基于单片机的便后检测提醒系统设计.pdf

De研制开发14Modern Instruments&Medical Tr2024.Vol.30No.1基于单片机的便后检测提醒系统设计李艳娜宫英楠庆竹？夏慧琳*（1.内蒙古自治区人民医院医学工程处，呼和浩特0 10 0 17；2.内蒙古医科大学计算机信息学院，呼和浩特0 10 0 17）【摘要】随着我国进入人口老龄化社会和三胎政策的实施，失能老人和新生儿数量大幅增加，这些特殊人群的增加，其便后清洁护理的问题给本人及看护人带来一定困扰。本研究针对失能老人和新生儿的便后清洁护理问题研发一种基于51单片机的便后检测提醒系统，主要由控制模块、检测模块、蓝牙模块和报警模块四部分组成，温湿度传感器和硫化氢传感器负责检测大小便状况，单片机负责数据的收集与处理，蓝牙模块实现与手机端的通信，在检测到使用对象大小便后，报警蜂鸣器能够及时提醒看护人帮助其进行便后清洁，避免使用对象因便后清洁不及时而造成的失禁相关性皮炎等疾病。该系统具有精度高、成本低、使用方便等优点。【关键词】单片机；温湿度传感器；硫化氢传感器；便后检测提醒【中图分类号】TH77;TP368【文献标志码】A【D O 110.11876/mimt202401004sign of post-defecation detection reminder system based on single chip microcomputerLi Yanna,Gong Yingnan,Meng Qingzhu,Xia Huilin(1.Department of Medical Engineering,Peoples Hospital of Inner Mongolia Autonomous Region,Hohhot O10017,China;2.School of Computer and Information,Inner Mongolia Medical University,Hohhot 010017,China)Corresponding author:Xia Huilin,E-mail:nmyyxhl AbstractWith the aging of population and the implementation of the three-child policy,the number of disabled elderly andnewborns has increased greatly.The increase of these special groups has brought some troubles to themselves and their caregivers.Thisresearch aims at the problem of cleaning and nursing disabled elderly and newborn after defecation,and develops a detection systembased on 51 MCU,which is mainly composed of four parts:control module,detection module,Bluetooth module and alarm module.Temperature and humidity sensor and hydrogen sulfide sensor are responsible for detecting defecation and defecation,MCU is responsiblefor data collection and processing,Bluetooth module realizes communication with mobile phone terminal,and after detecting defecationand defecation of the user,The alarm buzzer can remind the caregiver to help him clean after defecation in time,so as to avoid diseasessuch as incontinence related dermatitis caused by the failure of the user to clean in time after defecation.The system is unique in highprecision,lowcost,and easy touse.KeywordsSingle chip microcomputer;Temperature and humidity