基于嵌入式系統(tǒng)的多功能自理床控制系統(tǒng)

趙 旭，趙立蕊，連翠玲

（1．河北省自動(dòng)化研究所，河北石家莊 050081；2．河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程與自動(dòng)化系，河北石家莊 050091）

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基于嵌入式系統(tǒng)的多功能自理床控制系統(tǒng)

趙 旭1，趙立蕊2，連翠玲1

（1．河北省自動(dòng)化研究所，河北石家莊 050081；2．河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程與自動(dòng)化系，河北石家莊 050091）

摘 要：針對(duì)社會(huì)人口老齡化帶來(lái)的護(hù)理需求，設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的多功能自理床控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)床體體位變換、被護(hù)理人員自理和報(bào)警功能的自動(dòng)控制，適合行走不便的殘疾人和臥床病人使用，可在一定程度上安撫使用者的消極心理，并降低護(hù)理人員的工作強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制技術(shù)；嵌入式；自理床；控制系統(tǒng)；WinCE；體位變換

E－mail：yonlone＠163．com

趙 旭，趙立蕊，連翠玲．基于嵌入式系統(tǒng)的多功能自理床控制系統(tǒng)［J］．河北工業(yè)科技，2016，33（2）：178－182．

ZHAO Xu，ZHAO Lirui，LIAN Cuiling．Multifunctional self－care bed control system based on embedded system［J］．Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（2）：178－182．

伴隨著人口老齡化現(xiàn)象的加劇，因身體虛弱臥床不起或因疾患導(dǎo)致生活不能自理的老年人的家庭照料與看護(hù)成為國(guó)家所面臨的共同問(wèn)題。隨著醫(yī)療水平的快速發(fā)展及使用者對(duì)醫(yī)療護(hù)理器械的需求的提升，近些年在市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些自理床，其設(shè)計(jì)理念不同于傳統(tǒng)醫(yī)療護(hù)理器械，而更多體現(xiàn)了人文關(guān)懷，不僅考慮到使用者的體力、感知能力、認(rèn)識(shí)能力及動(dòng)作靈巧性，而且更多地關(guān)注病患與家屬的情感需求［1－3］。

筆者以嵌入式系統(tǒng)的觸控一體機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)多功能自理床控制系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)的自理床可實(shí)現(xiàn)靠背升降、左右側(cè)翻、腿部抬落、成椅子型等體位變化功能，并且支持智能便桶，能夠讓使用者實(shí)現(xiàn)大小便的基本自理。它還支持有線或無(wú)線上網(wǎng)，并且預(yù)留接口，能夠在日后實(shí)現(xiàn)更多功能擴(kuò)展，滿足使用者基本的生活需求。此類自理床適合行走不便的殘疾人和臥床病人使用，可在一定程度上安撫使用者的消極心理，而且能夠降低護(hù)理人員的工作強(qiáng)度。

1 總體設(shè)計(jì)

多功能自理床控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。該系統(tǒng)包括主控核心、操作控制器、動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感系統(tǒng)、護(hù)理管理系統(tǒng)等部分［4－9］。主控核心由基于嵌入式系統(tǒng)的觸控一體機(jī)及擴(kuò)展I／O電路組成，其相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，通過(guò)獲得的數(shù)據(jù)來(lái)指揮執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。操作控制器分為護(hù)欄控制器和手柄控制器，這兩種控制器均有功能按鍵，按下相應(yīng)按鍵可實(shí)現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由各活動(dòng)關(guān)節(jié)的電動(dòng)推桿及其控制器組成，其受控于主控核心。傳感系統(tǒng)包括限位開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、液位開(kāi)關(guān)、漏液傳感器等，主控核心可通過(guò)傳感器的信號(hào)來(lái)確定如何發(fā)布指令。護(hù)理管理系統(tǒng)主要面向護(hù)理人員，能夠提供數(shù)據(jù)交互、記錄、查詢等功能，護(hù)理人員通過(guò)這些功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)被護(hù)理人員的身體狀態(tài)管理和信息管理。

