智能坐便器氣味識別技術(shù)的研究

葉益陽 翁曉偉 屈環(huán)宇

臺州市產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院 浙江臺州 318000

1 引言

隨著生活品質(zhì)的逐步提高，人們的生活習(xí)慣正悄然發(fā)生著改變，對于坐便器智能化、人性化、健康化的需求也日益強(qiáng)烈。在智能坐便器領(lǐng)域，利用信息技術(shù)、控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，已陸續(xù)開展將日常的坐便器與體檢裝置相結(jié)合的研究，各種生理參數(shù)可以在人們的如廁過程中自動檢測出來，并通過計算機(jī)存儲、處理和分析檢測數(shù)據(jù)，可以統(tǒng)籌利用時間，在如廁的同時檢查身體，滿足了人們快節(jié)奏的生活需求，并能保證體檢的長期性，為健康研判提供真實有效的數(shù)據(jù)。因而健康監(jiān)測技術(shù)也慢慢變成智能坐便器領(lǐng)域的熱門研究課題[1]。

目前不少智能坐便器生產(chǎn)企業(yè)都在投入研發(fā)健康監(jiān)測功能，通過尿液、心率心電等傳感器，檢測尿酸、尿糖、潛血、PH值、蛋白質(zhì)、維生素等含量，進(jìn)行常規(guī)分析，自動生成測量報告和各項生理水平趨勢曲線圖，打造貼身的健康目標(biāo)，實現(xiàn)足不出戶，健康狀況了如指掌，同時有利于慢病篩查、亞健康預(yù)查。

但對于人體排泄的氣體檢測，目前尚未開展相關(guān)的研究，最近十幾年的臨床實驗，在代謝氣體與人體健康領(lǐng)域，取得不少研究成果，有力地證明了疾病的致病機(jī)理與患者排泄的某些氣體成分有關(guān)。目前人體內(nèi)的代謝氣體中可以檢測到500多種揮發(fā)性有機(jī)成分，其中的某些內(nèi)源性氣體與疾病有關(guān)聯(lián)，可以作為疾病的標(biāo)志，顯示疾病的階段，用于疾病初步診斷。通過收集不同性別、不同年齡段、不同健康情況的代謝氣體，對胃部、腸部、肺部、肝臟、口腔等方面的國內(nèi)外發(fā)病現(xiàn)狀，建立一個詳實的人體疾病與代謝氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)庫。通過人體排泄物所含特定氣體的濃度分析，可以了解腸道的健康狀況，調(diào)節(jié)生活飲食習(xí)慣，提高健康自我監(jiān)測水平。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本技術(shù)的開發(fā)適于居家日常腸道健康監(jiān)測的智能坐便器，契合人機(jī)工程學(xué)，針對排泄物特定氣體，具備檢測、處理和數(shù)據(jù)分析功能，使用戶了解身體狀況，并對生活提供相應(yīng)的指導(dǎo)與提示。

本技術(shù)的總體流程如圖1所示，系統(tǒng)擬采用多個高精度、高集成度金屬氧化物氣體傳感器，構(gòu)建出智能坐便器氣味監(jiān)測單元，負(fù)責(zé)采集氣味信息，并采用雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振模型分析數(shù)據(jù)，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將信息傳輸至手機(jī)端的APP系統(tǒng)，從而使用戶得知身體狀況以及相關(guān)的健康指導(dǎo)和提示。

圖1 智能坐便器氣味識別技術(shù)流程

2.1 傳感器陣列

氣體傳感器是一種對氣體濃度和種類測量的傳感器，它利用氣敏材料，與目標(biāo)氣體分子發(fā)生理化反應(yīng)，并由此轉(zhuǎn)變?yōu)橛行y量的聲光電等信號[2]。本文采用電化學(xué)式氣體傳感器，原理是目標(biāo)氣體通過還原或氧化反應(yīng)在電極處產(chǎn)生電流，氣體濃度依據(jù)電流強(qiáng)度線性變化而獲得。

