基于物联网RFID技术的失能失禁监测

邓克恒 吴成伟 谢伊郎 张斌

摘要：失能失禁监测方案采用UHF RFID技术、物联网技术以及单片机技术，通过使用内置湿度传感器的柔性无源标签使普通纸尿裤“智能化”，实现对失禁情况的实时检测和提示失禁情况，并将检测结果上传到物联网平台。失能失禁监测方案使用的无源传感器标签轻薄如纸，防水并能重复使用，拥有实用性、便捷性与经济性较高。结合云平台，护理人员将能及时得知失禁情况，降低医护护理难度及减少额外支出，使失禁人士生活质量得到极大的提高。

关键词：湿度；UHF RFID；失禁检测；物联网

*基金项目：2020年广西大学生创新创业训练计划项目（202010595071）

0 引言

由于 RFID 的非接触性、多目标识别等重要特性，已经在服务领域，货物销售，后勤分配，物流，图书文件管理等领域得到了快速的普及和推广 [1]。RFID 技术应用到智能失禁检测中，是将低功耗湿度传感器与 UHFRFID 无源柔性标签结合，并通过单片机以及物联网云平台让普通纸尿裤具备失禁报警功能，能提醒护理人员及时更换。这种利用可重复使用的 UHF RFID 传感器标签以及物联网平台实现低成本的失能失禁系统，将极大地方便家庭和医院的失禁护理，降低护理难度及成本，为失禁人士的正常生活带来方便，并可避免水分泄露引发的皮肤问题，具有极大的应用价值。

系统构成如图1所示，通过 STM32F103C8T6向 UHF RFID 阅读器发送湿度传感器标签读取指令，UHF RFID 阅读器向标签提供能量并接受湿度信息，STM32F103C8T6将接收到的湿度数据进行处理后通过向 EC600N 通信模组发送基于 MQTT 通信协议的消息到阿里云 IOT 物联网平台，阿里云接收到信息之后将在工作台显示湿度，可以通过电脑和手机进行查看湿度信息。而后护理人员将根据失禁情况对纸尿裤进行更换以及将传感器标签揭下并重新贴到新纸尿裤上。

1系统设计

1.1硬件设计

智能失禁纸尿布是一种对实现实时失禁情况检测，提高对失禁人士护理服务，让失禁人士享受正常生活以及减轻护理成本的重要工具。智能失禁纸尿裤使用 RFM2120-ARF 湿度标签，其具有标签可重复使用且防水的特点。系统具有错误湿度数据处理、失禁检测结果实时显示、失禁检测数据上传至阿里云平台的功能。硬件主要包括以下部分：

1）柔性无源 UHF RFID 传感器标签 RFM2120-ARF

RFM2120-ARF 是一款无线无电池湿度传感器标签，采用带内置胶条的柔性材料制造，具有5 Bit 的湿度检测数值。它是一款医疗级湿度检测标签，为失禁检测而设计，轻薄可弯曲，完全防水，可重复使用。支持变色龙自动调谐技术，使用阅读器天线提供的 RF 射频能量进行工作。

2） UHF RFID 超高频读写器 RP26

超高频阅读器支持 ISO 18000-6C 与 EPC Class1 Gen2等多种通信标准通过串口与其他设备连接并进行数据收发。模块功率大，需独立供电，抗干扰能力强，支持标签防碰撞技术，26 dBi增益。

3） STM32F103C8T6单片机

STM32F103C8T6是基于 ARM Cortex-M3内核 STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64 KB，拥有多路串口，运行速度快。

4）移远 EC600N 4G LTE Cat1模块

EC600N-CN 是移远通信专为 M2M 和 IoT 领域而设计的 LTE Cat1无线通信模块，支持最大下行速率10 Mbit/s 和最大上行速率5 Mbit/s ，超小封装，超高性价比[2]。同时，拥有比 NB-IOT 更广的信号普及范围，更大的带宽和更低的延时，可以接入4G 网络。

