于尿濕引發感冒、支氣管炎、襠部濕疹以及哭鬧等問題，同時可以讓爸爸媽媽們在夜間擁有更好更輕松的休息狀態，在白天亦可以有更靈活的活動時間；本系統同時可以應用于下半身癱瘓的殘疾人士以及常年臥床的失能老人上，隨著我國人口老齡化的日益加劇，喪失言語和行動能力的失能老人在總人口中的比重越來越高[2]，本系統能夠及時提醒看護人對需求人士及時更換紙尿布。當前市面上的智能紙尿褲多為無線式產品并且只能對使用對象進行小便檢測，無法進行大便檢測，現有的一種含有尿液側漏報警裝置的新型紙尿褲[3]是為了預防紙尿褲發生側漏而發明的，不具備尿液實時檢測和大便過后及時提醒的功能。無線式產品粘貼在紙尿褲上多為不可重復使用性產品，性價比低，即使是可以重復使用產品，由于是無線產品，極有可能被看護人更換紙尿褲時忘記將之取下，被錯手丟棄。而本文所研究的系統是基于物聯網設計的有線式系統，擁有著遠程實時監控功能，并且同時擁有著微信消息提醒的遠程提醒方式和現場聲光報警的現場提醒方式，提醒方式直觀而多樣。本系統同時還可以與嬰兒車、嬰兒床、輪椅和失能老人臥床結合使用。

1 系統設計

1.1 系統構成

本系統主要由檢測模塊、控制模塊、信號調理模塊和報警模塊構成，如圖1所示。其中，檢測模塊主要由溫濕度傳感器和空氣質量傳感器構成；控制模塊和無線模塊用的是跨陣M4物聯網模塊，上面集成了ESP8266串口Wi-Fi模塊[4-6]；報警模塊主要由蜂鳴器、LED燈以及手機端微信報警提示組成。

1.1.1 跨陣M4物聯網模塊

控制模塊采用跨陣M4模塊，如圖2所示，其內部電路如圖3所示。跨陣M4模塊功率較小，功能較豐富，內部裝有繼電器，可通過移動電話進行遠程控制，只需連入Wi-Fi，即可進行遠程控制 （無需和跨陣M4處于同一個Wi-Fi環境下）。跨陣M4物聯網模塊可以選擇遠程和本地控制兩種模式[7]，其體積小，可以方便安放在嬰兒床及輪椅上。

1.1.2 DHT11溫濕度傳感器

溫濕度傳感器的型號為DHT11，如圖4所示。選擇此傳感器的原因是：此款傳感器把溫度和濕度傳感集成于一體，體積小，方便我們植入到紙尿褲的不同角落，也方便我們進行整體布局和設計[8]，并且此款傳感器還具有穩定性強，性價比高的特點。

1.1.3 MQ-136硫化氫氣體傳感器

氣體傳感器采用的是MQ-136硫化氫氣體傳感器，如圖5所示。由于糞便中含有的主要氣體成分為硫化氫，所以采用此款氣體傳感器。

1.1.4 聲光報警模塊

聲光報警器模塊選用的是5 V有源蜂鳴器和5 V LED燈，如圖6所示。配置好的完整的系統實物如圖7所示。

1.2 工作原理

系統的工作原理如圖8所示，控制模塊采用跨陣M4物聯網模塊為核心，將溫濕度傳感器和硫化氫氣體傳感器通過杜邦線連接到跨陣M4模塊串口，同時將LED燈和蜂鳴器連接在M4模塊串口上。將智能手機和跨陣M4物聯網模塊進行網絡配對，接上電源，系統開始工作，系統的整體工作流程如圖9所示。傳感器檢測模塊進行數據采集，檢測的同時，跨陣M4模塊通過ESP8266對采集模塊獲得的溫濕度數據進行傳送[9]，把數據傳送到手機端App上。接收到的數據通過與在手機App上設置的溫濕度閾值和氣體濃度閾值進行分析處理，判斷使用對象是否大小便，且通過溫度變化判斷使用對象所處環境是否處于健康狀態，同時把信息回饋到控制器模塊。控制器模塊則進行信號處理并控制提醒模塊發出聲光提醒以及通過無線設備進行微信消息提醒，看護人收到提醒后即時更換紙尿布或尿布。

