CN112112234B - 一种基于光电探测的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光电探测的检测装置及方法。该装置中待测试纸放置盒固定于马桶后部，位于水箱的下方；待测试纸盒和待测试纸传送通道位于待测试纸放置盒内，待测试纸传送通道位于待测试纸盒前方，待测试纸盒的前端包括第一挡板，待测试纸传送通道的前端包括第二挡板；样品捕获槽位于测试位置的上方，样品捕获槽用于放置检测纸巾；光源模块固定于马桶的第一侧边，且位于马桶圈下方；光探测模块固定于马桶的第二侧边，且位于马桶圈的下方；微处理器还用于根据光探测模块的探测数据确定粪便中待测成分的浓度。本发明可以提高检测的便捷性，加快检测进度。

Description

一种基于光电探测的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及排泄物检测领域，特别是涉及一种基于光电探测的检测装置及方法。

背景技术

尿液检测和粪便检测是现代临床医学的常规检测，为某些疾病如慢性肾病、糖尿病、血液病、肝胆疾患、流行性出血热、大肠癌等诊断提供基础。临床上尿液检测或粪便检测采用干化学法进行检测，检测试纸有多个检测色块，分别对应多个检测指标，例如尿液中的蛋白质、酸碱度、潜血、尿比重、微量白蛋白、肌酐等。粪便检测试纸上包被一层四甲基联苯胺显色染料和过氧化物膜，会与粪便中的血红蛋白发生反应显色。

干化学分析技术是指将液体检测样品直接加到为不同项目特定生产的商业化的干燥试剂条上，以被测样品的水分作为溶剂引起特定的化学反应。其中一种检测手段是采用反射光度法，即通过对尿液检测试纸进行反射光学测试来进行成分分析。检测原理：根据尿液中或粪便中的几种特定成分与测试试纸块发生反应而产生的颜色变化来半定量的测定尿液或粪便中物质浓度。

除了专业医学机构可进行尿液检测以及粪便检测，也可采用便携式的家用尿液检测仪和粪便检测仪，大部分都需要操作人员进行对尿液和粪便取样后检测，使用不便，检测易受干扰，准确率低，易受污染，速度慢。同时有部分智能马桶上集成了尿液检测和粪便检测的功能，但是现有装置中检测多使用光学传感器如RGB传感器或图像CCD传感器，易受环境干扰，且光学系统复杂不易维护并存在检测颜色少，由于光源照射不均匀造成的显色块颜色不均匀等问题，导致检测精度下降。现有技术中对粪便检测的技术往往需要对样品稀释和搅拌等预处理，装置复杂不稳定，例如，授权公告号为CN108291901B的专利公开了一种粪便检测马桶，在马桶内部直接使用了一台光谱扫描仪，粪便需要经过容器收集、加水搅拌、清洗等多个步骤，其中加水搅拌的稀释过程对检测结果会造成影响，进而导致检测准确度低；此外，装置工作过程中还需要额外的LED灯进行照明，价格昂贵，无法定标和维护。再如，公布号为WO 2017/027994 A1的专利公开了一种健康检测马桶，在结构上设置多个用管道连接的检测工位来实现多个成分的检测，其无法保证尿液或粪便均匀进入每个检测工位，进而导致检测结果准确度低，且结构复杂、集成不便、不易清洗。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中在智能马桶上进行尿液和粪便检测存在检测结果准确度低的问题，本发明提供了一种基于光电探测的检测装置及方法，能同时检测到多波段的颜色信号来分析尿液和粪便指标，在提高检测准确度的同时，降低检测装置的制造成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于光电探测的检测装置，包括：待测试纸放置盒、待测试纸盒、待测试纸传送通道、光源模块、样品捕获槽、光探测模块和微处理器；

所述待测试纸放置盒固定于马桶后部，位于水箱的下方；所述待测试纸盒和所述待测试纸传送通道位于所述待测试纸放置盒内，所述待测试纸传送通道位于所述待测试纸盒前方，所述待测试纸盒的前端包括第一挡板，所述待测试纸传送通道的前端包括第二挡板；当进行尿液检测时，所述待测试纸盒的第一挡板打开，所述待测试纸盒中的待测试纸落入所述待测试纸传送通道，所述待测试纸传送通道由电机带动伸出至测试位置；所述待测试纸包括尿糖试纸、尿蛋白试纸和尿三联试纸；

