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ELECTRONICS WORLD
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技术交流
基于STM32的智能马桶的设计与实现
邵阳学院电气工程学院 周 奇 李 辉 李世尧 丁镱明
【摘要】
为了预测用户的身体状况,设计了一种由STM32F103微控制器、检测系统、坐便器、上位机构成的新型智能马桶,其中检测系统包
括基于MEMS温度传感器的尿体温度检测模块及基于光电比色法的尿液检测模块。上位机通过加权移动平均算法把采集到的信息进行滤波处
理,并与历史数据进行分析比对,最后把结果反馈给用户。另外,新型智能马桶实现了家庭式的经常性的身体健康监测。
【关键词】
STM32F103单片机;MEMS温度传感器;光电比色法;加权移动平均法
0 引言
判断一个人是否处于健康状态,需要监测的人的各种生理状态
有很多很多。比如说体温、体重、尿液成分、脉搏、血压甚至脑电
波。而其中的一部分都可以在马桶上完成,所以智能健康马桶将是
本文的重点。然而马桶只是智能健康家居的很小的一部分,而且未
来必定是智能传感器的时代。
本研究应用检测技术、控制技术、计算机技术设计一个基于
STM32单片机的将体检装置与马桶相结合的智能马桶系统
[1]
,并在如
厕方便时实现抽风除臭的通风透气。能够让用户被动的长期坚持检
查,充分利用如厕时间,预防和及时发现疾病,并且舒适的如厕
[2]
。
1 系统工作原理
本设计在硬件上主要由检测器、控制器、执行器和上位机组
成,由检测器采集数据到主控芯片上,上位机再分析数据,生成报
表,发送至用户。
系统工作过程如下:微波传感器不停向空间发射高频电磁波,
用户进入卫生间出现在马桶周围,接收到的反射信号发生变化,使
主控芯片从空闲状态快速进入工作状态,采集信号的波形来判断用
户的动作。若用户使用马桶,温度模块、尿液检测模块就会发送数
据到主控芯片,显示模块显示数据给用户,并且上传到上位机进行
数据分析,生成报表,统计图。若马桶使用完毕,运动检测模块判
断用户离开动作,自动冲水,直至微波感器检测不到用户,主控芯
片切换至空闲状态。
2 硬件设计
2.1 主控芯片
本设计采用STM32F103RCT6单片机作为主控芯片,此芯片具
有三个16位的ADC模块,72M主频,以及84个中断。精度高,速度
快,价格不贵,拥有优异的实时性能,且每个外设都有自己的独立
时钟开关,功耗很低。完全符合对此系统对多个传感器数据的采集
和处理的要求。
2.2 运动检测模块
微波传感器是运动检测模块的重要部分,它作为中断外设使
用,实时监测马桶周围环境,降低CUP负担。微波传感器选择方向
性好,覆盖面积大,精确度高的Microwave sensor微波传感器模块
[3]
。微波传感器发射高频率的电磁波到空中,覆盖马桶正前方扇形
范围。当用户在马桶周围活动时,微波传感器接收到的中频信号会
根据用户与马桶之间的位置与相对速度而变化。返回来的多普勒中
频信号通过放大器放大,再经陷波器去除噪音,数据传送至主控芯
片进行对比识别,控制器开始工作。其原理框图见图1。
图1 运动检测模块
2.3 温度测量模块
传统测温方法并不适用于马桶测量人体温度,马桶测量人体温
要求传感器非接触、速度快而且精度高。本设计采用一种通过测量
尿液温度测量用户体温的方法,在马桶内侧的正前方和正后方即方
便在大便与小便容易采集到尿液的地方安装小型采集容器,采用快
速动态测温的MEMS温度传感器检测温度。MEMS是微型电子机械
系统的简称,能够在极小的接触范围内快速实现对固体、液体温度
的检测
[4]
。其温度变化函数为:T(t)=100+50*sin(31.4*t),其温度的
交变周期T可达到0.2s。MEMS温度传感器的采集到温度数据后发
送至控制中枢,因为其温度采集是一个连续的,温度不断降低的过
程,控制中枢通过算法从其中一组数据中找出数值最高的,温度误
差最小的数据传输至上位机。
2.4 尿液检测模块
尿液检测模块是通过光电比色法测量尿液红细胞、白细胞、尿
蛋白细胞是否异常的模块。同一物质不同浓度的溶液,在此物质的
最大吸收波长处吸光度随溶液的浓度增大而增大。故求溶液离子浓
度可以测量单色光通过溶液后光的强度得到结果。
尿检模块是附于马桶内侧的复杂仪器,在尿液采集容器口上方,
设置了一个自动弹出试纸的自动化装置,在检测温度的同时,弹出一
条试纸,光源发出一束单色光。此单色光通过尿液时,被采集容器里
面的尿液吸收掉一部分,光电检测器会接收到一定强度的光信号,转变
为电信号后经放大,传送结果至储存器。在一定时间间隔后,逐次发
出其他单色光,测量红细胞、白细胞、尿蛋白细胞等的浓度。分析完
数据之后,吐出试纸,上传数据至上位机,进行分析比对。
2.5 抽风除臭以及驱动模块
为了创造更好如厕环境,在马桶内侧顶部设置了抽风除臭模
块,主要由抽风管道,静音电机以及控制电路组成。在系统检测到
用户离开后,驱动静音风扇工作,且打开电磁水阀,冲洗装有温度
传感器和尿液检测模块采集容器。
3 软件设计
在软件设计中,主要处理各传感器的数据信息,以及控制开
机、空闲状态、打开关闭阀门的工作次序。因此本系统采用了顺序
基金项目:受到2017年邵阳学院大学生研究性学习和创新性试验计划项目资助;2017年湖南省大学生研究性学习和创新性试验计划项目
(湘教通[2017]205号,项目编号:8464);2017年国家级大学生创新创业训练计划项目(教高司函[2017]40号,项目编号:201710547013);
2017年邵阳市科技计划项目(2017BG20)。