摘 要： 針對(duì)市場(chǎng)上缺乏尿濕檢測(cè)有效裝置的問(wèn)題，提出了一種基于非接觸式電容檢測(cè)濕度的方法。設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的RC充放電低成本電路，通過(guò)觀測(cè)在無(wú)尿濕情況和有尿濕情況下電容容值的變化，依靠硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件自適應(yīng)濾波算法，能夠準(zhǔn)確判斷是否有尿濕發(fā)生。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，該方法能有效監(jiān)測(cè)嬰幼兒、老年人的尿濕狀況，還可以濾除環(huán)境變化對(duì)微小電容容值的影響。
關(guān)鍵詞： 尿濕檢測(cè)；RC充放電；硬件抗干擾；自適應(yīng)濾波
我國(guó)醫(yī)療資源緊缺，開(kāi)發(fā)醫(yī)院或家庭的智能化呼叫監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以減少醫(yī)護(hù)人員、家屬的工作負(fù)擔(dān)，提高工作效率和服務(wù)質(zhì)量[1]。尤其對(duì)現(xiàn)代社會(huì)中比重不斷增加、生活不能自理的嬰幼兒、老齡人來(lái)說(shuō)，如何有效、及時(shí)地監(jiān)護(hù)他們的身體狀況是一個(gè)日益突顯的問(wèn)題?，F(xiàn)在市面上出現(xiàn)的尿濕檢測(cè)裝置大都是靠有線的方式，通過(guò)濕度傳感器來(lái)對(duì)尿濕進(jìn)行檢測(cè)，因此帶來(lái)了拆裝不便、成本較高的問(wèn)題。本文創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了非接觸電容檢測(cè)尿濕的裝置，通過(guò)無(wú)線射頻將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，更具現(xiàn)實(shí)的意義。系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。
本文的重點(diǎn)是前端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的尿濕檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，對(duì)于微小電容的檢測(cè)，參考文獻(xiàn)[2]在張弛振蕩原理基礎(chǔ)上，電流源對(duì)微小電容進(jìn)行充電，當(dāng)達(dá)到閾值時(shí)，觸發(fā)比較器輸出高低電平控制復(fù)位開(kāi)關(guān)以改變電容的充放電順序，并通過(guò)定時(shí)器對(duì)比較器的輸出頻率進(jìn)行捕獲，以此來(lái)計(jì)算電容的變化。參考文獻(xiàn)[3]采用的是RC充放電方法，通過(guò)對(duì)電容充電和放電到達(dá)閾值的次數(shù)間接計(jì)算電容變化的大小。參考文獻(xiàn)[4]提出了由德國(guó)ACAM公司設(shè)計(jì)的專用電容檢測(cè)芯片PS201，它是一款基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）技術(shù)的芯片。其基本原理是將待測(cè)電容和參考電容進(jìn)行交替的充放電，通過(guò)時(shí)間測(cè)量單元TDC對(duì)任意放電時(shí)間的測(cè)量來(lái)計(jì)算出被測(cè)電容的容值。
由于本文應(yīng)用對(duì)象是無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)，對(duì)低功耗、低成本要求都比較嚴(yán)格，因此采用了基于RC電容充放電的方法。具體原因包括：（1）檢測(cè)電路成本較低，電路僅由電阻、電容等分立原件構(gòu)成，電極也是在PCB制板時(shí)已經(jīng)設(shè)計(jì)的均勻?qū)ΨQ的長(zhǎng)方形焊盤。相比于溫濕度傳感器HS1101、專用電容檢測(cè)芯片PS201，成本上已經(jīng)非常具有優(yōu)勢(shì)。（2）體積上可以做得很小，方便攜帶。（3）在產(chǎn)品服務(wù)體驗(yàn)上，由于微小電容是通過(guò)對(duì)的電極構(gòu)成，紙尿褲出產(chǎn)時(shí)就已經(jīng)在吸收芯層刷置了兩條對(duì)稱的電極，而監(jiān)護(hù)人安裝拆卸時(shí)只要在相應(yīng)標(biāo)記的位置裝上檢測(cè)單元，無(wú)需對(duì)紙尿褲內(nèi)部進(jìn)行操作，大大方便了其護(hù)理工作，提高了產(chǎn)品舒適性。圖2給出了電容檢測(cè)原理圖。
為了提高檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性，除了考慮電路抗干擾的設(shè)計(jì)和軟件濾波算法，本文在對(duì)電容放電時(shí)間做測(cè)量的問(wèn)題上，采用了獨(dú)創(chuàng)的交替RC充放電測(cè)量法。通過(guò)圖2可以發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)了兩條對(duì)稱的電容充放電電路。該電路除采用相同的RC濾波電路外，在軟件上，采用了交替充放電來(lái)提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。具體流程圖3已經(jīng)有了很好的說(shuō)明，處理方面先讓上面的充放電路作為電源地，對(duì)下面的充放電路進(jìn)行充放電的測(cè)量，然后交替讓下面的電路接電源地，上面的電路進(jìn)行充放電。通過(guò)兩次的交替測(cè)量，對(duì)放電時(shí)間進(jìn)行比較，在一定的波動(dòng)允許范圍內(nèi)，便可判斷電容容值是否有變化，這樣比起單一的測(cè)量電路更具可靠性，結(jié)果也更具準(zhǔn)確性。
2 硬件抗干擾設(shè)計(jì)
