多功能坐便器的开发及其在家庭医疗监测中的应用

陈　涛，刘　源，王中鲜，宋义林

(黑龙江大学 机电工程学院，哈尔滨 150080)



多功能坐便器的开发及其在家庭医疗监测中的应用

陈涛，刘源，王中鲜，宋义林*

(黑龙江大学 机电工程学院，哈尔滨 150080)

摘要：利用日常生活中所使用的家具、用具等进行生理信息检测，既能实现生理信息的长时期、无创性、无意识监测，又能实现对身体健康状况的日常管理，是家庭医疗监测监护发展的方向。提出了一种以PIC18F452单片机为核心，由4个高精度ZEMICL6D称重传感器、4个内部集成放大器的24位A/D转换器件HX711、按键、SIM900A通讯模块以及PB375A存储模块构成的新型多功能坐便器。实验结果表明，该坐便器在技术上实现了大范围高精度测量及多传感器数据融合；功能上，在不改变人们原有生活习惯的基础上实现了体重、排泄量、排泄速度的同时测量以及测量结果的存储与分析，在异常情况下能发出相应的提示。该坐便器对肥胖症、男性泌尿疾病等多种高发病率的疾病起到了早发现、早预防、早治疗的作用，并为后续健康管理提供可靠的数据。

关键词：多功能坐便器；传感融合；体重；排泄量与排泄速度；健康管理

0引言

健康管理经过30多年的发展，医疗健康走向家庭已经成为一种趋势。利用日常生活中所使用的家具、用具等进行生理信息检测，既能实现生理信息的长时期、无创性、无意识监测，又能实现对身体健康状况的日常管理。

体重是评估人体健康状况的重要指标之一，人体体重与血压[1]、血脂[2]、脂肪肝[3]、前列腺体积[4]等多种生理参数有着密切的关系。体重过高、过低或快速变化都能反应出人体健康状况。据世界卫生组织统计，每年至少有340万成人死于超重或肥胖。目前，肥胖已被世界卫生组织列为导致疾病负担的十大危险因素之一[5]。

泌尿疾病是男性老年人群中发病率较高的一类疾病[6-7]。在临床上通常采用检测尿流率的方法诊断下尿路是否存在梗阻，是否患有前列腺增生症等疾病[8]，了解逼尿肌、括约肌的总体水平[9]。在健康管理中利用24 h内总排尿量作为糖尿病、肾疾病等疾病的判断依据，预防此类疾病的发生。

长期的体重、排泄量、排泄速度日常监测能有效预防高血压[10]、心脏病、高血脂、脂肪肝、胃肠疾病、糖尿病、肾疾病等多种疾病的发生，减少病痛带来的诸多不便。然而，在家庭日常生理信息监测中体重、排泄量、排泄速度往往被人们所忽视。另外，坚持长期体重、排泄量、排泄速度测量需要改变人们的生活习惯，对中老年人而言不易实现。

为此，笔者设计了一款新型的以坐便器[11-12]为载体的高精度体重计，在不改变人们正常生活习惯的基础上实现了体重、排泄量、排泄速度的长期监测，对肥胖症、男性泌尿疾病等多种高发病率的疾病起到了早发现、早预防、早治疗的作用，并为后续健康管理提供可靠的数据。

1测量原理

体重、排泄量和排泄速度是本文的主要测量对象，体重通常采用利用机械式体重计或电子体重计测量。由于体重往往与身高等多种其他参数配合使用，电子体重计已逐步替代了机械式体重计。排泄速度目前常采用体积—时间测定法、空气置换法、重量—时间法、转盘式等方法测量[13]。为减少传感器数量，本文采用重量—时间法，排泄量与体重使用同一套电阻应变片式传感器测量。

体重和排泄量属于不同的数量等级，其中体重的单位为kg，而排泄量的单位为g。国家体育总局要求电子体重计测量为0～150 kg，测量误差≤±100 g，而按照本文的要求，排泄量的误差≤±10 g。因此，如何使用同一套传感器实现大范围高精度测量是本文的重点。