2 系統安裝與操作

2.1 安裝要求

2.1.1 傳感器探頭模塊的安裝

（1）將溫濕度傳感器探頭和氣體傳感器探頭分別用棉布或衛生紙包覆，加裝外置粘條；

（2）將溫濕度傳感器探頭粘貼在紙尿褲或尿布上距離小孩子尿尿較近的位置，便于檢測使用者小便后的濕度變化；

（3）將氣體傳感器探頭粘貼在紙尿布胯下接近臀部位置，便于檢測使用者大便后的硫化氫氣體濃度檢測。

2.1.2 控制模塊和聲光報警器的安裝

（1）將M4控制模塊安裝在嬰兒車、嬰兒床和輪椅的底部，避免占用較多空間，而且不會被使用者誤碰導致控制模塊損壞；

（2）將LED燈光報警器放在顯眼易見的位置，便于看護人能夠及時看到燈光亮起報警；

（3）將蜂鳴器放在嬰兒車、床邊較遠的位置，避免警報響起時驚嚇到嬰幼兒和使用者。

2.1.3 整體檢測模塊的要求

（1）合理的布置各個模塊的位置，避免浪費空間，避免誤碰誤撞。

（2）保證有良好的無線網絡覆蓋，避免影響到無線模塊的使用和手機微信提醒。

2.2 操作過程

（1）將粘貼有傳感器探頭的紙尿褲給使用對象穿戴好；

（2）接通系統電源，在智能手機上通過物聯網管理平臺進行系統軟件設置，設置相應的溫濕度閾值和氣體濃度閾值；

（3）對跨陣M4物聯網模塊的無線模塊進行相應的網絡配置，可實現實時數據監測；

（4）接收到報警信號后，取下探頭，給使用者更換紙尿褲后，可以通過手機App上開關按鈕人為操作關閉報警，或等傳感器探頭檢測到的數據自動降低到手機端設定的閾值范圍內，系統便會自動停止報警。

3 注意事項與簡單故障處理

3.1 注意事項

（1）給使用對象穿戴紙尿褲前要對傳感器探頭進行檢查，看是否有破損，粘貼是否穩固；

（2）使用時要合理固定擺放各系統模塊；

（3）使用本系統時保證網絡通暢，以確保信號能夠正常傳送接收；

（4）在使用本系統過程中保持系統電源正常，并且保證手機電源正常，避免系統斷電中斷。

3.2 簡單故障處理

3.2.1 探測器數據失常

解決方案：（1）檢測傳感器探頭是否受損；（2）更換傳感器；（3）檢查探測模塊的連接是否正常。

3.2.2 報警模塊失靈

解決方案：（1）檢查跨陣M4模塊是否進行相應的網絡配置；（2）檢查手機是否正常通網；（3）檢查報警模塊器件蜂鳴器和LED燈是否損壞。

4 系統特點

（1）對大小便進行即時提醒，為有線式產品，可以進行多次重復使用；

（2）安裝拆卸簡便，可以與嬰兒車、嬰兒床、輪椅以及老人床結合使用；

（3）擁有聲光報警和微信提醒雙重提醒，聲光報警可直接提醒在場看護人，同時微信提醒又可以遠程提醒不在場看護人，提醒方式更為多樣有效。

5 結束語

本文研究設計了一款基于物聯網模塊，通過實時檢測紙尿褲的溫濕度和氣體濃度變化，利用智能手機App與物聯網模塊進行網絡配置，可以在智能手機端實時觀測到數據變化，并設置溫濕度閾值和氣體濃度閾值，可以實時監測判斷使用對象所處的環境溫度是否正常，以及使用對象是否大小便。通過跨陣M4模塊控制聲光報警器開關和手機端微信消息提示，對嬰幼兒和需求人士實時進行便后提醒。后期還將對本系統進行改進，計劃把嬰幼兒或老年人心跳和血壓實時監測功能融進本系統中，可以對使用對象進行更加全面的身體健康狀態的實時監護。