摘 要： 针对市场上缺乏尿湿检测有效装置的问题，提出了一种基于非接触式电容检测湿度的方法。设计了一个简单的RC充放电低成本电路，通过观测在无尿湿情况和有尿湿情况下电容容值的变化，依靠硬件抗干扰设计和软件自适应滤波算法，能够准确判断是否有尿湿发生。理论分析和计算机仿真结果表明，该方法能有效监测婴幼儿、老年人的尿湿状况，还可以滤除环境变化对微小电容容值的影响。
关键词： 尿湿检测；RC充放电；硬件抗干扰；自适应滤波
我国医疗资源紧缺，开发医院或家庭的智能化呼叫监控网络可以减少医护人员、家属的工作负担，提高工作效率和服务质量[1]。尤其对现代社会中比重不断增加、生活不能自理的婴幼儿、老龄人来说，如何有效、及时地监护他们的身体状况是一个日益突显的问题。现在市面上出现的尿湿检测装置大都是靠有线的方式，通过湿度传感器来对尿湿进行检测，因此带来了拆装不便、成本较高的问题。本文创新地设计了非接触电容检测尿湿的装置，通过无线射频将采集的数据传输到监控中心，更具现实的意义。系统整体框架图如图1所示。
本文的重点是前端检测节点的尿湿检测电路的设计，对于微小电容的检测，参考文献[2]在张弛振荡原理基础上，电流源对微小电容进行充电，当达到阈值时，触发比较器输出高低电平控制复位开关以改变电容的充放电顺序，并通过定时器对比较器的输出频率进行捕获，以此来计算电容的变化。参考文献[3]采用的是RC充放电方法，通过对电容充电和放电到达阈值的次数间接计算电容变化的大小。参考文献[4]提出了由德国ACAM公司设计的专用电容检测芯片PS201，它是一款基于时间数字转换（TDC）技术的芯片。其基本原理是将待测电容和参考电容进行交替的充放电，通过时间测量单元TDC对任意放电时间的测量来计算出被测电容的容值。
由于本文应用对象是无线采集节点，对低功耗、低成本要求都比较严格，因此采用了基于RC电容充放电的方法。具体原因包括：（1）检测电路成本较低，电路仅由电阻、电容等分立原件构成，电极也是在PCB制板时已经设计的均匀对称的长方形焊盘。相比于温湿度传感器HS1101、专用电容检测芯片PS201，成本上已经非常具有优势。（2）体积上可以做得很小，方便携带。（3）在产品服务体验上，由于微小电容是通过对的电极构成，纸尿裤出产时就已经在吸收芯层刷置了两条对称的电极，而监护人安装拆卸时只要在相应标记的位置装上检测单元，无需对纸尿裤内部进行操作，大大方便了其护理工作，提高了产品舒适性。图2给出了电容检测原理图。
为了提高检测的可靠性和准确性，除了考虑电路抗干扰的设计和软件滤波算法，本文在对电容放电时间做测量的问题上，采用了独创的交替RC充放电测量法。通过图2可以发现本文设计了两条对称的电容充放电电路。该电路除采用相同的RC滤波电路外，在软件上，采用了交替充放电来提高测量的准确性。具体流程图3已经有了很好的说明，处理方面先让上面的充放电路作为电源地，对下面的充放电路进行充放电的测量，然后交替让下面的电路接电源地，上面的电路进行充放电。通过两次的交替测量，对放电时间进行比较，在一定的波动允许范围内，便可判断电容容值是否有变化，这样比起单一的测量电路更具可靠性，结果也更具准确性。
2 硬件抗干扰设计
根据式（1）和（2），设计电极的形状没有特别的要求，但是其大小是设计中要考虑的因素。电极大，正对面积增大，电容Cx也相应增大，但同时受到环境的干扰也会增大，和其他电路形成的寄生电容也会增加，电路体积容量也会增大[5-7]。因此应该合理设计出一个合适的电极大小来增加Cx，减小Cp的影响。
