基于物联网技术的多功能厕纸盒系统设计.pdf

2023年/第11期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application870 引 言众所周知，厕所极易滋生细菌，不起眼的厕纸盒以及里面的厕纸长期处于潮湿环境下细菌生长繁殖速度更快，给人们身体健康带来危害。同时干燥卫生纸大多粗糙，存在无法擦干净且会对肛门造成损伤的问题，肛门四周不干净加上处在高温潮湿环境下，就会引起肛门四周瘙痒。另外，在生活中绝大部分人不会去记录自己上厕所的次数和习惯等，但上厕所的次数有时候能够反映自己的身体健康状况1。现在人们上厕所时普遍喜欢刷手机导致如厕时间过长。研究表明，上厕所的时间过长容易导致静脉曲张、便秘等问题。针对以上问题，设计了一套多功能厕纸盒系统，以期对人们如厕习惯进行改善；同时监测如厕次数以及大小便性状等，对不正常性状进行分析匹配后，向用户进行警示，提醒其去医院进行相关检查，从而实现尽早发现尽早治疗，避免从一个小病发展成为大病。该系统实时对纸盒内的纸张进行紫外线消毒，且可对纸张进行加湿，满足用户日常功能需要，保障用户的卫生安全。1 系统总体设计设计的多功能厕纸盒包含 WiFi 模块、蜂鸣模块、自动出纸模块、湿度检测模块、加湿模块和杀菌消毒模块。根据所需功能设计合理的传动方案，以单片机为基础，将所需的硬件系统和 Android 平台上开发的软件系统结合起来，针对用户上传的数据，数据库自行比对统计，监测用户如厕习惯以及健康状况，可以通过 APP 引导设置相对应的如厕习惯以及大便性状等数据；同时各项数据由 APP 实时监测，一旦发现某项异常数据即触发警示信息，提醒用户去往医院进行相关检查。产品设计流程如图 1 所示。图 1 产品设计流程2 系统硬件设计2.1 电源模块系统电源模块包括一块锂电池和一个 TP4056 充电模 块2，TP4056 是一个较为完善的单节锂离子电池，其采用恒定电流/恒定电压线性充电器。其优点在于不需 MOSFET、检测电阻器或隔离二极管，可在没有过热警报的情况下实现充电速率最大化的热调节功能。其应用电路如图 2 所示。2.2 消毒模块消毒模块由 UVC3535 深紫外线 LED 灯珠和定时电路构成，如图 3 所示。紫外线照射一小时即可达到好的杀菌效 果3，通过用户上传如厕习惯规划数据，数据经系统比对后，自动在用户大概率如厕时间前后 10 min 内开始启动紫外线灯进行消毒，避免全天消毒，减少电量损耗。通过对 PA1、PA2 即 GPIOA.1、GPIOA.2 引脚的配置和操作，设置低电平基于物联网技术的多功能厕纸盒系统设计张华强，刘 明（南通大学 杏林学院，江苏 南通 226236）摘 要：传统厕纸盒功能单一，满足不了用户需求；且纸张在潮湿环境中极易滋生细菌，容易引发健康问题。为此，设计了将传统的厕纸盒与物联网技术相结合的系统。以单片机为基础，通过智能终端（手机、电脑、平板）、物联网云网络以及传感器模块，实现了杀菌、厕纸加湿、大便性状比对、如厕时间自定义提醒、如厕次数监测功能。测试结果表明，所设计的多功能厕纸盒能够满足用户大部分需要，在一定程度上可以保障人们的卫生健康。关键词：智能家居；图像识别；物联网；单片机；厕纸盒；疾病预防中图分类号：TP391.9；TS976；R126 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）11-0087-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.11.024收稿日期：2023-02-05 修回日期：2023-03-02基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（202213993015 Y）；南通市科技计划项目（JC22022085）物联网技术 2023年/第11期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application88LED 点亮，高电平 LED 熄灭。定时器发生中断时间计算方法：TPCf=+()()11 （1）式 中：T 为 定 时 时 间；P 为 Prescaler 分 频 预 设 值；C 为Counter Period 计数器周期；f 为定时器时钟频率。图 2 TP4056 应用电路图 3 紫外线灯连线2.3 自动出纸模块自动出纸模块由红外传感器、US-100 超声波测距传感器和步进电机构成4。