婴儿纸尿裤尿液监测装置的设计

�ele169�com|5电子电路设计与方案0引言近几年来，随着“二孩政策”的实施，我们国家的婴儿出生率提高了，而婴儿纸尿裤的消费量逐年上升。据统计，全国每年婴儿纸尿裤（片）年消费量已超过77亿片，产生的市场效益高达250亿元[1]。然而，人们在使用纸尿裤时一直受一个问题：多长时间更换一次纸尿裤，什么时候更换。不合理地使用纸尿裤的方法导致了两种可能的结果：(1)“即尿即换”的方法，导致大量浪费。据抽样调查，纸尿裤未达到合适功能而浪费高达三分之一。(2)尿不湿长时间更换或定时更换，会对婴幼儿的身体健康造成不利影响，尤其是在夜晚这种长时间段，家长和陪护人无法消耗整夜的精力，一直陪护在身边，及时更换尿不湿，这种现象长久以往会对使得婴幼儿患有尿布疹、皮肤搔痒等症状。因此，研发出一种集智能、健康、节约为一体的纸尿裤智能监测系统来防止纸尿裤不合理使用，既适应了市场需求的发展，又有利于资源的节约和有效利用。1系统总体框架设计纸尿片智能监测系统是由三代产品组成的，而第三代产品的设计更智能化和人性化，而且继承了第一代，第二代产品的优点。本文主要是介绍第三代产品：基于手机APP婴儿纸尿裤尿液监测系统的设计原理。本设计由硬件部分和软件部分构成，软件部分主要由手是以基Android下的软件和数据库，对婴儿的尿尿的时间数据进行记录、管理，精确显示尿尿次数，以图表方式记录数据，以一天24小时为记录周期，清楚掌握使用者的代谢规律并向家长的手机智能提示。而软件部分包括硬件检测装置部分包括传感器探头，模数转换电路、蓝牙通信电路、智能报警电路等。所以，系统总体框架的设计为智能硬构成，使用时需要下手机客户APP手机客户端与尿尿提醒制能硬件相联系，当宝宝尿尿时智能纸尿裤就能即时推送消息给到绑定手机上，这样可以随时知道宝宝尿没尿，也能够推算宝宝尿的次数与什么时候该换尿布。同时，婴儿所有尿量记录将会生成数据，帮助了解用户的婴儿生理变化。2硬件部分■2.1传感器探头设计电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，由于被测物的含水量变化将导致电容器电容量变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出[2]。通过自研的电容式传感器，主要设计了双柱形，圆形，梳形三种电容式传感器[3]。通过实验测量和对实验数据对比分析，知道梳形传感器的灵敏度高，水分感知能力强，最后项目采用梳形电容式传感器作为项目的传感器探头外形。如图1所示。图1 传感器探头示意图■2.2硬件电路的设计硬件电路主要包括电容-数字转换器（CDC）、单片机STC15W204和蓝牙模块，智能报警电路四部分。装置采用了防EDS（静电放电）和低功耗的保护电路，降低检测电路的功耗，将功耗控制在30mW，可以直接用3.6V的纽扣锂电池供电。整个硬件电路的原理图如图2所示。■2.3模数转换电路的设计由于电容式传感器得到的是电容值，需要电容-数字转换器把电容值转换成数字量[4]，本设计采用了AD7150芯片，这种芯片是一种内置一个响应快速的超低功耗转换器，为电容式传感器提供了一种全面的信号处理。AD7150采用ADI公司的CDC技术，这种技术汇集了与实际传感器接口过程婴儿纸尿裤尿液监测装置的设计陈广强，刘志壮，周旺（湖南科技学院电子与信息工程学院，湖南永州，425199）基金项目：湖南省大学研究性学习和创新性实验计划项目资助，编号：湘教通[2016]283号643。湘教通〔2018〕255号951。摘要：本文介绍了纸尿裤不合理使用对婴儿的健康造成危害的现状，分析了纸尿裤智能监测系统的功能和技术需求，本文基于电容式湿度传感器技术，设计一种集智能、健康、节约为一体纸尿片智能监测系统。这个系统有体积小，使用简单，监测精准，报警迅速，低功耗等特点，为改善纸尿裤不合理使用对婴儿的健康造成危害现状提供解决方案。该系统的手机APP能够智能语音提示婴儿尿尿，可以让用户再也不用烦恼婴儿纸尿裤尿湿后没有及时更换而影响宝宝的健康。关键词：纸尿裤；尿液监测；电容式传感器；CDC技术；手机APP6|电子制作2019年02-03月电子电路设计与方案中起着重要作用。该芯片通过IIC协议可以把CDC输出数据值发送到单片机STC15W204。经过CDC输出的数据平均计算值与传感器电容值有映射关系。表1为AD7150电容-数据映射。表1 AD7150电容-数据映射数据输放电容0×0000无效，欠量程0×3000零电平(0PF)0×8000中间电平(+1PF)0×CFF0满量程(+2PF)0×FFFP0无效，超量程通过下面等式，可以采用输出数据计算输入电容容值，从而知道纸尿裤的含尿量。C（pF）=（Data-0x3000）*Input_range/0x9ff0其中，Input_range=4pF，2pF，1pF或者0.5pF。