一種具有尿液成分自動獲取功能的智能坐便器

鐘建偉 滕世國 羅進超 張燕金

（乳源東陽光機械有限公司,廣東 韶關 512721）

《檢驗醫學》權威刊物指出,尿液作為人體新陳代謝的產物,能準確反映人體健康狀況,尿液分析對于獲取尿液的生化成分及其與各種疾病狀態（如糖尿病、代謝正常、肝病、某些癌癥（如前列腺、腎臟和膀胱）、膽道和肝梗阻以及腎臟和泌尿道疾病）的關系非常重要,因此尿檢對預防疾病風險很有必要。

智能坐便器是連續健康監測與分析人類排泄物獲得的有價值臨床信息的交匯點,故此在智能座便器系統設計中實現尿檢功能,滿足人們隨時了解自己健康狀況,進行長期健康監測,足不出戶做尿檢的需求,具有很強的實用性和重要的意義。本文采用尿液試紙法,通過由尿液成分自動獲取模塊、尿檢模塊和尿檢模組控制軟件組成的尿檢系統,對尿液進行自動采集和成分檢測,從而實現對尿液的定性或定量的分析。

1 總體電路設計

總體電路設計如圖1 所示,系統MCU 控制為核心。市電先經過漏電保護開關,再供給智能坐便器。12V 開關電源采用明緯的EPS-35-12,給整個系統供電；MCU 控制與尿檢模組通過通訊連接,尿液成分自動獲取功能主要由尿檢模組完成并將數據通過藍牙發送至手機APP。檢測模塊隱藏式一體化設計,安全、牢固、可靠、密封性高；一鍵全自動隔空取樣、及時檢測分析數據,從取樣源頭避免了交叉污染和取樣適量；尿檢模塊集成化設計,維修簡單,可以直接更換檢測模塊不影響坐便器其他任何位置,維修成本大大降低。

圖1 總體電路設計框圖

同時,MCU 控制暖風烘干、座圈加熱、清洗三大功能；該智能坐便器還有自動翻蓋功能,使用衛生便捷。

2 智能坐便器常用功能

智能坐便器常用功能有清洗功能,暖風烘干功能、座圈加熱功能和自動翻蓋功能,滿足人們日常使用。

清洗功能由自主研發即熱式加熱裝置、水流調節裝置和無冷水弧形清洗器配套組成。即熱式加熱裝置有三重過溫保護,安全性高,使用即熱加熱裝置具有水溫穩定,加熱持久的優點；無冷水弧形清洗器通過控制步進電機傳動,將弧形主管伸出,此時擋水片擋住噴嘴并且排出管路中的冷水,待冷水排完時,弧形清洗器往前伸出并回到設定位置,此過程將擋水片打開,此時噴出的都是熱水,從而提高其舒適性。而水流調節裝置通過水流檢測組件獲取水流分配組件流出的水流流速信號,再由所述控制器調節所述水流分配組件的開度,以精準控制水流流量,獲得更舒適更溫和的清洗效果,大大提升了用戶的體驗。

暖風烘干功能采用高轉速風機,配合云母加熱器,用戶無需長時間等待烘干就可以快速烘干殘留水漬；座圈加熱功能采用即熱座圈,人接近智能坐便器時開始座圈加熱,到人落座時溫度就可以達到設定溫度值,與普通加熱座圈相比,更加節能,減少待機消耗。

自動翻蓋功能通過紅外線傳感器和重力感應件同時檢測是否有人靠近坐便器,提高了檢測的精確性,通過驅動機構將便蓋自動打開,更加智能方便、衛生安全。

3 尿檢模組

尿檢模組有單獨的MCU 控制系統如圖2 所示。它主要包括尿檢進紙電機、尿檢伸縮電機、試紙槽皮帶電機、尿檢清洗電磁閥、尿檢烘干、尿檢光源、顏色傳感器、藍牙模塊等。

圖2 尿檢模組功能框圖

尿檢功能運行時,控制尿檢進紙電機11 傳動,通過尿檢自動進紙裝置將檢測多聯試劑帶送入試紙槽8,同時擋紙門9 將多聯試劑帶擋住,防止多聯試劑帶掉出來；然后再控制尿檢伸縮電機1 通過傳動機構將將底殼部分（底殼6、尿檢外罩4）伸出,控制皮帶電機3,通過皮帶主動輪5、皮帶從動輪7,將試紙槽伸到前端,準備收集尿液檢測（圖3）。