所述样品捕获槽位于所述测试位置的上方，所述样品捕获槽用于放置检测纸巾；所述检测纸巾包括试纸层，所述试纸层包括氧化酶模块、过氧化酶模块、酸碱指示剂模块、色原模块、四甲基联苯胺显色染料和过氧化物膜；所述样品捕获槽中还设置有激光传感器和蜂鸣器，所述激光传感器用于标定检测纸巾的位置，进而确定检测纸巾是否准确的位于样品捕获槽中的检测位置。蜂鸣器用于反馈检测纸巾是否位于检测位置。例如，当检测纸巾的位置未准确位于样品捕获槽中的检测位置时，蜂鸣器启动报警；当检测纸巾的位置准确位于样品捕获槽中的检测位置时，蜂鸣器不启动报警。或者，当检测纸巾的位置准确位于样品捕获槽中的检测位置时和检测纸巾的位置未准确位于样品捕获槽中的检测位置时，蜂鸣器分别发出不同的声音。

所述光源模块固定于所述马桶的第一侧边，且位于马桶圈下方；所述光探测模块固定于所述马桶的第二侧边，且位于所述马桶圈的下方；所述光探测模块的数据输出端连接至所述微处理器；所述光源模块出射的光源照射至所述测试位置时，在所述测试位置反射后到达所述光探测模块，所述微处理器用于根据所述光探测模块的探测数据确定尿液中待测成分的浓度；所述光源模块出射的光源照射至所述样品捕获槽位置时，在所述样品捕获槽位置反射后到达所述光探测模块，所述微处理器还用于根据所述光探测模块的探测数据确定粪便中待测成分的浓度。

可选的，还包括：第一红外传感器、第二红外传感器和机械传动模块；

所述第一红外传感器固定于所述马桶圈外围，所述第一红外传感器用于检测马桶设定距离内是否有人体；所述第二红外传感器固定于所述马桶内部侧壁上，所述第二红外传感器用于检测马桶内排尿行为是否结束；所述机械传动模块与马桶盖连接，所述机械传动模块用于驱动所述马桶盖打开或关闭；

所述第一红外传感器的数据输出端和所述第二红外传感器的数据输出端均与所述微处理器连接，所述微处理器与所述机械传动模块连接；当所述第一红外传感器检测到马桶设定距离内有人体时，所述微处理器控制所述机械传动模块打开马桶盖；当所述第二红外传感器检测到马桶内排尿行为结束时，所述微处理器控制所述机械传动模块关闭马桶盖。

可选的，还包括检测开关；所述检测开关包括尿液检测开关和粪便检测开关，所述尿液检测开关和所述粪便检测开关均固定于马桶外侧；所述尿液检测开关和粪所述便检测开关均与所述微处理器通信；

当用户打开所述尿液检测开关时，所述微处理器控制所述待测试纸盒的第一挡板打开，并控制所述电机带动所述待测试纸传送通道伸出至测试位置。

可选的，还包括数据处理模块；所述数据处理模块的输入端连接所述光探测模块的输出端，所述数据处理模块的输出端连接所述微处理器；

所述数据处理模块用于根据所述光探测模块的探测信号确定反射光的光信号；所述微处理器用于根据所述光信号确定反射光的颜色，根据所述反射光的颜色确定尿液中待测成分的浓度或粪便中待测成分的浓度。

可选的，还包括：数据传输模块和上位机；

所述微处理器通过所述数据传输模块与所述上位机通信。

可选的，所述检测纸巾具体包括：纸纤维层、过滤层、微孔道层和试纸层，所述纸纤维层、所述过滤层、所述微孔道层和所述试纸层由上至下依次层叠；所述过滤层和所述试纸层通过微孔道层连接；所述微孔道层包括多条垂直的微孔道；所述试纸层上设置有待测成分的试纸带，所述试纸带包括氧化酶模块、过氧化酶模块、酸碱指示剂模块、色原模块、四甲基联苯胺显色染料和过氧化物膜。