圖1　系統(tǒng)組成示意圖Fig．1 Sketch map of system components

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 主控核心的選擇

本系統(tǒng)的主控核心用的是如圖2所示的LJD－eWin－模組型觸控一體機(jī)。其以32位高速ARM處理器作為主CPU，操作系統(tǒng)為Windows CE6．0。該機(jī)具有256 MB的RAM，128 MB的電子硬盤，可擴(kuò)展SD卡存儲(chǔ)器，屏幕采用800×600的觸摸屏，同時(shí)具備了RS232／485串口、USB接口，并可擴(kuò)展藍(lán)牙通信模塊，來(lái)滿足應(yīng)用需求。

觸控一體機(jī)編有控制／管理軟件，通過(guò)觸摸屏上的虛擬按鍵可實(shí)現(xiàn)床體控制、信息管理等如下功能。

1）床體動(dòng)作控制 通過(guò)按下屏幕上的對(duì)應(yīng)按鍵實(shí)現(xiàn)自理床各種形態(tài)變換的控制。

2）管理功能 床位信息管理，可由護(hù)理人員輸入床位編號(hào)、所在位置等；被護(hù)理人員信息管理，包括姓名、年齡、性別、所患疾病等，同樣由護(hù)理人員輸入；醫(yī)囑管理，可將醫(yī)囑信息輸入至觸控一體機(jī)。

圖2　LJD－eWin－模組型觸控一體機(jī)Fig．2 LJD－eWin－module type touch all－in－one machine

3）數(shù)據(jù)查詢 可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，以便于更好地對(duì)使用者進(jìn)行護(hù)理。

另外，為節(jié)能環(huán)保，當(dāng)觸摸屏2min內(nèi)沒(méi)有進(jìn)行操作時(shí)，屏幕自動(dòng)黑屏。

2．2 操作控制器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的操作控制器共有2種，分別為手柄控制器和護(hù)欄控制器，兩者的按鍵功能基本相同，只是使用對(duì)象不同，前者供被護(hù)理人員使用，后者則由護(hù)理人員操作使用。手柄控制器和護(hù)欄控制器都是基于51系列單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)［10－12］。兩者的區(qū)別是手柄控制器采用藍(lán)牙通信模塊HC－05，護(hù)欄控制器通過(guò)ModBus協(xié)議與主控核心進(jìn)行通信。

手柄控制器設(shè)計(jì)圖如圖3所示，可供使用者實(shí)現(xiàn)臥床時(shí)的姿勢(shì)變換及大小便自理?？刂破魃瞎灿?3個(gè)主要按鍵，其中“上升”和“下降”按鍵控制自理床靠背的上升、下降；“左翻”和“右翻”鍵可幫助使用者實(shí)現(xiàn)左右翻身；“椅出”按鍵可使自理床變形成椅子；“桶進(jìn)”按鍵可使便桶自動(dòng)到位供被護(hù)理者使用，完畢后按下“桶出”鍵使便桶回位；便后可按下“沖水”或者“風(fēng)干”按鍵進(jìn)行沖水及風(fēng)干，并可按下“水調(diào)溫”或“風(fēng)調(diào)溫”按鍵調(diào)節(jié)便后沖洗的水溫和風(fēng)溫；當(dāng)使用者感到不適時(shí)，可按下“呼叫”按鍵通知相應(yīng)人員；“急停”按鍵可使所有動(dòng)作停止，返回到初始狀態(tài)。這些按鍵具有一定的關(guān)聯(lián)性，比如只有在平床狀態(tài)才可左右翻身，在“桶進(jìn)”的狀態(tài)下才能沖水和風(fēng)干等。

