智能養(yǎng)老床設(shè)計(jì)

王 康，王奧宇，司一鳴

（1.蚌埠醫(yī)學(xué)院 公共基礎(chǔ)學(xué)院，安徽 蚌埠 233030；2.蚌埠醫(yī)學(xué)院 公共衛(wèi)生學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

0 引 言

第七次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)65 歲及以上人口達(dá)到26 401.9 萬(wàn)人，占全國(guó)總?cè)丝诘?7.95%。老年人口數(shù)量明顯增加，國(guó)民人均壽命不斷延長(zhǎng)，未富先老、空巢化、少子化等養(yǎng)老問(wèn)題逐漸凸顯。在與養(yǎng)老相關(guān)服務(wù)需求旺盛的大背景下，傳統(tǒng)養(yǎng)老模式已經(jīng)難以滿(mǎn)足人們的養(yǎng)老需求，開(kāi)發(fā)研究養(yǎng)老產(chǎn)品是當(dāng)前的熱點(diǎn)。2021 年11 月，上海和廣州分別發(fā)布了“智慧養(yǎng)老應(yīng)用場(chǎng)景需求清單（2021 年版）”，聚焦5 類(lèi)10 個(gè)典型場(chǎng)景需求，智能養(yǎng)老床位列其中。“床”在人們的生活中扮演著重要角色，但人們?nèi)粘Ｊ褂玫拇灿兄鵁o(wú)法移動(dòng)，功能單一的缺點(diǎn)，對(duì)于長(zhǎng)期臥床的老人來(lái)說(shuō)，增加了生活困難，也給家人的日常照料帶來(lái)壓力。智能床的出現(xiàn)，必然能夠?yàn)榕P床老人的生活帶來(lái)曙光。

床是家中用來(lái)休息的家具，而對(duì)于老人尤其是失能/半失能老人而言，除了休息之外，還要在床上完成日常生活起居的多個(gè)環(huán)節(jié)，他們迫切需要一張功能齊全、操作方便的智能床，使體位調(diào)整、兩便、翻身、呼叫幫助、日常健康監(jiān)測(cè)等基本生活需求得以自主完成，從而提高他們的生活質(zhì)量，減輕家人的負(fù)擔(dān)。在國(guó)家政策的引導(dǎo)和推動(dòng)下，養(yǎng)老領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)成果十分豐富，智能床的研發(fā)也取得了一定進(jìn)展。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一些廠(chǎng)家新近推出的智能床更多聚焦于生活領(lǐng)域，在智能化方面存在欠缺。如浙江某科技股份有限公司研制的養(yǎng)老床[1-2]，雖然增加了生命體征采集和人體重量數(shù)據(jù)采集與上傳功能，但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)自主控制、健康管理和智能分析等，缺少老人體征監(jiān)測(cè)和預(yù)警等功能，并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)“智慧”。

本文研發(fā)的智能養(yǎng)老床與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)緊急報(bào)警、自主調(diào)節(jié)床體、LCD 顯示、語(yǔ)音識(shí)別控制和紅外遙控控制等功能，并實(shí)時(shí)獲取老人的心率、體溫、血壓等基本生命體征數(shù)據(jù)，通過(guò)藍(lán)牙及時(shí)傳輸給家屬或護(hù)士，后續(xù)可通過(guò)這些數(shù)據(jù)分析老人當(dāng)前狀況并建立長(zhǎng)期個(gè)人健康檔案。此舉既增加了床體功能的多樣性，也實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)老床的智能化、信息化。讓養(yǎng)老床更好地為失能/半失能老年群體服務(wù)，更多給予此社會(huì)群體關(guān)愛(ài)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為便于功能擴(kuò)展，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主控模塊、紅外遙控模塊、語(yǔ)音識(shí)別控制模塊、藍(lán)牙模塊、警報(bào)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和LCD 顯示模塊等八個(gè)獨(dú)立的模塊組成。STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理。利用傳感器監(jiān)測(cè)電路采集外界環(huán)境的溫濕度和心率血壓等信息，并通過(guò)LCD 液晶屏顯示；語(yǔ)音識(shí)別控制模塊、紅外遙控模塊和藍(lán)牙模塊提供了三種不同的控制方式，豐富了系統(tǒng)的控制功能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)單片機(jī)的指令控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，以模擬床體背部的升降。硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體硬件結(jié)構(gòu)

