（检测技术与自动化装置专业论文）网络智能马桶系统研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机和网络技术的不断发展，网络智能家居已经成为未来家庭的发展 趋势。而随着生活节奏的加快和生活品质的提高，亚健康状态的监护愈来愈成为 人们生活中一项非常重要的内容。本文提出了应用于检测和预防亚健康状态的智 能马桶系统，介绍了智能马桶系统的国内外研究现状，提出了智能马桶系统的硬 件和软件的设计方案。设计了新颖的智能马桶机电一体化结构，方便、快速、准 确的采集人体健康参数。采用新型的智能化的传感器，并利用功能强大的图形编 程软件l a b v i e w 软件进行数据的采集和处理。在本论文中主要对人体尿液p h 值 和体重参数进行测量、采集和处理。首先对各个传感器的串口进行驱动程序的编 程，在数据处理过程中采用灰色马尔可夫模型和时间序列中的求和自回归滑动平 均过程两种算法分别对尿液和体重参数进行处理。数据处理算法采用c + + 进行 编程，并形成i s b 文件以备l a b v i e w 对算法进行调用。数据的保存采用 m i c r o s o f to f f i c e 数据库管理系统m jc r o s o f ta c c e s s ，数据库与l a b v i e w 使用 l a b v i e w 的控件节点a e t i v e x 进行链接，可以方便的调用a c c e s s 的各种属性和 方法，避免了额外购买工具箱或者进行复杂的编程。最后在智能马桶系统远程监 护匕采用b s 的方案进行远程的健康监护以实现亚健康状态专家分析。本文在研 究智能马桶系统方面提出了新的方向和方法，该项研究具有实用价值。 关键词：智能马桶；l a b v i e w ；灰色马尔可夫模型；a c c e s s ；b $ 结构 广东, m j k 大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h en e t w o r k t e c h n o l o g y ，i n t e l l i g e n tn e t w o r kh o m eb e c o m ead e v e l o pt r e n di nt h ef u t u r e a n dt h e w a r d s h i po ft h e i n f e r i o rh e a l t hs t a t eb e c o m em o r ea n dm o r e j m p o r t a n ti nt h ep e o p l e s1 i f es i n c et h eq u i c k e n i n go ft h er h y t h mo ft h e 1jf ea n dt h ei m p r o v e m e n to ft h eq u a l i t yo ft h el i f e i ti sp r o p o s e dt h e s c h e m eo f i n t e l l i g e n t c l o s e s t o o l s y s t e ma p p l i e d i n d e t e c t i n g a n d d e f e n d i n gt h ei n f e r i o r h e a l t hs t a t ei nt h i sp a p e r ，a n dp r o d u c e dt h e c u r r e n ts i t u a t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a d ，a n dp r o v i d e dt h es o l t w a r ea n d h a r d w a r em e t h o do f i n t e l l i g e n t c o s e s t o o l s y s t e m t h eo r i g i n a l e l e c t r o m e c h a n i c si n t e g r a t i n gc o n f i g u r a t i o nw a sd e s i g n e dt oc o l l e e rt h e d a t ae x p e d i e n t l y a c c u r a t e l ya n d f l e e t l y t h en e w s t y l ei n t e l l i g e n t s e n s o rw a ss e l e c t e d ，a n dt h ep o w e r f u ls o f t w a r el a b v i e ww a sa d o p t e dt o c o l l e c ta n dd e a lt h ed a t af r o mt h es e n s o r s t h ed r i v e rf o rt h es e r i a lp o r t o fe a c hs e n s o r sw a sm a d e b y l a b v i e w f i r s t l y ，t h e n t h e g r e y m a r k