基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家用型中藥熏蒸機(jī)設(shè)計(jì)

孫明楊 錢少偉 尹浩 歐陽婷

摘要：在當(dāng)今社會(huì)，生活節(jié)奏加快、工作壓力增大，身體亞健康問題越來越困擾著“現(xiàn)代人”，中醫(yī)理療越來越受青睞。中藥熏蒸機(jī)是一種常用的中醫(yī)理療設(shè)備。但是傳統(tǒng)的中藥熏蒸機(jī)存在體積較大、功能單一、智能化程度較低、普及困難等問題，因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家用型中藥熏蒸機(jī)的提出，為中醫(yī)藥走進(jìn)千萬家庭提供了全新的思路。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng);中藥熏蒸;健康理療

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）15-0114-03

中藥熏蒸機(jī)是一種常用的中醫(yī)理療設(shè)備，但傳統(tǒng)的中藥熏蒸機(jī)已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)下的需求，人們更加追求方便快捷的健康理療方式。傳統(tǒng)的中藥熏蒸機(jī)存在著許多缺點(diǎn)，如體積較大、功能單一、智能化程度普及較為困難等。因此，改良中藥熏蒸機(jī)，使其家用化、智能化勢(shì)在必行。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到中藥熏蒸機(jī)的改良設(shè)計(jì)中，使中藥熏蒸機(jī)更加智能化、體積小、方便操作，成為智能中藥熏蒸機(jī)的主要發(fā)展方向。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于通信、家居、物流、交通等在內(nèi)的多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域也不例外。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍極為廣泛，如健康社會(huì)遠(yuǎn)程醫(yī)療、健康管理教育全程管理、老人健康全程護(hù)理等[1]。

醫(yī)學(xué)物理互聯(lián)網(wǎng)的"網(wǎng)"就是通過把"物"有機(jī)地直接連成一張"網(wǎng)"，就這樣能夠讓人可以輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知監(jiān)測(cè)，將各種醫(yī)療信息產(chǎn)品服務(wù)對(duì)象與各種醫(yī)療信息相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)的無縫交換和信息無縫連接，達(dá)到連續(xù)實(shí)時(shí)跟蹤動(dòng)態(tài)健康監(jiān)測(cè)、連續(xù)實(shí)時(shí)跟蹤醫(yī)療企業(yè)的健康管理，以及精準(zhǔn)醫(yī)療決策和對(duì)醫(yī)療信息產(chǎn)品服務(wù)行業(yè)的健康管理教育。

從定義的提出來到方案的實(shí)施，物聯(lián)網(wǎng)在各領(lǐng)域展開了全面的技術(shù)應(yīng)用，這也給產(chǎn)業(yè)鏈上下游公司帶來了更多的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，其在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，為中藥熏蒸機(jī)的改進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，并能提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。除此之外，物聯(lián)網(wǎng)可以與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能數(shù)據(jù)處理也能為中藥熏蒸機(jī)的改造提供理論和技術(shù)支持。

2 智能家用型中藥熏蒸機(jī)概述

中藥熏蒸治療療法利用中藥熏蒸機(jī)將中藥材在鍋中煎煮后所形成的蒸汽，對(duì)人體進(jìn)行熏蒸，以實(shí)現(xiàn)提高藥物作用的一種中藥外治療法。熏蒸治療是指藥物通過熱力作用于患處，皮膚機(jī)體經(jīng)過一定的藥物刺激，毛孔張開，微血管擴(kuò)張，藥物的有效化學(xué)成分直接滲入皮膚，甚至到達(dá)肌肉深部，或者通過毛細(xì)血管的吸收和循環(huán)傳播到人體全身，從而可以達(dá)到緩解疼痛治療疾病的主要目的。

智能家用型中藥熏蒸機(jī)對(duì)傳統(tǒng)中藥熏蒸機(jī)進(jìn)行技術(shù)改良創(chuàng)新，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使中藥熏蒸機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化、小型化，更加方便家用。同時(shí)，智能家用型中藥熏蒸機(jī)加入了語音交互模塊，通過語音控制，方便中老年人群的操作。利用手機(jī)APP不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，還可以監(jiān)測(cè)機(jī)器使用狀態(tài)，在一定程度上提高中藥熏蒸機(jī)使用的安全性。中藥熏蒸機(jī)還會(huì)根據(jù)個(gè)人需求和生活習(xí)慣制定相應(yīng)的理療方案，以此來達(dá)到最佳的理療效果。

