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基于物聯(lián)網(wǎng)的居家養(yǎng)老電動(dòng)智能床及健康監(jiān)控系統(tǒng)的研制

2014-10-09 07:29:17戈秀龍
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)

摘要:根據(jù)我國(guó)居家養(yǎng)老現(xiàn)象越來(lái)越普遍的實(shí)際,采用自動(dòng)控制技術(shù)、電子信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),研發(fā)了集休閑、按摩和健康監(jiān)控于一體的電動(dòng)智能床,讓老人提高睡眠質(zhì)量、掌握健康狀況、得到及時(shí)的醫(yī)療服務(wù),免去繁瑣的傳統(tǒng)就診程序。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng) 智能床 健康參數(shù) 監(jiān)控

1 概述

《2010年第六次全國(guó)人口普查主要數(shù)據(jù)公報(bào)》顯示:

“2010年11月1日我國(guó)大陸31個(gè)省、自治區(qū)、直轄市和現(xiàn)役軍人的人口的總量為13.4億人,60歲及以上人口占 13.26%,比2000年人口普查上升2.93個(gè)百分點(diǎn),其中65 歲及以上人口占8.87%,比2000年人口普查上升1.91個(gè)百分點(diǎn)”[1]。在現(xiàn)有的老年人口中,空巢家庭占老年家庭總數(shù)約為25.8%,在全國(guó)城市中老年空巢家庭的比例已達(dá) 49.7%[2]。

“基于物聯(lián)網(wǎng)的居家養(yǎng)老電動(dòng)智能床及健康監(jiān)控系統(tǒng)的研制”旨在“讓老人在床上獲到合適的保健按摩,提高睡眠質(zhì)量;讓老人在床上得到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的健康指標(biāo)監(jiān)測(cè),掌握健康狀況;讓老人在床上得到及時(shí)的醫(yī)療服務(wù),免去繁瑣的傳統(tǒng)就診程序”。

2 居家養(yǎng)老電動(dòng)智能床的研制

2.1 功能設(shè)計(jì)

2.1.1 按摩功能設(shè)計(jì)思路。在床的頭部和尾部設(shè)置按摩電機(jī),實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率,按摩強(qiáng)度設(shè)置3個(gè)檔位,實(shí)現(xiàn)頭部和腳部按摩功能。

2.1.2 休閑功能設(shè)計(jì)思路。將床板設(shè)計(jì)成頭部和腳部高度隨意可調(diào)的結(jié)構(gòu),并采用記憶海綿作為床墊,滿足用戶在床上得到最大休閑需求:①將頭部抬高到最高狀態(tài),腳部適當(dāng)抬高,使用戶在看電視和使用電腦時(shí)的身體受力最小。②將頭部、腳部適當(dāng)抬高,頭部高度略高于腳部,使用戶在看書(shū)讀報(bào)時(shí)的身體受力最小。③將頭部適當(dāng)抬高,腳部抬高到最高狀態(tài),使用戶心臟供血負(fù)荷達(dá)到最佳,從而最大限度的得到休息解乏。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電動(dòng)智能床包括前床板、中船板和后床板,其特征在于,前床板的后端與后床板的前端分別與中床板相互鉸接,前床板下部固定有若干用于支撐前床板的前床腳,后床板下部固定有若干用于支撐后床板的后床腳,前床板前端和后床板后端的下部處設(shè)有能帶動(dòng)前床板沿著鉸接點(diǎn)來(lái)回?cái)[動(dòng)的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物如圖1和圖2。

前床板的后端與后床板的前端相互鉸接,使得前床板能夠相對(duì)后床板折疊,前床板的前端能夠向上抬起,使用者不需要施力即能夠坐靠在該電動(dòng)床上,方便進(jìn)餐、娛樂(lè)以及變換姿勢(shì)等;后床板能夠?qū)崿F(xiàn)不同角度的彎曲,使腳的高度自由變化,擺動(dòng)機(jī)構(gòu)為折疊抬高以及放平提供動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)該電動(dòng)床的自動(dòng)化、智能化,使用更加方便。

2.2.1 電動(dòng)推桿。設(shè)計(jì)了一種新型的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)——電動(dòng)推桿,如圖3。主要由電機(jī)、推桿和控制裝置等機(jī)構(gòu)組成,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制。電動(dòng)推桿在一定范圍行程內(nèi)作往返運(yùn)動(dòng),把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。推動(dòng)一組連桿機(jī)構(gòu)來(lái)完成升降,往返,反轉(zhuǎn)等工作。采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)往復(fù)不停的推拉運(yùn)動(dòng),且結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠。