1.2软件设计

STM32F103C8T6运行程序，负责收发来自阅读器的数据并处理，并提示湿度监测结果，使用 AT 指令将检测结果发送至 EC600N 4G 模块，模块通过 MQTT 指令将数据上传至阿里云 IOT 云平台。

1）模块与 STM32F103C8T6间的通信

模块均通过串口通信的方式与 STM32F103C8T6进行通信，并使用多路串口 DMA 通信的方式的进行数据收发，波特率均为115.2 kbit/s。主要软件设计部分如下：

2）传感器数据读取

UHF RFID 阅读器模块接收到 STM32F103C8T6下达的连接标签指令后，将通过射频天线连接指定标签，检测连接标签成功后，STM32F103C8T6通过阅读器向传感器标签发送湿度读取指令，标签会返回传感器数据，STM32F103C8T6处理后即可得出湿度。相关指令需要按标签数据手册进行设置，标签主要信息如表2所示。

3）云平台配置

本设计使用阿里云 IOT 平台进行实时数据收集，通过 AT 指令與 MQTT 协议进行平台信息配置并上传实时湿度数据。阿里云 IOT 云平台会将湿度数据与失禁情况在控制台显示。除此之外，阿里云 IOT 平台还可以将数据下发到手机终端。

2系统测试

2.1系统搭建

将传感器标签粘贴在普通纸尿裤上，传感器标签在阅读器天线上的投影面积应尽量大，传感器标签与阅读器天线之间无阻挡。4G 模块天线也应该与 UHF RFID 天线保持一定的距离。

2.2失禁阈值

通过测量贴在纸尿裤上的传感器标签在纸尿裤干燥，湿水时和失禁后的湿度值，得出湿度在不同状态下的变化曲线，从而选择湿度阈值，湿度超过阈值时，失能失禁检测系统将会判断发生失禁，如果湿度值未超过阈值，系统将会判断未发生失禁情况。

从阿里云平台湿度随时间变化如图2。其中43 s ～125 s 之间为排尿用时。由图可选取22作为阈值，超过此阈值即为失禁，反之为未失禁。当选取22作为阈值，系统拥有足够时间去判断使用人是否发生了失禁情况并上报，这将提高系统的准确性。

2.3标签的使用距离范围

UHF RFID 阅读器拥有自动射频功率调节功能，阅读器将尽量保证与标签通信成功率导致 RSSI 波动较大。但在超出一定范围时，通信成功率将会有显著下滑，将不再能可靠使用。将天线正对标签的情况下，通过室内阅读器发送30次读取指令下获取正确的湿度信息次数确定使用范围以及大致的表现。

通过表2可以发现其大致规律，当标签与天线距离从10 cm ～100 cm，阅读器接收到的消息数较多，系统能较好地反映实时湿度，但超过100 cm 时，接收到的消息数显著下降，故而天线与标签的距离不建议超过100 cm。

3结束语

通过利用周围环境湿度对柔性标签阻抗的影响的原理，设计本套系统用以对失禁情况进行检测。本套使用具有优异防水性能，免电池的柔性超薄 RFM2120标签以及低价的 UHF RFID 阅读器，加上 STM32F103C8T6 MCU 以及移远 EC600N 4G CAT1模块，实现了一款实用性高，成本相对低廉的物联网失能失禁检测系统，并具有最大1 m 的读取距离，实用性高，并将极大地降低失能失禁监护的难度，提高使用者的生活质量。

参考文献：

[1]王超.基于AS3992的915MHZ读写器设计[D].济南：济南大学， 2012.

[2]王灿田，陈育中.基于STM32和4G技术的红外智能插座系统设计[J].物联网技术，2021，11（12）：110-114.

[3] DANIEL A， ZHANG Q Y， GAO Y， et al. UHF passive RFID-based sensor-less system to detect humidity for irrigation monitoring[J].Microwave and Optical Technology Letters，2017，59（8）：1709-1715.

[4]羅亚慧.HF和UHF RFID标签性能测试系统的设计[D].济南：山东大学，2017.

[5]胡益.基于EPC Class1 Gen2的读写器软件设计与实现[D].长沙：湖南大学，2004.