吳德鑫　白清元　金英敏　陳麗君　馮沖

摘要：本文提出一種基于紅外通信互聯(lián)的、可無線操控的醫(yī)療康復(fù)室智能家居系統(tǒng)設(shè)計。此系統(tǒng)一方面實現(xiàn)了家居設(shè)施的智能控制，同時可由護(hù)士及病患通過紅外、語音兩種方式對各類家居進(jìn)行遙控，另一方面紅外無線通信具有低功耗、低電磁干擾等優(yōu)點，減輕了環(huán)境中輻射對病人的傷害。這分擔(dān)了護(hù)士的工作，讓護(hù)士專注于病人病情的診查，還有利于病人的康復(fù)。

關(guān)鍵詞：紅外通信；自動調(diào)節(jié)；智能家居

0引言

世界上大多數(shù)國家的護(hù)士職位人數(shù)占總?cè)丝诘谋戎丶s為5‰，而中國卻只有1‰左右。與歐美發(fā)達(dá)國家相比，中國護(hù)士在數(shù)量與規(guī)模上呈現(xiàn)出一定劣勢與短板，而且不同地區(qū)間的差距也頗為明顯。為此，中國目前正面臨著護(hù)理人力資源配置嚴(yán)重不足的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

醫(yī)療康復(fù)室是各大醫(yī)院的常見部門，康復(fù)室通常由特定的護(hù)士設(shè)崗管理，管理范圍包括患者病情巡查和依據(jù)病患需求調(diào)控室內(nèi)設(shè)施。隨著病患的增加，護(hù)士的工作量會日益加重，為此研發(fā)建立面向醫(yī)療康復(fù)室的智能控制系統(tǒng)，一方面實現(xiàn)了室內(nèi)設(shè)施的智能控制，同時還可由護(hù)士及病患通過紅外、語音兩種方式對各類設(shè)施功能進(jìn)行遙控：另一方面紅外無線通信具有低功耗、低電磁干擾等優(yōu)點，減輕了環(huán)境中輻射對病人的傷害。這不僅能夠有效分擔(dān)護(hù)士工作，使護(hù)士專注于病人病情的診查，在某種程度上更有利于病人的及早康復(fù)。

綜上可知，本文即重點提出了一種基于紅外通信互聯(lián)的、可無線操控的醫(yī)療康復(fù)室智能家居系統(tǒng)設(shè)計，此系統(tǒng)提供室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)、室內(nèi)光照調(diào)節(jié)和消毒等自動化功能，還基于紅外光通信和語音識別技術(shù)提供對上述集成單元的人工控制功能。

1總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)研究設(shè)計的面向康復(fù)家居控制主要可展示描述如下：核心部分要實現(xiàn)對各項功能的智能控制，即基于紅外通信方式的遠(yuǎn)程遙控；而系統(tǒng)中包括3個子模塊，分別是紫外燈消毒模塊、室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)模塊和窗簾控制模塊。其中，紫外燈消毒模塊是在檢測無人情況下進(jìn)行室內(nèi)紫外線消毒：室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)模塊是對室內(nèi)的溫濕度做出適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)節(jié)；窗簾控制模塊是根據(jù)檢測到的光強(qiáng)對窗簾來調(diào)控開啟與關(guān)閉配置。這三大模塊的功能所對應(yīng)的硬件設(shè)計則如圖1所示。

2硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的核心部分采用了探索者STM32F407開發(fā)板上微處理器、4.3寸液晶屏、自帶的紅外接收頭和紅外遙控板，外圍用杜邦線連接紅外發(fā)射板和語音識別模塊，組成本次研究的核心控制部分。