sensor;Hydrogen sulfide sensor;Post-poop detectionreminder基金项目：内蒙古自治区科技成果转化专项资金项目（2 0 2 1CG0052）；内蒙古医科大学英才培育项目（YCPY2023045）第一作者：李艳娜，女，硕士研究生，工程师，研究方向：生物医学工程，E一mail：z h e n g _x q i n 16 3.c o m通讯作者：夏慧琳，女，博士研究生，研究员，主任技师，研究方向：临床医学工程、仪器设备、医学影像等，E-mail：n m y y x h l 16 3.c o m15现代仪器与医疗2 0 2 4年第30 卷第1期我国第七次全国人口普查显示，预计到2 0 2 3年我国将进人中度老龄化阶段，再过十年，将进入重度老龄化阶段，六十岁及以上人口总量将超4亿，占总人口30%以上1.2 。老年人口基数的不断增加，使生活能力受限的老人群体数量也不断扩大。与此同时，我国实行了三胎生育政策，这意味着不久的未来中国婴儿的数量也将会大幅增加3。这两类特殊人群数量的骤增给看护人员带来很大压力，特别是由于婴儿神经系统尚未成长完善，大小便不能控制，时间无法预知，他们也无法及时反馈自己的排便情况，如果看护人员没有及时注意清理，很容易造成尿液、粪便长时间接触人体皮肤，使得皮肤过敏、湿疹、失禁相关性皮炎等疾病的发生4-6 ，尤其婴儿抵抗力差，容易由于尿湿引发感冒、支气管炎等问题，给婴儿和失能老人带来痛苦。为得到看护对象的排便信息，看护人往往需要不定时的反复查看，尤其夜晚影响休息，还有可能不能及时为看护对象及时便后清理。因此，看护人及时得到排便信息并清理是至关重要的。当前已有的相关产品多为仅能进行尿湿报警7，日本Yoshimi团队开发了一种检测大便的系统，并提出了基于阅值和传感器的算法8 ，但目前对大小便能够同时监测报警的产品非常少。本研究设计开发了一种便后检测提醒系统，在检测到使用对象大小便时，通过蜂鸣器报警帮助看护人及时获取使用对象排便的信息，可以帮助看护人避免反复查看，准确了解排便状况，以便及时帮助其进行大小便的清洁，降低失禁相关性皮炎发生的同时还能让看护人有更好更轻松的休息状态1系统的整体设计1.1总体方案设计系统主要由硬件软件两部分组成，硬件部分主要由控制模块、检测模块、蓝牙模块和报警模块构成。软件部分主要是各种数据转换及通信程序的设计。首先温湿度传感器和硫化氢气体传感器实时监测使用对象的大小便情况，其次将检测到的数据发送到控制器模块中，然后控制模块将收到的数据与提前设定的阈值对比，若高于阈值则判断为使用者排便，从而报警模块开始蜂鸣器报警。总体设计图如图1。DHT11温湿度蓝牙无线实时数据采传感器通信集与查看51单片机控制器MQ135硫化氢蜂鸣器传感器报警数据采集数据处理数据呈现图1系统总体设计框图1.2硬件设计1.2.1控制模块控制模块选用STC89C52单片机，它是STC公司生产的一款低功耗、高性能8 位微控制器STC89C52RC用的是经典的MCS51内核，但又通过改进使其具有传统51单片机不具备的功能。其主要参数特性包括：8 K字节的ROM；512 字节的RAM；具有EEPROM功能；工作电压：5V单片机为3.3 5.5V3V单片机为2.0 3.8 V；两个16 位的定时/计数器，即TO,T19.0)1.2.2检测模块（1）D H T 11温湿度传感器：DHT11温湿度传感器（如图2）包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，它利用数字采集技术和温湿度传感技术将感湿元件和测温元件采集的信息以电压值的形式传输给单片机，单片机再根据公式将其转化为温湿度数值。DHT11是4引脚单排引脚封装，结构简单，有利于安装操作。DHT11与控制器电路连接简单，只需将其DATA引脚与控制器上任一CPIO（通用输入输出）口的引脚连接并通信即可1.12 。其体16Modern Instruments&Medical Treatm024.Vo1.30No.1积小，反应灵敏，方便便后检测系统的制作，且可将传感器植人靠近皮肤的位置，异物感小，图2DHT11温湿度传感器（2）M Q 135硫化氢传感器：MQ135传感器（如图3）可以监测到大便所散发出的硫化氢气体，工作原理是其传感器原件上涂有一层对硫化氢气体极为敏感的材料，当散发的气味超过预设的上限后，该材料会发生物理上电阻阻值的变化，引起电路中电平的变化13.14 。单片机检测到该电平变化后，便可做出相应的反应图3MQ135硫化氢传感器1.2.3报警模块本系统采用的报警模块是蜂鸣器1151（如图4），若当前温湿度值或硫化氢浓度值超过所设定阈值时，单片机即发送相应指令驱动蜂鸣器1.2.4蓝牙模块本系统采用的蓝牙模块是HC0 6，连接系统与手机之间的通信。