【作 者】蔣皆恢 ，鮑珀 ，趙德強，嚴壯志

1 上海大學先進通信與數(shù)據(jù)分析研究院，上海市，200444

2 上海大學生物醫(yī)學研究所，上海市，200444

0 引言

隨著社會的發(fā)展，目前中國人口比例正在逐步呈現(xiàn)老齡化的發(fā)展趨勢[1-3]，據(jù)中國第六次全國人口普查結(jié)果顯示，截至2010年，中國65周歲及以上人口比例達到8.87%[4]，已經(jīng)步入老齡化國家行列。與此同時，隨著物質(zhì)生活的提高，老年人的慢性疾病的發(fā)病率也不斷提升，據(jù)有關(guān)調(diào)查顯示[5]，中國65周歲以上老年人中60%～70%患有一種或多種慢性疾病[6]，由此引發(fā)的老年人不能自理的現(xiàn)象越來越普遍。因此，近年來，智能護理床得到快速的發(fā)展。目前，電動護理床在國內(nèi)外智能護理床領(lǐng)域使用非常普遍[1-2]。如日本八樂夢公司的電動護理床[7]，能夠升降床體的靠背和膝蓋部分，并且調(diào)整床體高度。以這類電動護理床為代表的護理床產(chǎn)品往往價格昂貴，功能單一，缺乏準確控制、遠程控制、智能監(jiān)護等功能[8]。

與傳統(tǒng)電動護理床不同，本文設(shè)計了一款新型的基于物聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的智能護理床[7]，醫(yī)護人員不僅可以通過移動智能終端遠程控制智能護理床完成精準的機械動作，還可以查詢老人的體重信息，實現(xiàn)了護理與檢測的智能化。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

該智能護理床系統(tǒng)主要由護理床模塊、中央控制模塊、體重秤模塊、電源模塊和上位機模塊組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的工作流程為：電源模塊為整個系統(tǒng)提供工作電源；STM32處理器通過串口采集體重秤模塊處理好的體重信息，然后通過藍牙模塊發(fā)送給平板電腦終端顯示；平板電腦終端通過藍牙模塊發(fā)送指定格式的通信指令給STM32處理器，STM32處理器接收指令后控制相應(yīng)的IO口高低電平狀態(tài)驅(qū)動電機驅(qū)動電路，從而使得24 V直流電動推桿運動。上述流程實現(xiàn)床板的各種體態(tài)調(diào)整。下文對各個模塊展開說明。

圖1 智能護理床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of intelligent care bed system

1.1 中央控制模塊設(shè)計

中央控制模塊是智能護理床系統(tǒng)的核心處理模塊，用于接收并處理通信數(shù)據(jù)和驅(qū)動護理床各個24 V直流電動推桿的運動。中央控制模塊實物圖如圖2所示。

圖2 中央控制模塊實物圖Fig.2 Physical diagram of central control module

中央控制模塊設(shè)計主要包括STM32F103處理器設(shè)計、藍牙模塊設(shè)計、電機驅(qū)動電路設(shè)計等。

1.1.1 STM32F103處理器

STM32F103處理器是中央控制模塊的核心處理單元，STM32F103模塊是高性能的內(nèi)核為Cortex-M3的32位ARM微控制器[9]。該處理器具有64個針腳，其中，有10路AD接口和51個通用IO接口，滿足智能護理床的多路AD采集和多路IO信號輸出驅(qū)動電機驅(qū)動電路的要求。

1.1.2 藍牙模塊

藍牙模塊[10]實現(xiàn)了平板電腦終端與下位機模塊STM32F103之間的數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)選用HC-06藍牙串口模塊，其供電電壓為3.1～6.5 V，出廠默認串口波特率為9 600 Bound，8位數(shù)據(jù)位，1位校驗位，通過AT指令一次性設(shè)置串口波特率、藍牙名稱、配對碼等參數(shù)。

1.1.3 電機驅(qū)動電路設(shè)計[11]

