基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析的電子尿不濕系統(tǒng)

劉少波，劉 炯，黃昌偉，丘明民，郭維擁，彭 劍

（韶關(guān)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512023）

0 引 言

傳統(tǒng)的尿不濕是一次性護(hù)理用品，功能簡(jiǎn)單。使用傳統(tǒng)尿不濕時(shí)父母無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地掌握更換尿不濕的時(shí)間，換得太早，會(huì)造成浪費(fèi)；換得太遲，可能造成護(hù)理不周，嬰兒長(zhǎng)時(shí)間包裹臟尿片，會(huì)刺激嬰兒局部皮膚，由于尿布濕透氣性差，容易引起尿布疹等皮膚病。為了解決這一實(shí)際問(wèn)題，本文重點(diǎn)關(guān)注電子尿不濕產(chǎn)品，在尿不濕上增加尿濕檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)對(duì)嬰兒的尿濕情況進(jìn)行檢測(cè)；并通過(guò)手機(jī)APP報(bào)警方式提醒監(jiān)護(hù)人更換尿不濕；除此之外，還增加了溫度檢測(cè)、哭鬧檢測(cè)、智能哄睡與大數(shù)據(jù)預(yù)判嬰兒排尿時(shí)間等功能，科學(xué)有效地保障嬰幼兒的健康。因此，電子尿不濕的研發(fā)既能為嬰幼兒健康成長(zhǎng)提供安全保障，又能釋放家長(zhǎng)的育兒壓力；同時(shí)還可以避免浪費(fèi)，其可拆卸性更符合當(dāng)下的環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展理念。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 開(kāi)發(fā)板硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用主控為國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)RT-Thread的開(kāi)發(fā)板ART-PI，其搭載的主控芯片是基于高性能ArmCortex-M7 32位RISC內(nèi)核的STM32H750XBH6芯片，工作頻率高達(dá)480 MHz；其開(kāi)發(fā)板集成了AP6212（WiFi+Bluetooth）通信模塊、SDRAM（32 MB）、SD卡等豐富硬件資源；另外還有工業(yè)拓展和多媒體拓展接口，資源豐富，易于拓展。系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框架

1.2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序是通過(guò)程序控制硬件實(shí)現(xiàn)某種功能的代碼。硬件與軟件之間存在連接的中間件是寄存器，軟件工程師可以通過(guò)閱讀芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，操作相關(guān)、具體的寄存器來(lái)控制硬件進(jìn)行工作。該項(xiàng)目運(yùn)用RT-Thread Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建的板載工程已經(jīng)包含了ART-PI的BSP，上面有豐富的組件和軟件包，有相對(duì)完善的外設(shè)驅(qū)動(dòng)，開(kāi)發(fā)者可以使能相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，直接調(diào)用封裝好的API函數(shù)完成芯片的操作，因此可大大降低開(kāi)發(fā)的難度、縮短周期。對(duì)于有某些特殊應(yīng)用需要的使用者，也可以自行修改、添加驅(qū)動(dòng)代碼，以更好地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。

本系統(tǒng)用到的硬件模塊有OV2640攝像頭、DHT11模塊、AP6212通信模塊。在RT-Thread Studio可以找到相應(yīng)的軟件包，設(shè)置好I/O定義，即可調(diào)用軟件包中的API函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)。

OV2640是CMOS類(lèi)型數(shù)字圖像傳感器。該傳感器支持輸出最大為200萬(wàn)像素的圖像（1 600×1 200分辨率）；支持使用VGA時(shí)序輸出圖像數(shù)據(jù)，輸出圖像的數(shù)據(jù)格式支持YUV（422/420）、YCbCr422、RGB565以及JPEG格式，直接輸出JPEG格式的圖像時(shí)可大大減少數(shù)據(jù)量，方便網(wǎng)絡(luò)傳輸。在相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序中，先在驅(qū)動(dòng)程序中使能初始化相應(yīng)I/O，采用模擬IC，使能DCMI和DMA中斷，采用DMA雙緩沖來(lái)接收J(rèn)PEG數(shù)據(jù)流，并將這些數(shù)據(jù)及時(shí)搬運(yùn)到外部SRAM。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。程序設(shè)置可以通過(guò)函數(shù)定向設(shè)置其連接接口位，再根據(jù)通信時(shí)序，寫(xiě)出喚醒函數(shù)即可。喚醒之后可直接獲取指定接口的溫濕度數(shù)值。