o v a r i t h m e t i c sa n dt h et i m es e r i e sm o d e la r i m aw a su s e df o rt h ep ho fu r i n e a n da v o i r d u p o i s p a r a m e t e r sr e s p e c t i v e l y i nt h ed a t ap r o c e s s i n g t h e p r o g r a m m eo ft h ea r i t h m e t i c sw e r ew r o t ei nc 十+ a n df o r m e dt h e 1 s bf i l e f o rt h et r a n s f e rb yt h el a b v i e w t h ed a t af r o ms e n s o r sw e r es a v e db yt h e d b m sa c c e s so ft h em i c r o s o f to f f i c e t h ec o n t r a c tb e t w e e na c c e s sa n d l a b v l e wa d o p t e dt h el a b v i e wc o n t r o ln o d ea c t i v e x ，s ot h ep r o p e r t i e sa n d i i m e t h o d so fa c c e s sw o u l db ea d o p t e de x p e d i e n t l y ，a n dt h ec o m p l i c a t e d p r o g r a m m e o r b u y i n ge x p e n s i v e l y t o o l b o x e sw e r e a v o i d e d l a s t l y t h e l o n g d i s t a n c ew a r d s h i pw a sd e s i g n e db yt h eb s s c h e m et oi m p l e m e n lt h e e x p e r ta n a l y s e so ft h e i n f e r i o rh e a l t hs t a t e t h en e wm e t h o d sa n dw a y s w e r ep r o p o s e di nt h er e s e a r c ho ft h ei n t e l l i g e n tc l o s e s t o o ls y s t e m ，a n d t h er e s e a r c hh a v ep r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d e s ：i n t e l l i g e n tc l o s e s t o o l ；l a b v i e w ； g r e y m a r k o v m o d e l a c c e s s ；b s s t r u c t u r e 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题国内外背景和研究意义 1 1 1 智能马桶研究的意义 马桶是人们每天都会使用的洁具，正因如此，人们对马桶的研究从未停止。 随着科技的进步，马桶也发生着日新月异的变化，不断改进的新型马桶不但解决 了传统马桶费水、移动困难等问题，甚至能做你的家庭医生。1 + 场马桶的变革正 在悄悄进行“1 。 随着人们对生活品质的要求越来越高，以及网络的普及，家庭用品的网络化 越来越成为一种趋势。近几年信息时代的来临，将先进的检测技术、计算机技术 和实用的网络技术引入卫生洁具行业。国外出现了智能马桶( 网络马桶) ，并有 所报道；智能马桶在国内还是空白。在人们上厕所的时间里，智能马桶具有自动 冲洗和检查监测人体健康的功能；在人们不注意的情况下自动测量人的体温、血 压、体重、脉搏、尿液酸度等功能，然后将这些信息源源输入家庭电脑服务器或 医疗诊所，使人们可以随时了解自己的健康状况和历史数据，这种具有保健功能 的自动检测控制的网络马桶使智能化住宅一个重要的研究内容。智能马桶与其他 实现智能的家用电器不同之处是：不但具有方便的马桶使用功能，而且具有检测 人体健康的功能，智能马桶实现连网将具有更广泛的实际意义。 亚健康状态是现代社会不容忽视的一个问题。世界卫生组织认为：健康是一 种身体、精神和交往上的完美状态，而不只是身体无病。根据这一定义，经过严 格的统计学统计，人群中真正健康( 第一状态) 和患病者( 第二状态) 不足2 3 ， 有 3 以上的人群处在健康和患病之间的过度状态，世界卫生组织称其为”第三 状态”，国内常常称之为”亚健康”状态。”第三状态”状态处理得当，则身体可向 健康转化；反之，则患病。因此，对亚健康状态的研究，是下个世纪生命科学研 究的重要组成部分。1 。怎样识别和预防亚健康状态，提高人们的生活品质，成为 现在一个比较热门的研究方i n 。本文中介绍的智能马桶系统是通过每日方便、准 厂乐 业大学工学硕士学位论文 确、快速的自动采集人体的健康参数，自动进行数据处理和分析，并通过网络传 输给远程医疗专家，对人健康状态进行实时监护。