本发明还提供一种基于光电探测的检测方法，所述基于光电探测的检测方法应用于上述的基于光电探测的检测装置，所述基于光电探测的检测方法包括：

获取检测模式；所述检测模式包括尿液检测模式和粪便检测模式；

当所述检测模式为尿液检测模式时，打开待测试纸盒的第一挡板；

判断所述待测试纸盒中的待测试纸是否落入待测试纸传送通道；

当所述待测试纸盒中的待测试纸落入待测试纸传送通道后，将待测试纸传送通道伸出至测试位置；

获取光探测模块的第一探测数据；

根据所述光探测模块的第一探测数据确定尿液中待测成分的浓度；

当所述检测模式为粪便检测模式时，获取所述光探测模块的第二探测数据；

根据所述光探测模块的第二探测数据确定粪便中待测成分的浓度。

可选的，所述根据所述光探测模块的第一探测数据确定尿液中待测成分的浓度，具体包括：

对所述第一探测数据进行预处理，确定反射光的光信号；

根据所述光信号确定反射光的颜色；

基于尿液待测成分浓度的颜色数据库，确定所述反射光的颜色对应的尿液待测成分浓度。

可选的，所述根据所述光探测模块的第二探测数据确定粪便中待测成分的浓度，具体包括：

对所述第二探测数据进行预处理，确定反射光的光信号；

根据所述光信号确定反射光的颜色；

基于粪便待测成分浓度的颜色数据库，确定所述反射光的颜色对应的粪便待测成分浓度。

可选的，所述获取检测模式，具体包括：

获取尿液检测开关和粪便检测开关的开关状态；

当尿液检测开关打开时，确定检测模式为尿液检测模式；

当粪便检测开关打开时，确定检测模式为粪便检测模式。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过集成在马桶内的光探测模块对待测试纸和检测纸巾反射回来的光进行检测，进而根据反射光的颜色确定待测尿液和粪便成分的浓度。本发明使用多通道光探测器而不是光谱仪，抗干扰性强，检测精度高，容易维护和替换，同时降低了检测装置的制造成本。而且本发明可以检测到多波段的颜色信号，光源接受均匀，加快检测进度，节省检测时间，提高检测灵敏度，同时检测多个指标，不改变用户生活习惯。

具体的，针对授权公告号为CN108291901B的专利，本发明与该专利文件的差异点如下：

1、试纸装载方式不同。该专利中使用的是将试纸片放置在硬质透明胶片上，本申请是设计了一种集擦拭和检测一体的检测纸巾。

2、试纸处理方式不同。该专利中的试纸片直接丢如废物桶，本发明的检测纸巾可以直接冲入水中。

3、采集方式不同。专利中试纸片浸入搅拌后的样品后传入检测槽检测，本发明是用检测纸巾擦拭样品进行检测。

4、该专利不能进行尿液检测。

5、检测工具不同。专利中使用光谱分析仪扫描检测，本发明使用光探测器照射检测。

6、该专利未对样品进行过滤处理，不能排除食物残渣等影响检测结果。

因此，相比于该专利文件，本发明可实现尿液和粪便的检测，且检测精度高，容易维护和替换，降低了检测装置的制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于光电探测的检测装置的结构示意图；

图2为本发明基于光电探测的检测装置的位置示意图；

图3为本发明基于光电探测的检测装置的侧面示意图；

图4为本发明待测试纸放置盒的示意图；

图5为本发明光源照射示意图；

图6为本发明基于光电探测的检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明基于光电探测的检测装置的结构示意图。如图1所示，本发明基于光电探测的检测装置包括：待测试纸放置盒1、待测试纸盒、待测试纸传送通道、光源模块2、样品捕获槽、光探测模块3和微处理器4。

如图3所示，所述待测试纸放置盒1固定于马桶后部，位于水箱的下方，方便取出待测试纸放置盒1对待测试纸进行补充。所述待测试纸盒14和待测试纸传送装置15位于所述待测试纸放置盒1内，待测试纸传送装置15上设置有所述待测试纸传送通道15-1，所述待测试纸传送通道15-1位于所述待测试纸盒14前方，所述待测试纸盒14内放置有待测试纸14-1，所述待测试纸14-1包括尿糖试纸、尿蛋白试纸和尿三联试纸。待测试纸盒14的前端设置第一挡板14-2，所述待测试纸传送通道15-1的前端设置有第二挡板15-2。当进行尿液检测时，所述待测试纸盒14的第一挡板14-2通过电极带动打开，所述待测试纸盒14中的待测试纸14-1自动落入所述待测试纸传送通道15-1内，当待测试纸14-1完全放置在待测试纸传送通道15-1时，待测试纸盒14的第一挡板14-2关闭，做到一用一放，防止待测试纸的污染。然后，所述待测试纸传送通道15-1由电机带动倾斜伸出至测试位置，进行尿液检测。尿液检测完成后，通过电机带动打开待测试纸传送通道15-1的第二挡板15-2，使待测试纸14-1自然落入马桶的水中分解，然后电机带动待测试纸传送通道15-1缩回至待测试纸放置盒1中。