電動(dòng)推桿相對(duì)于液壓缸和氣缸有著獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn):電動(dòng)推桿不需要復(fù)雜的成套系統(tǒng)支持(包括泵,管道,閥門(mén),過(guò)濾器,很多接頭等);可以節(jié)約很多的空間,而且在無(wú)維護(hù)的情況下,安全可靠的工作;沒(méi)有油污的污染,大幅度降低噪音,保持潔凈/安靜的工作環(huán)境;整體質(zhì)量輕,體積小,安裝運(yùn)輸方便;運(yùn)行精度高,而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制或程序自動(dòng)控制。

2.2.2 自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)。自動(dòng)升降式電動(dòng)床,包括裝有床腳的床架,在床架上裝有一組升降床板裝置,該升降床板裝置包括:在橫梁上裝有一升降限位支架,其縱梁架間固定電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸,在電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸上焊有搖臂和活動(dòng)連接塊,背板由固定軸與床架連接并能以固定軸為圓心做升降運(yùn)動(dòng),背板上焊有槽形板,搖臂端頭上的滑輪置于背板的槽形板槽形軌道內(nèi),電機(jī)安裝在床架的電機(jī)支架上,并通過(guò)絲杠螺母套筒與驅(qū)動(dòng)軸上的活動(dòng)連接塊相連。

2.3 控制系統(tǒng) 電動(dòng)智能床的控制系統(tǒng)框圖如圖4所示,遙控器和控制器的指令傳給電機(jī)控制MCU,再由電機(jī)控制MCU通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速以及振動(dòng)按摩的強(qiáng)度設(shè)置,從而實(shí)現(xiàn)有線控制和無(wú)線控制兼容的功能。

2.3.1 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用基于PWM控制的H橋驅(qū)動(dòng)電路。

脈寬調(diào)制(PWM)是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù),尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面,可大大節(jié)省能量。H橋是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的典型電路,設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

2.3.2 遙控器和控制器無(wú)線有線兼容通訊系統(tǒng)。選擇基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)的帶信標(biāo)定位技術(shù)。采用TI(原Chipon)推出的一款低功耗2.4GHz全球免許可費(fèi)用頻段的射頻芯片CC2500。其特點(diǎn)是體積小,操作簡(jiǎn)單,采用4線制SPI,與MCU通信,并能夠在每次接收到信號(hào)后自動(dòng)產(chǎn)生RSSI,方便上層完成定位。CC2500 RF由發(fā)射模塊和市場(chǎng)上低功耗的單片機(jī)PIC系列組成;按鍵采用模擬金手指工藝實(shí)現(xiàn)按鍵遙控,CC2500是一種低成本單片的2.4GHz收發(fā)器,為低功耗無(wú)線應(yīng)用設(shè)計(jì),電路采用2400-2483.5MHz的ISM(工業(yè),科學(xué)和醫(yī)學(xué))和SRD(短距離設(shè)備)頻率波段;并結(jié)合MicroChip單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn),運(yùn)行速度快,低工作電壓,低功耗,較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力,價(jià)格低,一次性編程,小體積;應(yīng)用于目前遙控設(shè)備,該系統(tǒng)可工作于1.8V-5.5V的電壓下使用,普通兩到三節(jié)干電池的供電系統(tǒng)下,待機(jī)僅僅為0.02UA,極低的待機(jī)功耗,有便于長(zhǎng)時(shí)間的遙控器使用;有線部分采用MicroChip單片機(jī)自身IC的優(yōu)勢(shì),使用UART通訊模式,與下位機(jī)通訊。

2.4 床墊 床墊采用高端的記憶海綿,由慢回彈的聚氨酯海綿組成,具有壓力感應(yīng)及溫度感應(yīng)記憶功能,能夠根據(jù)使用者的體形、體重和體溫做出反應(yīng)。減少人體頸部、脊部和臀部所承受的重力壓力的87%。由于能夠吸收壓力,記憶海綿可以明顯減少睡眠過(guò)程中80%的翻身次數(shù),這將會(huì)很好的提高睡眠質(zhì)量。endprint