圖3 尿檢模組爆炸圖

檢測到尿液收集完成,控制皮帶電機、尿檢伸縮電機將試紙槽和底殼部分收回準備測試。收回過程中,通過尿檢光源燈、導光盒、導光件等,經尿液檢測顏色傳感器,收集多聯試劑帶測試數據,通過藍牙將測試數據傳輸到手機APP 上。

測試完成后,控制進紙電機,將擋紙門23 關閉,打開紫外線殺菌燈管,開啟尿檢清洗功能,清洗尿檢試紙槽的水先經紫外線燈管后再注入試紙槽,數秒后,打開擋紙門,同時啟動尿檢進紙電機,將檢測多聯試劑帶沖出,通過感應器檢測多聯試劑帶是否排出。排出后繼續用經紫外線殺菌燈管的水清洗試紙槽30 秒,將試紙槽清洗干凈,然后運行尿檢烘干將試紙槽的水烘干,確保檢測環境良好。

4 尿液成分自動獲取功能

尿液成分自動獲取的工作原理是利用多聯試劑帶上各種含有特殊試劑的模塊與尿液中相應的化學成分發生反應,使多聯試劑帶的顏色發生變化（呈色的深淺與尿液中相應物質的濃度成正比）,然后用白色光源照射在已發生顏色變化的各試劑帶上,利用高精度顏色傳感器收取顏色數值,通過I2C 方式將讀值送至MCU,再使用專業算法進行處理,實現尿液的定性/定量分析結果,并將結果數據傳輸至手機APP,讓用戶一目了然。整個測試過程大約3 分鐘,操作簡單,使用方便。

本文采用BH1745NUC 顏色傳感器,它是日本ROHM 公司推出的一款高精度顏色傳感器,它的內部集成了16 位高分辨率ADC 模塊,可以檢測RGB 并轉換成數字量存儲在內部對應的地址寄存器中,采用I2C 接口和微星的單片機PIC16F15245 進行數據通信,INT 引腳連接到PIC16F15245 的RB7 口進行中斷喚醒。該顏色傳感器采用ROHM 公司獨創的紅外線過濾技術和運算方法,能精準讀取試劑帶上的顏色RGBC 數值,該傳感器增加讀取可視光波長強度的值,能夠校正顏色,使測試更準確（圖4-5）。

圖4 BH1745NUC 典型應用電路

圖5 尿液成分自動獲取電路

5 尿檢模組控制系統軟件設計

流程圖如圖6 所示,包括：詢問尿檢模組是否空閑,檢測是否有紙,進紙是否超時,采集尿液,尿液采集是否超時,結果獲取,尿檢模組清洗及烘干。遇到卡紙故障時可以選擇伸出尿檢桿件,手動取紙。另外,尿檢模組進水前端增加了一個紫外線殺菌裝置,每次測試完尿檢功能時,水先經紫外線殺菌,再供給尿檢模組清洗,可以確保減少自來水細菌污染,確保檢測環境良好。

圖6

結束語

本文利用日本ROHM 高精度顏色傳感器來準確自動獲取尿液成分,再使用專業算法進行數據處理,實現尿液的定性或定量分析。將該技術通過由尿液成分自動獲取模塊、尿檢模組和尿檢模組控制軟件組成的尿檢系統來實現,并應用于智能坐便器上,從而滿足人們隨時了解自己健康狀況,進行長期健康監測,足不出戶做尿檢的需求。同時,尿檢模塊集成化設計,維修簡單,維修成本低；一鍵全自動隔空取樣、及時檢測分析數據,從取樣源頭避免了交叉污染和取樣適量。