■2.4蓝牙模块电路的设计图3 蓝牙模块的具体电路原理图蓝牙模块采用CC2541芯片设计，符合蓝牙4.0协议标准，工作频段为2.4GHz范围，调制方式为GFSK，最大发射距离为80米，支持Android、IOS数据透传。通过串口通信协议可以使单片机的数据通过蓝牙模块发送到手机APP上，降低尿液检测装置与手机APP在通信的误码率，方便快捷使用灵活。■2.5智能报警电路的设计在本设计中，智能报警电路[5]主要由单片机最小系统，蜂鸣片、双色LED组成。尿液检测装置检测到婴儿尿尿的时候LED便会发出红光，蜂鸣片也会发出声音，同时单片机通过蓝牙发送到手机APP上，提示用户宝宝尿尿了。3软件部分这个项目是基于Android平台运行的一个APP，和硬件设备通过蓝牙连接起来，它将手机软件技术、智能检测技术、蓝牙通信技术融合于一体，形成智能化的纸尿裤监测系统。该手机APP的开发采用了MVC的设计模式，开发语言主要使用java，最终在Android平台上运行[6]。图4为APP的用户界面图。图4 手机APP用户界面示意图将手机APP与硬件监测装置通过蓝牙连接，经过反复的测试，本系统完成的主要功能如下：(a)手机APP对纸尿片的尿量监测功能:在实验中，设将用一个注射器模拟婴儿尿尿；当注射器中的水注入后，当纸尿片的含水量超过100ml时，手机App会自动发出声音智能提示和消息弹窗，并显示湿度为100%；实现了定量检测的功能；(b)将手机远离检测装置，APP智能语音提醒；实现了宝宝防丢失的功能；(c)打开手机APP的尿点记录，发现手机界面记录了先前两次模拟宝宝尿尿的时间与尿量；实现了尿点记录功能。(d)用户所有尿量记录将会生成数据，建立数据库，帮助了解用户的生理变化，给出合理的护理建议。图2 总体硬件电路原理图的示意图�ele169�com|7电子电路设计与方案图5为APP的用户界面图。图5 尿点记录功能示意图4实物展示基于以上原理，通过软件和硬件部分的设计，制作，实验调试，设计出一系列纸尿片尿液检测装置。本项目开发系列装置，第一代：手持式检测装置、第二代：粘贴式检测装置、第三代：基于手机APP粘贴式检测装置。下面就是三代纸尿片尿液检测装置的简介和实物图。（1）已经成功开发了一代新产品：手持式纸尿裤尿液检测装置，运用自制电容式传感器需要手动实施尿液检测。（2）第二代新产品:“尿液实时检测器”，已实现实时自动智能监测尿液量并预，测用LED和蜂鸣片实现报警。图6 第一代产品示意图图7 第二代产品示意图（3）第三代新产品：通过自研的灵敏度更好电容式传感器，采用了适当的ESD防范措施，电路更加稳定，算法更精确。更加了蓝牙通信电路，能与手机进行通信。此外，在软件方面，并设计一种用硬件装置相配对的手机APP。硬件装置对尿布湿的湿度进行测量，尿量状态等数据会实时传送到监护人的手机App上，当尿量到达到尿不湿临界点时，手机App会自动发出声音和消息弹窗，提示监护人为其更换尿布湿。同时，用户所有尿量记录将会生成数据，建立数据库，帮助了解用户的婴儿生理变化。图8 第三代产品示意图根据以上三代产品可知道，本项目基于手机APP婴儿尿液监测系统具有很高的实用价值和推广前景。5结论本项目采用了传感技术、电容-数字装换器（CDC）技术、蓝牙通信技术、单片机技术和手机软件技术融为于一体，研制出来一系列纸尿片尿液检测装置。装置产品操作简单，集智能化、人性化的设计，硬件方面，装置的功耗低，接近零辐射，检测精准等特点，而手机APP具有语音报警，尿点记录，宝宝防丢失等功能。项目吸引了很多投资者的关注，在国内国外具有广泛的市场和推广应用前景，并先后成功申请了7项专利。参考文献＊[1]张兵,俞海.医保引导分级诊疗[J].中国社会保障,2016,(5):72-73.＊[2]丁英丽.基于电容式传感器的粮食水分测量仪[J].传感技术,2003,22（4）:54-56.＊[3]刘志壮,张文昭.一种纸尿片尿液检测器[P],中国：ZL201621373187.0，2016-12-15.＊[4]徐涛,宋文爱,陈义方.基于交流电桥的电容式水分检测电路的设计[J].微型机与应用，2009，28（11）：17-20.＊[5]阎石,数字电子技术基础.[M].北京:高等教育出版社，1998.＊[6]吴掬鸥.基于用户体验的智能硬件终端APP界面设计探讨[J].信息化建设，2016,（06）：388.统，使系统具有非常高的稳定性，能够为系统的输出提供稳定的输出结果。参考文献＊[1]黄瑾瑜.基于移相控制的高频感应加热电源的研究[J].机械制造与自动化,2010,39(1):165-168.＊[2]易立琼,毕淑娥,李继平.MM74HC4046在感应加热电源中用法的改进[J].通信电源技术,2010,27(4):41-43.＊[3]乔攀科,毕淑娥.基于SG3525调频控制的半桥串联感应加热电源[J].电测与仪表,2010,47(9):62-66.（上接第4页）