基于物联网的便后提醒系统设计

黄仕贤 宋珂珂 汤赟 刘金方 张慧银 程进 邹小平

北京信息科技大学北京市传感器重点实验室，北京 100101

0 前言

随着国家实行三胎政策[1]，未来我们中国家庭的婴幼儿数量会大幅增加，本系统可以即时提醒新生代爸爸妈妈及时给婴幼儿更换纸尿裤，从而保持婴儿肌肤干爽，预防由于尿湿引发感冒、支气管炎、裆部湿疹以及哭闹等问题，同时可以让爸爸妈妈们在夜间拥有更好更轻松的休息状态，在白天亦可以有更灵活的活动时间；本系统同时可以应用于下半身瘫痪的残疾人士以及常年卧床的失能老人上，随着我国人口老龄化的日益加剧，丧失言语和行动能力的失能老人在总人口中的比重越来越高[2]，本系统能够及时提醒看护人对需求人士及时更换纸尿布。当前市面上的智能纸尿裤多为无线式产品并且只能对使用对象进行小便检测，无法进行大便检测，现有的一种含有尿液侧漏报警装置的新型纸尿裤[3]是为了预防纸尿裤发生侧漏而发明的，不具备尿液实时检测和大便过后及时提醒的功能。无线式产品粘贴在纸尿裤上多为不可重复使用性产品，性价比低，即使是可以重复使用产品，由于是无线产品，极有可能被看护人更换纸尿裤时忘记将之取下，被错手丢弃。而本文所研究的系统是基于物联网设计的有线式系统，拥有着远程实时监控功能，并且同时拥有着微信消息提醒的远程提醒方式和现场声光报警的现场提醒方式，提醒方式直观而多样。本系统同时还可以与婴儿车、婴儿床、轮椅和失能老人卧床结合使用。

1 系统设计

1.1 系统构成

本系统主要由检测模块、控制模块、信号调理模块和报警模块构成，如图1所示。其中，检测模块主要由温湿度传感器和空气质量传感器构成；控制模块和无线模块用的是跨阵M4物联网模块，上面集成了ESP8266串口Wi-Fi模块[4-6]；报警模块主要由蜂鸣器、LED灯以及手机端微信报警提示组成。

1.1.1 跨阵M4物联网模块

控制模块采用跨阵M4模块，如图2所示，其内部电路如图3所示。跨阵M4模块功率较小，功能较丰富，内部装有继电器，可通过移动电话进行远程控制，只需连入Wi-Fi，即可进行远程控制 （无需和跨阵M4处于同一个Wi-Fi环境下）。跨阵M4物联网模块可以选择远程和本地控制两种模式[7]，其体积小，可以方便安放在婴儿床及轮椅上。

1.1.2 DHT11温湿度传感器

温湿度传感器的型号为DHT11，如图4所示。选择此传感器的原因是：此款传感器把温度和湿度传感集成于一体，体积小，方便我们植入到纸尿裤的不同角落，也方便我们进行整体布局和设计[8]，并且此款传感器还具有稳定性强，性价比高的特点。

1.1.3 MQ-136硫化氢气体传感器

气体传感器采用的是MQ-136硫化氢气体传感器，如图5所示。由于粪便中含有的主要气体成分为硫化氢，所以采用此款气体传感器。

1.1.4 声光报警模块

声光报警器模块选用的是5 V有源蜂鸣器和5 V LED灯，如图6所示。配置好的完整的系统实物如图7所示。

1.2 工作原理

系统的工作原理如图8所示，控制模块采用跨阵M4物联网模块为核心，将温湿度传感器和硫化氢气体传感器通过杜邦线连接到跨阵M4模块串口，同时将LED灯和蜂鸣器连接在M4模块串口上。将智能手机和跨阵M4物联网模块进行网络配对，接上电源，系统开始工作，系统的整体工作流程如图9所示。传感器检测模块进行数据采集，检测的同时，跨阵M4模块通过ESP8266对采集模块获得的温湿度数据进行传送[9]，把数据传送到手机端App上。接收到的数据通过与在手机App上设置的温湿度阈值和气体浓度阈值进行分析处理，判断使用对象是否大小便，且通过温度变化判断使用对象所处环境是否处于健康状态，同时把信息回馈到控制器模块。控制器模块则进行信号处理并控制提醒模块发出声光提醒以及通过无线设备进行微信消息提醒，看护人收到提醒后即时更换纸尿布或尿布。