智能養(yǎng)老床機(jī)械設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是利用養(yǎng)老床的姿態(tài)變換，如坐起、翻身和便盆調(diào)整等功能，幫助老人實(shí)現(xiàn)日常生活的部分自理。同時(shí)，結(jié)合家庭或養(yǎng)老院不同場(chǎng)所的需求，設(shè)計(jì)出模塊可拆卸、具有折疊功能、可伸縮、包含信息傳遞、輸液和病理維護(hù)的配套裝置[3]。在邊角處采用磨圓處理，避免采用菱形、三角形等尖銳的外形，給老人在使用過(guò)程中以很好的情感慰藉，緩解負(fù)面情緒，有利于老人的身心健康。床體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能養(yǎng)老床的床體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 紅外遙控模塊

本系統(tǒng)選擇433 MHz 頻段無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊作為紅外遙控控制模塊，其采用聲表諧振器SAW 穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度極高，具有穿透性強(qiáng)、縱向分辨率高、適用范圍廣、方向性強(qiáng)和易于實(shí)現(xiàn)以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于無(wú)線(xiàn)電的波長(zhǎng)，紅外遙控抗干擾能力強(qiáng)，不會(huì)對(duì)其他電器造成干擾，也不會(huì)影響臨近的無(wú)線(xiàn)電設(shè)備正常工作，且其工作電壓低、功耗小、電路簡(jiǎn)單[4-6]，所以適用于大多數(shù)家電。遙控器上有4 個(gè)按鍵，分別對(duì)應(yīng)接收板上的4 個(gè)數(shù)據(jù)位輸出腳D0、D1、D2、D3。按按鍵發(fā)射信號(hào)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位輸出高電平。其中，D0 為開(kāi)啟警報(bào)、D1 為關(guān)閉警報(bào)、D2 為調(diào)高座椅、D3 為調(diào)低座椅，老人可以通過(guò)遙控器按下按鍵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，以最簡(jiǎn)單的方式提高老人的自理能力，增強(qiáng)他們生活的信心。紅外遙控模塊原理如圖3 所示。

圖3 紅外遙控模塊原理

2.2 藍(lán)牙模塊

本系統(tǒng)選用HC-08 藍(lán)牙模塊，它是新一代基于Bluetooth Specification V4.0 BLE 藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。同時(shí)可兼容5 V 和3.3 V 單片機(jī)系統(tǒng)，使用智能手機(jī)連接藍(lán)牙即可，具有性?xún)r(jià)比較高、性能穩(wěn)定、可靠性高的特點(diǎn)。

當(dāng)手機(jī)藍(lán)牙與單片機(jī)藍(lán)牙模塊配對(duì)連接成功后，HC-08內(nèi)部程序可以直接將藍(lán)牙串口設(shè)備當(dāng)作串口使用。PC 機(jī)可通過(guò)AT 指令對(duì)藍(lán)牙芯片進(jìn)行控制[7-8]。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到終端，實(shí)現(xiàn)老人和家屬的實(shí)時(shí)消息互通，并使遠(yuǎn)程醫(yī)療成為可能。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)38 ℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向手機(jī)發(fā)送危險(xiǎn)指令，同時(shí)警報(bào)模式開(kāi)啟，實(shí)時(shí)為家屬提供必要的信息。藍(lán)牙模塊原理如圖4 所示。

圖4 藍(lán)牙模塊原理

2.3 語(yǔ)音識(shí)別控制模塊

本系統(tǒng)采用SU-03T 語(yǔ)音模塊，該模塊支持UART/GPIO/ADC/PWM 等接口，支持自定義CPIO 口控制。可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)、口令識(shí)別、語(yǔ)音控制等功能。

當(dāng)語(yǔ)音識(shí)別模塊檢測(cè)到“調(diào)高座椅”“調(diào)低座椅”等關(guān)鍵詞時(shí)，單片機(jī)會(huì)分析、處理提取的特征信息，然后將該特征信息模型與特征模型庫(kù)對(duì)比，如果二者達(dá)到了一定的匹配度，則輸入的語(yǔ)音被識(shí)別，進(jìn)入中斷讀取相應(yīng)指令[9]，對(duì)智能養(yǎng)老床系統(tǒng)進(jìn)行座椅靠背的調(diào)節(jié)等。