如图2所示，所述样品捕获槽13位于所述测试位置的上方，处于马桶中心偏上位置。所述样品捕获槽13用于放置粪便的检测纸巾，在样品捕获槽13的下方有通道与马桶中心连接，在粪便检测完成后，可使检测纸巾落入马桶水中分解，减少污染。检测纸巾为折叠式的四层结构，由上到下依次为透光的纸纤维层、过滤层、微孔道层、试纸层，其中纸纤维层、过滤层和试纸层通过微孔道层相连接，微孔道层包含多条垂直的微孔道。当进行粪便检测时，粪便残留在纸纤维层后，经过过滤层中不同孔径的双层过滤网过滤食物残渣等多余杂质后，一部分含有水分的粪便流体(便血)经过微孔道层的微孔道到达试纸层，试纸层上设置有检测目标物质的试纸带，试纸带能够和粪便中所含物质发生化学反应，释放出氧，从而使试纸显色。其中试纸带包括氧化酶模块、过氧化酶模块、酸碱指示剂模块、色原模块、四甲基联苯胺显色染料和过氧化物膜。

本发明的光探测模块3为多通道光探测器。多通道光探测器由多通道四层光学探测芯片、干涉滤波器、低噪声放大电路、功率放大电路、模数转换电路、矩阵运算电路、MCU、通信接口组成。内置的光学探测芯片采用多个pn结沿厚度方向堆叠，pn结掺杂浓度不同，由于每个pn结都可以对不同波段的光信号做出感应，从而大大增加了感光面积，提高了检测灵敏度，同时有效扩展光电探测芯片的光谱响应范围，可以覆盖到从可见光到近红外的光谱区域；而且在同一位置上感应不同色谱的光，还可以避免因为光源的色谱分布不均匀造成的对检测的干扰。内置的干涉滤波器是由7层的TiO2/SiO2叠加组成，垂直叠加在探测器上方。干涉滤波器可以滤除滤波器窗口外的光信号(背景光)，使外部光信号不被探测芯片所接受，降低噪声干扰。使用该多通道光探测器可以更精准的检测到显色试纸的颜色呈现(相对于试纸初始状态的颜色变化)，提高数据的准确度。如图4所示，本发明采用多通道光探测器排列的方式固定于马桶圈下方，并与光源模块2呈一定的角度，确保反射光可以反射到光探测模块3上。采用三个多通道光探测器可以多方位检测到待测试纸14-1反射出的光，不需要光学系统聚焦，可以降低系统复杂度，提高数据准确度，达到快速检测的目的，同时降低了检测的环境要求。

在上述实施例的基础上，作为另一实施例，本发明基于光电探测的检测装置还包括：传感器模块5和机械传动模块6。如图2所示，传感器模块5包括第一红外传感器5-1和第二红外传感器5-2，所述第一红外传感器5-1固定于所述马桶圈外围，用于检测马桶设定距离内是否有人体靠近。所述第二红外传感器5-2固定于所述马桶内部侧壁上，用于检测马桶内排尿行为是否结束。所述机械传动模块6与马桶盖连接，用于驱动所述马桶盖打开或关闭。

所述第一红外传感器5-1的数据输出端和所述第二红外传感器5-2的数据输出端均与所述微处理器4连接，所述微处理器4与所述机械传动模块6连接。当所述第一红外传感器5-1检测到马桶设定距离内有人体靠近时，所述微处理器4控制所述机械传动模块6自动打开马桶盖，当人体离开时，微处理器4控制所述机械传动模块6自动关闭马桶盖。当所述第二红外传感器5-2检测到马桶内排尿行为结束时，所述微处理器4控制所述机械传动模块6关闭马桶盖。当有尿液经过就会造成红外热辐射能量的变化，此时第二红外传感器5-2将接收到的活动物体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转换为相应的电信号，以确定排尿行为。

在上述实施例的基础上，作为另一实施例，本发明基于光电探测的检测装置还包括：检测开关7。如图2所示，所述检测开关7包括尿液检测开关和粪便检测开关，所述尿液检测开关和所述粪便检测开关均固定于马桶外侧。所述尿液检测开关和所述粪便检测开关均与所述微处理器4通信，当用户打开所述尿液检测开关时，所述微处理器4控制所述待测试纸盒14的第一挡板14-2打开，并控制电机带动所述待测试纸传送通道15-1伸出至测试位置。

在上述实施例的基础上，作为另一实施例，本发明基于光电探测的检测装置还包括：数据处理模块8。所述数据处理模块8的输入端连接所述光探测模块3的输出端，所述数据处理模块8的输出端连接所述微处理器4。所述数据处理模块8用于根据所述光探测模块3的探测信号确定反射光的光信号，所述微处理器4用于根据所述光信号确定反射光的颜色，根据所述反射光的颜色确定尿液中待测成分的浓度或粪便中待测成分的浓度。

在上述实施例的基础上，作为另一实施例，本发明基于光电探测的检测装置还包括：数据传输模块9和上位机10。所述微处理器4通过所述数据传输模块9与所述上位机10通信。所述数据传输模块9采用无线通信方式，包括5G(NB-IOT)、蓝牙或者WiFi中一种，将检测数据上传至上位机10。上位机10可以为PC端或手机APP端。