AP6212是正基AMPAK推出的一款低功耗、高性能的WiFi+BT4.2模塊。該模塊符合802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，其中WiFi功能采用SDIO接口，藍(lán)牙采用UART/I2S/PCM接口，可以實(shí)現(xiàn)采用SD卡，或者藍(lán)牙、終端輸入等形式進(jìn)行配網(wǎng)。

1.3 主要功能設(shè)計(jì)

通過(guò)構(gòu)造好的尿不濕貼直接貼在普通尿不濕或?qū)Ｓ眠m配的尿不濕上，使尿不濕更加智能化，同時(shí)可以重復(fù)利用，降低使用成本。圖2為電子尿不濕硬件端結(jié)構(gòu)。加入WiFi+藍(lán)牙雙模通信模塊，既能連接上云端服務(wù)器，又能在斷開(kāi)藍(lán)牙時(shí)提醒監(jiān)護(hù)人。利用多種傳感器采集多種信息，上傳到云端服務(wù)器，并針對(duì)不同信息作出不同處理。利用小喇叭輸出SD卡中存放的“噓噓”提示聲、哄睡音樂(lè)等，對(duì)嬰兒進(jìn)行安撫。

圖2 電子尿不濕結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

電子尿不濕APP是基于Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)的，手機(jī)APP功能采用了MVC的設(shè)計(jì)模式，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言主要為JAVA。尿不濕APP的設(shè)計(jì)能夠讓使用者方便快捷地獲取到嬰幼兒的具體信息，設(shè)計(jì)流程主要有兩個(gè)步驟：①Android端連接云端服務(wù)器，通過(guò)向云服務(wù)器發(fā)布主題，Android訂閱獲取嬰兒的各種信息并將其顯示在手機(jī)上；②接收到電子尿不濕發(fā)來(lái)的坐標(biāo)信息，手機(jī)APP調(diào)用百度地圖API實(shí)現(xiàn)嬰兒定位功能。圖3為設(shè)計(jì)APP的流程。

圖3 設(shè)計(jì)的APP流程

2.1.1 連接云端服務(wù)器

通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)云端服務(wù)器URL，添加訪(fǎng)問(wèn)方式頭部、用戶(hù)名、密碼以及相應(yīng)的主題訂閱，并對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行類(lèi)型轉(zhuǎn)換；其次是發(fā)送命令主題到設(shè)備，需要將發(fā)送的命令轉(zhuǎn)換成JSON格式，并將其封裝再打包進(jìn)行發(fā)送。使用OkHttp3包中的類(lèi)可以完成上述操作從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行下發(fā)命令和獲取數(shù)據(jù)等操作。連接服務(wù)器主要代碼如圖4所示。

圖4 連接服務(wù)器主要代碼

2.1.2 獲取地圖位置

Android設(shè)備獲取位置可以使用GPS和Android網(wǎng)絡(luò)位置提供器，獲取位置信息時(shí)要解決的問(wèn)題有多種位置源（GPS、基站、網(wǎng)絡(luò)定位）、用戶(hù)的移動(dòng)（室外到室內(nèi)、信號(hào)強(qiáng)到信號(hào)弱）、變化的精度（從室外到室內(nèi)的移動(dòng)過(guò)程中如何保持精度不變或者擇優(yōu)地進(jìn)行精度選擇）。Android通過(guò)android.location包中的類(lèi)為應(yīng)用程序提供定位服務(wù)。根據(jù)GPS顯示自身位置信息，再通過(guò)調(diào)用百度地圖API初始化SDK，將獲取到的電子尿不濕所在的經(jīng)緯度信息顯示在手機(jī)APP中。本項(xiàng)目將地圖功能集成到應(yīng)用中，API自動(dòng)處理對(duì)百度地圖服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn)、數(shù)據(jù)下載、地圖顯示和在地圖上觸控手勢(shì)。獲取經(jīng)緯度以及轉(zhuǎn)化為地圖的主要代碼如圖5所示。

圖5 獲取經(jīng)緯度以及轉(zhuǎn)化為地圖的主要代碼

2.2 功能介紹

為了讓寶寶健康，父母安心，該APP的主要功能設(shè)計(jì)如下：

（1）手機(jī)APP尿濕警報(bào)功能：當(dāng)嬰兒排尿或者排便時(shí)，手機(jī)APP會(huì)自動(dòng)智能提示和消息彈窗提醒父母更換尿不濕，并且顯示尿不濕使用率為100%。

（2）手機(jī)APP尿濕記錄功能：系統(tǒng)記錄嬰兒排尿或者排便的時(shí)間與頻率，并將結(jié)果反映在手機(jī)APP上，父母可通過(guò)手機(jī)APP了解嬰幼兒的狀態(tài)，實(shí)時(shí)觀察嬰兒的生理變化，并做出相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。

