陳　濤，劉　源，王中鮮，宋義林

(黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

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多功能坐便器的開發(fā)及其在家庭醫(yī)療監(jiān)測中的應(yīng)用

陳濤，劉源，王中鮮，宋義林*

(黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

摘要：利用日常生活中所使用的家具、用具等進(jìn)行生理信息檢測，既能實(shí)現(xiàn)生理信息的長時(shí)期、無創(chuàng)性、無意識監(jiān)測，又能實(shí)現(xiàn)對身體健康狀況的日常管理，是家庭醫(yī)療監(jiān)測監(jiān)護(hù)發(fā)展的方向。提出了一種以PIC18F452單片機(jī)為核心，由4個高精度ZEMICL6D稱重傳感器、4個內(nèi)部集成放大器的24位A/D轉(zhuǎn)換器件HX711、按鍵、SIM900A通訊模塊以及PB375A存儲模塊構(gòu)成的新型多功能坐便器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該坐便器在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了大范圍高精度測量及多傳感器數(shù)據(jù)融合；功能上，在不改變?nèi)藗冊猩盍?xí)慣的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了體重、排泄量、排泄速度的同時(shí)測量以及測量結(jié)果的存儲與分析，在異常情況下能發(fā)出相應(yīng)的提示。該坐便器對肥胖癥、男性泌尿疾病等多種高發(fā)病率的疾病起到了早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早治療的作用，并為后續(xù)健康管理提供可靠的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：多功能坐便器；傳感融合；體重；排泄量與排泄速度；健康管理

0引言

健康管理經(jīng)過30多年的發(fā)展，醫(yī)療健康走向家庭已經(jīng)成為一種趨勢。利用日常生活中所使用的家具、用具等進(jìn)行生理信息檢測，既能實(shí)現(xiàn)生理信息的長時(shí)期、無創(chuàng)性、無意識監(jiān)測，又能實(shí)現(xiàn)對身體健康狀況的日常管理。

體重是評估人體健康狀況的重要指標(biāo)之一，人體體重與血壓[1]、血脂[2]、脂肪肝[3]、前列腺體積[4]等多種生理參數(shù)有著密切的關(guān)系。體重過高、過低或快速變化都能反應(yīng)出人體健康狀況。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，每年至少有340萬成人死于超重或肥胖。目前，肥胖已被世界衛(wèi)生組織列為導(dǎo)致疾病負(fù)擔(dān)的十大危險(xiǎn)因素之一[5]。

泌尿疾病是男性老年人群中發(fā)病率較高的一類疾病[6-7]。在臨床上通常采用檢測尿流率的方法診斷下尿路是否存在梗阻，是否患有前列腺增生癥等疾病[8]，了解逼尿肌、括約肌的總體水平[9]。在健康管理中利用24 h內(nèi)總排尿量作為糖尿病、腎疾病等疾病的判斷依據(jù)，預(yù)防此類疾病的發(fā)生。

長期的體重、排泄量、排泄速度日常監(jiān)測能有效預(yù)防高血壓[10]、心臟病、高血脂、脂肪肝、胃腸疾病、糖尿病、腎疾病等多種疾病的發(fā)生，減少病痛帶來的諸多不便。然而，在家庭日常生理信息監(jiān)測中體重、排泄量、排泄速度往往被人們所忽視。另外，堅(jiān)持長期體重、排泄量、排泄速度測量需要改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣，對中老年人而言不易實(shí)現(xiàn)。

為此，筆者設(shè)計(jì)了一款新型的以坐便器[11-12]為載體的高精度體重計(jì)，在不改變?nèi)藗冋Ｉ盍?xí)慣的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了體重、排泄量、排泄速度的長期監(jiān)測，對肥胖癥、男性泌尿疾病等多種高發(fā)病率的疾病起到了早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早治療的作用，并為后續(xù)健康管理提供可靠的數(shù)據(jù)。

