养老护理病床监控系统设计_程康.pdf

摘要：针对老年人室内状况实时监护的需求，设计并研制了一种针对卧床老人的养老护理病床监控系统。该系统以STM32F103为主控制器，利用可充电聚合物锂电池供电，将各传感器织入床单里面和背面来获取相应的数据信息。主控制器对温度数据、压力数据和湿度数据处理后，通过蓝牙模块传输到手机端和电脑端，配合手机App可以实现个人远程监控，配合电脑则可以做成养老护理监控管理界面，以监控老年人日常体温状态以及出现的离床、坠床和尿便失禁等情况。系统在结构设计及检测方法上具有低成本、对安装环境要求低、接口简单、使用方便、检测效果好等特点。关键词：室内监护；离床检测；尿便检测；蓝牙通信；STM32F103Abstract:A monitoring system for nursing care beds for the bedridden elderly is designed and developed in this pa-per.The system uses STM32F103 as the main controller and uses rechargeable polymer lithium battery for power supply.Each sensor is woven into the inside and back of the sheet to obtain corresponding data information.The main controllerprocesses the temperature data,pressure data and humidity data and transmits it to the mobile phone and computerthrough the Bluetooth module.With the mobile phone App,it can achieve personal remote monitoring,and with the computer,and can be used as an elderly care monitoring and management interface to monitor the elderly.Peoples daily body tem-perature status and the occurrence of getting out of bed,falling out of bed and urinary incontinence.Keywords:indoor monitoring,off-bed detection,urine detection,Bluetooth communication,STM32F103目前，中国人口老龄化态势明显，护理资源相对短缺，对于养老院、医院等机构，除了为老年人安排良好的饮食起居，对老年人室内日常生活中出现的紧急情况也要做到及时发现、及时治疗1。因此，研究养老护理床监控系统显得很有必要。本设计旨在应用于养老院养老护理床，通过将各传感器织入床单里面和织于床单背面，将监测设备安装在养老护理床上，利用STM32控制器配合相关信息采集模块，将采集到的数据传输至手机App和养老院电脑中，根据采集到的各个数据的数值以判断并监测养老护理病床老人日常生活状态。1系统总体设计系统主要包括信息采集模块、STM32控制模块、BLE蓝牙模块、报警装置、手机App监控模块以及电脑管理模块。系统构成图如图1所示：图1系统构成框图系统小型化设计，采用聚合物锂电池供电，STM32控制模块通过各传感器采集相关温度、湿度以及压力参数并对进行计算处理，STM32控制模块通过BLE蓝牙模块与监控进行信息交互，护理人员通过手机App查看护理床老人当前状态。BLE蓝牙模块连接电脑端做出相关统计，包含老人的当前状态和历史记录，显示为一个电脑管理界面，当某参数超出设定值，系统进行提示和报警。2硬件设计本设计采用内核为ARM Cortex-M3的STM32F103C8T6主控制器，负责系统中处理控制指令、执行操作等工作。功能强大、外设资源丰富，很好地满足了本系统的核心运算要求。2.1数据采集模块数据采集模块在该系统的硬件设计里是最为核心的组成部分，对信息采集元器件的选型应满足体积小、数据采集灵敏、安装方便简单等要求，可把这些元器件植入床单里面，从而达到较好的实际测量效果。温度采集模块选择NTC-B3950-10K系列高精度快速热敏电阻2。根据热敏电阻温度变化电阻随之变化的原理，配合简单分压电路传输至MCU进行模数转换，经过相关计算得到当前老人的体温值，即可在手机与电脑端监控老人每天的体温状态。压力采集模块选择FSR402系列电阻式柔性薄膜压力传感器，可以适应不同表面形状的压力测量3。当作用在薄膜压力传感器表面的压力改变时，传感器输出电阻值发生线性变化，经过相关计算得到当前压力值，当压力值低于设定值，系统会向电脑管理端发出报警提示，从而监测老人是否存在意外离床、坠床等危险情况。湿度采集模块选择HR202L系列湿敏电阻，具有能耗低、线性良好、响应迅速等优点，放置于老人平躺在床上时臀部位置下方，当传感器遇水后，其阻值会随时间显著减小，当MCU检测到阻值小于设定值时，系统即会发出报警提示，以此监测完全失能老年人出现的尿便失禁情况。