基于以太網(wǎng)的智能護(hù)理床系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

常國權(quán)，侯貴法，郭曉波

(安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南安陽455000)

?

基于以太網(wǎng)的智能護(hù)理床系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

常國權(quán)*，侯貴法，郭曉波

(安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南安陽455000)

摘要:為了實(shí)現(xiàn)對老人、失能人群進(jìn)行更好的照顧和護(hù)理，減少護(hù)理人員的工作強(qiáng)度并提高護(hù)理效率和護(hù)理質(zhì)量，采用STM32微控制器和ENC28J60以太網(wǎng)芯片設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)化的智能護(hù)理床系統(tǒng)，STM32微控制器通過對護(hù)理床傳感器信號(hào)進(jìn)行采集和處理，控制護(hù)理床系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接便、左右側(cè)翻、交互式操作、自動(dòng)報(bào)警及網(wǎng)絡(luò)化管理與集中式監(jiān)管等功能。經(jīng)過實(shí)際測試證明，該系統(tǒng)安全可靠、操作簡單、管理方便，獲得了較好的效果。

關(guān)鍵詞:護(hù)理床; STM32微控制器; ENC28J60; uIP協(xié)議棧; ACS712ELC

目前，我國已經(jīng)逐漸步入老齡化社會(huì)，有關(guān)專家預(yù)計(jì)，今后50年內(nèi)，我國老齡人口將達(dá)到總?cè)丝跀?shù)的三分之一［1］。人口老齡化帶來的問題之一就是老人的照顧和護(hù)理，而照顧和護(hù)理老人、殘障人等失能人群給護(hù)理人員帶來了極高的勞動(dòng)強(qiáng)度和護(hù)理工作上的麻煩，特別是在一些醫(yī)院、養(yǎng)老院、老年公寓等機(jī)構(gòu)中對這些失能人群的護(hù)理更是一個(gè)突出的問題。傳統(tǒng)的護(hù)理床和傳統(tǒng)的護(hù)理方式已經(jīng)無法滿人們對護(hù)理質(zhì)量和更加人性化護(hù)理功能的需求。

1　系統(tǒng)概述

為了實(shí)現(xiàn)對老人、失能人群進(jìn)行更加有效的照顧和護(hù)理，設(shè)計(jì)了一種數(shù)控智能護(hù)理床系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用32 bit STM32微控制器作為主控制器，并擴(kuò)展了接便控制系統(tǒng)、左右側(cè)翻控制系統(tǒng)、電流檢測傳感器、尿濕檢測傳感器、320×240液晶顯示、存儲(chǔ)器以及以太網(wǎng)等外圍模塊，既能聯(lián)機(jī)操作又能脫機(jī)操作，可以對被護(hù)理人實(shí)現(xiàn)智能化護(hù)理。STM32微控制器檢測尿濕傳感器，并可控制電機(jī)帶動(dòng)接便裝置實(shí)施接便，同時(shí)開啟報(bào)警系統(tǒng)和LED指示燈發(fā)出提示，等待護(hù)理人員進(jìn)行處理;被護(hù)理人可以通過按鍵控制護(hù)理床實(shí)現(xiàn)左右側(cè)翻、仰臥起背、報(bào)警提示等操作;驅(qū)動(dòng)電機(jī)配有電流檢測芯片ACS712ELC，該芯片把檢測到的電機(jī)運(yùn)行電流轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)送給STM32進(jìn)行處理，以判斷電機(jī)電流是否超出設(shè)定范圍，對被護(hù)理人和電機(jī)起到安全保護(hù)作用;系統(tǒng)所有的參數(shù)信息都可以存儲(chǔ)在EEPROM或Flash存儲(chǔ)器模塊中，而以太網(wǎng)模塊則可以把系統(tǒng)接入到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，從而可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的信息采集和管理，這對于養(yǎng)老院、醫(yī)院等護(hù)理機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)集中式的護(hù)理工作特別有效，可以大大減少護(hù)理人員的工作強(qiáng)度、提高護(hù)理工作效率和護(hù)理質(zhì)量。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)采用的STM32微控制器、Flash存儲(chǔ)器W25Q16和ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片等模塊的工作電壓是3.3 V，而液晶模塊、繼電器等模塊的工作電壓是5 V，系統(tǒng)需要3.3 V和5 V的電源電壓，考慮到系統(tǒng)5 V電源需要的功率較大，系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)采用了效率更高、功能更強(qiáng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器LM2576－5.0。LM2576系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路［2］。而AMS1117則給功耗較低的STM32微控制器等模塊提供3.3 V工作電壓。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1和穩(wěn)壓二極管D3構(gòu)成電壓保護(hù)電路，當(dāng)因其他原因致使輸出電壓超過5.3 V以上時(shí)，D3導(dǎo)通，從而使F1自動(dòng)保護(hù)。D4～D7構(gòu)成系統(tǒng)的LED狀態(tài)指示燈。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)原理圖

