基于物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)的失能失禁監(jiān)測(cè)*

0 引言

由于RFID 的非接觸性、多目標(biāo)識(shí)別等重要特性，已經(jīng)在服務(wù)領(lǐng)域，貨物銷售，后勤分配，物流，圖書(shū)文件管理等領(lǐng)域得到了快速的普及和推廣^[1]。RFID技術(shù)應(yīng)用到智能失禁檢測(cè)中，是將低功耗濕度傳感器與UHFRFID無(wú)源柔性標(biāo)簽結(jié)合，并通過(guò)單片機(jī)以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)讓普通紙尿褲具備失禁報(bào)警功能，能提醒護(hù)理人員及時(shí)更換。這種利用可重復(fù)使用的UHF RFID 傳感器標(biāo)簽以及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)低成本的失能失禁系統(tǒng)，將極大地方便家庭和醫(yī)院的失禁護(hù)理，降低護(hù)理難度及成本，為失禁人士的正常生活帶來(lái)方便，并可避免水分泄露引發(fā)的皮膚問(wèn)題，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示， 通過(guò)STM32F103C8T6向UHF RFID閱讀器發(fā)送濕度傳感器標(biāo)簽讀取指令，UHF RFID閱讀器向標(biāo)簽提供能量并接受濕度信息，STM32F103C8T6將接收到的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)向EC600N通信模組發(fā)送基于MQTT 通信協(xié)議的消息到阿里云IOT 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，阿里云接收到信息之后將在工作臺(tái)顯示濕度，可以通過(guò)電腦和手機(jī)進(jìn)行查看濕度信息。而后護(hù)理人員將根據(jù)失禁情況對(duì)紙尿褲進(jìn)行更換以及將傳感器標(biāo)簽揭下并重新貼到新紙尿褲上。

1   系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

智能失禁紙尿布是一種對(duì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)失禁情況檢測(cè)，提高對(duì)失禁人士護(hù)理服務(wù)，讓失禁人士享受正常生活以及減輕護(hù)理成本的重要工具。智能失禁紙尿褲使用RFM2120-ARF 濕度標(biāo)簽，其具有標(biāo)簽可重復(fù)使用且防水的特點(diǎn)。系統(tǒng)具有錯(cuò)誤濕度數(shù)據(jù)處理、失禁檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示、失禁檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺(tái)的功能。硬件主要包括以下部分：

1）柔性無(wú)源UHF RFID 傳感器標(biāo)簽RFM2120-ARFRFM2120-ARF 是一款無(wú)線無(wú)電池濕度傳感器標(biāo)簽，采用帶內(nèi)置膠條的柔性材料制造，具有5 Bit 的濕度檢測(cè)數(shù)值。它是一款醫(yī)療級(jí)濕度檢測(cè)標(biāo)簽，為失禁檢測(cè)而設(shè)計(jì)，輕薄可彎曲，完全防水，可重復(fù)使用。支持變色龍自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)，使用閱讀器天線提供的RF 射頻能量進(jìn)行工作。

2）UHF RFID 超高頻讀寫(xiě)器RP26超高頻閱讀器支持ISO 18000-6C 與EPC Class1Gen2 等多種通信標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)串口與其他設(shè)備連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。模塊功率大，需獨(dú)立供電，抗干擾能力強(qiáng)，支持標(biāo)簽防碰撞技術(shù)，26 dBi 增益。

3）STM32F103C8T6 單片機(jī)STM32F103C8T6 是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核STM32系列的32 位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64 KB，擁有多路串口，運(yùn)行速度快。

4）移遠(yuǎn)EC600N 4G LTE Cat1 模塊EC600N-CN 是移遠(yuǎn)通信專為M2M 和IoT 領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的LTE Cat1 無(wú)線通信模塊，支持最大下行速率10 Mbit/s 和最大上行速率5 Mbit/s，超小封裝，超高性價(jià)比^[2]。同時(shí)，擁有比NB-IOT 更廣的信號(hào)普及范圍，更大的帶寬和更低的延時(shí)，可以接入4G 網(wǎng)絡(luò)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6 運(yùn)行程序，負(fù)責(zé)收發(fā)來(lái)自閱讀器的數(shù)據(jù)并處理，并提示濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果，使用AT 指令將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送至EC600N 4G 模塊，模塊通過(guò)MQTT 指令將數(shù)據(jù)上傳至阿里云IOT 云平臺(tái)。

1）模塊與STM32F103C8T6 間的通信

模塊均通過(guò)串口通信的方式與STM32F103C8T6 進(jìn)行通信，并使用多路串口DMA 通信的方式的進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，波特率均為115.2 kbit/s。主要軟件設(shè)計(jì)部分如下：

