劉少波，劉 炯，黃昌偉，丘明民，郭維擁，彭 劍

（韶關學院 信息工程學院，廣東 韶關 512023）

0 引 言

傳統(tǒng)的尿不濕是一次性護理用品，功能簡單。使用傳統(tǒng)尿不濕時父母無法及時準確地掌握更換尿不濕的時間，換得太早，會造成浪費；換得太遲，可能造成護理不周，嬰兒長時間包裹臟尿片，會刺激嬰兒局部皮膚，由于尿布濕透氣性差，容易引起尿布疹等皮膚病。為了解決這一實際問題，本文重點關注電子尿不濕產品，在尿不濕上增加尿濕檢測裝置，實時對嬰兒的尿濕情況進行檢測；并通過手機APP報警方式提醒監(jiān)護人更換尿不濕；除此之外，還增加了溫度檢測、哭鬧檢測、智能哄睡與大數據預判嬰兒排尿時間等功能，科學有效地保障嬰幼兒的健康。因此，電子尿不濕的研發(fā)既能為嬰幼兒健康成長提供安全保障，又能釋放家長的育兒壓力；同時還可以避免浪費，其可拆卸性更符合當下的環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展理念。

1 系統(tǒng)的硬件設計

1.1 開發(fā)板硬件設計

本系統(tǒng)選用主控為國產操作系統(tǒng)RT-Thread的開發(fā)板ART-PI，其搭載的主控芯片是基于高性能ArmCortex-M7 32位RISC內核的STM32H750XBH6芯片，工作頻率高達480 MHz；其開發(fā)板集成了AP6212（WiFi+Bluetooth）通信模塊、SDRAM（32 MB）、SD卡等豐富硬件資源；另外還有工業(yè)拓展和多媒體拓展接口，資源豐富，易于拓展。系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框架

1.2 系統(tǒng)驅動設計

驅動程序是通過程序控制硬件實現某種功能的代碼。硬件與軟件之間存在連接的中間件是寄存器，軟件工程師可以通過閱讀芯片的數據手冊，操作相關、具體的寄存器來控制硬件進行工作。該項目運用RT-Thread Studio集成開發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建的板載工程已經包含了ART-PI的BSP，上面有豐富的組件和軟件包，有相對完善的外設驅動，開發(fā)者可以使能相應的驅動，直接調用封裝好的API函數完成芯片的操作，因此可大大降低開發(fā)的難度、縮短周期。對于有某些特殊應用需要的使用者，也可以自行修改、添加驅動代碼，以更好地實現驅動開發(fā)。

本系統(tǒng)用到的硬件模塊有OV2640攝像頭、DHT11模塊、AP6212通信模塊。在RT-Thread Studio可以找到相應的軟件包，設置好I/O定義，即可調用軟件包中的API函數進行應用層的開發(fā)。

OV2640是CMOS類型數字圖像傳感器。該傳感器支持輸出最大為200萬像素的圖像（1 600×1 200分辨率）；支持使用VGA時序輸出圖像數據，輸出圖像的數據格式支持YUV（422/420）、YCbCr422、RGB565以及JPEG格式，直接輸出JPEG格式的圖像時可大大減少數據量，方便網絡傳輸。在相應的驅動程序中，先在驅動程序中使能初始化相應I/O，采用模擬IC，使能DCMI和DMA中斷，采用DMA雙緩沖來接收JPEG數據流，并將這些數據及時搬運到外部SRAM。

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性。程序設置可以通過函數定向設置其連接接口位，再根據通信時序，寫出喚醒函數即可。喚醒之后可直接獲取指定接口的溫濕度數值。

AP6212是正基AMPAK推出的一款低功耗、高性能的WiFi+BT4.2模塊。該模塊符合802.11b/g/n標準，其中WiFi功能采用SDIO接口，藍牙采用UART/I2S/PCM接口，可以實現采用SD卡，或者藍牙、終端輸入等形式進行配網。

1.3 主要功能設計

通過構造好的尿不濕貼直接貼在普通尿不濕或專用適配的尿不濕上，使尿不濕更加智能化，同時可以重復利用，降低使用成本。圖2為電子尿不濕硬件端結構。加入WiFi+藍牙雙模通信模塊，既能連接上云端服務器，又能在斷開藍牙時提醒監(jiān)護人。利用多種傳感器采集多種信息，上傳到云端服務器，并針對不同信息作出不同處理。利用小喇叭輸出SD卡中存放的“噓噓”提示聲、哄睡音樂等，對嬰兒進行安撫。