智能马桶可为人们及时提供健 康信息，及时发现些毛病以便及时治疗，对促进高新技术在家居生活领域的应 用，提高人们的生活水准，都有重要意义。智能马桶属于机电一体化，具有良好 的实用价值。智能马桶采用自动检测技术、传感技术、数字化技术、微电子技术， 实现人体微弱信号的检测和分析，排泄物成分的快速分析，多单片机监控系统、 连网功能、结构上有自己的特点；在智能马桶家用电器设计制造技术具有创新性， 技术上实现“智能网络马桶”。 1 1 2 智能马桶的研究发展现状 日本一家公司研制出一种多功能家用智能马桶，它的夹层间装有感应器，尿 液落入容器内，不出两分种，微电脑便可自动分析。日本的m a t s u s h i t a 电器公司 的智能马桶可以监控人的体温、血压及血糖含量；不仅如此，所有的这些数据还 可以迅速的传送到远程医生的手中。美国的亚特兰大市郊的艾利特安养中心的智 能屋，马桶安装的感应器可以测知使用者的脉搏、体温或者是否脱水。而在英国 一家制造厂商研制出一种智能马桶，不但可以通过粪便发现使用者的健康问题， 还能分析主人所需要的食物，再自动向超市订购食品。英国一家厕所用具制造商 研制出一款“聪明马桶”，有发声、自动冲洗和检查身体毛病的功能，当它检查 出任何疾病症状时，会通过因特网与医生取得联系。 日本的厕所设备向来以功能齐全著称。只前，著名洁具公司东陶( t o t o ) 公 司与大和住宅工业公司合作，共同开发出了能在家庭中自查身体的“智能厕所健 康检测系统”，这种智能厕所可称得上是小型体检中心，人们可以非常便捷地测 量尿糖、血压、脂肪含量和体重等健康指标。智能厕所的马桶中安置有尿糖测定 器，它能采集少量尿液，测出尿糖数值显示在小液晶屏幕上。检测结束后，马桶 还会对收集的“样本”进行自动清洁处理。血压计则设置在马桶旁边的墙上，靠 近手纸的位置。入“方便”的同时，只要伸出手臂就能测量。在脸盆的上方，两 侧各突出一个手柄，这就是测量脂肪的装置。人洗漱以后，双手握住手柄，就能 从显示器上读到测量结果。体重计则安放在脸盆前的地板上，看上去就是与地面 平齐的一块板。它能感应人体的重量，人洗漱的同时就可以知道自已比昨天胖了 第一章绪跄 还是瘦了。此外，这种智能厕所系统还能保存家庭成员各自的体检数据，以便家 人相互督促提醒，提高健康意识”1 。 智能马桶的研究和展望已吸引一些电子业界巨头的目光。英特尔高级主管 j u s t i nr a t t n e r 在i d f ( 英特尔开发者论坛) 上说，英特尔是几家推动现有的单 核心处理器向双核，4 核，甚至多核芯片发展的企业之一。推出此类芯片，大多 是由于服务器市场上的一些客户的强烈要求。但是，r a t t n e r 认为普通客户也可 以利用该技术。“想象一下，一个能够给予你健康生活方式的家，”他在一主题 发言中说，“它将监控你生活中的一举一动，并识别早期疾病的症状。”例如， 英特尔的1 0 0 核心芯片将于你的洗手间处，检查早晨的排泄物，分析血液等类似 物的症状。智能马桶一旦发现可疑的现象，它还能自动联系医生，并自动检查你 的网络日历以安排一个合适的见面时间。智能马桶甚至还能联系救护车! 但在国内，所谓的“智能马桶”只是一种可以具有自动冲洗和烘干功能的马 桶( 如广东威尼斯电脑坐厕推出的“臀部洗净式”智能电脑马桶) ，丽如上所述 之具有监测人体健康指标的网络化马桶还没有见到相关报道，更没有同类产品的 专利，属于尚未开发的领域。 美国纽约城市大学的教授米奇欧。卡库在一次未来科技的演讲中称：“在未 来5 一l o 年，它可以代替你的医生。”或许认为它( 智能马桶) 能全权代替医生 还为时太早，但不论怎样，智能马桶的出现，的确是未来这种发展趋势的一个信 号。 1 1 3 远程家庭健康状况监控是智能家居的重要组成部分 随着计算机和网络技术的不断发展，网络智能家居已经成为未来家庭的发展 趋势。智能家居，或称智能住宅，在英文中常用s m a r th o m e 。与智能家居的食 义近似的还有家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 、电子家庭( e l e c t r o n i ch o m e 、 e - h o m e ) 、数字家园( d i g i t a lf a m i l y ) 、家庭网络 ( h o m en e t n e t w o r k sf o rh o m e ) 、网络家屠( n e t w o r kh o m e ) ，智能家庭建筑 ( i n t e l l i g e n ti l o m e b u i l d i n g ) 、在香港、台湾等地区还有数码家庭、数码家居 等称法。 智能家居是以住宅为平台，兼各建筑、网络通信、信息家电、设备自动化， 广东工业大学t 学顿+ 学位论文 集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。 