本发明还包括电源模块11，为各个模块供电。

本发明基于光电探测的检测装置将电源模块11、数据处理模块8、数据传输模块9、微处理器4集成于电路板12上，如图2所示，电路板12位于马桶后方。

基于上述检测装置，本发明还提供一种基于光电探测的检测方法，图5为本发明基于光电探测的检测方法的流程示意图。如图5所示，包括以下步骤：

步骤100：获取检测模式。所述检测模式包括尿液检测模式和粪便检测模式。根据尿液检测开关和粪便检测开关的开关状态确定检测模式，当尿液检测开关打开时，确定检测模式为尿液检测模式；当粪便检测开关打开时，确定检测模式为粪便检测模式。

步骤200：当检测模式为尿液检测模式时，打开待测试纸盒的第一挡板。

步骤300：判断待测试纸盒中的待测试纸是否落入待测试纸传送通道。

步骤400：当待测试纸盒中的待测试纸落入待测试纸传送通道后，将待测试纸传送通道伸出至测试位置。

步骤500：获取光探测模块的第一探测数据。

步骤600：根据光探测模块的第一探测数据确定尿液中待测成分的浓度。具体的，首先，对所述第一探测数据进行预处理，确定反射光的光信号；然后，根据所述光信号确定反射光的颜色；最后，基于尿液待测成分浓度的颜色数据库，确定所述反射光的颜色对应的尿液待测成分浓度。

步骤700：当检测模式为粪便检测模式时，获取光探测模块的第二探测数据。

步骤800：根据光探测模块的第二探测数据确定粪便中待测成分的浓度。具体的，首先，对所述第二探测数据进行预处理，确定反射光的光信号；然后，根据所述光信号确定反射光的颜色；最后，基于粪便待测成分浓度的颜色数据库，确定所述反射光的颜色对应的粪便待测成分浓度。

下面提供一个具体实施例，进一步说明本发明的方案。

当使用者靠近马桶时，红外传感器检测到有人靠近，红外传感器内含有红外线发射管和红外线接收管，当发射管发出红外线，若红外线区域内被人体的手或身体的某一部分挡住，则接收管可以接收到反射光，据此判断有人靠近，则将有人靠近的信号发送给微处理器，微处理器控制马桶盖机械传动模块打开马桶盖。

若使用者要进行尿液检测，打开尿液检测开关进入检测模式，此时，待测试纸传送装置伸出至马桶中心，同时，待测试纸条落入待测试纸传送通道中等待与尿液接触。在使用者经过足够长的时间排尿使尿液完全浸透试纸(30-60s)后，当被动红外运动传感器检测到使用者不再进行排尿行为时，再等待5-10s时间，让使用者完全脱离马桶后，关闭马桶盖，因光探测器进行检测时需减少环境光的干扰，使环境处于黑暗中。此时光源模块对待测试纸进行45°充分照射后使光反射至光探测器，反射的光照射到光探测器上，光探测器将光信号(光强度)转变为可以读取的光谱信息。

光探测器读出来的光强度经过转换变成电信号，此时的电信号非常微弱，所以需要将电信号进行低噪声放大和功率放大，由于低噪声放大电路具有非常低的噪声，通常作为一级放大，而功率放大电路主要增加电信号的功率，通常作为最后一级放大。放大后的电信号为模拟信号，需要通过模数转换电路将模拟信号转换为数字信号便于进行下一步的计算。最后将数字信号通过矩阵运算电路计算出光电探测器接收到的光线的光信号。计算方法如下：

光信号γ由公式(1)计算得出，n为不同光信号编号。其中I为实际测得的电流信号，α的矩阵由公式(2)得到，在公式(2)中将R通过一系列转变得到α的矩阵，R的定义式由公式(3)计算得出，其中R_1n表示未被光源照射时的参考值，R_2n，R_3n，R_4n表示探测器的三个通道的值，S_i表示探测器不同通道的光谱响应，i为不同通道的编号，

表示照射在试纸上的反射回来的不同光源信号的光谱分布，k为不同光源的编号。此时的光信号存在一定的噪声以及背景荧光的影响，因此检测模块中的MCU将此时的光信号通过通信接口传输到数据处理模块。在数据处理模块中，第一步先进行边缘检测，边缘检测的目的是框定光信号中光强度最强的那一部分。将边缘检测后的数据进行预处理，通过拟合去除光谱基线，即去除环境光的影响。最后将预处理完的数据通过去噪处理，去除噪声对数据的影响，提高数据精度。