其采用串口透传，数据传输稳定可靠，具有较高的数据传输效率并且配置简单，通信距离约为10 m16HC-06蓝牙模块可直接接入常见的单片机，且自带的LED灯可判断蓝牙是否成功连接。图4蜂鸣器1.3软件设计系统的软件设计结构决定了系统的主要功能，在对整个系统程序设计前，先按照整个系统的基本结构确定程序的总体流程，然后再设计程序中的具体子功能，最后再进行功能之间的连接设计，以此构建完整系统。该系统软件流程如图5所示。软件的开发环境是KeilVision5，图6 为部分程序代码。开始系统初始化温湿度传感器和硫化氢传感器采集数据N单片机读取数据并做出指令是否超过阅值蜂鸣器报警结束图5系统软件流程图17现代仪器与医疗2 0 2 4年第30 卷第1期FleEditVewProjectFlashDebugPeripheralsToolsSVCSWindowHelp作Target1Projedmainc福STARTUP.AS1Project:188Target189vo1dmain()SourceGroup19091STARTUP.A51beepo;92UartConfigurationInit():1/?main.c93while(l)94白95zh：96DHTll_receive():97Poststring(Temp:);/温度98IntConversionChar(temp):99delay(2so):100Postsering(Hum:)1/温度101IntConverslonChar(huml):102delay(25o):103Poststring(M:):104IntConversionChar(Out):105delay(250):BulldoutputEIOZ:Project1zequirescslToolchainwhichisnotinstalled.图6部分程序代码2整体组装及调试2.1硬件清单检测模块：DHT11、M Q 135；蓝牙模块：HC-06；控制模块：STC89C52、PCF8 9 51；报警模块：蜂鸣器；其他：万能版、USB转TTL、杜邦线若干等。2.2硬件组装图7 为本系统总电路设计图，依据此图对各硬件进行焊接。C1U1X1XTALIPO.DIADO1.0502M82PO1/ADIPO2/AD2XTAL2PO3AODRV1PO.4/ADAPO.SIADSPO6/ADORSTPO.IAOTP2.O1AS21R1P21/ASP22/A10PSENP23AP2.4/A12工PVAI32P26/A14P271A15P1OTZP3ORXDPI.VT2EXP3.1TXD12P32NTBLOCK-Q一EXTVREFU2PPLNYOSCAGNDPPA/TO15P1SP35T1PCFB501DATA10GNDPP.7RDANDHT11Q1NPNBUZ1BUZZER报营电路图7系统电路设计图依次完成各个模块的电路设计、制板、焊接和组装后，最终实物如图8（a-b)所示。分别对各个模块进行调试，各个测试功能正常后，将各个模块组合起来联调。系统整机工作正常，对系统功能进行测试。将系统蓝牙与手机蓝牙连接，在手机APP上即可实时观测到温湿度和气体浓度数据，如图8 c所示18Modern Instruments&Medical Treatm2024.Vol.30No.1abHC-06已海馆蜂鸣器TX:O-21m1u:261HLE15Mg6HC-06*Tem.26-HuT1:15Mq611m15*Temp:26Humf15-MgTermn26Hum:15PCF8591-*Ma6STC89C51单片机*Temo:26*HL17F15DHT11MEX1000MQ135图8系统实物图注：a.系统实物图正面；b.系统实物图反面；c.手机APP显示界面。2.3阈值选取与系统测试2.3.1阅值的选取经过多次模拟小便测试和大便测试来确定值。测试方法如下（1）将40 0 ml36.5的温水淋在尿不湿上（成人单次尿量大约为40 0 ml171），模拟人体小便。(2)卫生间测试大便后空气质量变化。将本装置放置纸尿裤一侧，距离约为8 cm，所处环境温湿度和硫化氢浓度初始值为温度2 5，湿度15%RH，硫化氢浓度6 ppm，经过实验，所测数值如表1所示表1装置放置纸尿裤一侧的测试结果项目1次2次3次4次5次6次7次8次平均值温度（）272627282626272627湿度(%RH)644556605348614654硫化氢浓（ppm）129911101381211考虑到若使用者采用侧卧位，或者某些特定的病床、轮椅与本装置搭配使用，本装置即可于纸尿裤背面放置，距离约为5cm，所测得数据如表2所示。表2装置放置纸尿裤背面测试结果项目1次2次3次4次5次6次7次8次平均值温度（）272927282929272828湿度(%RH)645570455760484956硫化氢浓（ppm）131111991210911由此可见，放置位置的不同对本系统的检测工作总体来说影响不大。