在实际应用中，大范围高精度测量[14]常采用分段处理的方法。即先根据实际需求将传感器输入-输出特性曲线分成几个区间(可不均匀)，测量时先判断传感器输出值所在区间，通过特定的电路将该区间的输出信号范围转换成A/D转换器0到满量程输出对应的信号，再次测量传感器输出信号。该方法虽然能够在一定程度上提高测量精度，但其检测电路复杂。传感器输出信号需经过多次A/D、D/A转换，以及模拟信号加减法等过程，信号很容易失真。

为提高测量精度，避免信号失真，采用24位高分辨率的A/D转换器，并将传感器激励电压作为A/D转换参考电压的方法。该方法相比分段处理有两个优点：①精度高。A/D转换器的分辨率每提高一位，测量精度即可提高一倍，因此采用24位高分辨率A/D转换器可以有效提高检测精度;②误差小。由全桥电路特性可知，电阻应变片式传感器的输出电压与激励电压成线性关系，当激励电压变化时传感器输出值将随之发生相应的变化。若A/D转换参考电压与传感器激励电压采用同一电源，当传感器激励电压变化时，A/D转换参考电压将发生相同的变化。因此，A/D转换结果将不随传感器激励电压变化而变化，能有效消除由电压不稳定造成的误差。

2检测系统的硬件设计

系统结构框图见图1。系统硬件电路主要包括PIC18F452控制器、信号检测电路、存储模块电路、按键、报警电路以及数码管显示电路等。

图1　系统结构图Fig.1　System structure drawing

2.1检测电路

检测电路主要用于测量体重，由称重传感器、运算放大电路和A/D转换电路3部分组成。

根据国家体育总局对体重计的量程要求，体重计的量程为0～150 kg，为保证测量精度，本文采用4个L6D称重传感器同时测量。L6D称重传感器是由中航电测生产的铝合金平行梁高精度称重传感器，其测量范围为0～50 kg，输出灵敏度为2 mV/V，精度等级为C3，综合精度为0.02%FS，可满足排泄量精度要求。

图2　A/D转换电路Fig.2　A/D conversion circuit

A/D转换电路见图2，该电路中采用HX711A/D转换器，并将传感器激励电压作为A/D转换参考电压。HX711是24位高分辨率A/D转换器，内置两路A/D转换通道、64倍与128倍放大器、稳压电源等。当该电路采用5 V电源供电时，L6D称重传感器满量程输出值为10 mV，因此放大电路选择HX711内部128倍放大器。传感器激励电压与A/D转换参考电压的稳定性是影响A/D转换是否准确的重要外部因素。利用HX711内部稳压电源同时作为传感器激励电压和A/D转换参考电压，确保传感器激励电压与A/D转换参考电压同时发生相同的波动，消除由电源不稳定对测量结果造成的影响。A/D转换结束后数据通过11、12引脚采用SPI数据传送方式发送至PIC18F452单片机。

2.2辅助功能模块电路

本文所设计的多功能坐便器主要服务对象是中老年人，相比液晶显示数码管显示具有字号大、亮度高等特点，便于中老年人查看。测量结束后体重、排泄量、排泄速度通过3组数码管分别显示，用户可通过数码管了解当次排泄量、排泄速度以及当前体重。在健康管理中体重、排泄量的长期监测意义远大于单次测量，因此测量结束后系统通过PB375A存储模块将测量数据保存于TF卡中供后续健康管理使用，并与以往测量结果比较。如果体重变化异常，蜂鸣器将发出声音报警，提醒用户关注自身身体健康，同时系统也将通过SIM900A通讯模块以短信的形式告知亲属。

3检测系统的软件设计

3.1体重、排泄量、排泄速度测量流程

本文中体重、排泄量和排泄速度采用同一套传感装置测量，测量过程分为3个步骤。

1)测量如厕前体重。开机后系统自动清零，待使用者站立或坐于装置上，测量如厕前的体重，记为W1，并开始计时。

2)测量如厕后体重。如厕后再次测量体重，记如厕后体重为W2，排泄时间为t。

3)计算排泄速度。将两次体重测量结果相减，求出排泄量We，结合排泄时间求出排泄速度，即

(1)