2.4 警報(bào)模塊

系統(tǒng)采用的警報(bào)模塊為蜂鳴器，通過(guò)蜂鳴器的聲響能實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或老人體征數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，傳感器將采集的信息傳送至單片機(jī)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)出危險(xiǎn)報(bào)警信息。與此同時(shí)，藍(lán)牙模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)通知家屬和醫(yī)護(hù)人員，使家屬和醫(yī)護(hù)人員可以及時(shí)了解老年人的情況并處理。

三極管具有放大電流的作用，電阻可防止三極管導(dǎo)通。放大器的C 極可接到蜂鳴器的GND 端，放大器的B 極和單片機(jī)P1.5 口連接。P2 是低電平時(shí)，放大器C 極和B 極導(dǎo)通，C 極和E 極之間的電流放大，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警[10]。P2 是高電平時(shí)，C 極和E 極間不導(dǎo)通，蜂鳴器關(guān)閉報(bào)警。

2.5 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由心電傳感器、脈搏傳感器和溫濕度模塊組成。脈搏傳感器把動(dòng)脈搏動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將采集的電信號(hào)通過(guò)放大濾波電路送入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、預(yù)處理并顯示在LCD 顯示模塊[11]；心電傳感器可以提取放大的生物信號(hào)，或過(guò)濾微弱的生物電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器、電壓緩沖器等直接供單片機(jī)采集；溫濕度傳感器采集周?chē)h(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)[12]，由單片機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)、傳輸[13]，保證老人始終處在適宜的溫度環(huán)境。處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)綆в兴{(lán)牙的手機(jī)中，實(shí)時(shí)顯示供家屬和醫(yī)生查看。

2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)選擇使用SG90 舵機(jī)作為控制器，通過(guò)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)模擬床體背部的升降。背部升降功能主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程是在床體背部分別裝有2 個(gè)舵機(jī)，使用同一路電信號(hào)進(jìn)行同步控制，向其發(fā)送不同寬度的脈沖信號(hào)，控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，完成對(duì)床板的升降控制，實(shí)現(xiàn)床背部的升降功能。

控制電路板接收來(lái)自信號(hào)線(xiàn)的PWM 控制信號(hào)，其中，脈沖寬度為0.5～2.5 ms，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置，相應(yīng)舵盤(pán)的位置為0 ～180°，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)節(jié)靠背角度的功能[14]。

2.7 LCD 顯示模塊

本系統(tǒng)采用LCD1602 顯示屏作為數(shù)據(jù)信息顯示模塊，利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)液晶屏幕進(jìn)行顯示控制。通過(guò)顯示屏可以及時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)居家老人的生理參數(shù)，有效提升老人的居家幸福指數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件使用C 語(yǔ)言編程模塊化設(shè)計(jì)，遵循了程序模塊化設(shè)計(jì)理念，除主程序外，還包括各功能子程序，如藍(lán)牙連接程序、溫濕度檢測(cè)程序、紅外檢測(cè)程序、健康管家程序、語(yǔ)音控制程序、腿部伸屈程序、背部升降程序、健康數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)程序、在線(xiàn)客服程序、實(shí)時(shí)定位程序等。APP 圖標(biāo)及主要功能界面如圖5 所示。

圖5 APP 主界面及主要功能界面

用戶(hù)使用床體時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)登錄并聯(lián)網(wǎng)，APP 顯示床體聯(lián)網(wǎng)成功，此時(shí)開(kāi)始檢測(cè)用戶(hù)身體的各項(xiàng)體征是否正常，檢測(cè)后床體將數(shù)據(jù)上傳至APP，APP 基于人體正常指標(biāo)范圍判斷老人身體狀況。若用戶(hù)身體指標(biāo)正常，則床體將繼續(xù)保持對(duì)老人體征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)并將數(shù)據(jù)上傳至APP 進(jìn)行分析；若身體存在異常，則APP 會(huì)對(duì)用戶(hù)發(fā)出警報(bào)并顯示異常數(shù)據(jù)，最后基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供最佳解決方案?？刂屏鞒倘鐖D6 所示。