2）傳感器數(shù)據(jù)讀取

UHF RFID 閱讀器模塊接收到STM32F103C8T6 下達(dá)的連接標(biāo)簽指令后，將通過(guò)射頻天線連接指定標(biāo)簽，檢測(cè)連接標(biāo)簽成功后，STM32F103C8T6 通過(guò)閱讀器向傳感器標(biāo)簽發(fā)送濕度讀取指令，標(biāo)簽會(huì)返回傳感器數(shù)據(jù)，STM32F103C8T6 處理后即可得出濕度。相關(guān)指令需要按標(biāo)簽數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)置，標(biāo)簽主要信息如表2 所示。

表1 標(biāo)簽濕度傳感器配置信息

3）云平臺(tái)配置

本設(shè)計(jì)使用阿里云IOT 平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集，通過(guò)AT 指令與MQTT 協(xié)議進(jìn)行平臺(tái)信息配置并上傳實(shí)時(shí)濕度數(shù)據(jù)。阿里云IOT 云平臺(tái)會(huì)將濕度數(shù)據(jù)與失禁情況在控制臺(tái)顯示。除此之外，阿里云IOT 平臺(tái)還可以將數(shù)據(jù)下發(fā)到手機(jī)終端。

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 系統(tǒng)搭建

將傳感器標(biāo)簽粘貼在普通紙尿褲上，傳感器標(biāo)簽在閱讀器天線上的投影面積應(yīng)盡量大，傳感器標(biāo)簽與閱讀器天線之間無(wú)阻擋。4G 模塊天線也應(yīng)該與UHF RFID天線保持一定的距離。

2.2 失禁閾值

通過(guò)測(cè)量貼在紙尿褲上的傳感器標(biāo)簽在紙尿褲干燥，濕水時(shí)和失禁后的濕度值，得出濕度在不同狀態(tài)下的變化曲線，從而選擇濕度閾值，濕度超過(guò)閾值時(shí)，失能失禁檢測(cè)系統(tǒng)將會(huì)判斷發(fā)生失禁，如果濕度值未超過(guò)閾值，系統(tǒng)將會(huì)判斷未發(fā)生失禁情況。

從阿里云平臺(tái)濕度隨時(shí)間變化如圖2。其中43 s ～125 s 之間為排尿用時(shí)。由圖可選取22 作為閾值，超過(guò)此閾值即為失禁，反之為未失禁。當(dāng)選取22 作為閾值，系統(tǒng)擁有足夠時(shí)間去判斷使用人是否發(fā)生了失禁情況并上報(bào)，這將提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖2 紙尿褲濕水前后濕度變化曲線

2.3 標(biāo)簽的使用距離范圍

UHF RFID 閱讀器擁有自動(dòng)射頻功率調(diào)節(jié)功能，閱讀器將盡量保證與標(biāo)簽通信成功率導(dǎo)致RSSI波動(dòng)較大。但在超出一定范圍時(shí)，通信成功率將會(huì)有顯著下滑，將不再能可靠使用。將天線正對(duì)標(biāo)簽的情況下，通過(guò)室內(nèi)閱讀器發(fā)送30 次讀取指令下獲取正確的濕度信息次數(shù)確定使用范圍以及大致的表現(xiàn)。

通過(guò)表2 可以發(fā)現(xiàn)其大致規(guī)律，當(dāng)標(biāo)簽與天線距離從10cm～100cm，閱讀器接收到的消息數(shù)較多，系統(tǒng)能較好地反映實(shí)時(shí)濕度，但超過(guò)100 cm 時(shí)，接收到的消息數(shù)顯著下降，故而天線與標(biāo)簽的距離不建議超過(guò)100 cm。

表2 不同距離下接收到的消息數(shù)

3   結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用周圍環(huán)境濕度對(duì)柔性標(biāo)簽阻抗的影響的原理，設(shè)計(jì)本套系統(tǒng)用以對(duì)失禁情況進(jìn)行檢測(cè)。本套使用具有優(yōu)異防水性能，免電池的柔性超薄RFM2120 標(biāo)簽以及低價(jià)的UHFRFID 閱讀器，加上STM32F103C8T6 MCU 以及移遠(yuǎn)EC600N 4G CAT1 模塊，實(shí)現(xiàn)了一款實(shí)用性高，成本相對(duì)低廉的物聯(lián)網(wǎng)失能失禁檢測(cè)系統(tǒng)，并具有最大1 m 的讀取距離，實(shí)用性高，并將極大地降低失能失禁監(jiān)護(hù)的難度，提高使用者的生活質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王超.基于AS3992的915MHZ讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南:濟(jì)南大學(xué),2012.

[2] 王燦田,陳育中.基于STM32和4G技術(shù)的紅外智能插座系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2021,11(12):110-114.

[3] DANIEL A, ZHANG Q Y, GAO Y, et al.UHF passive RFID-based sensor-less system to detect humidity for irrigation monitoring[J].Microwave and Optical Technology Letters,2017,59(8):1709-1715.

[4] 羅亞慧.HF和UHF RFID標(biāo)簽性能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2017.

[5] 胡益.基于EPC Class1 Gen2的讀寫(xiě)器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2004.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）