電機驅(qū)動電路實現(xiàn)了將STM32F103控制器的輸出電壓信號放大到可以驅(qū)動24 V直流電動推桿的功能。電路設(shè)計如圖3所示，整個電路分為兩個部分，左側(cè)為信號放大電路，實現(xiàn)控制信號的電壓放大，右側(cè)為MOS管H橋驅(qū)動電路，實現(xiàn)對電機的驅(qū)動。其中，IN1和IN2端是放大電路的輸入端，該輸入端和STM32F103控制器的IO接口連接；Q1、Q2、Q3、Q4是組成H橋驅(qū)動電路的MOS管；M1、M2端分別連接電機的電壓正負端。

圖3 電機驅(qū)動電路圖Fig.3 Circuit diagram of motor drive

電機驅(qū)動電路工作過程如下：STM32F103處理器IO接口的輸入電壓信號經(jīng)三極管放大后，控制MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的通斷，進而控制M1和M2接口的電平值，實現(xiàn)電機的三種工作狀態(tài)，分別為電機停轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)狀態(tài)。工作狀態(tài)如表1所示。

表1 電機驅(qū)動電路輸入輸出狀態(tài)表Tab.1 Motor drive circuit input and output status table

1.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊用來為智能護理床系統(tǒng)各個模塊供電。該模塊包括開關(guān)電源電路[12]和24 V穩(wěn)壓電源。在系統(tǒng)電路設(shè)計中電機驅(qū)動電路采用了24 V供電，其余電路均采用了5 V供電，開關(guān)電源電路設(shè)計如圖4所示。

開關(guān)電源電路采用開關(guān)電源集成芯片LM2596-5.0，LM2596-5.0為固定輸出型開關(guān)電源芯片，最大輸入電壓為40 V，可帶動 3 A負載，輸出電壓為5 V±4%，開關(guān)頻率為150 Hz。在電路設(shè)計中，輸入端兩個并聯(lián)電容C8、C9起到消除高頻干擾，減小紋波的作用；輸出端電感L1和電容C10、C11構(gòu)成濾波回路；4號引腳為反饋電壓引腳，通過與內(nèi)部基準電壓比較后控制調(diào)整管的通斷；D1為續(xù)流二極管，當內(nèi)部調(diào)整管關(guān)閉時，為L1提供放電回路。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)+24 V電源到+5 V電源的轉(zhuǎn)換。

圖4 開關(guān)電源電路圖Fig.4 Circuit diagram of switching power supply

1.3 護理床模塊設(shè)計

護理床模塊是智能護理床的處理終端。整個床體的床板由背板、臀板、大腿板和小腿板4塊板組成，背板和腿板可以在24 V直流電動推桿的支撐下移動。護理床示意圖如圖5所示。

圖5 護理床示意圖Fig.5 diagram of nursing bed

1.4 體重秤模塊設(shè)計

體重秤模塊用于檢測老人的離床在床狀態(tài)。在體重秤模塊的設(shè)計中，由于壓力傳感器輸出信號僅為mV/V級別，所以需經(jīng)過信號放大電路將輸出信號放大到V/V級別，再由單片機采集。體重秤模塊包括Arduino單片機、信號放大電路和壓力傳感器。其中，信號放大電路采用HX711模塊[13]。體重秤模塊連接圖如圖6所示。

圖6 體重秤模塊連接圖Fig.6 Connection diagram of weight scale module

HX711模塊通過A-和A+引腳采集壓力傳感器的差分電信號，然后將采集到的差分電信號經(jīng)過內(nèi)部放大處理。單片機通過連接HX711模塊DT數(shù)據(jù)引腳和SCK時鐘引腳對處理好的體重數(shù)據(jù)進行采集，并通過串口傳遞給中央控制模塊處理。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 上位機軟件開發(fā)流程

上位機軟件開發(fā)流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)上位機軟件開發(fā)流程Fig.7 System upper computer software development process

上位機軟件基于安卓系統(tǒng)進行開發(fā)[14]，用戶打開軟件APP初始化后，進入登錄界面，登陸成功后連接藍牙，藍牙連接成功后，進入界面的選擇。在體重顯示界面中，用戶點擊體重清零按鈕實現(xiàn)去皮稱重，然后時刻監(jiān)控并顯示床體的體重信息；在虛擬按鍵控制界面中，用戶可以點擊對應(yīng)的功能按鈕，軟件APP通過藍牙傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議給下位機處理。數(shù)據(jù)信息包的通信協(xié)議功能說明，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議說明Tab.2 Data communication protocol description