3 智能家用型中藥熏蒸機(jī)設(shè)計(jì)

3.1整體設(shè)計(jì)

本款熏蒸機(jī)是基于STM32控制模塊改進(jìn)的智能家用型中藥熏蒸機(jī)，通過監(jiān)測(cè)當(dāng)前環(huán)境實(shí)時(shí)的溫濕度、聲光變化，以及設(shè)備是否開啟（開關(guān)量）等一系列可檢測(cè)的項(xiàng)目設(shè)備指標(biāo)，可以將相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋給控制器，然后通過控制器進(jìn)行相關(guān)實(shí)時(shí)操作（查看機(jī)器當(dāng)前狀態(tài)、控制熏蒸的溫度等一系列操作），旨在達(dá)到智能控制的目的，智能家用型中藥熏蒸機(jī)工作流程圖如圖1所示。

3.2硬件模塊

智能家用型中藥熏蒸機(jī)的硬件系統(tǒng)（如圖2）主要包括：（1）中央處理模塊（2）通信控制模塊（3）人機(jī)交互界面（4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（5）溫度檢測(cè)模塊（6）電源模塊（7）驅(qū)動(dòng)單元（8）語音控制模塊。硬件模塊工作的主要流程：先由中央處理模塊開始工作，根據(jù)需求帶動(dòng)其他模塊工作，然后采集相關(guān)驅(qū)動(dòng)單元的狀態(tài)，其中驅(qū)動(dòng)單元包括：（1）LED液晶顯示單元;（2）傳感器單元（3）溫濕度檢測(cè)單元;（4）排風(fēng)扇單元;（5）熏蒸劑加熱單元，將采集的數(shù)據(jù)反饋給人機(jī)交互界面或者net平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的檢測(cè)與控制。

智能家用型中藥熏蒸機(jī)的控制系統(tǒng)主要采用STM32F103單片機(jī)芯片， STM32采用了當(dāng)今廣泛應(yīng)用的 arm 內(nèi)核，有利于設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定及日后芯片技術(shù)升級(jí)。同時(shí)，它還可集成網(wǎng)絡(luò)通信模塊等其他功能模塊，后期研究和開發(fā)的工具相對(duì)齊全，開發(fā)資料多，功耗控制較低[2]。

3.3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的基本原則：采用C++軟件語言進(jìn)行設(shè)備開發(fā)，各功能模塊之間進(jìn)行解耦操作，執(zhí)行強(qiáng)內(nèi)聚、弱耦合的核心思想。每個(gè)模塊只能實(shí)現(xiàn)單一功能，模塊內(nèi)部的子模塊只為整體的單一功能而存在，模塊之間可以通過約定好的接口進(jìn)行交互。C++作為一種高級(jí)編程語言，功能非常強(qiáng)大，可支持跨平臺(tái)操作，具有可移植性，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的過程通常包括編輯、編譯、連接、運(yùn)行和調(diào)試等步驟。利用C++編程環(huán)境和ARM架構(gòu)相結(jié)合，可以開發(fā)出一系列的外圍驅(qū)動(dòng)程序，極大地提高了ARM嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率，對(duì)底層硬件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)中的算法進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化。同時(shí)，優(yōu)化后的軟件程序可直接應(yīng)用于底層服務(wù)，是基于ARM架構(gòu)的用戶程序與基于硬件底層的系統(tǒng)程序之間相互聯(lián)系的重要環(huán)節(jié)。

在軟件終端系統(tǒng)初始化完成后，通過控制器接收、發(fā)送信號(hào)[3]，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，通過人機(jī)交互界面來實(shí)施具體的操作，以實(shí)現(xiàn)一系列對(duì)應(yīng)功能。

3.4基于ZigBee技術(shù)的通信設(shè)計(jì)

