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，依靠硬件抗干擾設計和軟件自適應濾波算法，能夠準確判斷是否有尿濕發生。理論分析和計算機仿真結果表明，該方法能有效監測嬰幼兒、老年人的尿濕狀況，還可以濾除環境變化對微小電容容值的影響。
關鍵詞： 尿濕檢測；RC充放電；硬件抗干擾；自適應濾波
我國醫療資源緊缺，開發醫院或家庭的智能化呼叫監控網絡可以減少醫護人員、家屬的工作負擔，提高工作效率和服務質量[1]。尤其對現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、及時地監護他們的身體狀況是一個日益突顯的問題。現在市面上出現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行檢測，因此帶來了拆裝不便、成本較高的問題。本文創新地設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據傳輸到監控中心，更具現實的意義。系統整體框架圖如圖1所示。
本文的重點是前端檢測節點的尿濕檢測電路的設計，對于微小電容的檢測，參考文獻[2]在張弛振蕩原理基礎上，電流源對微小電容進行充電，當達到閾值時，觸發比較器輸出高低電平控制復位開關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行捕獲，以此來計算電容的變化。參考文獻[3]采用的是RC充放電方法，通過對電容充電和放電到達閾值的次數間接計算電容變化的大小。參考文獻[4]提出了由德國ACAM公司設計的專用電容檢測芯片PS201，它是一款基于時間數字轉換（TDC）技術的芯片。其基本原理是將待測電容和參考電容進行交替的充放電，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。
由于本文應用對象是無線采集節點，對低功耗、低成本要求都比較嚴格，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、電容等分立原件構成，電極也是在PCB制板時已經設計的均勻對稱的長方形焊盤。相比于溫濕度傳感器HS1101、專用電容檢測芯片PS201，成本上已經非常具有優勢。（2）體積上可以做得很小，方便攜帶。（3）在產品服務體驗上，由于微小電容是通過對的電極構成，紙尿褲出產時就已經在吸收芯層刷置了兩條對稱的電極，而監護人安裝拆卸時只要在相應標記的位置裝上檢測單元，無需對紙尿褲內部進行操作，大大方便了其護理工作，提高了產品舒適性。圖2給出了電容檢測原理圖。
為了提高檢測的可靠性和準確性，除了考慮電路抗干擾的設計和軟件濾波算法，本文在對電容放電時間做測量的問題上，采用了獨創的交替RC充放電測量法。通過圖2可以發現本文設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確性。具體流程圖3已經有了很好的說明，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，上面的電路進行充放電。通過兩次的交替測量，對放電時間進行比較，在一定的波動允許范圍內，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，結果也更具準確性。
2 硬件抗干擾設計
根據式（1）和（2），設計電極的形狀沒有特別的要求，但是其大小是設計中要考慮的因素。電極大，正對面積增大，電容Cx也相應增大，但同時受到環境的干擾也會增大，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]。因此應該合理設計出一個合適的電極大小來增加Cx，減小Cp的影響。
本文設計的電極是圓形的，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離傳感器電極，可以通過細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。本文設計的前端采集節點PCB如圖4所示。
3 軟件抗干擾設計
3.1 軟件濾波算法
由于微小電容的檢測會受到外界環境的各種干擾，如環境溫濕度的變化會導致電容發生溫漂現象[8]；外界的各種高頻噪聲會影響系統的電容檢測，進而對尿濕判斷進行干擾，出現漏報或假報的現象[9]；本文基于這類情況，設計了一個較合理的軟件自適應濾波算法。
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，然后進行第二次測量，來判斷第二次的電容放電平均數值Value1與參考值的大小。如果相差在允許范圍內（本文在-5~+5波動范圍內），則判斷是否要自適應調整參考值，如果相差在較大范圍，則進行第三次測量來判斷是否有尿濕發生，在第三次測量結果內，如果平均值Value2與參考值相差較大則判斷有尿濕情況發生，如果平均值在允許范圍內則考慮是否要自適應調整參考值。
3.2 參考值自適應調整算法
由于電容檢測結果對外界環境的變化比較敏感，鑒于上文濾波算法提出的參考值Standard會隨著環境的變化發生偏移[10-11]，因此本文采用數字低通濾波器算法，在正常的情況下，根據環境的變化對參考值進行調整，以免產生誤報。基本原理如圖6，參考值會隨著外界環境的變化而增大或者減小，以適應于各種環境。
4 仿真結果和分析
為檢驗本文提出的算法對有無尿濕情況下判斷的準確性，在相同實驗條件下（實驗環境溫度、濕度基本不變）通過對電容充放電100次，記錄TIM2對放電時間的數值，來分析軟件濾波和尿濕判斷的準確性。由仿真圖形圖7可以看出，通過對采集的數據進行第一次濾波，在正常情況下，TIM2計數值保持在310左右上下浮動，而在尿濕的情況下，其數值在350上下浮動，差值還是相對比較明顯的。但是由于基準值隨外界環境等因素的漂移，兩種情況下曲線會有交點，說明在該交點上會出現錯誤信息，產生誤報現象。因此就必須對基準值進行調節，使其隨環境的變化自適應調節系統閾值。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，經過第二次的參考值自適應濾波算法，正常情況下和尿濕情況下，兩條曲線已經有了比較明顯的區分，基本在穩定的范圍內上下波動，產生誤報的概率相應降低。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區別。
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，設計了基于RC充放電原理的尿濕檢測無線傳感節點。在參考文獻[2]等人的研究基礎上，通過改進RC充放電原理，采用交替充放電原理的抗干擾算法，合理的硬件電路設計和軟件參考值自適應濾波算法，能夠有效地濾除環境因素帶來的干擾，在正常和尿濕兩種情況下具有明顯的效果。
參考文獻
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