2.2系統(tǒng)主控電路接口設(shè)計(jì)

綜合成本、性能等各方面考慮，主控制器采用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6微控制器，它是基于Cortex-M3核心的32 bit處理器，它具有高性能、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)［3］。該芯片內(nèi)部集成了豐富的模塊，可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度［4］。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用的是美國微芯科技公司(Microchip Technology Inc)推出的兼容IEEE 802.3協(xié)議規(guī)范的一款以太網(wǎng)控制器芯片ENC28J60，它是專門針對嵌入式應(yīng)用以太網(wǎng)解決方案而設(shè)計(jì)的。ENC28J60是28引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高速SPI接口，并集成了介質(zhì)訪問控制器(MAC)和10 BASE-T物理層(PHY)，支持全雙工和半雙工模式［5］。ENC28J60沒有集成硬件的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，需要移植專門的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧才能工作。STM32和ENC28J60采用的是模擬SPI總線接口方式，只需選用STM32通用IO口和ENC28J60連接即可。EEPROM存儲(chǔ)器AT24C16用來存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)信息，如尿濕傳感器閥值、電機(jī)電流閥值、網(wǎng)絡(luò)芯片的MAC地址、IP地址等;而Flash存儲(chǔ)器W25Q16的容量為2 Mbyte，則用來存儲(chǔ)漢字字模庫、圖片庫等數(shù)據(jù)，它們的工作電壓都是3.3 V，采用模擬接口通訊，可以和STM32直接接口。J2是按鍵接口，按鍵采用電容式觸摸按鍵芯片JR1610C來設(shè)計(jì)，JR1610C是I2C接口的16鍵專用檢測傳感器IC，具有使用壽命長、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)［6］。J3是尿濕傳感器接口，尿濕傳感器采用橡膠墊封裝交叉疏狀電極的濕敏電阻傳感器，當(dāng)有尿濕時(shí)兩電極之間電阻變小，它具有靈敏度高、恢復(fù)快、易于清理的特點(diǎn)，可通過RSE1對采集靈敏度進(jìn)行微調(diào)，也可通過STM32程序進(jìn)行調(diào)節(jié)。STM32使用自帶的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器完成對尿濕傳感器采集、轉(zhuǎn)換操作，并完成比較、控制等操作。系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)原理圖

2.3電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

該護(hù)理床系統(tǒng)的自動(dòng)接便控制系統(tǒng)、左右側(cè)翻控制系統(tǒng)、仰臥起背控制系統(tǒng)是通過光耦和繼電器共同控制直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)正向和反向運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)光耦U7導(dǎo)通、U8截止時(shí)，繼電器JDQ1的1引腳接+16 V，而繼電器JDQ2的1引腳接地，此時(shí)電機(jī)M1實(shí)現(xiàn)正向轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)光耦U7截止、U8導(dǎo)通時(shí)則電機(jī)M1反向轉(zhuǎn)動(dòng)，而當(dāng)光耦U7、U8同時(shí)截止或?qū)〞r(shí)，電機(jī)因其兩端的電壓相同而停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)電流傳感器采用的是ACS712ELC，它是Allegro公司生產(chǎn)的基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器，ACS712ELC具有高絕緣電壓、單電源操作、極低內(nèi)部傳導(dǎo)電阻等優(yōu)點(diǎn)，可為工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的精密解決方案［7］。ACS712ELC電流傳感器監(jiān)測通過電機(jī)的電流值，并傳遞給STM32微控制器實(shí)時(shí)處理，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增大到一定程度，通過電機(jī)的電流值超過預(yù)先設(shè)定閥值時(shí)，STM32微控制器控制繼電器使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而起到安全保護(hù)作用。其中，D8和D9是保護(hù)二極管。C13～C16是高壓電容，可以起到保護(hù)電路的作用。接便電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。左右側(cè)翻和仰臥起背電機(jī)控制系統(tǒng)電路跟該圖類似。