本文设计的电极是圆形的，直径为20 mm，两个电极之间的距离为7 mm。由于该检测取决于电极与地之间的寄生电容Cp，将地靠近电极就会增加寄生电容而降低灵敏度，因此通常需要把地远离传感器电极，可以通过细小的走线来与电极相连，这样既能减少寄生电容，又能增加电路的灵敏度。因此本文设计两层PCB，主控芯片以及元器件放在一层，而传感器电极放在另一层，并且地层远离传感器，使传感器电极周围空旷，不受电路电磁射频及寄生电容的影响。本文设计的前端采集节点PCB如图4所示。
3 软件抗干扰设计
3.1 软件滤波算法
由于微小电容的检测会受到外界环境的各种干扰，如环境温湿度的变化会导致电容发生温漂现象[8]；外界的各种高频噪声会影响系统的电容检测，进而对尿湿判断进行干扰，出现漏报或假报的现象[9]；本文基于这类情况，设计了一个较合理的软件自适应滤波算法。
本文所提出的算法流程如图5，采用截尾均值的方法，对电容放电取多次测量（本文为10次），去掉其最大值和最小值求取其平均值，这样能防止尖脉冲噪声的干扰。将该平均值作为初次参考值Standard，然后进行第二次测量，来判断第二次的电容放电平均数值Value1与参考值的大小。如果相差在允许范围内（本文在-5~+5波动范围内），则判断是否要自适应调整参考值，如果相差在较大范围，则进行第三次测量来判断是否有尿湿发生，在第三次测量结果内，如果平均值Value2与参考值相差较大则判断有尿湿情况发生，如果平均值在允许范围内则考虑是否要自适应调整参考值。
3.2 参考值自适应调整算法
由于电容检测结果对外界环境的变化比较敏感，鉴于上文滤波算法提出的参考值Standard会随着环境的变化发生偏移[10-11]，因此本文采用数字低通滤波器算法，在正常的情况下，根据环境的变化对参考值进行调整，以免产生误报。基本原理如图6，参考值会随着外界环境的变化而增大或者减小，以适应于各种环境。
4 仿真结果和分析
为检验本文提出的算法对有无尿湿情况下判断的准确性，在相同实验条件下（实验环境温度、湿度基本不变）通过对电容充放电100次，记录TIM2对放电时间的数值，来分析软件滤波和尿湿判断的准确性。由仿真图形图7可以看出，通过对采集的数据进行第一次滤波，在正常情况下，TIM2计数值保持在310左右上下浮动，而在尿湿的情况下，其数值在350上下浮动，差值还是相对比较明显的。但是由于基准值随外界环境等因素的漂移，两种情况下曲线会有交点，说明在该交点上会出现错误信息，产生误报现象。因此就必须对基准值进行调节，使其随环境的变化自适应调节系统阈值。通过采用上文滤波算法和式（4），其仿真图形如图8所示。
从图8可以看出，经过第二次的参考值自适应滤波算法，正常情况下和尿湿情况下，两条曲线已经有了比较明显的区分，基本在稳定的范围内上下波动，产生误报的概率相应降低。图9给出了在100组测试中，在第50组时该实验平台模拟尿湿的情况下的曲线图，图中曲线可以很明显地显示正常情况和尿湿情况下的状态区别。
本文针对目前婴幼儿、老人等弱势群体难以合理照顾的情况，设计了基于RC充放电原理的尿湿检测无线传感节点。在参考文献[2]等人的研究基础上，通过改进RC充放电原理，采用交替充放电原理的抗干扰算法，合理的硬件电路设计和软件参考值自适应滤波算法，能够有效地滤除环境因素带来的干扰，在正常和尿湿两种情况下具有明显的效果。
参考文献
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[2] 管瑞，周龙，陈雄.基于张弛原理的JST080触摸按键的优化设计[J].武汉工业学院学报，2010，29（4）：60-63.
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