1測量原理

體重、排泄量和排泄速度是本文的主要測量對象，體重通常采用利用機(jī)械式體重計(jì)或電子體重計(jì)測量。由于體重往往與身高等多種其他參數(shù)配合使用，電子體重計(jì)已逐步替代了機(jī)械式體重計(jì)。排泄速度目前常采用體積—時(shí)間測定法、空氣置換法、重量—時(shí)間法、轉(zhuǎn)盤式等方法測量[13]。為減少傳感器數(shù)量，本文采用重量—時(shí)間法，排泄量與體重使用同一套電阻應(yīng)變片式傳感器測量。

體重和排泄量屬于不同的數(shù)量等級，其中體重的單位為kg，而排泄量的單位為g。國家體育總局要求電子體重計(jì)測量為0～150 kg，測量誤差≤±100 g，而按照本文的要求，排泄量的誤差≤±10 g。因此，如何使用同一套傳感器實(shí)現(xiàn)大范圍高精度測量是本文的重點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，大范圍高精度測量[14]常采用分段處理的方法。即先根據(jù)實(shí)際需求將傳感器輸入-輸出特性曲線分成幾個區(qū)間(可不均勻)，測量時(shí)先判斷傳感器輸出值所在區(qū)間，通過特定的電路將該區(qū)間的輸出信號范圍轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換器0到滿量程輸出對應(yīng)的信號，再次測量傳感器輸出信號。該方法雖然能夠在一定程度上提高測量精度，但其檢測電路復(fù)雜。傳感器輸出信號需經(jīng)過多次A/D、D/A轉(zhuǎn)換，以及模擬信號加減法等過程，信號很容易失真。

為提高測量精度，避免信號失真，采用24位高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，并將傳感器激勵電壓作為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓的方法。該方法相比分段處理有兩個優(yōu)點(diǎn)：①精度高。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率每提高一位，測量精度即可提高一倍，因此采用24位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器可以有效提高檢測精度;②誤差小。由全橋電路特性可知，電阻應(yīng)變片式傳感器的輸出電壓與激勵電壓成線性關(guān)系，當(dāng)激勵電壓變化時(shí)傳感器輸出值將隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。若A/D轉(zhuǎn)換參考電壓與傳感器激勵電壓采用同一電源，當(dāng)傳感器激勵電壓變化時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換參考電壓將發(fā)生相同的變化。因此，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果將不隨傳感器激勵電壓變化而變化，能有效消除由電壓不穩(wěn)定造成的誤差。

2檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。系統(tǒng)硬件電路主要包括PIC18F452控制器、信號檢測電路、存儲模塊電路、按鍵、報(bào)警電路以及數(shù)碼管顯示電路等。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　System structure drawing

2.1檢測電路

檢測電路主要用于測量體重，由稱重傳感器、運(yùn)算放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路3部分組成。

根據(jù)國家體育總局對體重計(jì)的量程要求，體重計(jì)的量程為0～150 kg，為保證測量精度，本文采用4個L6D稱重傳感器同時(shí)測量。L6D稱重傳感器是由中航電測生產(chǎn)的鋁合金平行梁高精度稱重傳感器，其測量范圍為0～50 kg，輸出靈敏度為2 mV/V，精度等級為C3，綜合精度為0.02%FS，可滿足排泄量精度要求。

圖2　A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.2　A/D conversion circuit

A/D轉(zhuǎn)換電路見圖2，該電路中采用HX711A/D轉(zhuǎn)換器，并將傳感器激勵電壓作為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓。HX711是24位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置兩路A/D轉(zhuǎn)換通道、64倍與128倍放大器、穩(wěn)壓電源等。當(dāng)該電路采用5 V電源供電時(shí)，L6D稱重傳感器滿量程輸出值為10 mV，因此放大電路選擇HX711內(nèi)部128倍放大器。傳感器激勵電壓與A/D轉(zhuǎn)換參考電壓的穩(wěn)定性是影響A/D轉(zhuǎn)換是否準(zhǔn)確的重要外部因素。利用HX711內(nèi)部穩(wěn)壓電源同時(shí)作為傳感器激勵電壓和A/D轉(zhuǎn)換參考電壓，確保傳感器激勵電壓與A/D轉(zhuǎn)換參考電壓同時(shí)發(fā)生相同的波動，消除由電源不穩(wěn)定對測量結(jié)果造成的影響。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后數(shù)據(jù)通過11、12引腳采用SPI數(shù)據(jù)傳送方式發(fā)送至PIC18F452單片機(jī)。

