基于STM32的婴幼儿健康检测系统

2021-03-15翁诗浩余江明韩梅赵子涵鲍金泽

电脑知识与技术 2021年3期

翁诗浩　余江明　韩梅　赵子涵　鲍金泽

摘要：本课题小组在调查了智能纸尿裤的发展情况以及排泄物成分的检测技术的基础上，以排泄物成分检测为切入点，提出建立一个以纸尿裤为载体和用户端、云端、医院端三位一体可循环的婴幼儿健康检测实时监护系统。

关键词：婴幼儿健康;尿液检测;智能纸尿裤;健康监护;可循环

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）03-0242-03

1 理论价值

2019年5月9日，国务院办公厅发布《关于促进3岁以下婴幼儿照护服务发展的指导意见》（索引号：000014349/2019-00048），《意见》强调，发展婴幼儿照护服务的重点是为家庭提供科学养育指导。但是对于绝大多数育儿家庭来说，由于自身知识能力的局限以及社会对于科学养育的忽视，很难接收到科学有效的养育指导来监测婴幼儿的健康。

尿液在临床上是一种常用的检验材料，尿液中组成的变化不但能够反映泌尿生殖道内发生的病变，对一些全身性疾病也能够通过尿液的成分改变而反映出来。因此通过检测尿液可以得出非常有效的健康信息。

因此，本课题小组设计了以纸尿裤为载体的排泄物成分可循环检测装置——针对国家对于科学养育的要求，提出在纸尿裤上配置排泄物检测装置，科学有效地监测婴幼儿健康。

2 前期调查

查阅资料可见，政府强调发展科学育儿，传统的婴儿照护模式已满足不了人民对于婴幼儿照护服务的需求。从人体的排泄物中可以得出非常多有效的健康信息，而且因为婴儿有使用纸尿裤的需求，所以收集这些信息就变得更加方便。婴幼儿身体的娇弱性决定他们需要更细心的照护，然而传统的照护模式不能满足对于呵护婴幼儿健康的需求。但是，无论是国内还是国外的研发都并未重视尿液中包含海量生理信息且纸尿裤是排泄物的天然收集体。然而，本课题小组查阅资料显示国内外基于纸尿裤来检测尿液的研究基本缺失，因此设计一款智能检测尿液成分的纸尿裤健康分析系统十分必要。

3 系统功能

3.1 功能总述

本方案旨在发明一种低成本可循环嵌套于婴幼儿纸尿裤内部的尿液检测装置，其功能为：实时检测婴幼儿尿液并通过蓝牙技术与手机app相连，后台算法通过分析尿液成分并且综合多项医疗数据给出合理的分析结果，促使用户提前侦测婴幼儿的生理变化，使婴幼儿疾病防患于未然。具体功能描述如图1所示。

3.2 实时健康检测

团队创新性地提出了通过嵌入检测设备于纸尿裤，检测婴幼儿尿液从而分析其生理健康的方式，真正做到了对婴幼儿即时的生理信息监测，避免了婴幼儿反馈身体状况能力有限的问题，在对婴幼儿进行健康评估的同时，能得到精确到个体的动态健康曲线模型，为其以后的健康发展做出科学的规划和保障。

①将尿液检测设备（可循环）放入定制的纸尿裤中，当婴幼儿排出尿液的时候，尿液会接触设备的颜色传感器，通过基本算法过滤得出初步尿液成分数据。

②数据通过微型蓝牙发送到手机终端，通过手机app终端上传到后台服务器。

③服务器通过神经网络、云计算结合后台数據库和婴幼儿的各项基础指标（如：年龄、性别）分析得出目前发生疾病（如：腹泻、感冒等）的概率及潜在的威胁。

3.3 医疗大数据分析

①后台服务器的数据会发送至医院终端，医院终端经过筛选出特殊的个体数据由专业医师进行分析。

②医师的分析结果将上传至服务器端，结合神经网络分析的结果，精确化特殊个体的健康状况，若目前幼儿的状况不佳，可通过app及时通知就诊。

③医院终端通过统计不同地区，不同年龄、不同气候、不同体质等的个体性质差异下的婴幼儿的健康情况，可以给出广泛性的建议，通过服务器端传送至app使大部分人知晓，以预防婴幼儿疾病的发生，同时得到的具有广泛意义的数据结论能够帮助医疗工作者或研究人员做出更有效，更具有广泛意义的治疗决定。

3.4 婴幼儿的动态健康模型

①通过检测装置内嵌的数据集中系统，建立与数据处理系统的互联网连接，将即时数据传输到云端，从而在中心服务器存储的长期连续健康数据的前提下，建立模型收集个体健康信息与病例大数据对比分析，利用机器学习方法对婴幼儿的健康状况进行量化评估及风险评估。即时反馈给用户终端。

②基于大量统计数据进行贝叶斯网络建模，得到精确到个体的动态健康模型，用户可以根据需要在手机建立连接，了解到宝宝的健康曲线和科学评估，并在授权的前提下与医疗中心建立联系以得到专业的医疗分析和意见。

③数据建模首先建立模型，在通过后续产生的连续数据对系统进行参数学习，基于检测端传输收集到的数据，实现云端数据的汇总分析和阶段建模。

4 技术说明

4.1 基于单片机的可循环微型尿检设备

以STM32F410单片机为核心集成了三刺激颜色传感器AS7264N、STLC2690低耗高速的微型蓝牙模块微型SD 储设卡和其他组件，通过在STM32F410 芯片上模拟、调试，再将编译后的二进制代码程序烧到 SD 中，系统每次上电便从 SD 卡中启动文件，而颜色采集系统则采用颜色传感器AS7264N模块，这时微处理器STM32F410就要读取 SD 卡中的颜色信息实现颜色的预处理、边缘检测、图像分割等，从而得出初步的尿液检测数据，通过微型蓝牙模块将检测得到的初步数据传输到手机app，app会通过连接后台运营服务器，服务器算法结合大量相似生理数据及医疗数据进行人工智能分析，从而得到精确到个体的健康分析。综合以上信息流处理，得出图2。