智能家居可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络 通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起， 通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居 不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由 原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能， 帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时 间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。 未来的远程家庭监控系统加入到智能家居网络中是一种必然趋势。智能马桶 系统是为远程检测和监控人体健康状况而设计的，是网络智能家居的一个重要组 成部分。通过网络实现对人体健康状况的监护，实现及时、准确的监控人体亚健 康状态，提高人们的生活品质。 1 2 论文的主要内容 1 针对智能马桶系统对检测的快速、准确、方便的要求，提出了符合以上 结构和功能的的智能马桶的机电一体化结构。被测者可以方便快捷的瞬间完成检 测，并实现传感器的自动清洗功能。 2 根据检测的健康参数的不同分别提出不同的数据处理的算法。对尿液p h 值参数采用灰色马尔可夫模型进行处理，对体重参数采用时间序列模型求和自回 归滑动平均过程进行参数的处理和预测。 3 采用g 语言l a b v i e w 进行p c 机与多传感器串口的通信设计。在l a b v i e w 中调用c i n 节点以调用c + 十语言编写的程序以完成数据的分析和预测。使用 l a b v i e w 中的a c t i v e x 控件进行与a c c e s s 数据库的链接，以完成数据的保存。 在l a b v i e w 中应用了a s p 技术，实现远程监护。 4 釜三耋矍璧兰釜昼鎏：呈耋篁曼至釜 第二章智能马桶尿液p h 和体重系统 本系统是为了研究一种新型的智能马桶，在人们才；注意的情况下自动测量人 的体温、血压、体重、脉搏、尿液酸度等功能，然后将这些信息源源输入家庭电 脑服务器或医疗诊所，使人们可以随时了解自己的健康状况和历史数据，以及为 网络终端的医生根据这些参数对被测对象的健康状况做出判断提供依据。 2 1 智能马桶系统机电结构设计 图2 - 1 智能马桶系统模拟试验装置 f i g2 - 2e l e c t r o m e c h a n i c si nl e g r a t i n gt e s tc o n f ig u r a t i o n 厂末t 业大学工学硕士学位论文 为开发一种国内自主开发生产的网络化智能马桶，在马桶周围上安装智能 化数字化的温度传感器、应变桥式称重传感器、脉搏检测等传感器，用来快速准 确的测量人的体温、体重、脉搏、血压；在马桶的内部安装一体化、数宁化的p h 离子选择电极，采用对尿的酸度尿常规指标进行检测；然后多传感器监控系统将 各个传感器采集的数据进行分析和处理并与p c 机连接，测试数据通过p c 枫连到 网络。图2 - 1 智能马桶系统的试验装置。既要保证数据的可靠性，又要降低成本， 适用于家庭设备使用。对数据进行连续的采集，建立被测对象的人体健康参数的 数据库，并用p c 机直观的显示其曲线，目的在于及时观察被测对象的人体参数 的变化与趋势。远程医生根据这些参数做出相应的判断和对策，对一些潜在的疾 病及时的进行预防和治疗。图为智能马桶系统框图2 2 所示： 图2 - 2 智能马桶系统硬件框图 f i g2 - 2h a r d w a r ef r a m eo fi n t e l l i g e n tc l o s e s t o o ls y s t e m 2 1 1 尿液刚值检测系统的设计 在智能马桶系统设计中，要求p h 检测方便、快速以及可以长期反复多次精 确的测量。离子敏传感器是一种电化学敏感器件，它可在复杂的被测物质中迅速、 灵敏、定量地测出离子或中性分子的浓度。目前工程中大量使用的离子敏选择电 极( i s e ) 。其中玻璃电极以其稳定好、检测范围宽以及重现性好得到广泛的应用。 但i s e 电极同时也存在输出阻抗高、易受外界干扰的弱点。在此项系统的设计中 6 第二苹智能马桶尿液p h 和体重系统 采用将离子选择电极( i s e ) 与金属氧化物一半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 结 合起来形成的一种新型的离子敏感器件，即对离子具有选择敏感作用的场效应晶 体管( i s f e t ) 。i s f e t 既具有离子选择电极敏感离子的特性，又具有场效应晶体 管的特性，是离子选择电极制造技术与固态微电子技术相结合的产物，用于测量 溶液中的离子活度。由于i s f e t 的输入阻抗低、体积小、响应时问短等优点， 在智能马桶系统中选用i s f e t 电极测量其中尿液的p h 值的部分。 1 ) i s f e t 的结构与特点 i s f e t 的结构是将普通的m o s f e t 的金属铝栅去掉，栅介质裸露或在其上 面涂以对不同离子敏感的膜，让栅直接与被测溶液相接触，与外参比电极组成测 量电池，可对溶液中的要求被测的离子产生能斯特响应，就构成i s f e t 传感器。 图2 3 为i s f e t 结构图。为了防止沟道区之外的区域表面反型，消除寄生沟道所 引起的表面不稳定，在漏源周围增设一个p + 保护环。 