（3）防走丟智能提醒：手機(jī)APP與尿不濕硬件系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)連接，當(dāng)尿不濕遠(yuǎn)離手機(jī)時(shí)，手機(jī)APP會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒父母，并在位置信息中顯示尿不濕所在的位置。

（4）手機(jī)APP尿濕預(yù)測(cè)功能：可根據(jù)云端服務(wù)器大數(shù)據(jù)得出檢測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)大小便時(shí)間，顯示在手機(jī)APP功能界面，并發(fā)出警報(bào)提醒父母及時(shí)更換尿布。

（5）一鍵哄睡功能：通過(guò)點(diǎn)擊APP上的一鍵哄睡按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)播放音樂(lè)，此音樂(lè)采用仿母體環(huán)境安撫，音樂(lè)節(jié)奏近似于羊水的流動(dòng)，高度模擬出母親懷孕時(shí)的子宮環(huán)境，使嬰兒感到安全、舒心。

2.3 界面設(shè)計(jì)

2.3.1 主界面設(shè)計(jì)

如圖6所示，主界面主要有電子尿不濕電量提醒、位置信息顯示、下一次尿濕時(shí)間預(yù)測(cè)等功能模塊。電子尿不濕電量信息：顯示于整個(gè)界面的最上方，電量信息實(shí)時(shí)更新，一目了然。位置信息：通過(guò)此功能能夠隨時(shí)隨地掌握電子尿不濕佩戴者的位置信息。下一次尿濕的時(shí)間：位于界面的最中央，監(jiān)護(hù)人可根據(jù)預(yù)測(cè)的時(shí)間及時(shí)為嬰幼兒更換尿不濕。

圖6 主界面

2.3.2 尿濕記錄界面設(shè)計(jì)

如圖7所示，系統(tǒng)采用了文本編輯的方式展示了嬰幼兒的尿濕情況。當(dāng)嬰兒尿濕時(shí)，相對(duì)應(yīng)的框內(nèi)就會(huì)記錄嬰兒尿濕的時(shí)間。通過(guò)采用文本模式記錄尿濕，能把數(shù)據(jù)簡(jiǎn)潔明了地展現(xiàn)出來(lái)。

圖7 尿濕記錄界面

3 系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析介紹

3.1 云服務(wù)器的選型及使用

云服務(wù)器采用了阿里云ECS云服務(wù)器，它是一種彈性可伸縮的云計(jì)算服務(wù)器，其優(yōu)秀的硬件資源能夠保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間不宕機(jī)，并且具有高穩(wěn)定性、強(qiáng)彈性、高安全性、高性能、易用性等特點(diǎn)，用戶(hù)可以很方便地通過(guò)ECS提供的控制臺(tái)、API等方式連接阿里云ECS并進(jìn)行管理。

數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是阿里云RDS云數(shù)據(jù)庫(kù)，這是一種穩(wěn)定可靠、可彈性伸縮的在線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，基于阿里云分布式文件系統(tǒng)和SSD盤(pán)高性能存儲(chǔ)。相對(duì)于其他數(shù)據(jù)庫(kù)而言，其在性?xún)r(jià)比、可用性、可靠性、易用性、性能等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。價(jià)格相比ECS自建數(shù)據(jù)庫(kù)，僅約為它的1/3；相比自購(gòu)服務(wù)器搭建數(shù)據(jù)庫(kù)，僅約為它的1/10。

ECS云服務(wù)器可以為Web端提供接口，讓外界通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)，RDS云數(shù)據(jù)庫(kù)為Android端APP提供了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上傳的接口。在云服務(wù)器中接入數(shù)據(jù)分析程序接口，實(shí)現(xiàn)在JavaWeb端與Android端展示數(shù)據(jù)分析圖表與預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)的使用

系統(tǒng)接收電子尿不濕的數(shù)據(jù)，存放在云服務(wù)器中，云服務(wù)器將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，由此可預(yù)測(cè)未來(lái)幾天里某個(gè)時(shí)間段內(nèi)嬰兒可能發(fā)生的各種狀況。目前云服務(wù)器采集的數(shù)據(jù)有：嬰兒的大小便頻率以及時(shí)間。由于嬰兒的入眠時(shí)間、大小便頻率可能與多方面的因素有關(guān)，與日常作息也息息相關(guān)，因此云端服務(wù)器會(huì)根據(jù)用戶(hù)在APP上提供的資料，在云服務(wù)器中找到最適合該嬰兒的大數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。收集嬰兒的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析后對(duì)建立好的模型進(jìn)行完善，建立一套最適合該嬰兒的大數(shù)據(jù)模型。另外，還將建立一個(gè)大數(shù)據(jù)中心，將多個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)模型組合起來(lái)，新用戶(hù)注冊(cè)時(shí)系統(tǒng)將根據(jù)大數(shù)據(jù)中心里與用戶(hù)最相似的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行賦值，以求給予用戶(hù)最快速、最準(zhǔn)確、最貼心的服務(wù)。電子尿不濕大數(shù)據(jù)中心包括以下三個(gè)層次：