傳感器測量電路如圖2所示，氣體傳感器屬于金屬氧化物傳感器，其內(nèi)部電阻阻值會隨著吸附氣體成分的變化而改變。氣體傳感器信號采集電路的設(shè)計，對于接下來的數(shù)據(jù)處理效果，關(guān)系重大，其主要功能是在一定的動態(tài)范圍內(nèi)準(zhǔn)確獲取阻值的變化，本文采取電橋法采集數(shù)據(jù)。如圖2所示，電壓差在不平衡電橋的輸出兩點(diǎn)間產(chǎn)生，先經(jīng)過兩個電壓跟隨器的穩(wěn)定輸出，再通過差分式運(yùn)算放大器的一倍放大后，A/D轉(zhuǎn)換器處理該輸出電壓，并將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，送入數(shù)據(jù)傳輸芯片。當(dāng)終端設(shè)備請求傳輸氣味數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)傳輸芯片才發(fā)送產(chǎn)生的相關(guān)信息包。

圖2 傳感器測量電路

氣體傳感器通過電橋法接入后，輸出為數(shù)字電壓信號，通過對氣體傳感器進(jìn)行動態(tài)加熱，由于氣體傳感器表面對氣體分子的吸附脫附會產(chǎn)生不同的響應(yīng)值，使得氣體傳感器的響應(yīng)隨著工作溫度的周期性變化而變化。通過對加熱電壓的占空比與采樣頻率進(jìn)行合適的選取，測量并記錄氣體傳感器在不同氣體濃度和種類下的動態(tài)響應(yīng)波形，如圖3所示，構(gòu)建波形與氣體成分的相對關(guān)系。

圖3 氣體傳感器動態(tài)響應(yīng)波形

由測試可見，單一氣體傳感器把氣味信號轉(zhuǎn)化成易測量信號，但難以滿足現(xiàn)實需求，檢測范圍過窄，故利用氣體傳感器的交叉敏感性，即單一氣體傳感器對特定氣體的擇優(yōu)響應(yīng)特性和對氣體響應(yīng)的非專一性，將若干只不同的傳感器優(yōu)化組合，排成陣列形式，構(gòu)成氣體傳感器陣列[3]，氣體傳感器陣列的作用類似于初級嗅覺神經(jīng)元。

2.2 數(shù)據(jù)分析

傳感器陣列在對氣體樣本進(jìn)行采集的時候，周圍環(huán)境會夾雜著大量的無關(guān)氣體，從而對有效的排泄氣體造成較大的干擾，在這種情況下，某些氣體樣本對傳感器不敏感的話，傳感器陣列的響應(yīng)信號就會很微弱，因此非常有必要對氣體樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

本文采用隨機(jī)共振模型分析智能坐便器的氣味感知信息?；陔S機(jī)共振原理，通過非線性系統(tǒng)，能夠?qū)⒂杏眯盘枏暮肼曅盘栔械脑肼暷芰哭D(zhuǎn)化出來，從而強(qiáng)化有用信號，弱化噪聲，實現(xiàn)將有用信號從強(qiáng)噪聲背景下提取出來的目的。隨機(jī)共振之所以被稱為一種非線性動力學(xué)的反直觀現(xiàn)象，是由于其提出施加外噪聲不但不會導(dǎo)致測量信號被徹底淹沒，反而會誘發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生共振，將內(nèi)秉噪聲能量傳遞到測量信號中去，抑制噪聲的同時又增強(qiáng)了測量信號[4]。

所有的隨機(jī)共振系統(tǒng)中，雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振是最為普遍采用的分析模型。雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振包括三要素：雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)、弱輸入信號和外噪聲。如果隨機(jī)共振三要素達(dá)到協(xié)同狀態(tài)，輸入信號中的弱特征信息就會得到加強(qiáng)，從而有利于被揀出來。在一個合理的范圍內(nèi)調(diào)制噪聲強(qiáng)度使系統(tǒng)達(dá)到協(xié)同狀態(tài)，即發(fā)生隨機(jī)共振現(xiàn)象，就可以計算出輸出信號與輸入信號之間的信噪比參數(shù)，用于提取和表征智能坐便器氣味特征信息。