本系統(tǒng)包括3個子模塊，分別是紫外燈消毒模塊、室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)模塊和窗簾控制模塊。系統(tǒng)的子模塊的調(diào)度機(jī)制都是由51單片機(jī)進(jìn)行控制，每個子模塊都由紅外接收板、液晶、鍵盤和USB轉(zhuǎn)串口模塊與單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件連接，同時針對每一部分均已單獨制作了一個開發(fā)板，用到的功能模塊均通過杜邦線與該開發(fā)板連接后進(jìn)入使用。子模塊的三大功能分別實現(xiàn)：對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行紫外消毒；調(diào)節(jié)室內(nèi)舒適度，改變環(huán)境中的溫濕度；改善室內(nèi)光照的強(qiáng)度。在此，將給出系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示。研究設(shè)計內(nèi)容則論述如下。

2.1紅外交互

紅外通訊的成功構(gòu)建必須實現(xiàn)對紅外線的信息與數(shù)據(jù)的發(fā)射與接收。如果接收器能夠?qū)Πl(fā)射的紅外線有接收反應(yīng)，并且一一對應(yīng)，那么就可以通過紅外來遙控，并全程設(shè)計推行本文智能家居這一觀念。

紅外無線通信采用紅外線作為無線傳輸載體，并可應(yīng)用于室內(nèi)外以實際獲得點對點的通信，這一設(shè)計具備如下特點優(yōu)勢：

1）紅外線可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)備之間的連接線纜作為通信載體，可大大降低線纜費用和設(shè)備維修費用，簡單方便，成本低廉。

2）紅外線遇不透明物質(zhì)則無法穿越，發(fā)生偵聽的可能性較小，保密性好，并且紅外線發(fā)射角度一般不超過30度，視線之外的設(shè)備很難對其構(gòu)成干擾，安全性高。

3）紅外線不受空間高頻電磁波的干擾，在使用紅外線傳輸信息時，干擾小。

4）紅外線功率低，最大消耗為幾mA，對人體健康尤其對人的眼睛無任何傷害作用。

5）紅外線的應(yīng)用廣泛，紅外通信技術(shù)成熟，現(xiàn)如今的應(yīng)用普及度已不可小覷。

研究過程中，完整探討并推出了紅外發(fā)射與接收的系統(tǒng)框架，清晰展示了利用紅外線來實現(xiàn)通訊的關(guān)鍵流程步驟。下面即針對每一部分給出詳盡解析與闡釋。

2.1.1紅外發(fā)射模塊

紅外發(fā)射電路由放大電路和紅外發(fā)射管組成。在電路元件參數(shù)選擇時，首先確定紅外發(fā)光二極管，再由該元件主要參數(shù)為基準(zhǔn)，去設(shè)計選擇其他元件。一般情況下，紅外發(fā)光二極管在作為遙控使用時多選取遠(yuǎn)紅外區(qū)的性質(zhì)款型，波長為940um。發(fā)射距離主要由發(fā)射功率決定，可斟選功率20-100mW，正向壓降UF≤1.8 v，反向擊穿電壓Ur>5 v，型號為HG450的發(fā)光二極管。三極管的配選上將重點考慮集電極電流，流過發(fā)光二極管的電流就是三極管集電極電流，由于當(dāng)二級管驅(qū)動電流，6較大時，實現(xiàn)上卻難于達(dá)到，故采用復(fù)合管，具體則選用3DG6和3DGl2，為了減少發(fā)射電流輸入對編碼調(diào)試電路的影響，需用反向器進(jìn)行隔離。

2.1.2紅外遙控編碼器

編碼電路的作用：將并行輸出的控制代碼，按一定的順序處理編排，轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)后送入調(diào)制，形成電路。目前，已有較多產(chǎn)品成果可用于遙控系統(tǒng)的編/譯碼集成芯片。