圖3　手柄控制器設(shè)計(jì)圖Fig．3 Handle controller design

手柄控制器的原理示意圖如圖4所示。其采用51系列單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，P1口除P1．0用作急停按鍵直接接入外，P1．1—P1．7以行列鍵盤的形式定義其余的12個(gè)按鍵。6個(gè)功能指示燈用P2．0—P2．5控制，串口通信接口TXD和RXD通過(guò)MAX232接到藍(lán)牙通信模塊HC05上，實(shí)現(xiàn)與主控核心的無(wú)線通信。

圖4　手柄控制器原理示意圖Fig．4 Handle controller schematic

2．3 系統(tǒng)控制

本系統(tǒng)共計(jì)有DI量20～26點(diǎn)，包括備用DI量4～8點(diǎn)，用于動(dòng)作限位、啟停信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等；DO 量23～31點(diǎn)，包括備用DO量4～8點(diǎn)，用于動(dòng)作執(zhí)行電機(jī)控制、泵／閥控制、輸出報(bào)警信號(hào)等。DI／DO信號(hào)統(tǒng)計(jì)示意圖如圖5所示。

圖5　DI／DO信號(hào)統(tǒng)計(jì)示意圖Fig．5 DI／DO signal statistics

2．3．1 體位變換功能的控制

該控制系統(tǒng)可按需求實(shí)現(xiàn)靠背抬起、落下，腿部彎曲、伸直，左右側(cè)翻，左右護(hù)欄起、落及將整床變形成椅子狀等體位變換。體位變換功能由6個(gè)直線電機(jī)帶動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)械結(jié)構(gòu)完成，分別對(duì)應(yīng)靠背、足部、左護(hù)欄、右護(hù)欄、床面左翻、床面右翻等動(dòng)作需求。直線電機(jī)采用醫(yī)用直線推桿，根據(jù)床體結(jié)構(gòu)的受力大小選擇不同規(guī)格，由繼電器控制伸出或收回。床體各活動(dòng)部位均有限位開(kāi)關(guān)，可保證床體結(jié)構(gòu)的合理運(yùn)行。

2．3．2 自理功能的實(shí)現(xiàn)控制

本自理床控制系統(tǒng)的突出特點(diǎn)之一便是盡可能地讓使用者實(shí)現(xiàn)基本自理，而最主要的就是自理大小便。本系統(tǒng)的便桶設(shè)計(jì)參考智能馬桶蓋，具有3檔水溫、風(fēng)溫控制，可實(shí)現(xiàn)便后溫水沖洗及熱風(fēng)風(fēng)干功能。便桶裝有生物降解劑，可人為按鍵實(shí)現(xiàn)降解及滅菌，保持自理床的清潔。

當(dāng)使用者想要大小便時(shí)可按下“桶進(jìn)”按鍵，便桶自動(dòng)到位供其使用，便后可按下“沖水”按鍵，此時(shí)自理床的水泵自動(dòng)抽取水箱內(nèi)的存水加熱后沖洗身體，沖洗過(guò)程中可根據(jù)自身的舒適程度進(jìn)行高、中、低3檔水溫調(diào)節(jié)，沖洗最大時(shí)長(zhǎng)為15s，到時(shí)自動(dòng)停止，使用者也可隨時(shí)按鍵停止；如需使皮膚快速干燥，可按下“風(fēng)干”按鍵吹出熱風(fēng)，風(fēng)溫也可調(diào)節(jié)，吹風(fēng)到時(shí)自動(dòng)停止或按鍵停止。使用者便后可隨時(shí)按下“桶出”鍵，便桶自動(dòng)返回原位。本控制系統(tǒng)可接漏液傳感器，當(dāng)有尿濕、灑水等情況發(fā)生時(shí)，可報(bào)警通知相關(guān)人員處理。