2.2輔助功能模塊電路

本文所設(shè)計(jì)的多功能坐便器主要服務(wù)對象是中老年人，相比液晶顯示數(shù)碼管顯示具有字號大、亮度高等特點(diǎn)，便于中老年人查看。測量結(jié)束后體重、排泄量、排泄速度通過3組數(shù)碼管分別顯示，用戶可通過數(shù)碼管了解當(dāng)次排泄量、排泄速度以及當(dāng)前體重。在健康管理中體重、排泄量的長期監(jiān)測意義遠(yuǎn)大于單次測量，因此測量結(jié)束后系統(tǒng)通過PB375A存儲模塊將測量數(shù)據(jù)保存于TF卡中供后續(xù)健康管理使用，并與以往測量結(jié)果比較。如果體重變化異常，蜂鳴器將發(fā)出聲音報(bào)警，提醒用戶關(guān)注自身身體健康，同時(shí)系統(tǒng)也將通過SIM900A通訊模塊以短信的形式告知親屬。

3檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1體重、排泄量、排泄速度測量流程

本文中體重、排泄量和排泄速度采用同一套傳感裝置測量，測量過程分為3個步驟。

1)測量如廁前體重。開機(jī)后系統(tǒng)自動清零，待使用者站立或坐于裝置上，測量如廁前的體重，記為W1，并開始計(jì)時(shí)。

2)測量如廁后體重。如廁后再次測量體重，記如廁后體重為W2，排泄時(shí)間為t。

3)計(jì)算排泄速度。將兩次體重測量結(jié)果相減，求出排泄量We，結(jié)合排泄時(shí)間求出排泄速度，即

(1)

3.2軟件設(shè)計(jì)

圖3　系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3　System software flowchart

系統(tǒng)軟件流程圖見圖3。系統(tǒng)開機(jī)初始化，檢測裝置重量并自動清零后進(jìn)入測量排泄前體重狀態(tài)。當(dāng)使用者站立或坐于裝置上(體重>30 kg)記錄測量前體重，開始計(jì)時(shí)，進(jìn)入檢測排泄后體重狀態(tài)。

檢測排泄后體重過程中實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前體重與時(shí)間值。當(dāng)使用者離開裝置后(體重<30 kg)，停止計(jì)時(shí)，將使用者離開裝置前所測得體重作為排泄后體重。再次檢測裝置重量，補(bǔ)償由傳感器遲滯性等對排泄后體重造成的誤差，修正排泄量及排泄后體重并計(jì)算排泄量、排泄速度。檢測結(jié)束后數(shù)碼管顯示檢測結(jié)果、存儲模塊保存測量數(shù)據(jù)，并讀取近期體重?cái)?shù)據(jù)，若體重變化較快蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，短信模塊發(fā)送短信至指定號碼。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1傳感器線性度分析

傳感器標(biāo)定過程中分別在4個稱重傳感器上加重量已知的重物，利用最小二乘法擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到的線性回歸曲線。4條曲線的方程分別為y=0.872 3x-2.901 9，y=0.874 1x-1.276 0，y=0.888 9x-0.556 1和y=0.885 3x-5.115 8，相關(guān)系數(shù)均為R2=1，4個傳感器均具有非常高的線性度。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4　裝置圖Fig.4　Setup diagram