系統(tǒng)采用雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振模型的算法設(shè)計，對采集的氣體樣本進(jìn)行二次處理，可以更好地識別出有用的氣味信號，以便后續(xù)的健康管理?；趯嶋H測試，通過配置不同濃度的CH2和H4氣體組合，由氣體傳感器陣列采集得到的樣本數(shù)據(jù)如表1所示。系統(tǒng)H2濃度的檢測效果更好，對CH4濃度的檢測誤差相對比較大，原因在于該氣體傳感器對混合氣體中H2的響應(yīng)大于對CH4的響應(yīng)，從而H2濃度的檢測效果更加穩(wěn)定，氣味識別基本上達(dá)到了預(yù)期的效果。

表1 組合氣體濃度檢測結(jié)果

2.3 傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在采集與識別氣味信息后，系統(tǒng)擬構(gòu)建一個智能坐便器氣味監(jiān)測立體信息云平臺，針對同一個智能坐便器的多個傳感器監(jiān)測信息以及某個特定區(qū)域內(nèi)的多個監(jiān)測信息，設(shè)計一個無線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)對多個智能坐便器的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸和記錄，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的特征分析，為健康狀況研判提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。針對智能坐便器氣味監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲的具體需求，結(jié)合無線傳輸網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)，搭建了整體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5]，系統(tǒng)框架圖如圖4所示。

圖4 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架圖

在每個檢測區(qū)域都布置了一個到兩個傳感器節(jié)點(diǎn)，其中所有節(jié)點(diǎn)將會組成一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集并處理氣味信號后，發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)上，匯聚節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，再通過互聯(lián)網(wǎng)的方式發(fā)送至云端，最后在用戶端的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)顯示于相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。用戶端作為數(shù)據(jù)處理終端，再對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和備份。

2.4 APP系統(tǒng)設(shè)計

用戶終端的軟件系統(tǒng)主要是手機(jī)端的APP設(shè)計，APP系統(tǒng)可實現(xiàn)多重功能，包括定時響應(yīng)、實時提醒、模型感知、情景評估等，可實現(xiàn)實時、連續(xù)、長時間的監(jiān)測。

傳感器陣列采集的氣味數(shù)據(jù)，實時通過傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳到APP系統(tǒng)，APP系統(tǒng)的主要作用在于數(shù)據(jù)的存儲、顯示、分析，系統(tǒng)接收傳輸過來的氣味信息，通過對參數(shù)的軟件處理，用戶可以通過文本形式或者曲線圖顯示查看歷史測量數(shù)據(jù)[6]。對這些氣味信號的特征提取以及數(shù)據(jù)分析，可以實現(xiàn)腸道疾病的自動早期識別，從居家非察覺式腸道健康檢測角度，根據(jù)排泄物特定氣體數(shù)據(jù)分析，給出合理膳食和運(yùn)動的建議。每次的檢測結(jié)果都會自動儲存并形成曲線，可以足不出戶，就能獲知個人健康狀況，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在掌上，診療在云端。根據(jù)個體營養(yǎng)需求狀況和健康膳食原理，結(jié)合對身體狀況的檢測和分析，可有針對性地推薦適宜的調(diào)節(jié)或維護(hù)健康狀態(tài)所需的食材、藥物等。

3 結(jié)論

身處快節(jié)奏的現(xiàn)代社會，簡單便捷的生活方式越來越受人們推崇。家用衛(wèi)生間是一個相對隱蔽的私人空間，非常適合進(jìn)行健康檢測。將醫(yī)療功能與智能坐便器相結(jié)合，可以把在坐便器上所消耗的碎片化時間充分利用起來，檢測使用者的身體狀況，實現(xiàn)一邊如廁一邊檢測的雙重效果。本文所述的氣味識別技術(shù)采用氣體傳感器陣列結(jié)合非線性隨機(jī)共振信號信噪比特征分析方法，具有識別速度快、監(jiān)測精度好等優(yōu)勢，可以進(jìn)一步提升人民群眾的健康管理水平。