根據(jù)式（1）和（2），設(shè)計(jì)電極的形狀沒(méi)有特別的要求，但是其大小是設(shè)計(jì)中要考慮的因素。電極大，正對(duì)面積增大，電容Cx也相應(yīng)增大，但同時(shí)受到環(huán)境的干擾也會(huì)增大，和其他電路形成的寄生電容也會(huì)增加，電路體積容量也會(huì)增大[5-7]。因此應(yīng)該合理設(shè)計(jì)出一個(gè)合適的電極大小來(lái)增加Cx，減小Cp的影響。
本文設(shè)計(jì)的電極是圓形的，直徑為20 mm，兩個(gè)電極之間的距離為7 mm。由于該檢測(cè)取決于電極與地之間的寄生電容Cp，將地靠近電極就會(huì)增加寄生電容而降低靈敏度，因此通常需要把地遠(yuǎn)離傳感器電極，可以通過(guò)細(xì)小的走線來(lái)與電極相連，這樣既能減少寄生電容，又能增加電路的靈敏度。因此本文設(shè)計(jì)兩層PCB，主控芯片以及元器件放在一層，而傳感器電極放在另一層，并且地層遠(yuǎn)離傳感器，使傳感器電極周圍空曠，不受電路電磁射頻及寄生電容的影響。本文設(shè)計(jì)的前端采集節(jié)點(diǎn)PCB如圖4所示。
3 軟件抗干擾設(shè)計(jì)
3.1 軟件濾波算法
由于微小電容的檢測(cè)會(huì)受到外界環(huán)境的各種干擾，如環(huán)境溫濕度的變化會(huì)導(dǎo)致電容發(fā)生溫漂現(xiàn)象[8]；外界的各種高頻噪聲會(huì)影響系統(tǒng)的電容檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)尿濕判斷進(jìn)行干擾，出現(xiàn)漏報(bào)或假報(bào)的現(xiàn)象[9]；本文基于這類情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)較合理的軟件自適應(yīng)濾波算法。
本文所提出的算法流程如圖5，采用截尾均值的方法，對(duì)電容放電取多次測(cè)量（本文為10次），去掉其最大值和最小值求取其平均值，這樣能防止尖脈沖噪聲的干擾。將該平均值作為初次參考值Standard，然后進(jìn)行第二次測(cè)量，來(lái)判斷第二次的電容放電平均數(shù)值Value1與參考值的大小。如果相差在允許范圍內(nèi)（本文在-5~+5波動(dòng)范圍內(nèi)），則判斷是否要自適應(yīng)調(diào)整參考值，如果相差在較大范圍，則進(jìn)行第三次測(cè)量來(lái)判斷是否有尿濕發(fā)生，在第三次測(cè)量結(jié)果內(nèi)，如果平均值Value2與參考值相差較大則判斷有尿濕情況發(fā)生，如果平均值在允許范圍內(nèi)則考慮是否要自適應(yīng)調(diào)整參考值。
3.2 參考值自適應(yīng)調(diào)整算法
由于電容檢測(cè)結(jié)果對(duì)外界環(huán)境的變化比較敏感，鑒于上文濾波算法提出的參考值Standard會(huì)隨著環(huán)境的變化發(fā)生偏移[10-11]，因此本文采用數(shù)字低通濾波器算法，在正常的情況下，根據(jù)環(huán)境的變化對(duì)參考值進(jìn)行調(diào)整，以免產(chǎn)生誤報(bào)?；驹砣鐖D6，參考值會(huì)隨著外界環(huán)境的變化而增大或者減小，以適應(yīng)于各種環(huán)境。
4 仿真結(jié)果和分析
為檢驗(yàn)本文提出的算法對(duì)有無(wú)尿濕情況下判斷的準(zhǔn)確性，在相同實(shí)驗(yàn)條件下（實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度、濕度基本不變）通過(guò)對(duì)電容充放電100次，記錄TIM2對(duì)放電時(shí)間的數(shù)值，來(lái)分析軟件濾波和尿濕判斷的準(zhǔn)確性。由仿真圖形圖7可以看出，通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次濾波，在正常情況下，TIM2計(jì)數(shù)值保持在310左右上下浮動(dòng)，而在尿濕的情況下，其數(shù)值在350上下浮動(dòng)，差值還是相對(duì)比較明顯的。但是由于基準(zhǔn)值隨外界環(huán)境等因素的漂移，兩種情況下曲線會(huì)有交點(diǎn)，說(shuō)明在該交點(diǎn)上會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤信息，產(chǎn)生誤報(bào)現(xiàn)象。因此就必須對(duì)基準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其隨環(huán)境的變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)閾值。通過(guò)采用上文濾波算法和式（4），其仿真圖形如圖8所示。
從圖8可以看出，經(jīng)過(guò)第二次的參考值自適應(yīng)濾波算法，正常情況下和尿濕情況下，兩條曲線已經(jīng)有了比較明顯的區(qū)分，基本在穩(wěn)定的范圍內(nèi)上下波動(dòng)，產(chǎn)生誤報(bào)的概率相應(yīng)降低。圖9給出了在100組測(cè)試中，在第50組時(shí)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬尿濕的情況下的曲線圖，圖中曲線可以很明顯地顯示正常情況和尿濕情況下的狀態(tài)區(qū)別。
本文針對(duì)目前嬰幼兒、老人等弱勢(shì)群體難以合理照顧的情況，設(shè)計(jì)了基于RC充放電原理的尿濕檢測(cè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)。在參考文獻(xiàn)[2]等人的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)RC充放電原理，采用交替充放電原理的抗干擾算法，合理的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件參考值自適應(yīng)濾波算法，能夠有效地濾除環(huán)境因素帶來(lái)的干擾，在正常和尿濕兩種情況下具有明顯的效果。
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