圖2 電子尿不濕結構

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 設計思想

電子尿不濕APP是基于Android平臺開發(fā)與實現的，手機APP功能采用了MVC的設計模式，開發(fā)語言主要為JAVA。尿不濕APP的設計能夠讓使用者方便快捷地獲取到嬰幼兒的具體信息，設計流程主要有兩個步驟：①Android端連接云端服務器，通過向云服務器發(fā)布主題，Android訂閱獲取嬰兒的各種信息并將其顯示在手機上；②接收到電子尿不濕發(fā)來的坐標信息，手機APP調用百度地圖API實現嬰兒定位功能。圖3為設計APP的流程。

圖3 設計的APP流程

2.1.1 連接云端服務器

通過訪問云端服務器URL，添加訪問方式頭部、用戶名、密碼以及相應的主題訂閱，并對返回的數據進行類型轉換；其次是發(fā)送命令主題到設備，需要將發(fā)送的命令轉換成JSON格式，并將其封裝再打包進行發(fā)送。使用OkHttp3包中的類可以完成上述操作從而實現對設備進行下發(fā)命令和獲取數據等操作。連接服務器主要代碼如圖4所示。

圖4 連接服務器主要代碼

2.1.2 獲取地圖位置

Android設備獲取位置可以使用GPS和Android網絡位置提供器，獲取位置信息時要解決的問題有多種位置源（GPS、基站、網絡定位）、用戶的移動（室外到室內、信號強到信號弱）、變化的精度（從室外到室內的移動過程中如何保持精度不變或者擇優(yōu)地進行精度選擇）。Android通過android.location包中的類為應用程序提供定位服務。根據GPS顯示自身位置信息，再通過調用百度地圖API初始化SDK，將獲取到的電子尿不濕所在的經緯度信息顯示在手機APP中。本項目將地圖功能集成到應用中，API自動處理對百度地圖服務器的訪問、數據下載、地圖顯示和在地圖上觸控手勢。獲取經緯度以及轉化為地圖的主要代碼如圖5所示。

圖5 獲取經緯度以及轉化為地圖的主要代碼

2.2 功能介紹

為了讓寶寶健康，父母安心，該APP的主要功能設計如下：

（1）手機APP尿濕警報功能：當嬰兒排尿或者排便時，手機APP會自動智能提示和消息彈窗提醒父母更換尿不濕，并且顯示尿不濕使用率為100%。

（2）手機APP尿濕記錄功能：系統(tǒng)記錄嬰兒排尿或者排便的時間與頻率，并將結果反映在手機APP上，父母可通過手機APP了解嬰幼兒的狀態(tài)，實時觀察嬰兒的生理變化，并做出相應的準備工作。

（3）防走丟智能提醒：手機APP與尿不濕硬件系統(tǒng)通過藍牙無線連接，當尿不濕遠離手機時，手機APP會發(fā)出警報提醒父母，并在位置信息中顯示尿不濕所在的位置。

（4）手機APP尿濕預測功能：可根據云端服務器大數據得出檢測結果，預測大小便時間，顯示在手機APP功能界面，并發(fā)出警報提醒父母及時更換尿布。

（5）一鍵哄睡功能：通過點擊APP上的一鍵哄睡按鈕，系統(tǒng)將自動播放音樂，此音樂采用仿母體環(huán)境安撫，音樂節(jié)奏近似于羊水的流動，高度模擬出母親懷孕時的子宮環(huán)境，使嬰兒感到安全、舒心。

2.3 界面設計

2.3.1 主界面設計

如圖6所示，主界面主要有電子尿不濕電量提醒、位置信息顯示、下一次尿濕時間預測等功能模塊。電子尿不濕電量信息：顯示于整個界面的最上方，電量信息實時更新，一目了然。位置信息：通過此功能能夠隨時隨地掌握電子尿不濕佩戴者的位置信息。下一次尿濕的時間：位于界面的最中央，監(jiān)護人可根據預測的時間及時為嬰幼兒更換尿不濕。

圖6 主界面

2.3.2 尿濕記錄界面設計

如圖7所示，系統(tǒng)采用了文本編輯的方式展示了嬰幼兒的尿濕情況。當嬰兒尿濕時，相對應的框內就會記錄嬰兒尿濕的時間。通過采用文本模式記錄尿濕，能把數據簡潔明了地展現出來。

圖7 尿濕記錄界面

3 系統(tǒng)大數據分析介紹

3.1 云服務器的選型及使用

云服務器采用了阿里云ECS云服務器，它是一種彈性可伸縮的云計算服務器，其優(yōu)秀的硬件資源能夠保證系統(tǒng)長時間不宕機，并且具有高穩(wěn)定性、強彈性、高安全性、高性能、易用性等特點，用戶可以很方便地通過ECS提供的控制臺、API等方式連接阿里云ECS并進行管理。