圖4　接便電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)前臺(tái)和后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)，下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心。下位機(jī)軟件在MDK環(huán)境下采用C語言編寫，采用ST-LINK仿真器通過SWD兩線接口對程序進(jìn)行調(diào)試與下載［8］。系統(tǒng)上電以后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作，包括初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、初始化ADC、初始化IO口、初始化ENC28J60等操作，完成系統(tǒng)初始化操作之后，STM32微控制器從AT24C16存儲(chǔ)器中讀取系統(tǒng)信息并顯示在320×240液晶屏幕上，如被護(hù)理人信息、系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間、日期、IP地址等系統(tǒng)的一些參數(shù)。之后系統(tǒng)通過一個(gè)引腳跳線來確定是否需要聯(lián)網(wǎng)操作，如果工作在聯(lián)機(jī)模式，則系統(tǒng)會(huì)用分配給它的IP地址去連接服務(wù)器，直到成功連接到服務(wù)器;不管是聯(lián)機(jī)模式還是脫機(jī)模式，系統(tǒng)做完以上初始化操作后進(jìn)入自動(dòng)接便工作模式，用戶可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)模式的切換以及其他控制操作，如實(shí)現(xiàn)仰臥起背、左右側(cè)翻一定的角度、按下啟動(dòng)報(bào)警器呼叫醫(yī)護(hù)人員等操作，當(dāng)尿濕傳感器超過設(shè)定的閥值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)接便控制系統(tǒng)進(jìn)行接便，同時(shí)開啟報(bào)警、指示系統(tǒng)，并把被護(hù)理人的相關(guān)信息發(fā)送到服務(wù)器，以便于護(hù)理人員及時(shí)進(jìn)行護(hù)理操作。STM32微控制器實(shí)時(shí)檢測相應(yīng)控制電機(jī)的運(yùn)行電流值，一旦某個(gè)電機(jī)電流超過規(guī)定的閥值一段時(shí)間(如1 s)，STM32微控制器立即關(guān)閉相應(yīng)繼電器，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，起到安全保護(hù)作用。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5　下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

以太網(wǎng)芯片ENC28J60可以實(shí)現(xiàn)把護(hù)理床系統(tǒng)接入到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，從而可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的信息采集和管理。要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，就需要在STM32嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，這里在ENC28J60上移植了一個(gè)uIP協(xié)議棧，uIP協(xié)議棧是專門針對嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧［9］，它去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，保留了網(wǎng)絡(luò)通信必須使用的IP、TCP、ICMP、UDP、ARP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，保證了代碼的通用性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［10］。uIP協(xié)議棧支持C/S和B/S模式，系統(tǒng)采用的是C/S模式，即護(hù)理床系統(tǒng)作為客戶端，PC機(jī)服務(wù)器的上位機(jī)軟件作為服務(wù)器，通過服務(wù)器和下位機(jī)配合可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配網(wǎng)絡(luò)的MAC地址、IP地址等信息，這就增加了網(wǎng)絡(luò)連接的靈活性以及方便對多個(gè)護(hù)理床進(jìn)行有效的管理。

PC機(jī)軟件是使用VC++6.0和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)開發(fā)的，使用了網(wǎng)絡(luò)Socket編程技術(shù)［11］。為了實(shí)現(xiàn)管理上的方便，上位機(jī)軟件采用了前臺(tái)和后臺(tái)設(shè)計(jì)模式，后臺(tái)即是C/S模式中的服務(wù)器，它跟SQL Server數(shù)據(jù)庫都運(yùn)行在服務(wù)器上，而前臺(tái)跟多個(gè)護(hù)理床系統(tǒng)一樣屬于一個(gè)客戶端。后臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的IP地址等信息建立多個(gè)相應(yīng)的線程，等待客戶端的連接，并用一個(gè)專用的線程在一個(gè)固定端口監(jiān)聽新客戶端的連接，當(dāng)雙方建立好網(wǎng)絡(luò)連接之后，后臺(tái)通過查詢數(shù)據(jù)庫給該新客戶端分配另外一個(gè)固定的MAC地址和IP地址，并建立起一個(gè)相應(yīng)的線程等待客戶端的下一次連接，這種方式提高了系統(tǒng)的方便性和靈活性。后臺(tái)負(fù)責(zé)把多個(gè)護(hù)理床客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫，并負(fù)責(zé)把前臺(tái)發(fā)給護(hù)理床客戶端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的客戶端，而前臺(tái)負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫中實(shí)時(shí)讀取被護(hù)理人的數(shù)據(jù)信息，并把被護(hù)理人的數(shù)據(jù)信息顯示出來，隨時(shí)可以監(jiān)測被護(hù)理人的情況，并做出及時(shí)的處理。這對于養(yǎng)老院、醫(yī)院等護(hù)理機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)集中式的護(hù)理工作特別有效，可以大大減少護(hù)理人員的工作強(qiáng)度、提高護(hù)理工作效率和護(hù)理質(zhì)量?？蛻舳诉B接服務(wù)器測試效果如圖6所示。服務(wù)器記錄設(shè)備信息數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6　客戶端連接服務(wù)器測試