2.2 BLE蓝牙模块低功耗蓝牙模块（Bluetooth Low Energy，BLE）是指支持蓝牙协议V4.0及以上的蓝牙模块，具备成本低、功耗小的优点。本设计选择正点原子ATK-BLE01低功耗蓝牙模块，支持蓝牙4.2协议。模块主从一体，支持多种工作模式、低功耗模式，支持养老护理病床监控系统设计Design of Monitoring System for Nursing Care Bed for the Elderly程康李德骏王成（武汉纺织大学电子与电气工程学院，湖北 武汉430200）养老护理病床监控系统设计138工业控制计算机2023年第36卷第2期数传，支持一对多数据广播4。BLE模块与MCU控制器串行连接，即模块的发送数据输出（TXD）接MCU控制器的接收数据输入（RXD）引脚、模块的RXD接MCU控制器的TXD引脚，另外在开发板上选择一个电源信号（VCC）和共地信号（GND）连接至蓝牙模块，为其提供通信电源。设备接线通电以后，手机App和电脑即可通过连接蓝牙访问串口来实现数据的接收和发送。另外，采用3.7 V聚合物锂电池供电，支持Type-C接口供电，可用手机充电器对电池进行充电5。3软件设计本设计主要是利用蓝牙模块构建近距离无线通信网络，MCU控制器通过蓝牙模块与手机和电脑自带蓝牙设备建立无线通信连接。首先对系统进行初始化，手机或电脑连接BLE蓝牙设备，在本监控系统的手机App中封装有自定的简单通信协议，手 机 端 发 送READY至MCU主 控 制 器 端，MCU收 到READY字符后再返回“OK”字符至手机，以表示两者之间握手成功通信正常，若上位机App端未能收到返回的“OK”字符，则系统进行自动重启并重新连接BLE设备。正常通信以后手机端发送START命令至下位机MCU端，单片机随即读取测量数值，在内部进行均值处理后输出，并在监护系统App界面显示各项实时数据值。如果握手成功之后手机端未能正常显示各项数据值，则说明手机与蓝牙连接断开并进行自动重连。监控系统程序流程如图2所示：主控制器端蓝牙通信程序是采用基于中断的前后台模式，没有数据通信请求时运行主程序，当蓝牙透传数据到来时，串口接收中断发生，CPU进入中断服务程序，处理串口中断。该模式在数据通信领域比较普遍，有利于提高CPU执行效率和将通信程序集成到其他模块中。主程序设计包括外部设备的初始化和实时数据的循环传输两部分。USART串口通信及ADC等外设是本设计的关键。串口选择的是USART1，首先使能挂接在APB2总线上的GPIOA时钟及USART1时钟，设置PA9复用推挽输出、PA10浮空输入，其次配置USART相关通信协议为字长8位、1位停止位、无奇偶校验及无硬件数据流控制。最后在主程序运行过程中收到蓝牙透传的数据时，MCU会响应串口接收中断，执行中断服务程序，接收手机App和电脑监控端发送的控制命令，读取数据并返回至上位机。本设计选择了三种传感器，则需要选择三个相应的ADC，分别对ADC进行相关配置，初始化相应ADC通道的IO口，设置转换通道数为1并开启独立ADC模式及连续转换模式，选定采样时间为55.5周期。在ADC获取通道转换值后根据公式将电压值换算为温度值，根据NTC热敏电阻温度传感器的特性，取3141之间的20组数据做简单拟合修正，采用移动平均法取20个修正后的温度数据的平均值输出，即作为手机App和电脑监控端显示的老人体温值。4实验结果为了测试系统通信的稳定性，根据本文硬件设计和软件设计搭建了完整的实验平台，结合手机App与电脑监控终端和下位机进行数据传输实验。测试压力监测模块与湿度监测模块，以此来判定老人可能出现离床、坠床和尿便失禁。根据系统上位机接收到的相关压力和湿度数据，若数据存在一个异于正常值且较为显著的变化量，则可认为老人出现离床、坠床和尿便失禁，在手机App和电脑监控端即会生成提示和示警，提醒护理人员前往处理。测试体温监测模块时，将精密水银温度计和温度传感器置于恒温水槽中，根据上位机返回数值和水银温度计显示的温度值进行标定，再将NTC热敏电阻置于类似床单的织物中，经过多次实验，得到上位机显示温度和温度计显示温度在不同温度下的温度值，可得到一个显示温度和标准温度的拟合曲线，如图3所示。拟合度接近于1，表明温度测量精度较高，实用性较强。图3体温测量模块数据图5结束语本文通过MCU微 控制 器配 合BLE蓝 牙 实现 了 用手机App和电脑对老年人出现的离床、坠床，以及完全失能老年人出现的尿便失禁等情况的监测。本设计在结构设计上具有成本低、对安装环境要求低、接口简单、使用方便等特点。参考文献1国务院关于印发“十四五”国家老龄事业发展和养老服务体系规划的通知J.中华人民共和国国务院公报，2022（7）：13-292邵佳毅.基于NTC微珠状热敏电阻的瞬态热测量技术J.农业装备与车辆工程，2021，59（10）：126-1303杜英魁，姚俊豪，刘鑫，等.基于电阻式薄膜压力传感器组的人体坐姿感知终端J.传感器与微系统，2020，39（1）：78-814骆冰清，王佩佩，王正康，等.低功耗蓝牙5.0邻居发现协议时延模型研究J.通信学报，2021，42（6）：226-2375王红星.锂电池双向充放电控制模块J.电子技术，2017，46（7）：36-38收稿日期：2022-07-12图2监控系统程序流程139