4個稱重傳感器分別安裝于裝置下方，并根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理在裝置上劃定站立與坐時(shí)的范圍(圖4)。實(shí)驗(yàn)時(shí)在站立區(qū)域依次加載重量已知的鐵塊和一瓶重量已知的水模擬人體排泄前體重，通過緩慢倒出瓶內(nèi)的水模擬排泄過程，并記錄實(shí)時(shí)排泄量。端坐區(qū)域進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)。

由于裝置涉及到多傳感器數(shù)據(jù)融合，測量結(jié)果受到稱重平臺的平整度、4個傳感器的水平高度、地面平整度以及重物的重心位置的影響。因此實(shí)驗(yàn)過程中在保證平衡因素外，每次測量過程中，根據(jù)4個傳感器受力情況，利用自適應(yīng)算法矯正測量結(jié)果。測量結(jié)果見表1及圖5。其中表1為矯正前后體重誤差對比表，圖5為某次排泄速度實(shí)時(shí)曲線。

表1　矯正前后體重誤差對比表

圖5　排泄速度實(shí)時(shí)曲線Fig.5　Real-time curve of excretion rate

由表1和圖5可見，采用自適應(yīng)算法調(diào)整測量結(jié)果的方式有效提高了測量精度，減小了誤差率，無論是站姿還是坐姿體重測量誤差≤±100 g，滿足國家體育總局對體重計(jì)的精度要求；排泄量測量誤差≤±10 g，測量結(jié)果能夠很好反映出每次排泄時(shí)的總排泄量，使用者通過分析存儲在TF中的排泄量數(shù)據(jù)預(yù)防糖尿病、腎疾病等多種疾?。慌判顾俣葘?shí)時(shí)曲線能較好地反映出排泄過程，圖5中最高點(diǎn)即為最大尿流率，可作為判斷是否存在尿路梗阻，是否需要就醫(yī)的依據(jù)。同時(shí)圖5還能反映總排泄時(shí)間，可用于分析泌尿系統(tǒng)的狀況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該體重計(jì)能夠滿足體重、排泄量、排泄速度長期監(jiān)測的需求。

5結(jié)論

本文提出的以坐便器為載體的高精度體重計(jì)，使用4個24位A/D轉(zhuǎn)換器件HX711配合4個高精度稱重傳感器ZEMICL6D測量體重，簡化了電子秤測量電路，提高了穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用自適應(yīng)算法調(diào)整測量結(jié)果可減小由物體重心位置所造成的影響，有效提高了測量精度。該體重計(jì)體重測量誤差滿足國家體育總局對體重計(jì)≤100 g的精度要求，排泄量測量誤差滿足本文≤10 g的精度要求。該體重計(jì)技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)了大范圍高精度測量及多傳感器數(shù)據(jù)融合；功能上，在不改變?nèi)藗冊械纳盍?xí)慣的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了體重、排泄量、排泄速度的同時(shí)測量以及測量結(jié)果的存儲與分析，并在異常情況下發(fā)出相應(yīng)的提示。該坐便器實(shí)現(xiàn)了體重、排泄量、排泄速度的長期監(jiān)測，對肥胖癥、男性泌尿疾病等多種高發(fā)病率疾病起到了早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早治療的作用，并為后續(xù)健康管理提供可靠的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃建鳳，曹杰，張慧敏，等.動態(tài)血壓檢測探討體重指數(shù)與血壓的關(guān)系[J].中國循環(huán)雜志，2007,22(4):257-259.

[2]于雅杰，高麗敏，范波，等.體重指數(shù)與高血壓、血脂異常、脂肪肝、糖尿病等因素相關(guān)性的分析[J]. 中國現(xiàn)代醫(yī)生，2008,46(30):141-142.

[3]牟寶華，徐厚蘭，耿桂飛.中老年高血壓體檢人群體重指數(shù)與血脂、脂肪肝的相關(guān)分析及護(hù)理[J]. 護(hù)士進(jìn)修雜志，2010,25(6):558-559.

