李鵬 孫欣 鄭琳

【摘要】本文通過對孤寡老人居家養(yǎng)老服務(wù)的分析與研究，設(shè)計出一套基于“孤寡老人看護(hù)站平臺”和“智能呼叫終端”組成的孤寡老人看護(hù)系統(tǒng)。通過構(gòu)建孤寡老人看護(hù)站平臺，為集中化管理和信息分類處理提供一個高效可靠的后臺處理軟件。通過對智能呼叫終端的信息接收和處理，完成對不同設(shè)備地址管理，終端用戶信息，終端呼叫分類處理，處理進(jìn)度管理等功能的操作。

【關(guān)鍵詞】孤寡老人看護(hù);聲光提示;智能呼叫終端;看護(hù)站平臺;STM32

1. 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計中選用STM32系列的單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心MCU，STM32是意法半導(dǎo)體推出的32位高性能微控制器，采用Cortex-M4內(nèi)核，工作頻率可達(dá)168MHz，內(nèi)置1024K存儲器和192K SRAM，6個串口，3個SPI，17個定時器，114個I/O口，其中I/O口的工作方式推挽輸出、開漏輸出、高阻狀態(tài)、上拉、下拉等均可通過設(shè)置寄存器的方式完成，保證其外圍電路可靠工作的同時能有效減少元器件數(shù)量。本次系統(tǒng)硬件將圍繞單片機(jī)最小系統(tǒng)、矩陣鍵盤、TFT液晶顯示、聲光提示、電源等電路完成設(shè)計。

1.1 STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計

STM32單片機(jī)具有較強(qiáng)的代表性，基于Cortex-M4內(nèi)核，內(nèi)部功能拓展能力非常強(qiáng)大，作為一個完整的單片機(jī)系統(tǒng)，其最小系統(tǒng)主要由以下五個部分構(gòu)成：電源電路、時鐘源電路、BOOT啟動電路、JTAG調(diào)試接口電路、復(fù)位電路。

1.2 矩陣鍵盤電路設(shè)計

矩陣鍵盤是STM32單片機(jī)外部設(shè)備中所使用的排布類似于矩陣的鍵盤組。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤是將行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸出端，而列線所連接的I/O口則作為輸入。按鍵設(shè)置在行、列線的交點上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。無按鍵按下時，行線是處于高電平的狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時，行線電平是由與此行線相連的列線的電平?jīng)Q定的。

主要實現(xiàn)方式讀入原理：先令單片機(jī)端口輸出111000讀一次，然后再令單片機(jī)輸出000111讀一次把兩次的值相加，最后獲取一個高位和低位分別有0的值即可判斷鍵值。

1.3 TFT液晶顯示模塊電路設(shè)計

本設(shè)計中采用的 3.2 寸液晶屏的控制芯片是ILI9325。最大支持解析度為：HVGA，分辨率為320×240，接口可以為8位或者 16位并口，系統(tǒng)使用 16 位并口，通過可變靜態(tài)存儲控制器FSMC來進(jìn)行操作，以發(fā)揮STM32的優(yōu)勢。

其中帶 X 表示低電平有效，包括控制信號，數(shù)據(jù)信號。 由 CSX 信號線拉低開始進(jìn)行寫命令，RSX 信號線也置低則表示的是命令的寫入，以 WRX 為低， RDX 信號為高，則表明了數(shù)據(jù)傳輸方向為寫入，在第二個傳輸階段傳送的是數(shù)據(jù)，那么將 RSX 置高，表示寫入的是數(shù)據(jù)。

1.4 聲光提醒電路設(shè)計

本系統(tǒng)聲光提醒電路設(shè)計采用蜂鳴器和紅、綠色LED組成，考慮到孤寡老人可能出現(xiàn)的聽力障礙問題，除了聲音提示外，將增加紅色和綠色指示燈幫助其識別一鍵呼叫功能是否正確完成。將D1-D2發(fā)光二極管陰極是連接在STM32的PB6-PB7管腳上。如果要使D1指示燈亮，只需要控制PB6管腳輸出低電平，如果要使D1指示燈滅，只需控制PB6輸出高電平。對于D2的控制方法也是一樣的。

