基于物聯(lián)網(wǎng)的智能看護老人系統(tǒng)

徐曉駿，胡 意

（南京工業(yè)大學浦江學院 機電學院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

智能看護老人系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過人體紅外感應模塊、振動傳感器、壓力傳感器，運用多種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，打破傳統(tǒng)思維，達到傳感器的數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)醫(yī)院看護人員和護士及時了解病床上老人的睡眠情況、是否隨意走動等情況[1]。同時伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能老人看護系統(tǒng)也向著多功能、高效率、方便性以及實時性的方向不斷發(fā)展[2]。與國內(nèi)外各類高科技智能看護系統(tǒng)相比，本項目更適合于城市下屬的鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院。據(jù)調(diào)查，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院中使用國內(nèi)外智能看護系統(tǒng)的占比不足1%[3]，而其中90%并不需要如此高級的系統(tǒng)。若換用本文所研究的老人看護系統(tǒng)則更高效，更加節(jié)約資金。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)工作流程：以壓力信號和人體紅外感應信號作為輸入信號，由帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機用無線模塊傳輸至核心單片機STM32F103C8T6中；核心單片機收到輸入信號后，將信號在液晶顯示器上顯示并實現(xiàn)蜂鳴器工作報警；另有一復位按鈕解除蜂鳴器工作。

本設計以STM32F103C8T6單片機作為核心，外接無線模塊、液晶顯示屏、聲光提示模塊，并與STC12C2052AD單片機進行通信，獲取壓力傳感器、人體紅外感應電子模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等的數(shù)據(jù)，如圖1所示。其中護士站部分主要負責接收數(shù)據(jù)以及報警提示；病床部分主要負責接收和讀取傳感器的數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)

2 硬件設計與主控選取

2.1 硬件選取

（1）壓力傳感器：為了確保輸入信號的正確性和穩(wěn)定性，本項目根據(jù)需要運用的場景選用柔性長條型薄膜壓力傳感器，同時薄膜狀的傳感器不會給人體帶來不適感，且靈敏度高。

（2）液晶顯示屏：使用Nokia5110液晶顯示屏，相比同價格的其他顯示屏，接口類型多、視窗范圍大、性價比高。

（3）無線模塊：選用的是NRF 2.4G無線模塊[4]，可以與護士站處的STM32單片機進行SPI通信，實現(xiàn)六發(fā)一收，并且抗干擾能力強，可以設置自動應答，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（4）人體紅外感應電子模塊：將此模塊和壓力傳感器結(jié)合確保輸入信號的準確。本項目選用HC-SR501作為設計的一部分，它采用LHI788探頭設計，靜態(tài)電流僅65 μA，滿足低功耗的需求。

（5）STC12C2052AD單片機：收到壓力傳感器和人體紅外感應信號并將其轉(zhuǎn)換為電平信號，根據(jù)低功效、超低價、高速以及強抗靜電和抗干擾方面的特點選取了此單片機作為區(qū)域轉(zhuǎn)換單片機[5]。

2.2 主芯片選取

護士站的主控芯片為STM32F103C8T6單片機，如圖2所示，它比傳統(tǒng)的STC89系列有更加優(yōu)越的性能、更高的處理速度、更突出的抗干擾能力，而且有多個通信接口，使得處理效率大大提高[6]。

圖2 STM32最小系統(tǒng)板實物

2.3 電路設計

由于本系統(tǒng)分為護士站和病床兩個部分，因此在電路設計時，也相應分開單獨設計。圖3為處在中心位置的護士站電路；圖4為處在外圍各個病房處的傳感器數(shù)據(jù)讀取及處理電路。

圖3 護士站處電路

圖4 傳感器的數(shù)據(jù)讀取和處理電路

3 軟件設計

3.1 軟件流程設計

當打開電源開關(guān)時，程序就開始全自主運行[7]，其運行流程如圖5所示。

圖5 程序運行流程

3.2 程序設計思路

首先是設備進行初始化，接著檢查護士站單片機與病房里單片機通信是否正常，再檢測人體紅外感應電子模塊。如果人不在病床上，那么返回低電平，無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)0X01，蜂鳴器發(fā)出“滴答”聲；如果人在病床上，則用壓力傳感器測量老人躺在床上時的壓力，并轉(zhuǎn)化為電壓值輸出后與設定的閾值Th進行比較，如果高于閾值說明有異常情況，此時壓力傳感器返回高電平，無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)0X02，蜂鳴器發(fā)出急促的“滴滴”報警信號。系統(tǒng)的邏輯真值見表1所列。