同时最终统一设定阈值为温度2 7，湿度54%RH、硫化氢浓度11ppm。以上数据均是通过模拟正常成年人正常大小便所测得，考虑到本装置主要使用群体除失能老人外还有婴儿，可能会有排泄量较小的情况（如两个月宝宝单次排19现代仪器与医疗2 0 2 4年第30 卷第1期尿30 50 ml18）。大便后的气体检测所受影响较小，小便后的温湿度模拟检测结果如表3所示表3较小尿量的测试结果项目100ml50ml30ml20ml温度（）27272625湿度(%RH)54464033由此可见，婴儿排尿后温湿度变化不同于成年人，因此使用对象为婴儿时，可设置的阈值为温度26，湿度40%RH2.3.2系统测试以小便为例，对系统进行仿真测试，测试流程如下：取一片纸尿裤，将本装置放置于一侧，准备300ml36.5的温水淋在纸尿裤上，当系统检测到尿湿时，蜂鸣器报警，提醒看护人为使用对象进行清洁，流程如图9。1.将本装置放置纸尿裤一侧2.准备36.5C的水4.蜂鸣器报警3.淋在纸尿裤上模拟小便图9系统仿真测试流程图3讨论随着社会的发展，我国失能老人和新生儿的数量骤增，针对这些特殊人群的各种护理产品也层出不穷，如各类尿垫、尿布、尿不湿等。由于婴儿神经系统尚未成长完善和特殊人群神经系统受损的情况下很多时候婴儿和特殊人群的大小便不能控制，时间也无法预知，看护人员没有注意的话，很容易造成屎尿长时间接触皮肤，引起皮肤湿疹、溃烂等疾病19 。若看护人员频繁观察，既影响被看护者的正常休息，也使看护人员倍感疲急。基于对这两类特殊人群的舒适程度、健康状况以及看护人的工作生活压力考虑，及时获取被看护人的排便信息并进行清洁尤为重要。现有的研究中多为仅尿湿报警和护理，不能对大便进行报警。尤其婴儿往往排出水样便，长时间的接触排泄物对婴儿皮肤会造成更大伤害。因此对大便和小便都能报警的产品开发是十分必要的2 0.2 1本研究开发的便后检测提醒系统采用了DHT11温湿度传感器和MQ135硫化氢传感器分别检测小便和大便，并通过蓝牙模块与手机通信可在手机端实时监测温湿度与气体浓度数据，通过STC89C52单片机控制蜂鸣器报警。针对不同的适用对象可设置不同的报警阈值，通过测试可以看到该系统监测和警示功能良好，具有较好的稳定性，可适用于不同的场景及人群同时，本文设计也存在一定的不足之处。一是由于装置相对较大，对需要出行的患者在一定程度上造成不便，但可针对需要出行的失禁人群专门设计一款微型控制器；二是传感器位置有待优化，如可将传感器用杜邦线延长，放置贴近皮肤处，提高灵敏度；男宝宝与女宝宝放置位置需要优选；三是本系统未能实现婴幼儿尿量低于30 ml的情况下的报警功能。未来对婴儿及失能人群的便后检测与提醒在开发功能的同时，还应注重改善其舒适性。如将传感器柔性化处理，改善数据的传输方式以及对装置进行可穿戴化，进一步提高其功效及舒适性上接第4页）20Modern Instruments&Medical Tr724Vol30No.【参考文献1代志新，杜鹏，董隽含中国老年抚养比再估计与人口老龄化趋势再审视J.人口研究，2 0 2 3,47（3）：9 4-10 7.2朱翠明.中国现代化进程中的人口老龄化问题与应对研究D.长春：吉林大学，2 0 2 13张晶，龚彦铭，陈慧.放开三胎政策对当下社会经济的影响J.经济研究导刊，2 0 2 2,18（2 8）：41-43.4文艺，兰莫莉，黄玉敏.风险前瞻应对模式对老年失禁患者失禁性皮炎的预防效果J.国际老年医学杂志，2 0 2 3，44（3）：339-342.5Dunk AM,Broom M,Fourie A,et al.Clinical signs and symp-toms of diaper dermatitis in newborns,infants,and young chil-dren:A scoping reviewJ.J Tissue Viability,2022,31(3):404-415.6罗黎，何娇，张娟等.新生儿尿布皮炎预防及管理的最佳证据总结J】.护理学报，2 0 2 3,30（6）：42-46.7曾超榆，曾镜，钟俊培.老人尿湿报警装置及老人尿湿报警系统：中国,CN217932911UP.2022-11-29.8Yoshimi UI.Excretion detection system and excretion detectionmethod:JP,2018143362P.2018-09-20.9王静.基于STC89C52单片机的智能家居监测器设计与实现方案J.现代信息科技，2 0 2 2,6（1）：17 5-17 8.10张昱昊，朱伟康，黄磊等.基于STC89C52单片机的智能远程输液系统J.