膜 图2 3 、i s f e t 结构图 f i g2 - 3s t r u c t u r eo fi s f e t 电解液相当于一个溶液栅。它与栅介质之间的界面处建立电化学势能，通过 它对s i 片表面的沟道电导起着调制作用。所以i s f e t 对溶液中离子活度的响应， 呵用界面处电化学势对阈值电压v t 的影响来说明： v r = 妒，+ y ，一( q 。c o ，一2 ( o ，十q 女c 。) ( 2 1 ) 式中：仍为电解液和栅介质之间的电化学势，v 为参比电极与电解液之间 的结电势，q 。为等效表面态和氧化层电荷，c o x 为单位面积的栅极 电容，妒，为p 型衬底的体内费米能级，q 。为耗尽区单位面积电容。 7 三奎三些奎兰三耋銎圭兰竺鎏兰 对于特定结构的i s f e t , 上式中其他各项参数均为常数，阈值电压k 只随够 变化。仍决定于敏感膜的性质和电解液中离子的活度，根据能斯特关 系有 妒1 2 妒o + ( rr z f ) l na l ( 2 2 ) 式中：妒0 为常数，尺为气体常数，r 为绝对温度，z f 为离子的价数， 为法拉第常数，q 为被测溶液中的离子活度。 对于一价阳离子( 如时) ，则有 竹= 妒o + ( 2 3 0 3 r t f ) i n a f ( 2 3 ) 因此，在其他参数条件不变下，i s f e t 的阈值电压表示式可以写成： v r = c + s i na 。 ( 2 4 ) 式中：c 和s 对一定器件、一定溶液、并且在参比电压固定条件下为 一常数。 由上式可知，阈值电压与离子活度的对数呈线性关系。由于i s f e t 的漏电 流i d 与阈值电压v t 有关，因此可以通过测量漏电流来确定被测溶液里离子的活 度。测量离子活度的方法有电流法、恒流恒压负反馈法以及源极跟随法。其中电 流法具有电路简单、线性和重复性较好，并且不易损坏i s f e t 器件的优点。原 理图如图2 - 4 所示。 v 图2 - 4 、电流法测离子活度电路图 f i g2 - 4 v o l t a i cm e t h o dm e a s u r et h i c k n e s so fh y d r o n i u m 若离予敏感膜材料不同，则对不同离子响应，即对离子响应具有选择性。本 第二章智能马桶尿波p h 和体重系统 系统中需要测量尿液中的p h 值即h 十的活度。考虑到保护沟道不被溶液浸湿，还 要溶液中的被测离子起敏感作用并产生界面势，栅绝缘体采用多层结构。i s f e t 的栅区用双层介质覆盖，下面层是s i 0 2 作为绝缘层，上面层是s i 3 n 4 作为敏 感层。s i 3 n 4 的p h 灵敏度接近理想的能斯特响应，对p h 的线性响应范围也比较 大( p h = 1 1 3 ) ，而人体尿液p h 值范围在普通膳食的条件下为4 6 8 ，0 ，所以 在此完全适用，另外s i 3 n 4 稳定性也好，是较好的p h - - i s f e t 的敏感膜材料。 与离子选择电极( i s e ) 比较，i s f e t 具有很多优点。首先，i s f e t 输出阻 抗低的特点。散的i s t 的敏感膜具有很高的输出阻抗，如玻璃电极的输出阻抗 高达1 g q ，需要高输入阻抗的p h 计才能测量，而i s f e t 具有场效应管m o s f e t 输入阻抗高、输出阻抗低的特点，同时还具有展宽频带和对信号进行放大的作用。 其次，i s f e t 具有全固态结构，体积小、重量轻、机械强度高的特点，适合智能 马桶夹层的狭小空间以及为了测量的准确性设计的自动冲洗装置的反复冲洗。第 三、i s f e t 的水化时间很短，对离子活度的响应速度很快，响应时间小于1 秒， 而般i s e 的响应时间约数分钟“1 ；因此i s f e t 传感器需要的样本量小，可以 在智能马桶系统中人体小便短时间内以及样本尿液样本不需要特定装置采集的 情况下及时方便测定尿液的p h 值，这是需要较长响应时间的i s e 电极不能实现 的。基于以上要求，在此选择i s f e t 电极进行马桶系统中尿液p h 值检测。i s f e t 由于其优势已经在很多行业如环境保护、化工、医学、地质、水文以及家庭生活 中得到广泛应用，国内外很多生产厂家提供各种封装和探头的i s f e t 酸度计。 2 ) h + 一i s f e t 传感器在智能马桶系统p h 值测量中的实现 在此系统中选用美国4 0 n e y w e l 公司生产的p i i d 5 0 0 0 系列场效应管固态p h 电极。p h i ) 5 0 0 0 固态p h 电极是美国霍尼韦尔( h o n e y w e l l ) 公司的原装产品， 是场效应管固态p h 电极，是美国霍尼韦尔公司的专利产品，其技术特性与 p h i ) 4 0 0 0 相同，但比p h 1 ) 4 0 0 0 多了一个直接安装于电极帽上的前置放大器，并带 有热电阻温度信号输出，可在p h a b 5 0 0 0 仪表上设置在线温度补偿，比p h d 4 0 0 0 具有更好的测量特性和更高的补偿精度。”。 