摘 要： 針對市場上缺乏尿濕檢測有效裝置的問題，提出了一種基于非接觸式電容檢測濕度的方法。設(shè)計了一個簡單的RC充放電低成本電路，通過觀測在無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。理論分析和計算機(jī)仿真結(jié)果表明，該方法能有效監(jiān)測嬰幼兒、老年人的尿濕狀況，還可以濾除環(huán)境變化對微小電容容值的影響。
關(guān)鍵詞： 尿濕檢測；RC充放電；硬件抗干擾；自適應(yīng)濾波
我國醫(yī)療資源緊缺，開發(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]。尤其對現(xiàn)代社會中比重不斷增加、生活不能自理的嬰幼兒、老齡人來說，如何有效、及時地監(jiān)護(hù)他們的身體狀況是一個日益突顯的問題。現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的尿濕檢測裝置大都是靠有線的方式，通過濕度傳感器來對尿濕進(jìn)行檢測，因此帶來了拆裝不便、成本較高的問題。本文創(chuàng)新地設(shè)計了非接觸電容檢測尿濕的裝置，通過無線射頻將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，更具現(xiàn)實的意義。系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。
本文的重點是前端檢測節(jié)點的尿濕檢測電路的設(shè)計，對于微小電容的檢測，參考文獻(xiàn)[2]在張弛振蕩原理基礎(chǔ)上，電流源對微小電容進(jìn)行充電，當(dāng)達(dá)到閾值時，觸發(fā)比較器輸出高低電平控制復(fù)位開關(guān)以改變電容的充放電順序，并通過定時器對比較器的輸出頻率進(jìn)行捕獲，以此來計算電容的變化。參考文獻(xiàn)[3]采用的是RC充放電方法，通過對電容充電和放電到達(dá)閾值的次數(shù)間接計算電容變化的大小。參考文獻(xiàn)[4]提出了由德國ACAM公司設(shè)計的專用電容檢測芯片PS201，它是一款基于時間數(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）技術(shù)的芯片。其基本原理是將待測電容和參考電容進(jìn)行交替的充放電，通過時間測量單元TDC對任意放電時間的測量來計算出被測電容的容值。
由于本文應(yīng)用對象是無線采集節(jié)點，對低功耗、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制板時已經(jīng)設(shè)計的均勻?qū)ΨQ的長方形焊盤。相比于溫濕度傳感器HS1101、專用電容檢測芯片PS201，成本上已經(jīng)非常具有優(yōu)勢。（2）體積上可以做得很小，方便攜帶。（3）在產(chǎn)品服務(wù)體驗上，由于微小電容是通過對的電極構(gòu)成，紙尿褲出產(chǎn)時就已經(jīng)在吸收芯層刷置了兩條對稱的電極，而監(jiān)護(hù)人安裝拆卸時只要在相應(yīng)標(biāo)記的位置裝上檢測單元，無需對紙尿褲內(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給出了電容檢測原理圖。
為了提高檢測的可靠性和準(zhǔn)確性，除了考慮電路抗干擾的設(shè)計和軟件濾波算法，本文在對電容放電時間做測量的問題上，采用了獨創(chuàng)的交替RC充放電測量法。通過圖2可以發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計了兩條對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提高測量的準(zhǔn)確性。具體流程圖3已經(jīng)有了很好的說明，處理方面先讓上面的充放電路作為電源地，對下面的充放電路進(jìn)行充放電的測量，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。通過兩次的交替測量，對放電時間進(jìn)行比較，在一定的波動允許范圍內(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
根據(jù)式（1）和（2），設(shè)計電極的形狀沒有特別的要求，但是其大小是設(shè)計中要考慮的因素。電極大，正對面積增大，電容Cx也相應(yīng)增大，但同時受到環(huán)境的干擾也會增大，和其他電路形成的寄生電容也會增加，電路體積容量也會增大[5-7]。因此應(yīng)該合理設(shè)計出一個合適的電極大小來增加Cx，減小Cp的影響。
本文設(shè)計的電極是圓形的，直徑為20 mm，兩個電極之間的距離為7 mm。由于該檢測取決于電極與地之間的寄生電容Cp，將地靠近電極就會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，可以通過細(xì)小的走線來與電極相連，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)計的前端采集節(jié)點PCB如圖4所示。
3 軟件抗干擾設(shè)計
3.1 軟件濾波算法