将经过数据处理模块的光强度最后传输到微处理器中，微处理器开始对数据进行分析。最后传输到微处理器的数据为检测到的待测试纸的光强度T1和空白对照试纸的光强度C1，根据公式R(反射率)＝T1/C1 x 100％得到光的反射率，根据光的反射率和波长的比例关系可以知道试纸所呈现出来的颜色的波长，以及颜色深浅。例如红色波长在622nm-780nm，越接近780nm，颜色越深，同时颜色越深，代表所含成分浓度越大。例如，人体尿液PH值在5-7之间，若颜色波长在492nm-597nm(黄色绿色之间)则证明该尿液酸碱度正常。将分析过的数据通过数据传输模块(蓝牙、WiFi)上传至上位机，也可以通过5G(NB-IOT)上传至云端保存。上位机上显示的数据包括：颜色波长以及对应的颜色深浅，对应的成分以及浓度，健康程度。

检测完毕后，微处理器控制光源模块关闭光源，待测试纸传送装置前端挡板打开，待测试纸条落入水中，同时，马桶开始自动冲水，同时对待测试纸双通道进行清洗，完毕后，电机带动待测试纸传送装置缩回放置盒中。

待测试纸条上的检测色块包括用于检测葡萄糖浓度的尿糖试纸A、尿糖试纸B；用于检测尿液中蛋白质浓度的尿蛋白试纸；用于检测尿液中葡萄糖浓度和酸碱度的尿三联试纸。尿液检测结果如表1所示：

表1尿液检测测试实验数据表

检测成分	颜色波长	探测器数值	成分浓度
				葡萄糖	480nm	4580	-
蛋白质	450nm	4303	-
				PH值	600nm	8370	6
亚硝酸盐	700nm	9589	+

表1中：“-”表示阴性结果；“+”表示含有该成分；“++”表示所含成分浓度较高。

若使用者要进行粪便检测，先进行正常的排便，排便结束时，使用检测纸巾擦拭屁股，则残留粪便留在检测纸巾上，将检测纸巾扔进样品捕获槽中，此时，样品捕获槽中的激光传感器检测纸巾是否放在正确位置，如果是则蜂鸣器发出滴一声响，如若没有放在正确位置，则蜂鸣器发出滴滴两声响。样品捕获槽位于水位上方，检测纸巾落入样品捕获槽中不会受到下方水的影响。打开检测粪便开关，等待10s，待使用者完全离开马桶，则马桶盖自动关闭，进入检测粪便模式。此时光源模块对样品捕获槽中的检测纸巾进行45°充分照射后使光反射至光探测器，反射的光照射到光探测器上，光探测器将光信号(光强度)转变为可以读取的光谱信息。

因为经过光探测芯片转换的电信号非常微弱，所以需要将电信号进行低噪声放大和功率放大，由于低噪声放大电路具有非常低的噪声，通常作为一级放大，而功率放大电路主要增加电信号的功率，通常作为最后一级放大。放大后的电信号为模拟信号，需要通过模数转换电路将模拟信号转换为数字信号便于进行下一步的计算。最后将数字信号通过矩阵运算电路计算出光电探测器接收到的光线的光信号。此时的光信号存在一定的噪声以及背景荧光的影响，因此检测模块中的MCU将此时的光信号通过通信接口传输到数据处理模块。在数据处理模块中，第一步先进行边缘检测，边缘检测的目的是找到图像中亮度变化剧烈的像素点构成的集合，也就是框定光信号中光强度最强的那一部分。将边缘检测后的数据进行预处理，目的是滤除荧光背景的影响。最后将预处理完的数据通过去噪处理，去除噪声对数据的影响，提高数据精度。

将经过数据处理模块的数据最后传输到微处理器中，微处理器开始对数据进行分析。最后传输到微处理器的数据为检测到的是检测纸巾接触粪便后所呈现出来的颜色的波长，根据颜色波长，可在微处理器中分析出具体的颜色以及颜色深浅，例如红色波长在622nm-780nm，越接近780nm，颜色越深，同时颜色越深，代表所含成分浓度越大。例如，粪便中的血红蛋白可将无色的四甲基联苯胺氧化成有色的联苯胺，呈蓝绿色显出，若检测到波长在455nm—577nm之间(蓝色绿色之间)，说明粪便中含有血红蛋白，若颜色越靠近蓝绿色则说明血红蛋白含量越接近正常。将分析过得数据通过数据传输模块(蓝牙、WiFi)上传至上位机，也可以通过5G(NB-IOT)上传至云端保存。上位机上显示的数据包括：颜色波长以及对应的颜色深浅，对应的成分以及浓度，健康程度。

