基于物聯網RFID技術的失能失禁監測*
0 引言
由于RFID 的非接觸性、多目標識別等重要特性，已經在服務領域，貨物銷售，后勤分配，物流，圖書文件管理等領域得到了快速的普及和推廣[1]。RFID技術應用到智能失禁檢測中，是將低功耗濕度傳感器與UHFRFID無源柔性標簽結合，并通過單片機以及物聯網云平臺讓普通紙尿褲具備失禁報警功能，能提醒護理人員及時更換。這種利用可重復使用的UHF RFID 傳感器標簽以及物聯網平臺實現低成本的失能失禁系統，將極大地方便家庭和醫院的失禁護理，降低護理難度及成本，為失禁人士的正常生活帶來方便，并可避免水分泄露引發的皮膚問題，具有極大的應用價值。
系統構成如圖1 所示， 通過STM32F103C8T6向UHF RFID閱讀器發送濕度傳感器標簽讀取指令，UHF RFID閱讀器向標簽提供能量并接受濕度信息，STM32F103C8T6將接收到的濕度數據進行處理后通過向EC600N通信模組發送基于MQTT 通信協議的消息到阿里云IOT 物聯網平臺，阿里云接收到信息之后將在工作臺顯示濕度，可以通過電腦和手機進行查看濕度信息。而后護理人員將根據失禁情況對紙尿褲進行更換以及將傳感器標簽揭下并重新貼到新紙尿褲上。
1 系統設計
1.1 硬件設計
智能失禁紙尿布是一種對實現實時失禁情況檢測，提高對失禁人士護理服務，讓失禁人士享受正常生活以及減輕護理成本的重要工具。智能失禁紙尿褲使用RFM2120-ARF 濕度標簽，其具有標簽可重復使用且防水的特點。系統具有錯誤濕度數據處理、失禁檢測結果實時顯示、失禁檢測數據上傳至阿里云平臺的功能。硬件主要包括以下部分：
1）柔性無源UHF RFID 傳感器標簽RFM2120-ARFRFM2120-ARF 是一款無線無電池濕度傳感器標簽，采用帶內置膠條的柔性材料制造，具有5 Bit 的濕度檢測數值。它是一款醫療級濕度檢測標簽，為失禁檢測而設計，輕薄可彎曲，完全防水，可重復使用。支持變色龍自動調諧技術，使用閱讀器天線提供的RF 射頻能量進行工作。
2）UHF RFID 超高頻讀寫器RP26超高頻閱讀器支持ISO 18000-6C 與EPC Class1Gen2 等多種通信標準通過串口與其他設備連接并進行數據收發。模塊功率大，需獨立供電，抗干擾能力強，支持標簽防碰撞技術，26 dBi 增益。
3）STM32F103C8T6 單片機STM32F103C8T6 是基于ARM Cortex-M3 內核STM32系列的32 位的微控制器，程序存儲器容量是64 KB，擁有多路串口，運行速度快。
4）移遠EC600N 4G LTE Cat1 模塊EC600N-CN 是移遠通信專為M2M 和IoT 領域而設計的LTE Cat1 無線通信模塊，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，超高性價比[2]。同時，擁有比NB-IOT 更廣的信號普及范圍，更大的帶寬和更低的延時，可以接入4G 網絡。
1.2 軟件設計
STM32F103C8T6 運行程序，負責收發來自閱讀器的數據并處理，并提示濕度監測結果，使用AT 指令將檢測結果發送至EC600N 4G 模塊，模塊通過MQTT 指令將數據上傳至阿里云IOT 云平臺。
1）模塊與STM32F103C8T6 間的通信
模塊均通過串口通信的方式與STM32F103C8T6 進行通信，并使用多路串口DMA 通信的方式的進行數據收發，波特率均為115.2 kbit/s。主要軟件設計部分如下：
2）傳感器數據讀取
UHF RFID 閱讀器模塊接收到STM32F103C8T6 下達的連接標簽指令后，將通過射頻天線連接指定標簽，檢測連接標簽成功后，STM32F103C8T6 通過閱讀器向傳感器標簽發送濕度讀取指令，標簽會返回傳感器數據，STM32F103C8T6 處理后即可得出濕度。相關指令需要按標簽數據手冊進行設置，標簽主要信息如表2 所示。