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是一種使用距離短、復(fù)雜程度低、自身組織、功耗低、數(shù)據(jù)速率低的無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]，具有星型、樹形、網(wǎng)狀等多種不同的拓?fù)涔芾砟Ｊ?。傳統(tǒng)的樹狀互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑基本上都是固定的，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)被打破，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)穆窂綗o法自動(dòng)調(diào)整，將會(huì)給后續(xù)葉子節(jié)點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)傳送帶來嚴(yán)重的影響。為了改善和增強(qiáng)控制系統(tǒng)的可靠性與安全程度，該系統(tǒng)選擇了以網(wǎng)狀化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)作為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砑軜?gòu)。

本款機(jī)器的內(nèi)部控制系統(tǒng)采用STM32為主控芯片，借助于ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，它充分利用了 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所提供的無線數(shù)據(jù)傳送功能，具有對(duì)功耗的控制良好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要適用于設(shè)備的自動(dòng)化操作和遠(yuǎn)程控制，可以直接嵌入各類設(shè)備，同時(shí)還能夠連接到大數(shù)量組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的容量也可根據(jù)不同的設(shè)備需求而靈活地增減。設(shè)備內(nèi)部可安裝多個(gè)檢測(cè)裝置，用于數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)還可以連接大數(shù)量的組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以根據(jù)設(shè)備需求靈活增減。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以通過選擇將在一定區(qū)域內(nèi)有信號(hào)能力最強(qiáng)的子節(jié)點(diǎn)添加到互聯(lián)網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)操作流程簡(jiǎn)單，方便快捷。在設(shè)備中選擇一個(gè)合適的 id 后，設(shè)備上層系統(tǒng)會(huì)要求 mac 層適當(dāng)?shù)卦O(shè)置物理層和 mac 層中的 phycurrentchannel 、 macpanid 和其他 pib 特征。

3.5物聯(lián)網(wǎng)功能設(shè)計(jì)

本機(jī)器物聯(lián)網(wǎng)主要功能設(shè)計(jì)有：在原有的控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上添加了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)作為設(shè)備監(jiān)測(cè)和運(yùn)行管理的數(shù)據(jù)中介，利用485通訊控制方式、modbus通訊方式協(xié)議，對(duì)moplc的內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器與外部繼電器等設(shè)備進(jìn)行各種讀/寫和數(shù)據(jù)操作。流程一般為手機(jī)網(wǎng)關(guān)直接可以讀取到并得到手機(jī)plc的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，先由手機(jī)物聯(lián)網(wǎng)直接上傳至手機(jī)中國(guó)移動(dòng)端的onenet控制平臺(tái)，最后由接入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)控制平臺(tái)上后端直接進(jìn)行一些可視自動(dòng)化的控制操作。而網(wǎng)關(guān)編寫好的數(shù)據(jù)則一般是在控制平臺(tái)上自己直接定義一個(gè)網(wǎng)關(guān)按鈕的控制路徑，通過在這個(gè)控制平臺(tái)上自己直接做出一些其他相關(guān)的應(yīng)用控制器和操作，通過利用云端和移動(dòng)手機(jī)端的app來進(jìn)行開發(fā)，亦即是借助云端網(wǎng)關(guān)把這個(gè)控制器的信號(hào)直接將其傳送過來給手機(jī)plc[5]，再對(duì)其直接執(zhí)行一些其他相關(guān)的控制動(dòng)作，從而完全直接實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)控制的應(yīng)用功能。

3.6設(shè)備調(diào)試

前期的所有工作準(zhǔn)備以及操作中的內(nèi)容主要構(gòu)成包括：檢測(cè)各種控制電子系統(tǒng)和各種主電子硬件的完整的連接線、變頻器及相關(guān)電機(jī)和電壓傳感器等各種電子硬件的相關(guān)信號(hào)異常響應(yīng)及相關(guān)輸出信號(hào)是否正常、plc與各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)關(guān)的各個(gè)應(yīng)用程序以及模擬器的系統(tǒng)運(yùn)行正常、觸摸屏的各個(gè)人機(jī)交互操作界面的完整設(shè)計(jì)和相互連接。