检测完毕后，微处理器控制光源模块关闭光源，检测纸巾通过样品捕获槽下方通道进入水中分解。

检测纸巾采用的是自主制备的纸巾，材质可漫反射。检测纸巾为折叠式的四层结构，由上到下依次为透光的纸纤维层、过滤层、微孔道层、试纸层，其中纸纤维层、过滤层和试纸层通过微孔道层相连接，微孔道层包含多条垂直的微孔道。当进行粪便检测时，粪便残留在纸纤维层后，经过过滤层中不同孔径的双层过滤网过滤食物残渣等多余杂质后，一部分含有水分的粪便流体(便血)经过微孔道层的微孔道到达试纸层，试纸层上设置有检测目标物质的试纸带，试纸带能够和粪便中所含物质发生化学反应，释放出氧，从而使试纸显色。其中试纸带包括氧化酶模块、过氧化酶模块、酸碱指示剂模块、色原模块、四甲基联苯胺显色染料和过氧化物膜。粪便检测结果如表2所示：

表2粪便检测测试实验数据表

检测成分	颜色波长	具体颜色	成分浓度
				血红蛋白	500nm	蓝绿色	+
PH值	550nm	绿色	7

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。尽管本说明书较多地使用了多通道光探测器、光探测模块、光源模块、微处理器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于光电探测的检测装置，其特征在于，包括：待测试纸放置盒、待测试纸盒、待测试纸传送通道、光源模块、样品捕获槽、光探测模块和微处理器；

所述待测试纸放置盒固定于马桶后部，位于水箱的下方；所述待测试纸盒和所述待测试纸传送通道位于所述待测试纸放置盒内，所述待测试纸传送通道位于所述待测试纸盒前方，所述待测试纸盒的前端包括第一挡板，所述待测试纸传送通道的前端包括第二挡板；当进行尿液检测时，所述待测试纸盒的第一挡板打开，所述待测试纸盒中的待测试纸落入所述待测试纸传送通道，所述待测试纸传送通道由电机带动伸出至测试位置；所述待测试纸包括尿糖试纸、尿蛋白试纸和尿三联试纸；尿液检测完成后，所述待测试纸落入马桶的水中分解；

所述样品捕获槽位于所述测试位置的上方，所述样品捕获槽用于放置检测纸巾；所述检测纸巾包括试纸层，所述试纸层包括氧化酶模块、过氧化酶模块、酸碱指示剂模块、色原模块、四甲基联苯胺显色染料和过氧化物膜；粪便检测完成后，所述检测纸巾落入马桶水中分解；

所述光源模块固定于所述马桶的第一侧边，且位于马桶圈下方；所述光探测模块固定于所述马桶的第二侧边，且位于所述马桶圈的下方；所述光探测模块的数据输出端连接至所述微处理器；所述光源模块出射的光源照射至所述测试位置时，在所述测试位置反射后到达所述光探测模块，所述微处理器用于根据所述光探测模块的探测数据确定尿液中待测成分的浓度；

所述光源模块出射的光源照射至所述样品捕获槽位置时，在所述样品捕获槽位置反射后到达所述光探测模块，所述微处理器还用于根据所述光探测模块的探测数据确定粪便中待测成分的浓度；

所述光探测模块为多通道光探测器，由多通道四层光学探测芯片、干涉滤波器、低噪声放大电路、功率放大电路、模数转换电路、矩阵运算电路、MCU和通信接口组成；内置的所述光学探测芯片采用多个pn结沿厚度方向堆叠，pn结掺杂浓度不同；内置的所述干涉滤波器由7层的TiO₂/SiO₂叠加组成，垂直叠加在所述光学探测芯片上方；所述多通道光探测器以排列的方式固定于马桶圈下方，并与所述光源模块呈一定的角度，使反射光反射到所述多通道光探测器上。

2.根据权利要求1所述的基于光电探测的检测装置，其特征在于，还包括：第一红外传感器、第二红外传感器和机械传动模块；

所述第一红外传感器固定于所述马桶圈外围，所述第一红外传感器用于检测马桶设定距离内是否有人体；所述第二红外传感器固定于所述马桶内部侧壁上，所述第二红外传感器用于检测马桶内排尿行为是否结束；所述机械传动模块与马桶盖连接，所述机械传动模块用于驱动所述马桶盖打开或关闭；

所述第一红外传感器的数据输出端和所述第二红外传感器的数据输出端均与所述微处理器连接，所述微处理器与所述机械传动模块连接；当所述第一红外传感器检测到马桶设定距离内有人体时，所述微处理器控制所述机械传动模块打开马桶盖；当所述第二红外传感器检测到马桶内排尿行为结束时，所述微处理器控制所述机械传动模块关闭马桶盖。