红外传感器感应到用户时，启动步进电机，带动卷纸纸筒转动实现出纸；同时超声波测距传感器测量卷纸距离，通过用户设置可调节出纸长度。出纸长度控制由电机转动角度实现，公式为：nLDd=2360()（2）式中：D 为卷纸轴到纸张数检测传感器的距离；d 为此时传感器检测的距离；L 为出纸长度；n 为一次转动的角度。2.4 加湿模块加湿模块由 DHT11 湿度传感器5和雾化喷头构成，DHT11 原理如图 4 所示。用户触发取用湿纸巾信号，则单片机发送一个初始信号后，DHT11 从低功耗模式切换到高功耗模式；等待主机初始信号结束后 DHT11 发送响应信号，送出 40 bit 的数据，并触发一次信号采集；将采集的数据与湿度设定值比对，如果未达到则开启雾化喷头，并再次采集，直到达到设定值，雾化喷头关闭。图 4 DHT11 原理2.5 蜂鸣模块蜂鸣模块主要用于声音提醒警示，该模块使用的是电磁式蜂鸣器，当电流通过电磁线圈时，电磁线圈上产生磁场来驱使振动膜发出声音。因单片机的 IO 引脚输出电流较小，输出的 TTL 电平驱动不了蜂鸣器，因此增加一个电流放大的电路，通过一个三极管 C8550 去放大电流驱动蜂鸣器。其电路如图 5 所示。图 5 蜂鸣器电路2.6 WiFi 模块WiFi 模块采用 ESP8266 WiFi 模块6，是一款超低功耗的 UART-WiFi 透传模块，可以让用户的外部设备连接到WiFi 无线网络上进行通信，从而实现联网功能。ESP8266内置 TCP/IP 协议栈，且支持多路 TCP Client 连接，有多种Socket AT 指令，且内置 32 位 MCU，可兼作应用处理器，能耗低，适合电池供电，通常应用 3.3 V 电源供电，广泛应用于智慧电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。2.7 触摸屏模块触摸屏模块采用四线电阻触摸屏7，可以使用电容笔、手指、手套等多种触摸介质，能抵抗液体、食物残渣和各种杂质，对各种不同程度的污染具有很强的适应性，在拥有稳定性和可靠性的同时，具有轻便易组装和低成本等特点。3 系统软件交互功能设计3.1 蜂鸣模块软件交互蜂鸣模块通过用户在 APP 端设定的如厕时间，设定时间2023年/第11期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application89到了触发信号，P1 脚高电平触发信号，蜂鸣器发声提醒用户时间，避免用户上厕所时间过长。同时当电源模块电量过低时触发报警声音。3.2 触摸屏功能设计触摸屏界面包括三个版块：用户登录、数据设定、信息录入。用户使用触摸屏时首先进行登录选择，用以确认用户身份，匹配相对应的用户数据，登录后进入到大小便选择，小便直接进入信息录入界面，大便则进入数据设定 界面。在此选择默认 APP 以往数据设定还是自主更改设定，用户选择自主更改设定则进入到：如厕时间设定、纸巾湿度设定以及紫外线快速消毒设定。待用户如厕完后进入信息录入界面进行大小便性状和时间数据录入。首先使用BitmapConverter 软件将 bmp 图片资源生成相应的.c 文件；使用 FontConverter 软件将字体文件材料生成相应的.c 文件；使用 GUIBuilder 软件将用户自设计可视化窗口和控件材料生成相应的.c 文件，再用 VS 开发应用程序去绘制背景层、layer0 层、layer1 层并进行调试，最后将应用程序植入STM32 MCU 开发平台。3.3 APP 功能设计APP 开发界面基于微信小程序开发平台，包含四个版块：用户登录、数据设定、信息录入与更改、告警及就医推荐。用户使用微信小程序登录，在主界面有数据设定、信息录入与更改、告警及就医推荐三个模块：用户可以选择数据设定，设定相关如厕时间、纸巾湿度、紫外线消毒等功能；也可以点击信息录入与更改模块，查看历史如厕信息，上传大便性状照片等；在告警及就医推荐模块可以浏览各类健康相关常识，如果系统监测用户如厕习惯和大小便性状不正常，则会触发告警，弹窗通知用户及时就医检查以及就医检查挂号相关信息等。图 6 为小程序界面。图 6 小程序界面3.4 数据处理功能3.4.1 大便颜色识别设计大便颜色识别设计主要是对大便图片的颜色进行识别比对。