2．3．3 報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)控制

使用本系統(tǒng)的自理床雖能讓使用者實(shí)現(xiàn)基本自理，但由于使用者的特殊身體狀況，這個(gè)“自理”并不是絕對(duì)意義上的自己照顧自己，而是仍需要護(hù)理人員參與護(hù)理，以免發(fā)生意外。出現(xiàn)特殊情況時(shí)，使用者可主動(dòng)呼叫護(hù)理人員，自理床控制系統(tǒng)也可發(fā)出報(bào)警信號(hào)通知護(hù)理人員前來(lái)緊急處理。

1）使用者按下“呼叫”按鍵 按鍵后，系統(tǒng)便會(huì)通知護(hù)理人員前來(lái)護(hù)理，該情況是使用者主動(dòng)呼叫護(hù)理人員。

2）漏液報(bào)警（尿濕報(bào)警） 當(dāng)自理床出現(xiàn)尿濕或?yàn)⑺惹闆r，控制系統(tǒng)的漏液傳感器會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)這一情況并報(bào)警。

3）缺水報(bào)警 由于自理床系統(tǒng)的供水來(lái)自床體安裝的水箱，如水箱缺水則影響使用者便后的沖洗，這時(shí)，水箱的液位傳感器便發(fā)出報(bào)警信號(hào)通知護(hù)理人員前來(lái)加水。

4）離床報(bào)警 為避免使用者發(fā)生意外，床體四周裝有紅外傳感器，當(dāng)使用者主動(dòng)或被動(dòng)離床后可發(fā)出報(bào)警信號(hào)通知護(hù)理人員參與處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件分為下位機(jī)控制軟件和觸控一體機(jī)護(hù)理管理軟件。下位機(jī)控制軟件由KeilC編制，由按鍵查詢響應(yīng)、I／O控制、數(shù)據(jù)通信等部分組成。本系統(tǒng)的觸控一體機(jī)為嵌入式系統(tǒng)，其處理器是ARM9的S3C2416，操作系統(tǒng)是Windows CE6．0，因此在編程上，采用微軟公司的Visual Studio系列較為合適。本系統(tǒng)的護(hù)理管理軟件正是用其集成的VB．net進(jìn)行編制，而其詳細(xì)開(kāi)發(fā)、部署過(guò)程在此不加贅述。觸控一體機(jī)護(hù)理管理軟件系統(tǒng)界面如圖6所示［13－18］。

圖6　觸控一體機(jī)護(hù)理管理軟件系統(tǒng)界面Fig．6 Touch all－in－one machine care management system software interface

4 結(jié) 論

目前嵌入式系統(tǒng)以其可靠的性能、較低的價(jià)格、精簡(jiǎn)的系統(tǒng)、強(qiáng)大的功能等優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于自理床上，在完善功能的同時(shí)還可降低護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。在當(dāng)今中國(guó)人口老齡化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重的背景下，該系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景。

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Multifunctional self－care bed control system based on embedded system

ZHAO Xu1，ZHAO Lirui2，LIAN Cuiling1
（1．Hebei Institute of Automation，Shijiazhuang，Hebei 050081，China；2．Department of Information Engineering and Automation，Hebei College of Industry and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050091，China）

Abstract：Aiming at the increased requirement for medical apparatus and instruments in China and the increasing needs for nurse caused by social aging of population，a multifunctional self－care bed control system based on embedded systems is designed．It can realize bed posture conversion，patients＇self－care，and automatically controlled alarm function，suiting for the disabled who are inconvenient to walk and the bedridden patients，and it can in some degree pacify the patients while decrease the work intensity of the nurses．

Keywords：automatic control technology；embedded；self－care bed；control system；WinCE；position change

作者簡(jiǎn)介：趙 旭（1975—），男，河北石家莊人，高級(jí)工程師，主要從事自動(dòng)控制應(yīng)用方面的研究。

收稿日期：2015－12－13；修回日期：2016－01－18；責(zé)任編輯：張 軍

文章編號(hào)：1008－1534（2016）02－0178－05

中圖分類號(hào)：TP306

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02014