圖7　服務(wù)器記錄設(shè)備信息數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

以STM32微控制器為核心，并擴(kuò)展以太網(wǎng)、尿濕傳感器、電流傳感器、液晶顯示、報(bào)警提示以及電機(jī)控制等外圍模塊設(shè)計(jì)的智能護(hù)理床，可以對老人、失能人群進(jìn)行更好的照顧和護(hù)理，系統(tǒng)除了具有其他護(hù)理床的護(hù)理功能外，還實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)采集和監(jiān)管的功能，這對于養(yǎng)老院、醫(yī)院等護(hù)理機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)集中式的網(wǎng)絡(luò)化管理提供了必要的手段，減少了護(hù)理人員的工作強(qiáng)度并提高了護(hù)理效率和護(hù)理質(zhì)量。經(jīng)過測試證明，該系統(tǒng)安全可靠、操作簡單、管理方便，推廣使用，會(huì)產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn):

［1］廖翼.智能護(hù)理床的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.醫(yī)療裝備，2013 (10):5－7.

［2］National Semiconductor Corporation.LM2576 Series SIMPLE SWITCHER 3A Step-Down Voltage Regulator［R］.2004，8.

［3］STMicroelectronics.STM32F103xx datasheet［EB/OL］.http://www.st.com/.

［4］陳貽國，錢金芳，潘日敏.一種基于STM32的航模直升機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2012，35(1):47－51.

［5］Microchip Technology Inc.ENC28J60 Data Sheet Stand-Alone Ethernet Controller with SPI Interface［P］.2006，6.

［6］深圳市勁銳科技有限公司.16鍵電容式觸摸按鍵JR1610C手冊［EB/OL］.http://www.jinrui－tech.com/.

［7］Allegro MicroSystems，Inc.ACS712ELC，F(xiàn)ully Integrated，Hall Effect-Based Linear Current Sensor with 2.1 kVRMS Voltage Isolation and a Low-Resistance Current Conductor［P］.2008，10.

［8］王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008:102－105.

［9］張慶輝，馬延立.STM32F103VET6和ENC28J60的嵌入式以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12(9):23－25.

［10］劉宗銘，卓振泰，何明華.基于ENC28J60的以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2013，36(6):919－923.

［11］孫鑫，余安萍.VC++深入詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012:526－530.

常國權(quán)(1973－)，男，漢族，河南省清豐縣人，安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院講師，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)，changguoquan@126.com。

Design of Speech Processing Platform for Hearing Aids*

LIANG Ruiyu*，WANG Guowei，XUE Wanli，NI Ye
(School of Communication Engineering，Institute of Nanjing Technology，Nanjing 211167，China)

Abstract:Considering the characteristic of the hearing-aid with small size，and low power consumption，one development platform based on the real-time speech processing algorithm of embedded systems is designed.The hardware core of the platform is mainly composed of CortexA8 chip and FPGA chip，which contains four key modules:audio input module，internal clock module，F(xiàn)PGA control module and signal processing module.In order to improve the system processing efficiency，the multi-channel speech processing conversion module based on FPGA is designed.The speech enhancement algorithm of the hearing-aid based on Wiener filtering is designed and realized to verify the platform performance and a subjective test is conducted with good experiment results.

Key words:hearing aid; speech signal; Wiener filter; embedded system

doi:EEACC:722010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.036

收稿日期:2015－02－01修改日期:2015－03－05

中圖分類號(hào):TP368.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0893－05

項(xiàng)目來源:2012國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1204613)