2 系统安装与操作

2.1 安装要求

2.1.1 传感器探头模块的安装

（1）将温湿度传感器探头和气体传感器探头分别用棉布或卫生纸包覆，加装外置粘条；

（2）将温湿度传感器探头粘贴在纸尿裤或尿布上距离小孩子尿尿较近的位置，便于检测使用者小便后的湿度变化；

（3）将气体传感器探头粘贴在纸尿布胯下接近臀部位置，便于检测使用者大便后的硫化氢气体浓度检测。

2.1.2 控制模块和声光报警器的安装

（1）将M4控制模块安装在婴儿车、婴儿床和轮椅的底部，避免占用较多空间，而且不会被使用者误碰导致控制模块损坏；

（2）将LED灯光报警器放在显眼易见的位置，便于看护人能够及时看到灯光亮起报警；

（3）将蜂鸣器放在婴儿车、床边较远的位置，避免警报响起时惊吓到婴幼儿和使用者。

2.1.3 整体检测模块的要求

（1）合理的布置各个模块的位置，避免浪费空间，避免误碰误撞。

（2）保证有良好的无线网络覆盖，避免影响到无线模块的使用和手机微信提醒。

2.2 操作过程

（1）将粘贴有传感器探头的纸尿裤给使用对象穿戴好；

（2）接通系统电源，在智能手机上通过物联网管理平台进行系统软件设置，设置相应的温湿度阈值和气体浓度阈值；

（3）对跨阵M4物联网模块的无线模块进行相应的网络配置，可实现实时数据监测；

（4）接收到报警信号后，取下探头，给使用者更换纸尿裤后，可以通过手机App上开关按钮人为操作关闭报警，或等传感器探头检测到的数据自动降低到手机端设定的阈值范围内，系统便会自动停止报警。

3 注意事项与简单故障处理

3.1 注意事项

（1）给使用对象穿戴纸尿裤前要对传感器探头进行检查，看是否有破损，粘贴是否稳固；

（2）使用时要合理固定摆放各系统模块；

（3）使用本系统时保证网络通畅，以确保信号能够正常传送接收；

（4）在使用本系统过程中保持系统电源正常，并且保证手机电源正常，避免系统断电中断。

3.2 简单故障处理

3.2.1 探测器数据失常

解决方案：（1）检测传感器探头是否受损；（2）更换传感器；（3）检查探测模块的连接是否正常。

3.2.2 报警模块失灵

解决方案：（1）检查跨阵M4模块是否进行相应的网络配置；（2）检查手机是否正常通网；（3）检查报警模块器件蜂鸣器和LED灯是否损坏。

4 系统特点

（1）对大小便进行即时提醒，为有线式产品，可以进行多次重复使用；

（2）安装拆卸简便，可以与婴儿车、婴儿床、轮椅以及老人床结合使用；

（3）拥有声光报警和微信提醒双重提醒，声光报警可直接提醒在场看护人，同时微信提醒又可以远程提醒不在场看护人，提醒方式更为多样有效。

5 结束语

本文研究设计了一款基于物联网模块，通过实时检测纸尿裤的温湿度和气体浓度变化，利用智能手机App与物联网模块进行网络配置，可以在智能手机端实时观测到数据变化，并设置温湿度阈值和气体浓度阈值，可以实时监测判断使用对象所处的环境温度是否正常，以及使用对象是否大小便。通过跨阵M4模块控制声光报警器开关和手机端微信消息提示，对婴幼儿和需求人士实时进行便后提醒。后期还将对本系统进行改进，计划把婴幼儿或老年人心跳和血压实时监测功能融进本系统中，可以对使用对象进行更加全面的身体健康状态的实时监护。