（1）嬰兒大數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)層：主要是研究和制定電子尿不濕大數(shù)據(jù)采集和管理、嬰兒基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)以及嬰兒信息服務(wù)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，這是完成數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用的基礎(chǔ)。其中數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)管理的標(biāo)準(zhǔn)化才能實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的精確分析與科學(xué)應(yīng)用。

（2）嬰兒大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)層：主要研究如何利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)電子尿不濕基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專(zhuān)項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括分析用戶(hù)的資料信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及嬰兒的大小便頻率、入眠時(shí)間、尿液、嬰兒哭聲等專(zhuān)項(xiàng)數(shù)據(jù)。

（3）嬰兒大數(shù)據(jù)應(yīng)用層：主要應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果預(yù)測(cè)嬰兒基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型、嬰兒未來(lái)的入眠時(shí)間、嬰兒的大小便時(shí)間等。用戶(hù)在打開(kāi)手機(jī)APP時(shí)，可直觀地看到應(yīng)用層信息，幫助用戶(hù)更合理地支配時(shí)間。

3.3 模型設(shè)計(jì)

已有學(xué)者在近年來(lái)對(duì)不同年齡段嬰兒的大小便相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，發(fā)現(xiàn)在正常情況下，嬰兒大小便頻率總是圍繞在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)上下浮動(dòng)，符合正態(tài)分布；不同月齡的嬰兒時(shí)間點(diǎn)會(huì)略有不同，并且每一次的時(shí)間總是與前幾次的時(shí)間相關(guān)，越靠近某一次的次數(shù)對(duì)這次的時(shí)間影響越大，離本次很遠(yuǎn)的次數(shù)影響系數(shù)很小，可忽略不計(jì)；特殊情況下，也會(huì)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)模型產(chǎn)生較大的影響。研究者未將生病、大小便失禁的嬰兒納入統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。

依據(jù)上述理論，本項(xiàng)目基于多項(xiàng)式預(yù)測(cè)模型建立了一個(gè)可預(yù)測(cè)大小便模糊時(shí)間的模型，并在已有基礎(chǔ)上進(jìn)行了步驟方面的改進(jìn)，使得預(yù)測(cè)結(jié)果變得更加可靠。由于目前國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有機(jī)構(gòu)整合出嬰幼兒尿濕相關(guān)數(shù)據(jù)，所以此次未設(shè)置相應(yīng)維度與其他外界因素，所依據(jù)的樣本來(lái)自項(xiàng)目小組對(duì)自身周邊嬰幼兒尿濕狀況的調(diào)查，調(diào)查情況如圖8所示，因此大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出來(lái)的結(jié)果會(huì)有所偏差。

圖8 嬰幼兒尿濕狀況調(diào)查

根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制了某個(gè)嬰兒在100天內(nèi)大小便時(shí)間變化圖，如圖9所示。圖10為擬合后的效果。

圖9 嬰兒在100天內(nèi)大小便時(shí)間變化

圖10 擬合效果

4 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款電子尿不濕，其采用了電子傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與手機(jī)軟件連接服務(wù)器等技術(shù)，打破了傳統(tǒng)尿不濕單一的功能，彌補(bǔ)了及時(shí)性欠缺的短板，減少了尿不濕的浪費(fèi)，增添了尿濕時(shí)間預(yù)測(cè)、智能哄睡、嬰兒防丟等創(chuàng)新功能，還擁有易于拆卸與安裝的特點(diǎn)。電子尿不濕作為一款集智慧、環(huán)保、便攜為一體的尿濕監(jiān)控系統(tǒng)，完美地契合了市場(chǎng)的需求，具有相當(dāng)大的發(fā)展前景。當(dāng)然本項(xiàng)目也存在不足之處，如在預(yù)測(cè)嬰兒尿濕的模型中因資料有限導(dǎo)致的樣本數(shù)據(jù)過(guò)少等問(wèn)題，從而導(dǎo)致預(yù)測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)有偏差。希望在后續(xù)的研究中，可以收集到更多的樣本數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)出更精確的數(shù)據(jù)模型。