一种具有尿液成分自动获取功能的智能坐便器

钟建伟 滕世国 罗进超 张燕金

（乳源东阳光机械有限公司,广东 韶关 512721）

《检验医学》权威刊物指出,尿液作为人体新陈代谢的产物,能准确反映人体健康状况,尿液分析对于获取尿液的生化成分及其与各种疾病状态（如糖尿病、代谢正常、肝病、某些癌症（如前列腺、肾脏和膀胱）、胆道和肝梗阻以及肾脏和泌尿道疾病）的关系非常重要,因此尿检对预防疾病风险很有必要。

智能坐便器是连续健康监测与分析人类排泄物获得的有价值临床信息的交汇点,故此在智能座便器系统设计中实现尿检功能,满足人们随时了解自己健康状况,进行长期健康监测,足不出户做尿检的需求,具有很强的实用性和重要的意义。本文采用尿液试纸法,通过由尿液成分自动获取模块、尿检模块和尿检模组控制软件组成的尿检系统,对尿液进行自动采集和成分检测,从而实现对尿液的定性或定量的分析。

1 总体电路设计

总体电路设计如图1 所示,系统MCU 控制为核心。市电先经过漏电保护开关,再供给智能坐便器。12V 开关电源采用明纬的EPS-35-12,给整个系统供电；MCU 控制与尿检模组通过通讯连接,尿液成分自动获取功能主要由尿检模组完成并将数据通过蓝牙发送至手机APP。检测模块隐藏式一体化设计,安全、牢固、可靠、密封性高；一键全自动隔空取样、及时检测分析数据,从取样源头避免了交叉污染和取样适量；尿检模块集成化设计,维修简单,可以直接更换检测模块不影响坐便器其他任何位置,维修成本大大降低。

图1 总体电路设计框图

同时,MCU 控制暖风烘干、座圈加热、清洗三大功能；该智能坐便器还有自动翻盖功能,使用卫生便捷。

2 智能坐便器常用功能

智能坐便器常用功能有清洗功能,暖风烘干功能、座圈加热功能和自动翻盖功能,满足人们日常使用。

清洗功能由自主研发即热式加热装置、水流调节装置和无冷水弧形清洗器配套组成。即热式加热装置有三重过温保护,安全性高,使用即热加热装置具有水温稳定,加热持久的优点；无冷水弧形清洗器通过控制步进电机传动,将弧形主管伸出,此时挡水片挡住喷嘴并且排出管路中的冷水,待冷水排完时,弧形清洗器往前伸出并回到设定位置,此过程将挡水片打开,此时喷出的都是热水,从而提高其舒适性。而水流调节装置通过水流检测组件获取水流分配组件流出的水流流速信号,再由所述控制器调节所述水流分配组件的开度,以精准控制水流流量,获得更舒适更温和的清洗效果,大大提升了用户的体验。

暖风烘干功能采用高转速风机,配合云母加热器,用户无需长时间等待烘干就可以快速烘干残留水渍；座圈加热功能采用即热座圈,人接近智能坐便器时开始座圈加热,到人落座时温度就可以达到设定温度值,与普通加热座圈相比,更加节能,减少待机消耗。

自动翻盖功能通过红外线传感器和重力感应件同时检测是否有人靠近坐便器,提高了检测的精确性,通过驱动机构将便盖自动打开,更加智能方便、卫生安全。

3 尿检模组

尿检模组有单独的MCU 控制系统如图2 所示。它主要包括尿检进纸电机、尿检伸缩电机、试纸槽皮带电机、尿检清洗电磁阀、尿检烘干、尿检光源、颜色传感器、蓝牙模块等。

图2 尿检模组功能框图

尿检功能运行时,控制尿检进纸电机11 传动,通过尿检自动进纸装置将检测多联试剂带送入试纸槽8,同时挡纸门9 将多联试剂带挡住,防止多联试剂带掉出来；然后再控制尿检伸缩电机1 通过传动机构将将底壳部分（底壳6、尿检外罩4）伸出,控制皮带电机3,通过皮带主动轮5、皮带从动轮7,将试纸槽伸到前端,准备收集尿液检测（图3）。

图3 尿检模组爆炸图

检测到尿液收集完成,控制皮带电机、尿检伸缩电机将试纸槽和底壳部分收回准备测试。收回过程中,通过尿检光源灯、导光盒、导光件等,经尿液检测颜色传感器,收集多联试剂带测试数据,通过蓝牙将测试数据传输到手机APP 上。

测试完成后,控制进纸电机,将挡纸门23 关闭,打开紫外线杀菌灯管,开启尿检清洗功能,清洗尿检试纸槽的水先经紫外线灯管后再注入试纸槽,数秒后,打开挡纸门,同时启动尿检进纸电机,将检测多联试剂带冲出,通过感应器检测多联试剂带是否排出。排出后继续用经紫外线杀菌灯管的水清洗试纸槽30 秒,将试纸槽清洗干净,然后运行尿检烘干将试纸槽的水烘干,确保检测环境良好。

4 尿液成分自动获取功能

尿液成分自动获取的工作原理是利用多联试剂带上各种含有特殊试剂的模块与尿液中相应的化学成分发生反应,使多联试剂带的颜色发生变化（呈色的深浅与尿液中相应物质的浓度成正比）,然后用白色光源照射在已发生颜色变化的各试剂带上,利用高精度颜色传感器收取颜色数值,通过I2C 方式将读值送至MCU,再使用专业算法进行处理,实现尿液的定性/定量分析结果,并将结果数据传输至手机APP,让用户一目了然。整个测试过程大约3 分钟,操作简单,使用方便。

本文采用BH1745NUC 颜色传感器,它是日本ROHM 公司推出的一款高精度颜色传感器,它的内部集成了16 位高分辨率ADC 模块,可以检测RGB 并转换成数字量存储在内部对应的地址寄存器中,采用I2C 接口和微星的单片机PIC16F15245 进行数据通信,INT 引脚连接到PIC16F15245 的RB7 口进行中断唤醒。该颜色传感器采用ROHM 公司独创的红外线过滤技术和运算方法,能精准读取试剂带上的颜色RGBC 数值,该传感器增加读取可视光波长强度的值,能够校正颜色,使测试更准确（图4-5）。

图4 BH1745NUC 典型应用电路

图5 尿液成分自动获取电路

5 尿检模组控制系统软件设计

流程图如图6 所示,包括：询问尿检模组是否空闲,检测是否有纸,进纸是否超时,采集尿液,尿液采集是否超时,结果获取,尿检模组清洗及烘干。遇到卡纸故障时可以选择伸出尿检杆件,手动取纸。另外,尿检模组进水前端增加了一个紫外线杀菌装置,每次测试完尿检功能时,水先经紫外线杀菌,再供给尿检模组清洗,可以确保减少自来水细菌污染,确保检测环境良好。

图6

结束语

本文利用日本ROHM 高精度颜色传感器来准确自动获取尿液成分,再使用专业算法进行数据处理,实现尿液的定性或定量分析。将该技术通过由尿液成分自动获取模块、尿检模组和尿检模组控制软件组成的尿检系统来实现,并应用于智能坐便器上,从而满足人们随时了解自己健康状况,进行长期健康监测,足不出户做尿检的需求。同时,尿检模块集成化设计,维修简单,维修成本低；一键全自动隔空取样、及时检测分析数据,从取样源头避免了交叉污染和取样适量。