二玺：兰銮：三耋至圭兰竺堡圣 进 图2 - 5 尿液p h 值测量硬件结构图 f i g2 - 5h a r d w a r es t r u c t u r eo fm e a s u r i n gp ho fu r i n e 图2 - 6p h 值测量中数据采集的波形图 f i g2 - 6 u n d e ec h a r to fp hm e a s u r e m e n t 1 0 童三耋塑璧三翌量鎏：翌竺差至篓 图2 7p h 检测后对电极冲洗的波形图 f i g2 - 7u n d e ec h a r to fw a s h i n ge l e c t r o d e 把此p h 传感器安装在马桶的内部，示意图如图2 - 5 所示。由于此种类型的 p h 传感器具有快速反应和少样本可以测量的特点，设计使被测屎液流经敏感膜， 由多次试验得出，测量可以瞬问完成，在3 5 秒内可以完成数据的精确采集。 在马桶内部安装一个漏斗型装置，对被测尿液进行导流，使尿液准确流经敏感膜。 数据采集过程结束后，要完成电极的清晰工作，以备下次测量的准确性。在此系 统中设计了自动冲洗装置，在p c 机确定已经完成数据采集后，即开启自动冲洗 装置。自动冲洗方法为冲洗用水喷头对准电极的敏感膜，开关由一个电磁阀进行 控制，当采集数据完成，则会输出一个信号驱动电磁阀，完成自动冲洗的工作。 电极的清洗同样需要较短的时间，由试验得出一般需要6 8 秒完成冲洗。冲洗 的延时可以参照试验数据设定。 2 。1 。2 体重参数采集系统的设计 在智能马桶中体重参数的测量是其中的一个重要方面。体重的测量是人体健 康常规检查中必不可少的一项。对于网络智能马桶的体重检测，体重的检测有更 重要的意义。称重传感器选用带通信接口的智能传感器。 i ) 称重传感器选用的原则 l 根据使用环境选择传感器 厂东工业人学工学硕士学位论文 称重传感器实际上是一种将质盘信号转变为可测量的电信号输出的装置。用 传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用传感器至关重 要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可 霏性和安全性”1 。 2 对传感器数量和量程的选择 传感器数量的选择是根据电子衡器的用途，秤体需要支撑的点数( 支撑点数 应根据使抨体几何重心和实际重心重台的原则而确定) 而定。一股来说，秤体有 几个支撑点就选用几只传感器，但是对于一些特殊的秤体如电子吊钩秤就只能采 用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。传 感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能 产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近 分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在 传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷， 因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。传 感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过实验而确定的 公式如下： c = i ( 0 k 。k 水。( w m a x + w ) n 式中，c 一单个传感器的额定量程 w 一秤体白重 w m a x 一被称物体净重的最大值 n 一秤体所采用支撑点的数量 k 0 一保险系数，一般取值在1 2 一1 3 2 _ 问 k 一冲击系数 一秤体的重心偏移系数 如风压系数 3 考虑各种类型传感器的适用范围 传感器型式的选择主要取决于称量的类型和安装空间，保证安装合适，称量 安全可靠：另一方面，要考虑厂家的建议。厂家一般会根据传感器的受力情况、 性能指标、安装形式、结构型式、弹性体的材质等特点规定传感器的适用范围， 譬如铝式悬臂梁传感器适用于计价种、平台秤、案秤等；钢式悬臂梁传感器适用 第二章智能马桶尿液p h 和体孽系统 于料斗秤、电子皮带秤、分选秤等：钢质桥式传感器适用于轨道衡、汽车衡，天 车秤等：柱式传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。 4 对传感器准确度等级进行选择 传感器的准确度等级包括传感器的非线性、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏 度等技术指标在选用传感鉴的时候，不要单纯追求高等级的传感器，而既要考 虑满足电子种的准确度要求，又要考虑其成本。 对传感器等级的选择必须满足下列两个条件： ( 1 ) 满足仪表输入的要求称重显示仪表是对传感器的输出信号经过放大、a d 转换等处理之后显示称量结果的因此，传感器的输出信号必须大于或等于仪表 要求的输入信号大小，即将传感器的输出灵敏度代入传感器和仪表的匹配公式， 计算结果必须大于或等于仪表要求的输入灵敏度。 传感器和仪表的匹配公式：( 传感器输出灵敏度激励电源电压秤的最大称量) ( 秤的分度数传感器的个数传感器量程) ，计算所得的值要大于或等于所 选用的仪表的输入灵敏度。 ( 2 ) 满足整台电子秤准确度的要求。