3.2软件设计

图3　系统软件流程图Fig.3　System software flowchart

系统软件流程图见图3。系统开机初始化，检测装置重量并自动清零后进入测量排泄前体重状态。当使用者站立或坐于装置上(体重>30 kg)记录测量前体重，开始计时，进入检测排泄后体重状态。

检测排泄后体重过程中实时记录当前体重与时间值。当使用者离开装置后(体重<30 kg)，停止计时，将使用者离开装置前所测得体重作为排泄后体重。再次检测装置重量，补偿由传感器迟滞性等对排泄后体重造成的误差，修正排泄量及排泄后体重并计算排泄量、排泄速度。检测结束后数码管显示检测结果、存储模块保存测量数据，并读取近期体重数据，若体重变化较快蜂鸣器发出警报，短信模块发送短信至指定号码。

4实验结果与分析

4.1传感器线性度分析

传感器标定过程中分别在4个称重传感器上加重量已知的重物，利用最小二乘法拟合实验结果，得到的线性回归曲线。4条曲线的方程分别为y=0.872 3x-2.901 9，y=0.874 1x-1.276 0，y=0.888 9x-0.556 1和y=0.885 3x-5.115 8，相关系数均为R2=1，4个传感器均具有非常高的线性度。

4.2实验结果分析

图4　装置图Fig.4　Setup diagram

4个称重传感器分别安装于装置下方，并根据人机工程学原理在装置上划定站立与坐时的范围(图4)。实验时在站立区域依次加载重量已知的铁块和一瓶重量已知的水模拟人体排泄前体重，通过缓慢倒出瓶内的水模拟排泄过程，并记录实时排泄量。端坐区域进行相同的实验。

由于装置涉及到多传感器数据融合，测量结果受到称重平台的平整度、4个传感器的水平高度、地面平整度以及重物的重心位置的影响。因此实验过程中在保证平衡因素外，每次测量过程中，根据4个传感器受力情况，利用自适应算法矫正测量结果。测量结果见表1及图5。其中表1为矫正前后体重误差对比表，图5为某次排泄速度实时曲线。

表1　矫正前后体重误差对比表

图5　排泄速度实时曲线Fig.5　Real-time curve of excretion rate

由表1和图5可见，采用自适应算法调整测量结果的方式有效提高了测量精度，减小了误差率，无论是站姿还是坐姿体重测量误差≤±100 g，满足国家体育总局对体重计的精度要求；排泄量测量误差≤±10 g，测量结果能够很好反映出每次排泄时的总排泄量，使用者通过分析存储在TF中的排泄量数据预防糖尿病、肾疾病等多种疾病；排泄速度实时曲线能较好地反映出排泄过程，图5中最高点即为最大尿流率，可作为判断是否存在尿路梗阻，是否需要就医的依据。同时图5还能反映总排泄时间，可用于分析泌尿系统的状况。实验结果说明该体重计能够满足体重、排泄量、排泄速度长期监测的需求。

5结论

本文提出的以坐便器为载体的高精度体重计，使用4个24位A/D转换器件HX711配合4个高精度称重传感器ZEMICL6D测量体重，简化了电子秤测量电路，提高了稳定性。实验结果表明，采用自适应算法调整测量结果可减小由物体重心位置所造成的影响，有效提高了测量精度。该体重计体重测量误差满足国家体育总局对体重计≤100 g的精度要求，排泄量测量误差满足本文≤10 g的精度要求。该体重计技术上，实现了大范围高精度测量及多传感器数据融合；功能上，在不改变人们原有的生活习惯的基础上实现了体重、排泄量、排泄速度的同时测量以及测量结果的存储与分析，并在异常情况下发出相应的提示。该坐便器实现了体重、排泄量、排泄速度的长期监测，对肥胖症、男性泌尿疾病等多种高发病率疾病起到了早发现、早预防、早治疗的作用，并为后续健康管理提供可靠的数据。

参考文献：

[1]黄建凤，曹杰，张慧敏，等.动态血压检测探讨体重指数与血压的关系[J].中国循环杂志，2007,22(4):257-259.

