便攜式智能臍療艾灸儀設(shè)計(jì)

邵海燕， 耿 超， 韓兆翠， 韓 青， 王 娜， 馬玉真

（濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

艾灸屬于中醫(yī)范疇，在中國(guó)已有上千年的歷史，是一種外治方法，其治療效果已經(jīng)被無(wú)數(shù)臨床實(shí)踐所驗(yàn)證[1-2]。臍通五臟六腑，與全身經(jīng)脈相連通，是人體的黃金分割點(diǎn)[3]。臍療[4]是將藥物做成適當(dāng)劑型（糊、散劑/粉、藥丸、藥膏等）敷于臍部，或在臍部給以某些物理刺激（如艾灸、針刺、拔罐等）以治療疾病的方法。 臍療艾灸就是在臍部進(jìn)行艾灸治療， 目前臨床上常見的方法是利用濕潤(rùn)的面團(tuán)作為支撐燃燒的艾柱的支架，同時(shí)起到隔熱效果。 山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院現(xiàn)在臨床使用醫(yī)療效果佳，但是也存在著一些不足，如：艾絨燃燒時(shí)，產(chǎn)生刺激性氣味較大的濃煙；溫度不可控易，患者易被燙傷；需要專門醫(yī)師照看；經(jīng)驗(yàn)為主，難以量化等。電子艾灸儀就是在這種情況下出現(xiàn)的，它屬于溫灸器灸，即用專門制作的灸療器械進(jìn)行艾灸。 現(xiàn)有的艾灸儀大致分為兩類：一種是體型較大、帶有溫?zé)崽筋^等的多功能艾灸儀[5]，一種是體型較小、便于隨身攜帶的艾灸盒。

本文設(shè)計(jì)了一款便攜式智能臍療艾灸儀， 總體包括五部分。 第一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹了電子臍療艾灸儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組成。第二部分硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器和人機(jī)交互等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。第三部分程序設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)傳送和按鍵控制等，并完成了微信小程序開發(fā)。第四部分實(shí)驗(yàn)，基于PID 控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫升和溫降曲線的控制。最后部分是結(jié)束語(yǔ)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

基于傳統(tǒng)的臍療艾灸方法，從功能化、智能化、便捷性和輕量化角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種電子臍療艾灸儀，整體結(jié)構(gòu)見圖1。 所提出的中醫(yī)臍療智能艾灸儀的結(jié)構(gòu)[6-7]大致分為上蓋部分、加熱核心部分、底盤部分、外殼。上蓋部分主要包括上蓋、顯示屏版、按鍵墊、主電路板（包含按鍵、顯示屏、鋰電池）。 加熱核心部分主要包括隔熱架、風(fēng)機(jī)、加熱膛、上下加熱片、上下隔熱罩、加熱盤、把手、風(fēng)道蓋、把手架、強(qiáng)磁、導(dǎo)流罩。 底盤部分主要包括底盤、體溫傳感器、近皮膚溫度傳感器、硅膠墊、紅外線燈、廣角攝像頭。其中廣角攝像頭固定在導(dǎo)流罩頂部中間安裝梁上，便于對(duì)皮膚的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 臍療艾灸儀結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 加熱部分結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)知，不斷升溫的過程中，艾餅中的藥性成分得到改變，低于150℃的溫度加熱就不會(huì)產(chǎn)生艾煙[8-9]。在此溫度范圍內(nèi)加熱，藥粉的藥效也能發(fā)揮作用。設(shè)計(jì)中的加熱部分主要由發(fā)熱內(nèi)膛、加熱片和藥盤組成，見圖1。發(fā)熱內(nèi)膛采用純銅材質(zhì)，熱導(dǎo)率大，減少熱量損失；藥盤采用鋁合金材質(zhì)，升溫降溫快，在對(duì)要藥盤里的艾餅加熱時(shí)減少熱量傳遞時(shí)間。從一側(cè)抽出藥盤，將由艾草粉末和藥粉壓制而成的餅狀物放置其中，再將其推入后，手柄和軌道的一對(duì)強(qiáng)磁吸合，防止藥盤滑動(dòng)，同時(shí)霍爾傳感器檢測(cè)藥盤的位置，意外滑出后立即停止加熱，保證安全可靠性。 加熱片采用圓形MCH高溫陶瓷加熱片， 表面積較小且加熱效率高、 機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性好，不易破損；內(nèi)部采用高密度鎢漿印刷發(fā)熱材質(zhì)，加熱迅速且更加均勻。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件整體構(gòu)成

臍療艾灸儀的硬件整體原理框圖見圖2。 主控芯片采用STM32F103C8T6 芯片，電源模塊采用IP5328P 電源管理芯片，WIFI 模塊采用ESP8266-12F，傳感器包括溫度傳感器、 溫度傳感器和霍爾傳感器， 人機(jī)交互模塊包括LCD 液晶顯示屏、四個(gè)實(shí)體按鍵、蜂鳴器，其他外設(shè)包括加熱片、風(fēng)機(jī)、紅外線燈。在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，主控芯片用來存儲(chǔ)PID 算法和必要程序并控制其它模塊，WIFI 模塊通過WIFI 連接網(wǎng)絡(luò)與百度天工云雙向通信，以此來建立微信小程序和臍療艾灸儀的無(wú)線連接， 類似于人的感覺器官，用來感知外界信息。