从网上下载保存医学上常见的五大类颜色（红、黄、白、黑、绿）的大便图片，一般的大便图片背景多为白色，运用色彩比对从中识别出大便图像部分，将其划分为训练集、验证集和测试集，针对样例图片过少而带来的泛化能力不足问题采用旋转、放缩、拼接、翻转操作对训练集进行扩增8。通过 MATLAB 使用 readdir 函数将训练集图片全转化为等宽高的 227 像素 jpg 格式图片。图 7 为训练集红色大便原图片，图 8 为转换完格式的红色大便图片。加载 ImageNet 预训练的网络模型，这里采用的 Alexnet 模型9由 5 个卷积层、3 个池化 Pooling 层和 3 个全连接层构成。其结构与 LeNet 类似，但其使用了更多的卷积层和更大的参数空间去拟合大规模数据集 ImageNet，解决了 Sigmoid 的梯度消失问题，使收敛更快。加载图像，修改其地址并划分训练集和验证集，因为原始网络全连接层的 1 000 个输出，不适用于设计所需的分类任务，所以在这里替换生成新的网络。对数据集进行扩增，将 MaxEpochs 设定为 20，即训练 20 次。训练过程如图 9 所示；图 10 为训练结束时的图片；图 11 为各颜色组别训练完成结果。从图 9、图 10 来看，训练完的 net 网络对大便颜色识别的准确度达标，将其保存。分析图 11，其红色输出类占比略低于其他四组，分析后得出结论：红色训练集图片数量少于其他四组。但其对识别结果准确度的影响可忽略 不计。图 7 训练集红色大便原图片图 8 训练集转换格式后红色大便图片图 9 训练过程物联网技术 2023年/第11期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application90图 10 训练结束图片图 11 各颜色组别训练完成结果3.4.2 测试识别结果在 MATLAB 调用 webcam 插件进行辅助实验10。通过插件调用电脑摄像头进行循环拍摄，设置画面图片格式；加载训练的 net 网络，对拍摄图进行颜色识别分类。结果如 图 12 所示。从识别结果来看，其对每种大便的颜色识别基本无误，该训练网络模型对大便颜色识别的准确度满足厕纸盒功能设计需要。3.5 用户使用数据分析使用 SQL Server 管理系统工具，建立数据库，将用户上传的如厕信息数据录入数据库，进行数据分析；对用户 15天的大便次数进行常态化分析，得出用户大便规律次数及时间作为基础数据用来判断大便次数是否异常。图 12 测试识别结果4 结 语多功能厕纸盒系统具有多个功能版块，能够满足用户需要，摒除当前传统厕纸盒的弊端，实时监测模块通过分析用户如厕次数、时间以及大便性状等，根据大便习惯变化以及其颜色帮助人们在早期发现肠胃消化道类疾病，提醒人们及时就医，避免病情延误，很大程度上保障了人们的身体健康。注：本文通讯作者为刘明。参考文献1 王冰.预防结直肠癌 勿忽视患者大便性状改变 J.中国社区医师，2010，26（43）：4.2 邓甜甜，王晴晴，陈进，等.基于单片机的农业大棚数据采集以及远程监控 J.物联网技术，2022，12（1）：10-11.3 陶利.浅谈潮湿环境紫外线空气消毒的有效时间 J.中国卫生标准管理，2016，7（4）：182-183.4 叶秀斌.一种卫生纸智能出纸装置：CN206365842UP.2017-08-01.5 宋江明，刘心蕊，张铭朗，等.基于 STM32 的温湿度检测系统设计及实现 J.机电工程技术，2020，49（7）：158-159.6 马媛.基于 ESP8266 的无线通信系统设计 J.电子测试，2022，36（5）：44-46.7 应朝龙，王诚成，周亮，等.触摸屏控制器设计 J.国外电子测量技术，2009，28（9）：71-74.（下转第95页）2023年/第11期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application95一段时间（如 5 min）检测不到站房内有人员时，自动关灯；（3）电气开关室内无人时，自动停用区域监控摄像机，仅保持固定摄像机开启，以最低能耗实现 24 h、全方位无死角监控。8 结 语传统发电厂的电气开关室由于大多建成时间较早，缺乏有效的安全管理系统和机制。站房全景感知系统利用传感器、无线通信、人工智能等先进的物联网技术，不仅可以从环境和设备运行状态等方面对站房进行实时监测，采用具备边缘计算功能的智能网关本地进行简单的联动控制，还可以优化电气开关室现有的门禁和视频监控系统，弥补人员管理方面存在的安全漏洞，提升出入站房及特定区域操作的规范性和可追踪性，杜绝设备误操作风险。