3.根据权利要求1所述的基于光电探测的检测装置，其特征在于，还包括检测开关；所述检测开关包括尿液检测开关和粪便检测开关，所述尿液检测开关和所述粪便检测开关均固定于马桶外侧；所述尿液检测开关和所述 粪便检测开关均与所述微处理器通信；

当用户打开所述尿液检测开关时，所述微处理器控制所述待测试纸盒的第一挡板打开，并控制所述电机带动所述待测试纸传送通道伸出至测试位置。

4.根据权利要求1所述的基于光电探测的检测装置，其特征在于，还包括数据处理模块、数据传输模块和上位机；

所述数据处理模块的输入端连接所述光探测模块的输出端，所述数据处理模块的输出端连接所述微处理器；

所述数据处理模块用于根据所述光探测模块的探测信号确定反射光的光信号；所述微处理器用于根据所述光信号确定反射光的颜色，根据所述反射光的颜色确定尿液中待测成分的浓度或粪便中待测成分的浓度；

所述微处理器通过所述数据传输模块与所述上位机通信。

5.根据权利要求1所述的基于光电探测的检测装置，其特征在于，所述检测纸巾具体包括：纸纤维层、过滤层、微孔道层和试纸层，所述纸纤维层、所述过滤层、所述微孔道层和所述试纸层由上至下依次层叠；所述过滤层和所述试纸层通过微孔道层连接；所述微孔道层包括多条垂直的微孔道；所述试纸层上设置有待测成分的试纸带，所述试纸带包括氧化酶模块、过氧化酶模块、酸碱指示剂模块、色原模块、四甲基联苯胺显色染料和过氧化物膜。

6.一种基于光电探测的检测方法，其特征在于，所述基于光电探测的检测方法应用于权利要求1-5任一项所述的基于光电探测的检测装置，所述基于光电探测的检测方法包括：

获取检测模式；所述检测模式包括尿液检测模式和粪便检测模式；

当所述检测模式为尿液检测模式时，打开待测试纸盒的第一挡板；

判断所述待测试纸盒中的待测试纸是否落入待测试纸传送通道；

当所述待测试纸盒中的待测试纸落入待测试纸传送通道后，将待测试纸传送通道伸出至测试位置；

获取光探测模块的第一探测数据；

根据所述光探测模块的第一探测数据确定尿液中待测成分的浓度；

当所述检测模式为粪便检测模式时，获取所述光探测模块的第二探测数据；

根据所述光探测模块的第二探测数据确定粪便中待测成分的浓度；

所述光探测模块读出来的光强度经过转换变成电信号，所述电信号经过低噪声放大电路进行一级放大，经过功率放大电路进行最后一级放大；放大后的电信号为模拟信号，通过模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，最后将数字信号通过矩阵运算电路计算出所述光探测模块接收到的光线的光信号；计算方法如下：

光信号γ为：

其中，

式中，n为不同光信号编号，其中I为实际测得的电流信号，R_1n表示未被光源照射时的参考值，R_2n，R_3n和R_4n表示探测器的三个通道的值，S_i表示探测器不同通道的光谱响应，i为不同通道的编号，

表示照射在试纸上的反射回来的不同光源信号的光谱分布，k为不同光源的编号；

所述光探测模块中的MCU将此时的光信号通过通信接口传输到数据处理模块；在数据处理模块中，依次对所述光信号进行边缘检测、预处理和去噪处理，得到光强度数据。

7.根据权利要求6所述的基于光电探测的检测方法，其特征在于，所述根据所述光探测模块的第一探测数据确定尿液中待测成分的浓度，具体包括：

对所述第一探测数据进行预处理，确定反射光的光信号；

根据所述光信号确定反射光的颜色；

基于尿液待测成分浓度的颜色数据库，确定所述反射光的颜色对应的尿液待测成分浓度。

8.根据权利要求6所述的基于光电探测的检测方法，其特征在于，所述根据所述光探测模块的第二探测数据确定粪便中待测成分的浓度，具体包括：

对所述第二探测数据进行预处理，确定反射光的光信号；

根据所述光信号确定反射光的颜色；

基于粪便待测成分浓度的颜色数据库，确定所述反射光的颜色对应的粪便待测成分浓度。

9.根据权利要求6所述的基于光电探测的检测方法，其特征在于，所述获取检测模式，具体包括：

获取尿液检测开关和粪便检测开关的开关状态；

当尿液检测开关打开时，确定检测模式为尿液检测模式；

当粪便检测开关打开时，确定检测模式为粪便检测模式。

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