本设备总体结构如下图所示，数字标识说明：1纸尿裤本体;2粘扣;3颜色传感器;4蓝牙;5sd卡;6电池;7单片机;本设备红色部分为可循环装置，可以随时安装或者取下，其尺寸近似于成年人大拇指指甲盖。同时定制纸尿裤的装置安放处含有特质绵软材料，保证了无存在感，试纸直接附于纸尿裤上，仅贴颜色传感器。

4.2 装置硬度分析

经过本小组初步研究的STM32F410芯片，其尺寸为2.55mm*2.58mm，通过集成微型Bluetooth及颜色传感器等相关设备，小组最终得到的纯设备大小不超过一个指甲盖，同时，外层包裹特殊的绵软材质，以实现最大程度的无存在感。

4.3 设备拓展分析

该设备通过以STM32F410芯片为核心，可以将测量的基本数据进行频率带分割，在检测时，使对应的梯度和浓度准确地与频率范围相吻合，使得各独立反应块内的数据结果更为有效，最后在得到实验数据后，对系统可能存在的误差进行了分析，使得该技术能够达到相应要求，目标实现测试结果准确，运行稳定。同时，酶联免疫吸附技术主要借助抗体和轮状病毒结构蛋白之间的特异性反应来实践检测，以会导致婴幼儿严重腹泻的轮状病毒为例，该病毒会大量寄生在肠道内，并随粪便排出体外。若婴幼儿感染此类病毒，如果后续技术条件成熟，此设备后续可拓展通过在检测区域内的固相表面上病毒的结合程度，便可通过对粪便中病毒的含量分析提取关键数据，在上传至云端后，可以由医疗中心得到个体的染病情况，同时在数据中心服务器能通过对地区的染病情况汇总，得到该病毒的传播情况和发病趋势，并做出有效预防措施。

4.4 App设计

App设计功能初步包含检测实时更新结果、疾病分析预测、各项指标图、医师建议、在线问诊、社区论坛等部分。在对上传的数据进行汇总并交由医疗中心进行处理分析后，在通过中心服务器将分析数据和健康情况更新在用户app上，用户可在app中即时了解宝宝的生理健康状况和医生的专业分析建议，用户可在圈内“刷”到有关宝宝健康的专业文章，为宝宝健康成长提供完整的专业服务。

5 特色创新

5.1 基于纸尿裤的尿液检测装置

创新性地提出了通过嵌入检测设备于纸尿裤，检测婴幼儿尿液从而分析其生理健康的方式，真正做到了对婴幼儿即时的生理信息监测，避免了婴幼儿反馈身体状况能力有限的问题，在对婴幼儿进行健康评估的同时，能得到精确到个体的动态健康曲线模型，为其以后的健康发展做出科学的规划和保障。

5.2 用户端、服务器端和医院端三位一体的数据利用

服务器收集来自用户端的海量数据，可通过建立用户各项生理数据的大数据模型，利用数据处理算法，结合统计学规律，得到一个具有广泛意义的医学分析模型，可初步判断用户的基本情况并提供相应建议。医院可以通过数据筛选，精确到对特殊患病个体的数据进行分析，由专业医师进行进一步的诊断。这样保证了既保证了治疗的及时性，又节省了客户到医院就诊的时间，也减少了医院人群的密度，使得医疗资源分配更加合理。

5.3 低成本、可循环利用

检测分析装置只需配备检测系统和传输系统，具有成本低廉的特点。检测装置由柔软亲肤的材质包裹，放入配套纸尿裤中，检测结束后只需更换配套纸尿裤即可进行下次检测，实现了产品的可循环利用。产品低价能有效減少用户的经济压力，从而降低用户流失率。

6 后续发展

6.1 市场分析

将纸尿裤市场进行细分，智能检测纸尿裤的消费者群体为有年龄在六个月到两周岁的婴幼儿的家庭。随着二孩政策的实行，越来越多的家庭有了新生命的诞生，对纸尿裤的需求量大大增加。同时，由于婴幼儿父母的工作压力大，照看婴幼儿的时间有限，对婴幼儿健康状况的监控与预防便显得尤为重要。智能检测纸尿裤以简便快捷的使用方法与反馈系统，实现了当代婴幼儿家庭与医院的有机联通。目前市面上暂时没有专注于婴儿尿液和粪便检测功能的纸尿裤，但对此类产品的市场需求已十分旺盛。本产品基于传统纸尿裤的基础功能，拓展关于监测婴幼儿健康状况的智能系统，能够一定程度上弥补当前纸尿裤市场的空缺。

6.2 产品定价

STM32芯片投入、检验技术研发等成本的投入使其售价高于普通纸尿裤。考虑到尿液与病毒的检验技术和交互功能的实现成本，基于新型健康动态分析模式的可循环智能检测装置售价预计在500元左右每件，用于搭配使用的配套纸尿裤售价预计在1元左右每件，此价格在大众所能接受的范围内。

6.3 技术前瞻

在芯片以及单片机结构有新突破时，可采用更先进的芯片与单片机技术。

在医疗检测技术有提升后，采用更先进的检测技术，对于身体健康数据进行更全方位的检测。

参考文献：

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