由于微小電容的檢測會受到外界環(huán)境的各種干擾，如環(huán)境溫濕度的變化會導(dǎo)致電容發(fā)生溫漂現(xiàn)象[8]；外界的各種高頻噪聲會影響系統(tǒng)的電容檢測，進(jìn)而對尿濕判斷進(jìn)行干擾，出現(xiàn)漏報或假報的現(xiàn)象[9]；本文基于這類情況，設(shè)計了一個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，對電容放電取多次測量（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)行第二次測量，來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)行第三次測量來判斷是否有尿濕發(fā)生，在第三次測量結(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
由于電容檢測結(jié)果對外界環(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)境的變化對參考值進(jìn)行調(diào)整，以免產(chǎn)生誤報。基本原理如圖6，參考值會隨著外界環(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
為檢驗本文提出的算法對有無尿濕情況下判斷的準(zhǔn)確性，在相同實驗條件下（實驗環(huán)境溫度、濕度基本不變）通過對電容充放電100次，記錄TIM2對放電時間的數(shù)值，來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，通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次濾波，在正常情況下，TIM2計數(shù)值保持在310左右上下浮動，而在尿濕的情況下，其數(shù)值在350上下浮動，差值還是相對比較明顯的。但是由于基準(zhǔn)值隨外界環(huán)境等因素的漂移，兩種情況下曲線會有交點，說明在該交點上會出現(xiàn)錯誤信息，產(chǎn)生誤報現(xiàn)象。因此就必須對基準(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，產(chǎn)生誤報的概率相應(yīng)降低。圖9給出了在100組測試中，在第50組時該實驗平臺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。
本文針對目前嬰幼兒、老人等弱勢群體難以合理照顧的情況，設(shè)計了基于RC充放電原理的尿濕檢測無線傳感節(jié)點。在參考文獻(xiàn)[2]等人的研究基礎(chǔ)上，通過改進(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)境因素帶來的干擾，在正常和尿濕兩種情況下具有明顯的效果。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊進(jìn)寶.無線醫(yī)療呼叫系統(tǒng)的設(shè)計[D].長沙：湖南師范大學(xué)，2009.
[2] 管瑞，周龍，陳雄.基于張弛原理的JST080觸摸按鍵的優(yōu)化設(shè)計[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2010，29（4）：60-63.
[3] 田野，廖明燕.基于充放電原理的電容式觸摸按鍵設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2010（10）：142-144.
[4] 熊麗霞.微弱電容傳感信號讀取電路技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.
[5] PERME T.電容觸摸傳感的理論框架[J].電子產(chǎn)品世界，2009，16（8）：9-11.
[6] PERME T.電容觸摸傳感器布板和物理設(shè)計指南[Z].Microchop， 2009.
[7] ROSU-HAMZESCU M. mTouchTM conducted noise immunity techniques for the CTMU[Z]. Microchip， 2010.
[8] BURKE DAVISON. Techniques for robust touch sensing Design[Z]. Microchip，2010.
[9] 嚴(yán)小軍，趙妮，秦泓江.基于MATLAB的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計與仿真[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化，2007（6）：110-112.
[10] DAVISON B. Capacitive touch algorithm simulation[DB/OL]. 2010-04-03.http：//www.microchip，com/en_US/technology/mTouchButtons/index， html， 2009.
[11] PERME T. Layout and physical design guide lines for capacitiv esensing[DB/OL]. 2010-04-03. http：//www.microchip，com/en_US/technology/mTouchButtons/index. html， 2007.