[2]于雅杰，高丽敏，范波，等.体重指数与高血压、血脂异常、脂肪肝、糖尿病等因素相关性的分析[J]. 中国现代医生，2008,46(30):141-142.

[3]牟宝华，徐厚兰，耿桂飞.中老年高血压体检人群体重指数与血脂、脂肪肝的相关分析及护理[J]. 护士进修杂志，2010,25(6):558-559.

[4]姚成.成年男性前列腺体积及年龄与体重指数、血清、PSA、血糖的相关性研究[D].长沙：中南大学，2012:5-6.

[5]陈春明，孔灵芝.中国成人超重和肥胖症预防与控制指南.人民卫生出版社,2003:1-3.

[6]关担.老年人便秘的护理[J]. 中华中医药学刊，2007,25(增刊):163.

[7]崔立娜.老年人便秘的原因分析及护理[J]. 中华中医药学刊，2007,25(增刊):153.

[8]高宏飞，王东文，曹晓明.最大自由尿流率和残余尿在良性前列腺增生评估中的临床意义[J]. 中华泌尿外科杂志，2013,34(8):579-581.

[9]姚勤，周瑛.单纯尿流率检测的影响因素及护理对策[J]. 中外健康文摘，2014,(8):54.

[10] 陈捷，赵秀丽，武峰，等.我国14省市中老年人肥胖超重流行现状及其与高血压患病率的关系[J]. 中华医学杂志，2005,85(40):2830-2834.

[11] Huang J J， Yu S，Syu H Y.Development of the smart toilet equipment with measurements of physiological parameters[C]//2012 9th International Ubiquitous Intelligence & Computing and 9th International Conference on Autonomic & Trusted Computing (UIC/ATC 2012)，Fukuoka， Japan，2012，2:9-16.

[12] Motoi K，Ogawa M， Ueno H， et al.Development and clinical evaluation of a home healthcare system measuring in toilet， bathtub and bed without attachment of any biological sensors[C]// The 10th IEEE International Conference on Information Technology and Applications in Biomedicine,Corfu， Greece， 2010:1-4.

[13] 蒋耀军，葛斌，严荣国，等.便携式尿流率仪数据采集与测量精度的研究[J]. 生物医学工程学杂志，2014,31(1):69-75.

[14] 俞瀛.大范围高精度物理量的测量方法[J]. 中国农机化，2009，(1)：85-86.

Development of multifunctional toilet and its application in home health care

CHEN Tao, LIU Yuan, WANG Zhong-Xian, SONG Yi-Lin*

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Abstract：Through measuring physiological information through furniture and appliances which are used in daily life, physiological information could be monitored non-invasively and unconsciously for a long time, and health conditions could be managed in daily life. It has been the developing direction of home health care. A new multi-functional toilet is intruduced which consists of a PIC18F452 MCU, four high-accuracy L6D weighing sensors, four A/D conversion devices HX711 which are 24 bit with amplifiers inside, keys, a communication module named SIM900A and a memory module named PB375A. The result shows that wide-range and high-precision measurement and multi-sensor data fusion in technology could be achieved. It will not change users’ life habit, and on this basis, it can measure weight, excretion volume and excretion rate at the same time, save the physiological information after measurement and warn users when the result is abnormal. Some high incidence diseases such as obesity and male urological diseases could be discovered, prevented and cured earlier by using the toilet. Through this toilet, reliable date can also be provided for health care.

Key words：multifunctional toilet; sensor fusion; weight; excretion volume and excretion rate; health care

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.014

收稿日期：2016-01-02

基金项目：国家人事部高层次留学回国人才资助项目(2007-171)；黑龙江省自然科学基金资助项目(C2015025)

作者简介：陈涛(1990-)，男，浙江诸暨人，硕士研究生，研究方向：人体生理信息的无创性检测，E-mail: 692349119@qq.com；*通讯作者：宋义林(1960-)，山东荣成人，教授，博士，研究方向：生物医学工程与机电一体化技术，E-mail：syl@hlju.edu.cn。

中图分类号：TH789;TU824.1

文献标志码：A

文章编号：2095-008X(2016)01-0073-06