1.5 RS485通信電路設(shè)計

考慮到遠(yuǎn)距離通訊和降低通信信號被干擾問題，將使用半雙工通訊來進(jìn)行完成同一時刻只接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的工作。在設(shè)計中， TTL電平轉(zhuǎn)換到差分電平的操作選擇使用SP3485芯片進(jìn)行，SP3485芯片有一個DE即發(fā)送使能的引腳來控制著RS485線的數(shù)據(jù)傳輸方向，而這個引腳的高低電平控制在對數(shù)據(jù)交換質(zhì)量中有非常重大的應(yīng)用。當(dāng)主設(shè)備發(fā)送完成以后，需要其在1byte的時間內(nèi)將RS485總線進(jìn)行釋放，否則在設(shè)備收到數(shù)據(jù)以后，再回送數(shù)據(jù)時就會與主設(shè)備對總線占用的問題而產(chǎn)生沖突，這在RS485總線上是不允許的——RS485總線沒有仲裁機(jī)制。因此，需要將DE引腳在主設(shè)備最后一個字節(jié)的最后一位數(shù)據(jù)的一位發(fā)送完成的時間內(nèi)就從高電平拉到低電平。STM32單片機(jī)可以精確、高效地控制DE引腳。單片機(jī)PB0引腳將控制DE電平的高低變化，使得UART發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。

1.6 電源電路設(shè)計

本系統(tǒng)選擇 LD1117為LDO 穩(wěn)壓器，實現(xiàn)從5V輸入電源到可靠地轉(zhuǎn)換為 3.3V系統(tǒng)工作電源，并能提供有效的過溫、過流保護(hù)，并提供1000mA的大電流輸出。設(shè)計過程中考慮到負(fù)載和輸入，選用220uF負(fù)載電容，能有效應(yīng)對負(fù)載電流的瞬間變化，提供可靠保證。

2. 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 孤寡老人看護(hù)系統(tǒng)主程序設(shè)計

圍繞一鍵呼叫功能由矩陣鍵盤的外部輸入掃描，通過中央處理器（MCU）對行、列的掃描結(jié)果識別，中央處理器將獲得的數(shù)據(jù)與設(shè)定的鍵值進(jìn)行比較之后，將按鍵值代表的信息顯示在TFT液晶屏上，利用TFT液晶屏可將用戶所需要的信息完整的展示出來，3.2寸TFT液晶屏在展示數(shù)據(jù)以及成像的過程中性能十分優(yōu)異，并且將在此需要傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^串口發(fā)送至接收計算機(jī)，同時控制LED閃爍和蜂鳴器產(chǎn)生提醒音，聲光報警系統(tǒng)的設(shè)計更體現(xiàn)了整個系統(tǒng)報警的本質(zhì)。紅綠燈信號的設(shè)計對于用戶來說是十分友好的，簡潔明了的操作以及通俗易懂的燈光設(shè)計也讓整個系統(tǒng)變的十分易于上手，單片機(jī)對聲光系統(tǒng)的控制實現(xiàn)對孤寡老人看護(hù)系統(tǒng)硬件的邏輯控制。

2.2 通信過程設(shè)計

整體設(shè)計系統(tǒng)的通信主要是利用RS485進(jìn)行半雙工通信，通信的過程中上位機(jī)與下位機(jī)默認(rèn)的波特率為19200，雖然上位機(jī)部分利用通信控件給出了不同的波特率，但此系統(tǒng)所使用的波特率為19200，N對應(yīng)無奇偶校驗位，8比特數(shù)據(jù)位和1比特停止位。這樣可以保障通信過程中的穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)為半雙工系統(tǒng)，將下位機(jī)與上位機(jī)通信過程寫進(jìn)主函數(shù)，并調(diào)用While（1）卡死，此時驅(qū)動RS485模塊，模塊內(nèi)置SP3485接控制引腳向單片機(jī)部分從而控制通信方向，此處由PB0控制。

2.3 矩陣鍵盤程序設(shè)計

在主程序里由Key_Scan（）函數(shù)返回當(dāng)前按鍵的鍵值，將鍵值數(shù)據(jù)輸入到LCD顯示并經(jīng)由RS485向上位機(jī)傳送，此時上位機(jī)平臺讀取來自下位機(jī)傳送進(jìn)來的信號key_val，將鍵值對應(yīng)用戶資料等信息向平臺管理員展示。平臺管理員利用上位機(jī)平臺處理當(dāng)前事故并復(fù)位用戶端聲光報警系統(tǒng)向用戶LCD模塊傳送告知信號。VB上位機(jī)部分將此次報警記錄收錄以便后續(xù)管理員查找。