一台电子秤主要是由秤体、传感器、仪表三 部分组成，在对传感器准确度选择的时候，应使传感器的准确度略高于理论计算 值因为理论往往受到客观条件的限制，如秤体的强度差一点仪表的性能不是很 好、秤的工作环境比较恶劣等因素都直接影响到秤的准确度要求，因此要从各方 面提高要求，又要考虑经济效益，确保达到目的。 2 ) 称重传感器在智能马桶系统的实现 本系统中依据以上要求采用宇衡电子秤( 东莞) 有限公司的t 系列型号为 t 3 8 0 6 电子计重秤。带有标准r s 2 3 2 通信接口，可以进行单键菜单式滚动显示选 择设定的方法方便的进行参数的设定。可远程进行功能及数据设定功能，具有正 负峰值测试、定值、选别、测试信号发送等功能。波特率可选，精度0 0 1 克。 称重平台置于马桶的前方人必须经过的位置。当人走过时快速完成体重参数 的测量。对该仪表进行通信前的参数设定。主要设定p c 为主机传感器为的主从 式通信传感器设备的机器号、波特率的选择、数据发送格式的确定。在此设传感 器机器号为a ，波特率选择为2 4 0 0 ，数据发送格式采用8 a c s l h 格式。格式的 详细介绍将在第四章通信协议中介绍。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 - 8 马桶与称重平台的位置关系 f i g2 - 8w e i 曲i n gf l a tp o s i t i o nt ot h ec l o s e s t o o l 图29 称重传感器数据采集的曲线 f i g2 - 9c u r v eo fw e i g h i n ga v o i r d u p o i s 通过试验可以得出，一般6 8 秒采集数据达到稳定状态，因此采集有效数据 设定在8 秒以后。从而保证数据的准确性。 2 1 3 硬件连接 此项智能马桶系统的硬件连接比较简单，所有传感器采用智能化传感器， 带有r s 2 3 2 接口。多传感器与多串口卡连接后接p c 机的串口。这样完成系统的 连接。p c 机可以通过某种方式连接因特网。 1 4 第二章智能马桶尿液p h 和体重系统 2 2 智能马桶系统软件系统设计 智能马桶系统的数据采集系统采用图形化编程语言l a b v i e w 进行设计。系 统框图如图2 1 0 所示： 图2 1 0 智能马桶系统软件框图 f i g 2 - 1 0s o f t w a r ef r a m eo f i n t e l l i g e n tc l o s a s t o o l 传感器为带有r s 2 3 2 通信口的智能传感器，首先进行对传感器的驱动编程， 使传感器与家庭p c 机能够通信，完成数据的采集。由于每个串口设备的通信协 议不同，所以对每个传感器分剐进行通信程序的设计。对采集的数据根据数据的 状况非别设计一些算法技能型数据处理，并用波形显示。同时把数据放进数据库 进行备份，并通过因特网进行远程的传输，完成远程监护的功能。 远程医疗机构作为w e b 服务器，建立网络数据库，完成网页的发布更新等。 广东工业大学工学硕上学位论文 第三章人体各参数采集处理的意义 及数据处理方法 人体健康参数的采集和处理是智能马桶系统的关键。其中根据采集的数据根 据每项参数的不同分别进行处理和分析是其中最为重要的环节。本章对尿液p i i 值参数和体重参数非常建立了数据处理以及预测预报的数学模型并加以分析。从 而为医生以及被测者本身提供一些有效的数据做为健康状况的依据，为亚健康状 态的预防提供有效的决策支持。 3 1 尿液参数采集和分析 尿液酸度即尿的p h 值，右反映肾脏调节体液酸碱平衡的能力。正常人在普 通膳食的条件下尿液p h 为4 6 - 8 0 ( 平均为6 o ) 。尿液p h 值主要由肾小管泌 h + ，分泌可滴定酸、铵的形成、重碳酸盐的重吸收等因素决定，其中最重要的是 酸性磷酸盐或碱性磷酸盐的相对含量，如前者多于后者，尿呈酸性反应，反之呈 中性或碱性反应。尿p h 受饮食种类影响很大，如进食蛋白质较多，则由尿排出 的磷酸盐和硫酸盐增多，尿p h 值较低，而进食蔬菜多时尿p h 常大于6 。当每次 进食后，由于胃粘膜分泌大量盐酸以助于消化，为保证有足够的氢离子，和氯离 子进入消化液，则尿液泌叭盛少和c l 一的重吸收增加，而使尿p h 值增加。其他如 运动、饥饿、出汗等生理活动，夜间入睡后吸收变慢，体内酸性代谢产物增加可 使尿p h 降低。药物、不同疾病等多种因素亦影响尿液p h 值”1 。影响尿液p i i 常 见因素见表3 一i 。 参考值 尿p h 为5 5 - 6 5 ，平均为6 0 临床意义 i 尿p h 降低：酸中毒、慢性肾小球肾炎、痛风、糖尿病等排 酸增加；呼吸性酸中毒，因二氧化碳潴留等，尿多呈酸性。2 尿p h 升高：频繁 呕吐丢失胃酸、服用重碳酸盐、尿路感染、换气过度及丢失二氧化碳过多的呼吸 第三章人馋各参数采集处理的意义及数据处理方法 性碱性中毒，尿呈碱性。尿p h 值一般与细胞外液p h 谈化平行，但应注意：低 钾血症性碱中毒时，由于肾小管分泌h + 增加，尿排酸性增强；反之高钾酸性中 毒时，排k + 增加，肾小管分泌 r 减少，可呈酸性尿；变形杆菌性尿路感染时， 由于尿素分解成氨，呈碱性尿；肾小管性酸中毒时，因肾小管形成h + 、排出 h + 及h 、n a 交换能力下降，尽管体内为明显酸中毒，但尿p h 呈相对偏于碱性。 