表1 標簽濕度傳感器配置信息
3）云平臺配置
本設計使用阿里云IOT 平臺進行實時數據收集，通過AT 指令與MQTT 協議進行平臺信息配置并上傳實時濕度數據。阿里云IOT 云平臺會將濕度數據與失禁情況在控制臺顯示。除此之外，阿里云IOT 平臺還可以將數據下發到手機終端。
2 系統測試
2.1 系統搭建
將傳感器標簽粘貼在普通紙尿褲上，傳感器標簽在閱讀器天線上的投影面積應盡量大，傳感器標簽與閱讀器天線之間無阻擋。4G 模塊天線也應該與UHF RFID天線保持一定的距離。
2.2 失禁閾值
通過測量貼在紙尿褲上的傳感器標簽在紙尿褲干燥，濕水時和失禁后的濕度值，得出濕度在不同狀態下的變化曲線，從而選擇濕度閾值，濕度超過閾值時，失能失禁檢測系統將會判斷發生失禁，如果濕度值未超過閾值，系統將會判斷未發生失禁情況。
從阿里云平臺濕度隨時間變化如圖2。其中43 s ～125 s 之間為排尿用時。由圖可選取22 作為閾值，超過此閾值即為失禁，反之為未失禁。當選取22 作為閾值，系統擁有足夠時間去判斷使用人是否發生了失禁情況并上報，這將提高系統的準確性。
圖2 紙尿褲濕水前后濕度變化曲線
2.3 標簽的使用距離范圍
UHF RFID 閱讀器擁有自動射頻功率調節功能，閱讀器將盡量保證與標簽通信成功率導致RSSI波動較大。但在超出一定范圍時，通信成功率將會有顯著下滑，將不再能可靠使用。將天線正對標簽的情況下，通過室內閱讀器發送30 次讀取指令下獲取正確的濕度信息次數確定使用范圍以及大致的表現。
通過表2 可以發現其大致規律，當標簽與天線距離從10cm～100cm，閱讀器接收到的消息數較多，系統能較好地反映實時濕度，但超過100 cm 時，接收到的消息數顯著下降，故而天線與標簽的距離不建議超過100 cm。
表2 不同距離下接收到的消息數
| 距離/cm | 消息數 |
| 10 | 23 |
| 20 | 20 |
| 30 | 22 |
| 40 | 19 |
| 50 | 18 |
| 60 | 15 |
| 70 | 16 |
| 80 | 21 |
| 90 | 20 |
| 100 | 21 |
| 110 | 7 |
| 120 | 1 |
| 150 | 0 |
3 結束語
通過利用周圍環境濕度對柔性標簽阻抗的影響的原理，設計本套系統用以對失禁情況進行檢測。本套使用具有優異防水性能，免電池的柔性超薄RFM2120 標簽以及低價的UHFRFID 閱讀器，加上STM32F103C8T6 MCU 以及移遠EC600N 4G CAT1 模塊，實現了一款實用性高，成本相對低廉的物聯網失能失禁檢測系統，并具有最大1 m 的讀取距離，實用性高，并將極大地降低失能失禁監護的難度，提高使用者的生活質量。
參考文獻：
[1] 王超.基于AS3992的915MHZ讀寫器設計[D].濟南:濟南大學,2012.
[2] 王燦田,陳育中.基于STM32和4G技術的紅外智能插座系統設計[J].物聯網技術,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標簽性能測試系統的設計[D].濟南:山東大學,2017.
[5] 胡益.基于EPC Class1 Gen2的讀寫器軟件設計與實現[D].長沙:湖南大學,2004.
（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年12月期）
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