科学技术创新，2 0 2 1（36）：19 0-19 3管理体系，建立一支疗养中心共享公用的计量队伍，合理适度配备检测设备。在上级部门的统一领导下，形成区域联合计量小组，根据各自的技术特点，共同完成区域内的计量检测工作】构建以人才共建、资源共享、定期培训、多部门协作、监督考核、计量管理信息化等为重点的医疗设备分类计量管理模式已成为当下军队疗养中心顺利完成计量工作的有效措施，按照设备全生命周期管理理念设计的能自动发送周期检测的有效期提示、建立实时动态的管理台帐的医疗设备信息化管理系统的开发、使用也成为下一步呕待完善的工作，从而全方位提高医学计量设备的管理水平及工作效率（12-14)O参考文献1孔斌，张爱文，王非.医疗设备计量检定与质量检测J.中国医疗器械信息，2 0 2 2,2 8（2 0）：16 8-17 0.2万磊.计量工作在医疗设备质量管理中的重要作用J.中国11Anan SR,Hossain MA,Milky MZ,et al.Research and develop-ment of an IoT-Based remote asthma patient monitoring systemJ.JHealthcEng,2021,22(30):2192913.12史晨浩，李成创，余佳庆，等.基于单片机的农业大棚温湿度采集控制系统的设计J.电子制作,2 0 2 3,31（13）9 2-9 4.13Singh S,Gaur S.Development of rapid and non-destructive e-lectric nose(E-nose)system for shelf life evaluation of differentedible seedsJ.Food Chem,2023,45(15):426.14Liu B,Sun B,Cheng P,et al.An embedded portable light-weight platform for real-time early smoke detectionJ:Sensors(Basel),2022,22(12):4655.15徐玮.51单片机综合学习系统一一蜂鸣器、继电器篇J.电子制作,2 0 0 7,14(12):6 2-6 3.16王骏超，孟青云，唐俊怡，等基于蓝牙的手部外骨骼体感同步控制设计J.现代仪器与医疗,2 0 2 3,2 9（3）：12-17+2 4.17夏玉婷，尚莉，何颖霞，等.江苏省黄泛平原不同人群连续两日2 4h尿量调查结果分析J.中华地方病学杂志，2 0 16,35(11):830-833.18程燕.您的宝宝每天要排多少尿J.医药世界，19 9 9，1（3）：3637.19周巍.集束化护理策略对干预大便失禁重症患者失禁性皮炎的治疗效果J.中国医药指南，2 0 2 2,2 0（2 9）：155-157.20黄锐，肖爱民.基于温湿度传感器的特护失禁内裤的研发J.纺织学报,2 0 2 2,43（7）：141148.21张萃珍，王娟，吴静青.基于单片机的尿不湿蓝牙检测报警系统J.电子制作,2 0 19,2 6（11）：7-8.医学装备,2 0 17,14（3）：131-133.3赵鹏宇.计量检定机构质量管理体系建设及方法分析J.商品与质量，2 0 2 0，2 7（47）：18 9.4祝传亮，曹丹，陈添，等.医疗设备质量管理中计量工作的作用及其临床价值研究J.中国医学装备，2 0 2 0，17（6）：46-49.5李钢.医疗设备计量检测中的问题及改进措施J.医疗设备,2 0 17,12(30）：55.6梁志华，任婷婷.研究医疗设备计量管理中存在的问题及对策J.科技与创新,2 0 16,3（7）：6 2=6 6.7江玉柱，井赛，孙旭，等.军民融合式卫生装备计量保障研究J.医疗卫生装备，2 0 17,38（5）：12 3-12 5.8马成群，毛一荐，郭宇峰，等.探索本院医学计量工作中存在的问题及改进方法J.中国医疗设备，2 0 2 1,36（2）：16 3-16 6.9杨学功，马靖.总装与国家质检总局签署军民融合计量战略合作框架协议J.技测技术，2 0 14,34（6：7.10龚小珊，唐昊，张和华，等医疗设备计量与质控管理策略与实践J，中国医疗设备，2 0 19,34（8）：131-13311范振山.军队医院医疗设备计量与质控工作存在的问题及改进建议J.实用医药杂志，2 0 14,31（10）：9 51-9 52.12王学.现代医院医疗计量设备管理系统初探J.中国新技术新产品，2 0 19,2 7（2 3）：12 8-12 9.13许慧祥，王建霞，范宝林，基于医院资源规划系统的设备计量管理模块设计J.中国医学装备，2 0 19，16（8）：10 5-10 8.14肖翔，陈广源，朱建波，等.医学计量设备的管理办法及成效J.医疗装备，2 0 2 0，33（2 3）：38=40.