本次研究中，即將MCl45026與譯碼器MCl45027配對使用，具有如下特點：

1）能與射頻、超聲波或紅外線的調(diào)制器接口。

2）在二進(jìn)制（0或1）或三態(tài)（0，1，開路）數(shù)據(jù)中能按址操作。

3）每個編碼序列數(shù)據(jù)傳送2次，提升了接收安全性。

4）采用RC振蕩器，無需使用晶體振蕩，且對外部元件的精度要求不高，允許有±5%的誤差。

5）應(yīng)用領(lǐng)域范圍廣闊，如防盜、數(shù)據(jù)傳輸、無繩電話、安全控制、遙控系統(tǒng)。

2.1.3載頻產(chǎn)生與調(diào)制器

編碼信號直接傳輸，抗干擾能力差，傳輸距離近。為應(yīng)對現(xiàn)有性質(zhì)內(nèi)置方面不足，需將編碼信號裝載在較高頻率的載波上來運行發(fā)射。這里的載波是指高頻脈沖波（方波），載波的產(chǎn)生電路，就是高頻方波振蕩器，本次設(shè)計采用門電路組成方波發(fā)生器，同時考慮利用編碼信號調(diào)制載波，故最終采納了可控振蕩電路。

2.1.4紅外接收模塊

紅外接收電路通常由一片專用集成電路和少量外圍器件而共同配合組成。本次研究即由HS0038主控構(gòu)成了紅外接收電路。

紅外線接收遙控是目前使用日趨廣泛的一種通信和遙控手段，這在很大程度上可歸結(jié)為其在多方面的顯著性能優(yōu)勢，分別表述為：抗干擾能力好、編碼及解碼容易、功耗小、成本低等。

紅外接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。

HS0038的輸出信號需要經(jīng)過反相處理，處理后的信號才能送人MCl45027芯片來分析展開解碼。因此，在HS0038的輸出后需要加入74HC04反相器對信號進(jìn)行反相處理。

2.1.5紅外解碼器

解碼電路的功能是將解調(diào)后的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，使其成為BCD控制代碼，并使控制代碼以并行方式提供輸出。MCl45027是與MCl45026配對使用的通用接收解碼器。特別地，針對MCl45027的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成的解碼電路的探討可知，數(shù)據(jù)提取電路的作用即是判別和檢測輸入數(shù)據(jù)的特性。

實際調(diào)試中，選定電容Crc為4 700 pf，調(diào)節(jié)電子Rrc，使145026輸出信號的頻率為2 KHz。此時測得RTc的電阻值為34.41 K，其中，固定電阻R21的值為20 K，電位器R23的值為14.41 K。根據(jù)上述參數(shù)將可計算求出R1、C1、R2、C2的需求數(shù)值。

收到的串行數(shù)據(jù)從MCl45027的第9引腳輸入，經(jīng)數(shù)據(jù)提取電路判別后與序列發(fā)生器生成的本地地址碼再綜合執(zhí)行指定校驗操作。

2.1.6譯碼器與控制器

譯碼電路是將解碼器輸出的4位二進(jìn)制控制信號代碼復(fù)譯為與發(fā)射端相應(yīng)的8路控制電平。選擇4個雙D觸發(fā)器74HC74，則可對8路信號的狀態(tài)實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，每收到一次信號，控制狀態(tài)就轉(zhuǎn)換一次。

2.2人機(jī)交換

本系統(tǒng)通過探索者STM32407的液晶顯示屏來標(biāo)識呈現(xiàn)相應(yīng)的控制操作，例如打開與關(guān)閉加熱功能按鈕號、打開與關(guān)閉消毒功能按鈕號、打開與關(guān)閉窗簾按鈕號等，病患可清晰選擇各定制功能，提高遙控的準(zhǔn)確性。還通過51單片機(jī)連接ledl602液晶屏給出各個子模塊的視像展示參數(shù)，如溫濕度、光照強(qiáng)度、紫外消毒時間，并且能通過按鍵設(shè)置溫濕度的上下限、光照強(qiáng)度的上下限、以及消毒的時間長度。