2.4 基于VB界面的看護(hù)平臺

在下位機(jī)界面設(shè)置了對應(yīng)鍵值的不同救護(hù)功能，以及基于RS485的串行通信，在這一設(shè)計環(huán)節(jié)中，主要針對普通用戶開發(fā)了一套通用形救護(hù)系統(tǒng)，針對值得注意的老人也就是特殊病患老人預(yù)留了待開發(fā)功能，這樣即可實現(xiàn)給予對有不同需求的老人最貼心的救護(hù)。系統(tǒng)同時具備歷史記錄查詢功能，主要體現(xiàn)在當(dāng)被救助老人發(fā)出警報時，上位機(jī)系統(tǒng)即可查看老人呼叫了幾次，分別呼叫了什么功能，這樣更精準(zhǔn)的并且有針對性的系統(tǒng)更迎合救護(hù)系統(tǒng)的需求，更好地實現(xiàn)對孤寡老人的看護(hù)管理。

3. 系統(tǒng)調(diào)試與分析

屏幕按照程序預(yù)期顯示已將救護(hù)信號轉(zhuǎn)送至救護(hù)平臺。使用綠色底紋可暫時給予老人安全感增加救護(hù)成功的幾率，聲光報警系統(tǒng)同時工作，圖示為紅燈與所預(yù)期效果一致。此部分測試完成。測試第二部分救護(hù)平臺向下位機(jī)發(fā)送信號，利用救護(hù)端向用戶展示救護(hù)平臺得知報警并全速趕往現(xiàn)場的信號。并改變用戶端的聲光系統(tǒng)，將用戶端蜂鳴器停止工作，將用戶端光系統(tǒng)將紅光調(diào)至綠光。屏幕按照程序預(yù)期顯示已將得知信號轉(zhuǎn)送至用戶端。使用綠色燈光可暫時給予老人安全感增加救護(hù)成功的幾率，聲光報警系統(tǒng)停止蜂鳴并轉(zhuǎn)換指示燈顏色，圖示為綠燈與所預(yù)期效果一致。此部分測試完成。

軟件調(diào)試方法與程序設(shè)計技術(shù)和選用的軟件結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要測試上位機(jī)VB程序是否按照預(yù)期要求展示結(jié)果。發(fā)送控制信號展示老人個人信息以及需求等功能。軟件部分主要技術(shù)在于是否熟練掌握VB編程、函數(shù)的調(diào)用、算法設(shè)計、框架搭建以及一點點的UI設(shè)計。一套成熟的VB系統(tǒng)往往會集成數(shù)據(jù)庫等調(diào)用數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)的動能，這也是上位機(jī)的亮點之一。

4. 結(jié)論

本課題的研究工作基本達(dá)到了預(yù)期的要求，設(shè)計成本低，功能模塊化可控。本設(shè)計基于模塊化設(shè)計思想，不僅降低了開發(fā)難度，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。通過了最后的硬件和軟件的模擬調(diào)試。歸納起來有以下幾點：

①本課題可以實現(xiàn)智能型一鍵呼叫終端控制、顯示及聲光提醒功能，不僅方便易操作，成本低廉而且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。

②系統(tǒng)硬件設(shè)計使用的主要芯片有STM32F407Z6TG單片機(jī)、ILI9325顯示控制、LD1117降壓、SP3485通信等芯片，設(shè)計了包括矩陣鍵盤掃描電路、RS485通信電路、TFT顯示系統(tǒng)電路、單片機(jī)電路等。

③系統(tǒng)軟件設(shè)計包括程序初始化、矩陣鍵盤掃描、數(shù)據(jù)傳輸以及TFT屏幕顯示等模塊，軟件操作方便和容易修改。

在本次設(shè)計中設(shè)計了關(guān)于看護(hù)系統(tǒng)的基本功能。在未來的開發(fā)中應(yīng)要繼續(xù)優(yōu)化關(guān)于針對性看護(hù)設(shè)計，使本設(shè)計更傾向于對個性化看護(hù)而設(shè)計，更可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)收費系統(tǒng)。

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作者簡介：李鵬，男，沈陽工學(xué)院，學(xué)生。孫欣，女，沈陽工學(xué)院，學(xué)生。鄭琳（通訊作者），女，漢族，遼寧人，沈陽工學(xué)院，教師，講師，碩士學(xué)位。