表1 系統(tǒng)的邏輯真值與發(fā)送數(shù)據(jù)對應

3.3 低功耗的處理

為了增強實用性，需對系統(tǒng)做低功耗處理[8]。在系統(tǒng)的硬件選取部分已做了相應考慮，但在軟件設計中為了滿足老人看護系統(tǒng)實時檢測的需求，可被優(yōu)化的低功耗處理主要針對無線通信部分。

采用按需求喚醒無線模塊的策略，即在判斷老人正常睡眠的情況下，無線通信模塊處于休眠狀態(tài)，只有在老人下床或者異常情況下無線通信模塊才被喚醒，并發(fā)送數(shù)據(jù)[9]。

考慮到在實際應用場合，一個病房通常有2～3張床。如果異常情況同時出現(xiàn)在同一病房時，只需要喚醒一個無線通信模塊即可，這樣能最大限度地實現(xiàn)低功耗。

3.4 穩(wěn)定性的保障

在追求低功耗、盡可能減少發(fā)射次數(shù)的同時，穩(wěn)定性也不能忽視，所以采取在程序里做應答，如果發(fā)送后收不到接收方應答，就再重新發(fā)送[10]。

4 數(shù)據(jù)采集分析

4.1 壓力傳感器特性曲線的整定

先 選取標 準質(zhì)量的砝碼 5 kg、10 kg、20 kg、25 kg、50 kg，測得的對應輸出端口電壓見表2所列，擬合出曲線如圖6所示。

表2 不同質(zhì)量砝碼對應的輸出端口電壓

圖6 壓力傳感器的輸入輸出曲線

由圖6可以直觀看出輸出端口電壓值與傳感器上方質(zhì)量基本呈線性關(guān)系（在不考慮重力加速度的情況下）。斜率小于零，并且隨著質(zhì)量增大，斜率的絕對值略有減小。選?。?，3 004）和（50，609.5）這兩個點，計算平均斜率k=-53.211 1，則該特性曲線可以近似寫成一次函數(shù)：

在模擬真實情況進行驗證時，空載的情況下，端口電壓為3 300 mV。一位體重為54.55 kg的老人坐在上面，得到電壓值為382 mV；一位58.25 kg的老人坐在上面，得到電壓值為210.2 mV。與理論值相比的結(jié)果見表3所列。

表3 人員驗證結(jié)果

由表3結(jié)果可見，誤差僅有十幾毫伏且在測量儀器精度允許的范圍內(nèi)，可以認為真實情況與擬合出的曲線吻合較好。

4.2 壓力傳感器的評估

在特性曲線擬合完成后，可以預測出壓力傳感器的有效量程。在式（1）中令y=0得x=62.017，所以有效量程在0～62 kg范圍內(nèi)。由于人躺在床上時，壓在傳感器上的重量僅僅是體重的一部分，所以能夠保證傳感器工作在線性區(qū)域，保證其應有的靈敏度，能夠滿足絕大多數(shù)情況的檢測。

4.3 異常情況的檢測判斷

在模擬真實情況調(diào)試時，將STM32單片機配置成ADC采集模式，并將實時檢測到的電壓值通過串口發(fā)送給上位機，保存這些數(shù)據(jù)并繪制成曲線，如圖7和圖8所示。

圖8 人躺在床上掙扎時的電壓波動

觀察曲線圖，發(fā)現(xiàn)電壓值在200～600 mV范圍內(nèi)波動，可以認定為正常睡眠。為了使該系統(tǒng)具有更好的適應性，可以將800 mV作為電壓的比較閾值Th。

5 綜合調(diào)試

為了驗證800 mV是否滿足準確度的要求，以及驗證無線通信模塊的可靠性，安排實驗人員進行模擬實驗，其統(tǒng)計結(jié)果見表4所列。

表4 動作行為驗證結(jié)果

由表4中的數(shù)據(jù)可知：下床動作識別率為100%；對于睡眠狀況的實驗，異常情況識別率為99%，漏報率為1%，誤報率為3%；對于無線通信模塊，通信成功率為99.5%，其中一次通信成功占比96.5%。

6 結(jié) 語

本文設計的智能看護系統(tǒng)包括人體紅外感應模塊，其輔助光敏傳感器能夠定性地檢測老人是否在床上，也可以處理壓力傳感器的電壓信號，定量地分析出老人的睡眠狀況，當遇到咳嗽、掙扎等異常情況時可以及時發(fā)出警告。除此之外，依靠無線通信模塊可以達到遠程動態(tài)感知信息的效果，成本低，效率高，還能夠?qū)崟r統(tǒng)計并上傳數(shù)據(jù)，并且聲光警示具有及時性、便捷性，低功耗的程序處理模式使得該系統(tǒng)的續(xù)航能力強，具有較好的推廣價值。