[4]姚成.成年男性前列腺體積及年齡與體重指數(shù)、血清、PSA、血糖的相關(guān)性研究[D].長沙：中南大學(xué)，2012:5-6.

[5]陳春明，孔靈芝.中國成人超重和肥胖癥預(yù)防與控制指南.人民衛(wèi)生出版社,2003:1-3.

[6]關(guān)擔(dān).老年人便秘的護(hù)理[J]. 中華中醫(yī)藥學(xué)刊，2007,25(增刊):163.

[7]崔立娜.老年人便秘的原因分析及護(hù)理[J]. 中華中醫(yī)藥學(xué)刊，2007,25(增刊):153.

[8]高宏飛，王東文，曹曉明.最大自由尿流率和殘余尿在良性前列腺增生評估中的臨床意義[J]. 中華泌尿外科雜志，2013,34(8):579-581.

[9]姚勤，周瑛.單純尿流率檢測的影響因素及護(hù)理對策[J]. 中外健康文摘，2014,(8):54.

[10] 陳捷，趙秀麗，武峰，等.我國14省市中老年人肥胖超重流行現(xiàn)狀及其與高血壓患病率的關(guān)系[J]. 中華醫(yī)學(xué)雜志，2005,85(40):2830-2834.

[11] Huang J J， Yu S，Syu H Y.Development of the smart toilet equipment with measurements of physiological parameters[C]//2012 9th International Ubiquitous Intelligence & Computing and 9th International Conference on Autonomic & Trusted Computing (UIC/ATC 2012)，F(xiàn)ukuoka， Japan，2012，2:9-16.

[12] Motoi K，Ogawa M， Ueno H， et al.Development and clinical evaluation of a home healthcare system measuring in toilet， bathtub and bed without attachment of any biological sensors[C]// The 10th IEEE International Conference on Information Technology and Applications in Biomedicine,Corfu， Greece， 2010:1-4.

[13] 蔣耀軍，葛斌，嚴(yán)榮國，等.便攜式尿流率儀數(shù)據(jù)采集與測量精度的研究[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2014,31(1):69-75.

[14] 俞瀛.大范圍高精度物理量的測量方法[J]. 中國農(nóng)機(jī)化，2009，(1)：85-86.

Development of multifunctional toilet and its application in home health care

CHEN Tao, LIU Yuan, WANG Zhong-Xian, SONG Yi-Lin*

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

Abstract：Through measuring physiological information through furniture and appliances which are used in daily life, physiological information could be monitored non-invasively and unconsciously for a long time, and health conditions could be managed in daily life. It has been the developing direction of home health care. A new multi-functional toilet is intruduced which consists of a PIC18F452 MCU, four high-accuracy L6D weighing sensors, four A/D conversion devices HX711 which are 24 bit with amplifiers inside, keys, a communication module named SIM900A and a memory module named PB375A. The result shows that wide-range and high-precision measurement and multi-sensor data fusion in technology could be achieved. It will not change users’ life habit, and on this basis, it can measure weight, excretion volume and excretion rate at the same time, save the physiological information after measurement and warn users when the result is abnormal. Some high incidence diseases such as obesity and male urological diseases could be discovered, prevented and cured earlier by using the toilet. Through this toilet, reliable date can also be provided for health care.

Key words：multifunctional toilet; sensor fusion; weight; excretion volume and excretion rate; health care

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.014

收稿日期：2016-01-02

基金項(xiàng)目：國家人事部高層次留學(xué)回國人才資助項(xiàng)目(2007-171)；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(C2015025)

作者簡介：陳濤(1990-)，男，浙江諸暨人，碩士研究生，研究方向：人體生理信息的無創(chuàng)性檢測，E-mail: 692349119@qq.com；*通訊作者：宋義林(1960-)，山東榮成人，教授，博士，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程與機(jī)電一體化技術(shù)，E-mail：syl@hlju.edu.cn。

中圖分類號：TH789;TU824.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-008X(2016)01-0073-06