表3 1 影响尿液p h 的常见因素 t a b l e3 一lf a m i l i a rf a c f o re f f e c tp hv a l u e 影响因素酸性尿液碱性尿液 肾小球滤过增加，肾小管保碱能力正肾小球滤过正常，肾小管保存碱能 肾功能 常力丧失 食物肉类含硫、磷及混合性食物蔬菜、水果、含钾、钠 生理活动剧烈运动、大汗、应激状态、饥饿饭后、消化高潮 酸中毒、肾炎、糖尿病、饥饿状态、碱中毒、膀胱炎、肾盂肾炎、尿路 疾病 尿路尿酸盐或胱氨酸结石草酸盐、磷酸盐或碳酸盐结石 小苏打、碳酸钾、碳酸镁、枸橼酸 药物氯化钙、氯化铵、氯化钾、稀盐酸等 钠、酵母制剂等 尿内混入多量脓、血、细菌污染、 其它尿内含酸性磷酸盐 分解尿素等。 3 。1 1 尿液p h 值的检测 现代生活的节奏越来越快，人体健康受到更多的潜在威胁。亚健康状态 是个不容忽视的问题。把现代科技应用于人体保健是一种必然的趋势。本文应 用一种新型的酸度传感器自动测量人体每日的尿液p h 值，然后借助计算机和数 学统计的有关知识通过建立灰色马尔可夫模型对采集的数据进行分析和处理，以 便方便及时的检测出人体健康状况。 通常信息系统分为：白色系统、灰色系统和黑色系统三类，当一种信息系统 完全未知的时候，就称其为黑色系统，反之，当一种系统是完全确知时，就称其 为白色系统。而介于两者之间的，就叫灰色系统。灰色系统理论认为对既含有已 知信息又含有未知或非确定信息的系统进行预测，就是对在一定方位内变化的、 与时间有关的灰色过程的预测。尽管过程中所显示的现象是随机的、杂乱无章的， 但毕竟是有序的、有界的，因此这一数据集合具备潜在的规律，灰色预测就是利 广东工业人学工学硕上学位论文 用这种规律建立灰色模型对灰色系统进行预测。 传统的用于分析预测的方法如回归分析、指数平滑法、时间序列法等要求有 大的样本量，要求样本有较好的分布规律且计算量大，有一定的局限性，不适合 受多种因素影响的尿液p h 值的分析预测。灰色预测模型属于全因素的非线性拟合 外推类方法，在形式上是单数列预测，只运用研究对象自身的时间序列建立模 型，与其相关联的因素没有参与建模。任何一个系统都要受到很多因素的影响， 对于人体尿液的p h 值，受到不规律的多种因素如肾功能、饮食、运动、疾病等的 影响，如此众多的因素不可能通过几个指标就能表达清楚，它们对尿液p h 值的潜 在而复杂的影响更是无法精确计算。这反映出尿液p h 系统具有明显的灰色性，适 宜采用灰色模型去发掘和认识原始时间序列综合灰色量所包涵的内在规律。 灰色系统理论将任何随机过程看作在一定时空区域内变化的灰色过程，将随 机量看作灰色量，认为无规则的离散时空数列是潜在的有序数列的某种表现，因 而可以通过生成变换来弱化原始数列的随机性和离散情况，将无规序列变成有规 序列。灰色模型是通过时间序列的研究，寻找和发现事物发展变化的连续或离散 的未来时间序列，从而分析事物发展变化的规律。灰色模型适合小样本、贫信息 建模，克服对客观事物认识的不确定性和统计信息的不完全性。用灰色模型预测 短期比较成功，但随着预测期增长，未来的扰动和随机因素会对系统产生重大的 影响。单纯的灰色预测模型不适合用于长期的预测。但智能马桶一般要求长期跟 踪被测对象的健康状况。在此引入灰色马尔可夫组合预测模型。马尔可夫预测基 于马尔可夫过程的理论，它描述的是一个随机时间序列的动态变化过程，此过程 某一时刻只处于一个状态，适合于随机波动性较大的预测问题，这一点正好弥补 灰色预测的缺陷。但另一方面，马氏预测的对象除要求具备马氏性外，还要求具有 平稳过程等均值特点，而尿液p h 值的预测问题是随时间变化的呈现某种变化趋势 的非平稳随机过程，由于受随机因素的影响，时序数据总是围绕这一变化趋势出 现波动、跳跃，产生偏差。因此，若用灰色模型g m ( 1 ，1 ) 模型对这些时序数据进 行拟合，找出并预测数列的发展变化总趋势，则马氏预测的不足之处就会得到弥 补1 。 在此利用灰色马尔可夫组合模型对尿液p h 值进行分析预测，使用灰色模型预 测尿液p h 值变化的总的趋势，用马尔可夫预测模型p h 状态之间的转移，使两种预 测模型优势互补。 第三章人体各参数采集处理的意义及数据处理方法 3 1 2 灰色马尔可夫模型的预测过程 l 、建立g m ( 1 ，1 ) 模型 对于原始的时间数据数列： x 4 ( f ) 】，( i - - 1 ，2 ，n ) ，一般不能直接用于 建模。因为对于每次测得的p h 值数据，受很多种因素的影响，数据的随机性很 大。将原始数据经过累加生成，生成新的数据序列： x ”( f ) 】，( 江1 ，2 ，n ) 。 其中，x o ( i ) 2 善x 扣( 七) 。累加生成的曲线，增加了原始数据序列的规律 性，随机性会被弱化。一般说来，对于非负的数据序列，累加次数越多，则随机 性弱化越显著，规律性越强。这样越容易用指数曲线逼进。g m ( 1 ，1 ) 模型就是根 据上述原理建立起来的，这是单变量一阶线性模型，它是灰色预测模型中最基本 的模型。 对数据x 【1 j 建立预测模型的白化形式的g m ( 1 ，1 ) 一阶常微分方程： 坐旦+nx(。)：“(3，1)dt 、。+ 。 然后用最d , - 乘法估计待定参数a ，u 。其中a 为发展灰数，u 为内生控制灰数。 将求得的a ，u 的值代入( 3 1 ) 式，可得此方程的解为： x 川( ) = 卜) ( 1 ) 一讣+ ，( t _ o ，。) ( 3 _ 2 ) n 1n ( o ) 接着对x( f + 1 ) 进行数据序列累减还原，得到预