測(cè)試總結(jié)成果：在移動(dòng)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方面，觸摸屏以及實(shí)時(shí)云端移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)app系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋信息來實(shí)時(shí)人工啟動(dòng)或者手工實(shí)時(shí)停止，以及自動(dòng)地通過進(jìn)入實(shí)時(shí)運(yùn)行和自動(dòng)等候以及待機(jī)的自動(dòng)化循環(huán)系統(tǒng)來自動(dòng)判斷正常任務(wù)執(zhí)行的各個(gè)環(huán)節(jié)，并且還可以能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)內(nèi)部風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)速;而且在移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的云端數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示功能方面、在移動(dòng)觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控場(chǎng)景和云端物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)云端數(shù)據(jù)展示功能方面也表現(xiàn)良好。

4設(shè)備子程序設(shè)計(jì)

4.1控制主機(jī)子程序設(shè)計(jì)

接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)后，控制主機(jī)的串口將顯示數(shù)據(jù)并設(shè)置參數(shù)的閾值，判斷每個(gè)環(huán)境接收的參數(shù)是否超過閾值，正常狀態(tài)是否超過閾值，超過閾值時(shí)給出異常狀態(tài)[6]，打開控制模塊調(diào)整相應(yīng)位置點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)。

4.2按鍵子程序檢測(cè)

系統(tǒng)的循環(huán)利用檢測(cè)方法是否有按鍵被按下，用戶信息可以通過鍵盤設(shè)置各個(gè)參數(shù)的報(bào)警閾值[7]。設(shè)置處理工作全部完成后，控制用戶主機(jī)將接收ZigBee控制協(xié)調(diào)器向每個(gè)用戶主機(jī)發(fā)送的接收信號(hào)和發(fā)送數(shù)據(jù)流，對(duì)這些接收信號(hào)和發(fā)送數(shù)據(jù)中的流分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)提取、整理、分析、比較。當(dāng)我們通過檢測(cè)數(shù)據(jù)得到所需要采集的各個(gè)室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)參數(shù)已經(jīng)正常處于安全檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，oled報(bào)警顯示屏將自動(dòng)顯示正常的檢測(cè)數(shù)據(jù)[8];如果報(bào)警傳感器中通過檢測(cè)數(shù)據(jù)得到的報(bào)警信號(hào)或者檢測(cè)數(shù)據(jù)量已經(jīng)超過了我們?cè)O(shè)定的安全閾值，語音報(bào)警模塊就可能會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，用戶對(duì)此可以及時(shí)采取其他進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)措施。

4.3 OLED顯示子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主機(jī)可以直接通過 i2c 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和指令，首先對(duì)顯示功能模塊進(jìn)行初始化，然后對(duì)主機(jī)進(jìn)行清屏處理[9]。為計(jì)劃數(shù)據(jù)顯示器設(shè)定了初始值和坐標(biāo)位，然后通過調(diào)用 oled 庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)研究結(jié)果顯示。

4.4 Wi-Fi傳輸通信子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要使用光盤Wi-Fi模塊化并燒錄遲志云的wigjectu等固件。這個(gè)新的固件數(shù)據(jù)庫主要提供了復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸處理協(xié)議和交互。Wi-Fi主機(jī)模塊與每個(gè)主機(jī)用戶單片機(jī)的交互只通過一個(gè)主機(jī)串口埠來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，只要您需要將主機(jī)用戶在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)時(shí)需要向主機(jī)客戶端進(jìn)行上傳的這些數(shù)據(jù)進(jìn)行打包出來并發(fā)包傳送到您的云計(jì)算平臺(tái)，通過主機(jī)調(diào)用模塊封裝的庫函數(shù)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)傳輸出來并且傳送到您的云計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行即可[10]。

5結(jié)語

中藥外治熏蒸治療療法相對(duì)于其他中藥治療外科方法，其具有治療疾病效果好、應(yīng)用領(lǐng)域范圍大、適應(yīng)范圍人群廣等特點(diǎn)，具有很高的臨床實(shí)用性。中醫(yī)藥文化與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，對(duì)于促進(jìn)中醫(yī)藥的發(fā)展來說具有重大意義。智能家用型中醫(yī)藥熏蒸機(jī)將軟件與硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)理療、高效化理療、便捷化理療的預(yù)期功能。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】