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

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结构的工作方式。如图2所示：

图2 软件设计流程图

3.1 数据处理

数据处理主要是为了得到更加精准的数据结果，MEMS温度传感器传到控制器的数据必定是一个不断变化的数据，在MEMS温度传感器刚接触液体测温时，此过程不是瞬间发生的，而是先升后降的过程。其本质是Pt薄膜温度测量有一定的延时与液体温度在不断被容器吸收。在50ms的取样间隔下，取40组数据对比取其最大值。光电比色法法得到的数据是不同对象的，需要对每个对象的信号进行编号，送至上位机后，再分开进行数据分析。

3.2 上位机数据分析

本设计系统在一时取得的数据并不具有代表性，因为体温受很多因素的影响，在一个群体间不能够建立一个统一的判断标准，而对一个个体进行长期的温度记录就可以跟踪用户的健康状况。设计采用加权移动平均法作图，给每个变量值以不同的权重Wj,其平滑波动效果好，能较好的预测出趋势。公式如下：

其中Ti是平滑处理的温度值，wi是各时间温度的权重，ti是实际测量温度。

主控芯片作为数据的中转站，接收和发送数据。尿液的成分检测数据主控芯片编号，在上位机分离分析，当浓度超过红细胞、白细胞、尿蛋白细胞等的浓度红线，上位机向用户发出警告提示。上位机依据温度曲线、尿液成分浓度曲线，结合医学的相对指标，反馈给用户不同的身体健康评价。

4 结语

本设计选用STM32F103RCT6作为主控芯片，把新颖的非接触式测温和尿液分析模块嵌入智能马桶。此设计具有方便快速测温度，尿液成分的特点，作为嵌入式的开放结构，还可以与其他模块、系统相连，主要可作为智能健康家居的子系统。在智能家居时代具有很大的市场价值。