圖6 手機(jī)端控制流程

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 監(jiān)測(cè)測(cè)試

監(jiān)測(cè)測(cè)試在Windows10 系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行，測(cè)試平臺(tái)為串口調(diào)試助手，其波特率設(shè)為9 600，進(jìn)行printf 日志打印。藍(lán)牙模塊通過(guò)ping 命令檢查通信連接是否成功。電腦端控制窗口界面如圖7 所示。

圖7 電腦端控制窗口界面

4.2 語(yǔ)音識(shí)別與遙控控制測(cè)試

對(duì)非特定人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，可以通過(guò)特定詞條實(shí)驗(yàn)來(lái)判定系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。本次測(cè)試分別選擇“開(kāi)啟警報(bào)”“關(guān)閉警報(bào)”“調(diào)高座椅”“調(diào)低座椅”詞條，同時(shí)選擇不同的人，經(jīng)多次測(cè)試來(lái)判斷系統(tǒng)性能。

對(duì)SU-03T 的MIC 順序說(shuō)出測(cè)試指令，并及時(shí)記錄每一條指令識(shí)別成功的次數(shù)，進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，完成相關(guān)測(cè)試工作。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1 所列。

表1 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試可得出結(jié)論：比較表1 中第1 列和第2 列的數(shù)據(jù)可知，與相對(duì)安靜的環(huán)境相比，在開(kāi)啟警報(bào)的情況下系統(tǒng)成功識(shí)別的次數(shù)下降。由此可知，在相對(duì)安靜的條件下，系統(tǒng)的識(shí)別率較高；在警報(bào)開(kāi)啟的情況下，發(fā)出的警報(bào)聲在一定程度上影響了系統(tǒng)的識(shí)別率。

在警報(bào)模式下為了有效提高識(shí)別率，采取以下2 種措施：

（1）在設(shè)置好特定語(yǔ)音識(shí)別詞條后，添加了多個(gè)與識(shí)別列表內(nèi)有一定聯(lián)系的任意其他條目，如警報(bào)開(kāi)啟、報(bào)警、救命等；

（2）麥克風(fēng)靈敏度調(diào)高20%，系統(tǒng)的識(shí)別正確率可達(dá)90%。

紅外遙控器分別按下按鍵A、B、C、D 時(shí)，警報(bào)響起、警報(bào)關(guān)閉、座椅升起、座椅降低等均正常出現(xiàn)。

4.3 藍(lán)牙通信功能測(cè)試

為單片機(jī)供電后，可通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙與HC-08 模塊配對(duì)，連接成功后即可通過(guò)手機(jī)接收單片機(jī)發(fā)送的串口數(shù)據(jù)。通信界面如圖8 所示。

圖8 藍(lán)牙通信連接手機(jī)界面

4.4 測(cè)試總結(jié)

系統(tǒng)在室內(nèi)連續(xù)開(kāi)機(jī)三天，持續(xù)測(cè)量室溫?cái)?shù)據(jù)，不間斷人為觸摸呼叫設(shè)備并測(cè)量體溫，得到數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，硬件工作正常，服務(wù)器運(yùn)行正常，系統(tǒng)與外圍設(shè)備通信正常。傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差較小，數(shù)據(jù)傳輸延遲較小。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的智能養(yǎng)老床可用于家庭、養(yǎng)老院和醫(yī)院，具有較大的實(shí)用性及可行性。利用數(shù)據(jù)采集模塊收集的體征數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，為老人建立專(zhuān)屬的長(zhǎng)期健康檔案。利用多種控制模塊控制床體，使床體的操作由繁化簡(jiǎn)，便于使用。家屬可通過(guò)APP 實(shí)時(shí)了解老人的狀況。該系統(tǒng)易于在多種應(yīng)用環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，有利于子女和醫(yī)務(wù)人員及時(shí)了解老人的健康狀態(tài)。智能養(yǎng)老床能夠較好解決老年“養(yǎng)老難”“養(yǎng)老憂(yōu)”等問(wèn)題，本文所展示的床體功能和技術(shù)具有有較大的實(shí)踐意義。

注：本文通訊作者為朱文婕。