2.2 下位機軟件開發(fā)流程

下位機軟件開發(fā)流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)下位機軟件開發(fā)流程Fig.8 System computer software development process

下位機軟件開發(fā)是基于STM32F103芯片的嵌入式開發(fā)，STM32F103在初始化后接收上位機控制系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息包，進行數(shù)據(jù)信息包解析并執(zhí)行相應(yīng)的控制模式。其中，虛擬按鍵一鍵調(diào)整模式、虛擬按鍵持續(xù)調(diào)整模式、遙控器按鍵控制模式是三種控制電機運轉(zhuǎn)的模式，三種控制模式可以獨立控制，互不干擾；體重查詢模式可以查詢老年人的體重信息。

3 樣例實物展示

基于物聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的智能護理床的一個樣例如圖9所示。

圖9 三折智能護理床實物圖Fig.9 System software development process

該樣例選擇三折結(jié)構(gòu)的護理床，整個床體的床板由背板、臀板、大腿板和小腿板4塊板組成，大腿板和小腿板聯(lián)動，臀板固定，背板和腿板可以隨意組合，三折護理床設(shè)計載重150 kg。

如圖10所示： 該樣例的體重秤模塊選用的壓力傳感器型號為YZC-1B，量程為100 kg，靈敏度為2 mV/V，四個懸臂式傳感器分別安裝于四個床腳下方，總量程達到400 kg，去除床體自重150 kg，有效剩余量程為250 kg，完全能夠滿足設(shè)計要求。

圖10 體重秤壓力傳感器YZB-1B安裝示意圖Fig.10 Weight scale pressure sensor YZB-1B installation diagram

如圖11所示：在虛擬按鍵控制界面中，用戶點擊上方的按鈕完成一鍵調(diào)整模式，點擊右邊的五個按鈕，可以持續(xù)的實現(xiàn)單獨調(diào)整模式，在調(diào)整床體運動后，智能終端平板電腦上能夠顯示調(diào)整后的每個24 V直流電動推桿的位置。

圖11 上位機操作界面Fig.11 Host computer interface

圖11中表示的按鈕驅(qū)動內(nèi)容跟據(jù)人體工程學設(shè)計[15]，能夠?qū)崿F(xiàn)7種床體體態(tài)，具體床體模式說明如表3所示。

4 控制準確度測試

系統(tǒng)采用閉環(huán)控制模式控制支撐床體的24 V直流電動推桿運動，閉環(huán)控制模式實現(xiàn)如下：

平板電腦終端通過藍牙模塊發(fā)送預定的直流電動推桿位置信息給STM32處理器，STM32處理器讀取到預定的信息和當前AD讀取的位置信息比較；設(shè)定一定的目標區(qū)間，目標區(qū)間分小于目標區(qū)間，大于目標區(qū)間和在目標區(qū)間內(nèi)三種情況進行分類驅(qū)動電機；當直流電動推桿達到目標區(qū)間內(nèi)時，即停止運動。

表3 床體模式說明Tab.3 Bed mode instructions

為了驗證閉環(huán)控制[16]模式下床體運動的準確性，我們在平板電腦終端發(fā)送指令數(shù)據(jù)，然后用角尺去測量各個床板運動后的角度，最后和設(shè)定值進行對比。驗證結(jié)果，如表4所示。

表4 閉環(huán)控制測試結(jié)果Tab.4 Closed-loop control test results

測試結(jié)果顯示：上位機自動調(diào)整模式，能夠控制各個床板同時運動，背板和腿板誤差在2o以內(nèi)，傾斜角度誤差在1o以內(nèi)，完全滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的智能護理床，以STM32F103為處理器，內(nèi)部功能模塊豐富；以平板電腦終端作為用戶操作界面，方便友好。在閉環(huán)控制模式的支撐下，醫(yī)護人員可以準確、穩(wěn)定地控制護理床的各種體態(tài)。智能護理床不僅降低了研發(fā)成本，而且方便了醫(yī)護人員對病人的照顧。