同时，该系统还在整体设计中加入灵活的传感器通信频率配置及部分设备的节能运行策略，有效降低了系统能耗。最后，该系统采用模块化设计，不仅适用于发电厂的电气开关室，还可根据不同场景（如变/配电房、仓库、车间等）增减终端设备，满足客户定制化需求，具有较为广泛的应用前景和推广价值。注：本文通讯作者为安欣睿。参考文献1 刘刚.火力发电厂汽轮机常见故障分析与检修研究 J.中国设备工程，2022，38（2）：43-44.2 王谦君，王珏.发电厂电气设备的维护与管理分析 J.集成电路应用，2021，38（8）：106-107.3 吴文杰.发电厂电气设备安全运行的管理及维护措施探究 J.大众标准化，2021，40（12）：218-220.4 郭凯华，董明，姜春雨.物联网技术在发电厂 220kV 隔离刀闸无线测温的应用 J.中国新技术新产品，2021，29（22）：85-87.5 刘春雨，贾启月，郭占纬，等.基于工业物联网技术的设备检测系统在火电厂的应用 J.电力设备管理，2020，5（6）：80-82.6 张飞，丁光，付强，等.基于物联网的发电厂智能安全管控系统 J.电力安全技术，2020，22（9）：15-18.7 张帅，郑金龙，李猛，等.一种基于嵌入式处理器的多协议网关设计 J.电子制作，2022，30（7）：13-17.8 孙国辉，李佳奇，李超民.可视化多协议网络数据传输系统 J.科技创新与应用，2021，11（34）：48-51.9 高丽，王杨，赵翼，等.基于体域网的低能耗多协议转换网关设计 J.计算机技术与发展，2021，31（8）：76-81.10 国家电网有限公司.输变电设备物联网微功率无线网通信协议：Q/GDW 12020-2019 S.北京：中国标准出版社，2020.11 国家电网有限公司.输变电设备物联网节点设备无线组网协议：Q/GDW 12021-2019 S.北京：中国标准出版社，2020.12 郭清彬，高清林，林建军，等.基于物联网技术的配电室巡检系统的设计 J.电力系统装备，2020，19（17）：4.13 石初，杨开九，吉小亮，等.配电室巡检机器人室内挂轨式巡检机器人解决方案 J.无线互联科技，2021，18（20）：106-107.14 蒋雄杰，沙万里，芮杰，等.智慧电厂挂轨机器人巡检管理系统的开发与应用 J.自动化与仪器仪表，2018，38（9）：153-155.15 孙川，王春芳.寻轨机器人用无线充电系统的研究 J.电源学 报，2018，16（6）：137-142.16 雷海斌.火力发电厂电气设备安全管理及防范探讨 J.中国高新区，2018，18（6）：154.17 赵俊平.火力发电厂防范人身伤害事故的措施 J.企业改革与管理，2020，28（21）：217-219.18 袁洪涛，李鹏辉.基于物联网技术的电厂现场安全综合管理系统研究 J.上海电力学院学报，2019，35（5）：498-502.19 谷小峰.智能安全防护系统在火力发电厂安全管理中的应用 J.科技创新导报，2019，16（30）：131.20 刘志钢，张怀宇，王晨瑜.基于深度学习技术的火力发电厂安全预警系统研究 J.中国设备工程，2020，36（23）：193-194.21 韩啸虎，凡荣，张健.一种基于物联网、信息化的施工现场人员管理技术与应用研究 J.电子元器件与信息技术，2019，3（12）：33-34.作者简介：夏 杰（1968），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统能源企业管理。安欣睿（1989），男，博士，研究方向为物联网技术在电力行业的应用。吕兆俊（1972），男，工程师，研究方向为电力系统电气、继电保护的技术管理。金旭明（1972），男，本科，工程师，研究方向为电力系统电气设备管理及维修。8 马睿，王佳，赵威，等.基于卷积神经网络与迁移学习的玉米籽粒图像分类识别 J.中国粮油学报，2023，38（5）：128-134.9 蒋力顺，董志学，胡潇，等.基于卷积神经网络的黄瓜病害识别研究 J.计算技术与自动化，2022，41（2）：153-157.10 张居一，李凯扬.使用网络摄像头估计生理参数的检测系统 J.信息技术，2022，46（4）：13-21.作者简介：张华强（2001），男，本科，研究方向为物联网技术。刘 明（1981），男，硕士，副教授，研究方向为群智能与智能控制。（上接第90页）