圖2 硬件整體原理框圖

2.2 控溫防燙

設(shè)計(jì)采用精度為±0.1℃的TMP117 溫度傳感器測(cè)量皮膚溫度和近皮膚溫度， 該傳感器可通過I2C 與STM32進(jìn)行通信。 選用分辨率為0.25℃的MAX6675 作為測(cè)量加熱核心的溫度傳感器， 測(cè)量范圍為0℃～1023.75℃， 通過SPI 與STM32 進(jìn)行通信，防止因程序故障而導(dǎo)致對(duì)加熱片加熱控制失靈，同時(shí)也為后續(xù)的艾灸實(shí)驗(yàn)提供溫度數(shù)據(jù)。

皮膚溫度和近皮膚溫度傳感器分布見圖3， 近皮膚溫度測(cè)量值作為PID 控溫的輸入。皮膚灸溫在44～48℃＜50℃溫度區(qū)間是艾灸取得療效的關(guān)鍵[10]，因此溫度應(yīng)保證在此溫度區(qū)間變化，以此保證防止?fàn)C傷使用者和使艾灸效果最佳。

圖3 溫度傳感器分布圖

2.3 藥柄位置檢測(cè)

設(shè)計(jì)選用AH3144 霍爾傳感器， 檢測(cè)藥盤位置及是否拉出。在藥盤把手上裝有強(qiáng)磁，位置變化會(huì)改變霍爾傳感器附近的磁場(chǎng)。當(dāng)磁鐵的S 極靠近傳感器時(shí)，霍爾傳感器的引腳就會(huì)輸出低電平的數(shù)字信號(hào)， 當(dāng)遠(yuǎn)離傳感器時(shí)輸出高電平數(shù)字信號(hào)。 根據(jù)磁場(chǎng)的變化就能判斷出藥盤的位置，防止在加熱時(shí)藥盤未推入，而導(dǎo)致加熱片空熱造成危險(xiǎn)。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 整體程序結(jié)構(gòu)

主控STM32 采用Keil uVision5 的開發(fā)環(huán)境[11]。 在調(diào)試和仿真程序時(shí)，采用STLINK 仿真器。 主程序流程圖見圖4。 WIFI 模塊采用ESP8266-12F，通過串口與STM32 進(jìn)行通訊， 將采集到的溫度數(shù)據(jù)、工作狀況等通過TCP MQTT 發(fā)送到百度天工云服務(wù)器并接收微信小程序， 通過WebSocket MQTT 發(fā)送到百度天工云的指令并將其發(fā)送到主控，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)和指令下達(dá)的雙向通信。

圖4 主程序流程圖

3.2 微信小程序設(shè)計(jì)

用戶端微信小程序設(shè)計(jì)選用小程序調(diào)試模式， 簡(jiǎn)單、高效，可以縮短設(shè)計(jì)周期。 設(shè)計(jì)的操作界面（圖5）包括顯示部分和操作部分。 顯示部分上方的是當(dāng)前溫度和加熱定時(shí)時(shí)長(zhǎng)，字體顏色為紅色，顯眼醒目，其下方的數(shù)值自左向右分別為設(shè)定溫度、當(dāng)前電量，這些數(shù)據(jù)與艾灸臍療儀的顯示屏的顯示數(shù)據(jù)是同步的。操作部分有五個(gè)按鍵，左側(cè)上方為溫度增加鍵，其下方是是溫度減少鍵，右側(cè)上方是定時(shí)增加鍵， 其下方是定時(shí)減少鍵。中間是電源鍵，通過電源鍵可以一鍵關(guān)機(jī)，同時(shí)為防止誤觸，增加關(guān)機(jī)提醒。 五個(gè)控制按鍵的上方為訂閱主題按鍵， 實(shí)現(xiàn)百度天工云服務(wù)器到微信小程序的數(shù)據(jù)回調(diào)，下方是獲取位置按鍵，獲取手機(jī)的位置后將經(jīng)、 緯度發(fā)送到STM32 單片機(jī)進(jìn)行真太陽(yáng)時(shí)的計(jì)算。

圖5 微信小程序界面圖（手機(jī)截屏）

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 控制算法及參數(shù)計(jì)算

控溫算法采用增量式PID 算法[12]。 在完成硬件連接、程序設(shè)計(jì)后對(duì)其進(jìn)行PID 參數(shù)整定， 保證工作時(shí)可以快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控溫。PID 參數(shù)整定方法有臨界比例度法、試湊法、遺傳算法[13-14]等，本設(shè)計(jì)選用試湊法。 經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得到：整定比例系數(shù)、整定積分時(shí)間常數(shù)和整定微分時(shí)間常數(shù)分別為。溫升和溫降的時(shí)間-溫度曲線見圖6。 設(shè)定加熱溫度為46℃，系統(tǒng)能在20s 左右升至設(shè)定溫度，最大超過設(shè)定值1℃左右；到達(dá)設(shè)定溫度后停止加熱，近皮膚溫度傳感器檢測(cè)到的溫度能在120s 左右降至室溫20℃，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4.2 結(jié)果分析

圖6 中，直線代表設(shè)定溫度，曲線代表實(shí)際溫度。 在設(shè)定加熱溫度為46℃時(shí)， 系統(tǒng)能在20s 左右達(dá)到設(shè)定溫度46℃。最大超過設(shè)定值1℃左右，滿足系統(tǒng)的要求。停止加熱， 近皮膚溫度傳感器檢測(cè)到的溫度能在20s 左右變?yōu)槭覝?0℃。

圖6 設(shè)定溫度為46℃的溫升和溫降曲線圖

5 結(jié)論與展望

在當(dāng)前利用面團(tuán)進(jìn)行臍療的基礎(chǔ)上， 本文提出了一種電加熱、無(wú)煙、溫度可控可測(cè)、便攜和輕量化的智能臍療艾灸儀整體設(shè)計(jì)方案。 下一步的工作將從艾灸儀內(nèi)部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和共享數(shù)據(jù)方面展開。