數據庫采用的是阿里云RDS云數據庫，這是一種穩(wěn)定可靠、可彈性伸縮的在線數據庫服務，基于阿里云分布式文件系統(tǒng)和SSD盤高性能存儲。相對于其他數據庫而言，其在性價比、可用性、可靠性、易用性、性能等方面具有很大的優(yōu)勢。價格相比ECS自建數據庫，僅約為它的1/3；相比自購服務器搭建數據庫，僅約為它的1/10。

ECS云服務器可以為Web端提供接口，讓外界通過互聯網訪問，RDS云數據庫為Android端APP提供了數據存儲上傳的接口。在云服務器中接入數據分析程序接口，實現在JavaWeb端與Android端展示數據分析圖表與預測結果。

3.2 大數據技術的使用

系統(tǒng)接收電子尿不濕的數據，存放在云服務器中，云服務器將對數據進行分析，并進行數學建模，由此可預測未來幾天里某個時間段內嬰兒可能發(fā)生的各種狀況。目前云服務器采集的數據有：嬰兒的大小便頻率以及時間。由于嬰兒的入眠時間、大小便頻率可能與多方面的因素有關，與日常作息也息息相關，因此云端服務器會根據用戶在APP上提供的資料，在云服務器中找到最適合該嬰兒的大數據模型，進行數學建模。收集嬰兒的相關數據，經過分析后對建立好的模型進行完善，建立一套最適合該嬰兒的大數據模型。另外，還將建立一個大數據中心，將多個用戶的數據模型組合起來，新用戶注冊時系統(tǒng)將根據大數據中心里與用戶最相似的數學模型進行賦值，以求給予用戶最快速、最準確、最貼心的服務。電子尿不濕大數據中心包括以下三個層次：

（1）嬰兒大數據采集與存儲層：主要是研究和制定電子尿不濕大數據采集和管理、嬰兒基礎數據的采集與存儲以及嬰兒信息服務數據的采集與存儲標準，這是完成數據分析與應用的基礎。其中數據采集和存儲管理的標準化才能實現各系統(tǒng)之間的共享，進而實現大數據的精確分析與科學應用。

（2）嬰兒大數據分析平臺層：主要研究如何利用大數據技術對電子尿不濕基礎數據、專項數據進行分析，包括分析用戶的資料信息等基礎數據以及嬰兒的大小便頻率、入眠時間、尿液、嬰兒哭聲等專項數據。

（3）嬰兒大數據應用層：主要應用大數據分析的結果預測嬰兒基礎數據模型、嬰兒未來的入眠時間、嬰兒的大小便時間等。用戶在打開手機APP時，可直觀地看到應用層信息，幫助用戶更合理地支配時間。

3.3 模型設計

已有學者在近年來對不同年齡段嬰兒的大小便相關數據進行采集和分析，發(fā)現在正常情況下，嬰兒大小便頻率總是圍繞在一個時間點內上下浮動，符合正態(tài)分布；不同月齡的嬰兒時間點會略有不同，并且每一次的時間總是與前幾次的時間相關，越靠近某一次的次數對這次的時間影響越大，離本次很遠的次數影響系數很小，可忽略不計；特殊情況下，也會對整個數據模型產生較大的影響。研究者未將生病、大小便失禁的嬰兒納入統(tǒng)計范圍內。

依據上述理論，本項目基于多項式預測模型建立了一個可預測大小便模糊時間的模型，并在已有基礎上進行了步驟方面的改進，使得預測結果變得更加可靠。由于目前國內外并沒有機構整合出嬰幼兒尿濕相關數據，所以此次未設置相應維度與其他外界因素，所依據的樣本來自項目小組對自身周邊嬰幼兒尿濕狀況的調查，調查情況如圖8所示，因此大數據預測出來的結果會有所偏差。

圖8 嬰幼兒尿濕狀況調查

根據數據，繪制了某個嬰兒在100天內大小便時間變化圖，如圖9所示。圖10為擬合后的效果。

圖9 嬰兒在100天內大小便時間變化

圖10 擬合效果

4 結 語

本項目設計了一款電子尿不濕，其采用了電子傳感技術、大數據分析技術與手機軟件連接服務器等技術，打破了傳統(tǒng)尿不濕單一的功能，彌補了及時性欠缺的短板，減少了尿不濕的浪費，增添了尿濕時間預測、智能哄睡、嬰兒防丟等創(chuàng)新功能，還擁有易于拆卸與安裝的特點。電子尿不濕作為一款集智慧、環(huán)保、便攜為一體的尿濕監(jiān)控系統(tǒng)，完美地契合了市場的需求，具有相當大的發(fā)展前景。當然本項目也存在不足之處，如在預測嬰兒尿濕的模型中因資料有限導致的樣本數據過少等問題，從而導致預測出來的數據與現實有偏差。希望在后續(xù)的研究中，可以收集到更多的樣本數據，開發(fā)出更精確的數據模型。