3軟件設(shè)計與系統(tǒng)驗證

3.1軟件設(shè)計

至此，研究中探討設(shè)計了軟件總體架構(gòu)如圖4所示。

核心控制模塊會顯示全部功能按鍵并由病患設(shè)定操作，根據(jù)子模塊顯示的數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光強(qiáng)，病患可根據(jù)需要通過遙控器進(jìn)行按鍵控制，也可直接進(jìn)行語音控制，發(fā)出的指令將送至STM32F407微處理器中展開探詢分辨，再將獲取的結(jié)果命令通過紅外發(fā)射出去，如果命令錯誤，便無模塊應(yīng)答并提示命令錯誤：如果命令正確，則相應(yīng)的子模塊會開啟執(zhí)行其獨立預(yù)期功能，包括紫外消毒、自動調(diào)節(jié)加熱加濕、自動開啟關(guān)閉窗簾，并且子模塊會根據(jù)配置的量化參數(shù)自動調(diào)節(jié)控制環(huán)境中溫濕度、光強(qiáng)度等。

3.2系統(tǒng)驗證

紫外燈定時消毒包含可遙控、禁用檢測、警示、時間設(shè)置及系統(tǒng)狀態(tài)顯示等功能。紫外燈可在開啟和關(guān)閉功能選項中自由輪換，消毒的時間由護(hù)士或病人設(shè)定，比如可將紫外燈的開啟時間設(shè)定在病人外出時間段，在病人回來后紫外燈關(guān)閉。在紫外燈消毒期間，可通過人體檢測模塊對室內(nèi)巡回檢測是否有人，若有人在內(nèi)，則調(diào)用警示功能，會有語音提示如“紫外燈正在消毒，請勿在室內(nèi)逗留”，紫外燈的狀態(tài)和設(shè)定時間都會在液晶上顯示出來，便于查看，紫外燈的開啟和關(guān)閉也可通過病人的需求發(fā)出命令控制。

室內(nèi)環(huán)境自動調(diào)節(jié)包含可遙控、參數(shù)設(shè)置、溫濕度檢測、調(diào)節(jié)溫濕度等功能。護(hù)士可通過鍵盤穩(wěn)妥設(shè)置適合病人的溫度和濕度范圍，若室內(nèi)溫濕度超出該范圍，則自動開啟加熱器或加濕器，給病人營造一個良好舒適的生活環(huán)境，病人也可以根據(jù)自己的需求通過遙控器或語音而對加濕器和加熱器施加合理控制。

窗簾控制包含可遙控、室內(nèi)亮度采集、亮度調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)置等功能。研究在本系統(tǒng)中采用GY-30數(shù)字光模塊檢測室內(nèi)外光強(qiáng)強(qiáng)度，并在液晶上顯示檢測數(shù)據(jù)，護(hù)士可通過鍵盤設(shè)定合適的光強(qiáng)范圍，如檢測到的光強(qiáng)強(qiáng)度低于該范圍，則關(guān)閉窗簾，若高于該范圍，則開啟窗簾，病人也可根據(jù)自己需求遙控或語音控制窗簾的開啟或關(guān)閉。

4結(jié)束語

通過研究設(shè)計和實踐調(diào)試，該系統(tǒng)最終開發(fā)并實現(xiàn)了如下完備功能：紫外燈消毒模塊可以定時對室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行消毒；室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)模塊通過嚴(yán)密監(jiān)控室內(nèi)的溫度和濕度而對環(huán)境發(fā)出指示調(diào)節(jié)：窗簾控制模塊通過檢測到的光照強(qiáng)度來控制窗簾的打開與關(guān)閉。本系統(tǒng)兼?zhèn)淞说碗姶泡椛涞奶攸c，并且利用紅外無線互聯(lián)方式，把一些家居設(shè)施和基本醫(yī)療設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，形成自動控制和遠(yuǎn)程控制，可為病患，特別是臥床患者操控室內(nèi)設(shè)施提供方便。同時，減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，對緩解前文所述問題具有現(xiàn)實意義。