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)控系統(tǒng)的研制

3.1 功能設(shè)計(jì)思路 采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)采集、分析實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)護(hù)對(duì)象的心電、血壓、脈搏、體溫等健康參數(shù),實(shí)現(xiàn)異常情況報(bào)警,并與親屬手機(jī)和120急救中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息互通。用戶需要緊急救助時(shí),可按下緊急呼救按鈕,該系統(tǒng)將通過(guò)電話撥號(hào)自動(dòng)向120、社區(qū)監(jiān)護(hù)站、醫(yī)院等發(fā)送呼救信息。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)控系統(tǒng)由個(gè)人電腦、綜合網(wǎng)關(guān)和無(wú)線/有線人體健康參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,系統(tǒng)功能框圖如圖6所示:

圖6 基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)控系統(tǒng)

圖示說(shuō)明:

■zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑

■ 藍(lán)牙傳輸路徑

■GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑

■串口通信路徑

血壓傳感器節(jié)點(diǎn)、體溫傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線報(bào)警器節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee組網(wǎng)連接,自動(dòng)發(fā)送血壓、體溫、報(bào)警信息到網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)再將傳感器信息通過(guò)串口發(fā)送到電腦上,并在上位機(jī)軟件上顯示。

心電圖通過(guò)藍(lán)牙將心電、脈搏信息發(fā)送到電腦上,并在上位機(jī)軟件上顯示。

GSM模塊實(shí)現(xiàn)當(dāng)檢測(cè)到異常監(jiān)護(hù)信息時(shí)發(fā)送報(bào)警內(nèi)容到120或指定電話號(hào)碼。

4 結(jié)語(yǔ)

①電動(dòng)智能床各項(xiàng)性能指標(biāo):保護(hù)等級(jí)Ⅱ級(jí),防護(hù)等級(jí)IP54、主接線電源24VDC開(kāi)關(guān)電源(100VAC-264VAC 47HZ-63Z)、最大輸出功率≤160W、待機(jī)消耗≤0.3W、效率≥88%、最大負(fù)載床頭100kg床尾100kg、行程:床頭330mm床尾81mm、床體內(nèi)裝熱隔斷保險(xiǎn)絲防止過(guò)載、電動(dòng)升降架能使人體的背部和腳部作上下60°的調(diào)節(jié)。

②電動(dòng)智能床符合UL1310(美國(guó)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn))、FCC(美國(guó)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn))、CE(歐盟電磁兼容和低壓指令標(biāo)準(zhǔn))、CEC(美國(guó)加州能耗標(biāo)準(zhǔn))、65指令(加州環(huán)保標(biāo)準(zhǔn))、PSE日本(菱形)標(biāo)志。

③健康監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的采集和傳輸,與醫(yī)療機(jī)構(gòu)的互聯(lián)互通限于部分城市的120報(bào)警還未開(kāi)通短信報(bào)警,此項(xiàng)技術(shù)還有待于進(jìn)一步交流溝通解決。

參考文獻(xiàn):

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.2010年第六次全國(guó)人口普查主要數(shù)據(jù)公報(bào)(第1號(hào)).

[2]謝存禧.基于人口老齡化的智能化健康護(hù)理、監(jiān)控裝備的研發(fā)[J].機(jī)電工程技術(shù),2010,39(11).

[3]齊偉,魯守銀,高煥兵.基于家庭主站的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(11).

[4]韓迎輝.電動(dòng)按摩床的單片機(jī)控制系統(tǒng)[J].河南科技,2010(8).

基金項(xiàng)目:嘉興市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目:基于物聯(lián)網(wǎng)的居家養(yǎng)老電動(dòng)智能床及健康監(jiān)控系統(tǒng)的研制(2012AY1035)。

作者簡(jiǎn)介:

戈秀龍(1968-),男,浙江嘉善人,研究方向:動(dòng)力機(jī)械自動(dòng)控制及信息化。endprint

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)控系統(tǒng)的研制

3.1 功能設(shè)計(jì)思路 采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)采集、分析實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)護(hù)對(duì)象的心電、血壓、脈搏、體溫等健康參數(shù),實(shí)現(xiàn)異常情況報(bào)警,并與親屬手機(jī)和120急救中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息互通。用戶需要緊急救助時(shí),可按下緊急呼救按鈕,該系統(tǒng)將通過(guò)電話撥號(hào)自動(dòng)向120、社區(qū)監(jiān)護(hù)站、醫(yī)院等發(fā)送呼救信息。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)控系統(tǒng)由個(gè)人電腦、綜合網(wǎng)關(guān)和無(wú)線/有線人體健康參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,系統(tǒng)功能框圖如圖6所示:

圖6 基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)控系統(tǒng)

圖示說(shuō)明:

■zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑

■ 藍(lán)牙傳輸路徑

■GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑

■串口通信路徑

血壓傳感器節(jié)點(diǎn)、體溫傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線報(bào)警器節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee組網(wǎng)連接,自動(dòng)發(fā)送血壓、體溫、報(bào)警信息到網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)再將傳感器信息通過(guò)串口發(fā)送到電腦上,并在上位機(jī)軟件上顯示。

心電圖通過(guò)藍(lán)牙將心電、脈搏信息發(fā)送到電腦上,并在上位機(jī)軟件上顯示。

GSM模塊實(shí)現(xiàn)當(dāng)檢測(cè)到異常監(jiān)護(hù)信息時(shí)發(fā)送報(bào)警內(nèi)容到120或指定電話號(hào)碼。

4 結(jié)語(yǔ)

①電動(dòng)智能床各項(xiàng)性能指標(biāo):保護(hù)等級(jí)Ⅱ級(jí),防護(hù)等級(jí)IP54、主接線電源24VDC開(kāi)關(guān)電源(100VAC-264VAC 47HZ-63Z)、最大輸出功率≤160W、待機(jī)消耗≤0.3W、效率≥88%、最大負(fù)載床頭100kg床尾100kg、行程:床頭330mm床尾81mm、床體內(nèi)裝熱隔斷保險(xiǎn)絲防止過(guò)載、電動(dòng)升降架能使人體的背部和腳部作上下60°的調(diào)節(jié)。

②電動(dòng)智能床符合UL1310(美國(guó)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn))、FCC(美國(guó)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn))、CE(歐盟電磁兼容和低壓指令標(biāo)準(zhǔn))、CEC(美國(guó)加州能耗標(biāo)準(zhǔn))、65指令(加州環(huán)保標(biāo)準(zhǔn))、PSE日本(菱形)標(biāo)志。

③健康監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的采集和傳輸,與醫(yī)療機(jī)構(gòu)的互聯(lián)互通限于部分城市的120報(bào)警還未開(kāi)通短信報(bào)警,此項(xiàng)技術(shù)還有待于進(jìn)一步交流溝通解決。

參考文獻(xiàn):

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.2010年第六次全國(guó)人口普查主要數(shù)據(jù)公報(bào)(第1號(hào)).

[2]謝存禧.基于人口老齡化的智能化健康護(hù)理、監(jiān)控裝備的研發(fā)[J].機(jī)電工程技術(shù),2010,39(11).

[3]齊偉,魯守銀,高煥兵.基于家庭主站的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(11).

[4]韓迎輝.電動(dòng)按摩床的單片機(jī)控制系統(tǒng)[J].河南科技,2010(8).

基金項(xiàng)目:嘉興市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目:基于物聯(lián)網(wǎng)的居家養(yǎng)老電動(dòng)智能床及健康監(jiān)控系統(tǒng)的研制(2012AY1035)。

作者簡(jiǎn)介:

戈秀龍(1968-),男,浙江嘉善人,研究方向:動(dòng)力機(jī)械自動(dòng)控制及信息化。endprint

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)控系統(tǒng)的研制

3.1 功能設(shè)計(jì)思路 采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)采集、分析實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)護(hù)對(duì)象的心電、血壓、脈搏、體溫等健康參數(shù),實(shí)現(xiàn)異常情況報(bào)警,并與親屬手機(jī)和120急救中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息互通。用戶需要緊急救助時(shí),可按下緊急呼救按鈕,該系統(tǒng)將通過(guò)電話撥號(hào)自動(dòng)向120、社區(qū)監(jiān)護(hù)站、醫(yī)院等發(fā)送呼救信息。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)控系統(tǒng)由個(gè)人電腦、綜合網(wǎng)關(guān)和無(wú)線/有線人體健康參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,系統(tǒng)功能框圖如圖6所示:

圖6 基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)控系統(tǒng)

圖示說(shuō)明:

■zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑

■ 藍(lán)牙傳輸路徑

■GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑

■串口通信路徑

血壓傳感器節(jié)點(diǎn)、體溫傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線報(bào)警器節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee組網(wǎng)連接,自動(dòng)發(fā)送血壓、體溫、報(bào)警信息到網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)再將傳感器信息通過(guò)串口發(fā)送到電腦上,并在上位機(jī)軟件上顯示。

心電圖通過(guò)藍(lán)牙將心電、脈搏信息發(fā)送到電腦上,并在上位機(jī)軟件上顯示。

GSM模塊實(shí)現(xiàn)當(dāng)檢測(cè)到異常監(jiān)護(hù)信息時(shí)發(fā)送報(bào)警內(nèi)容到120或指定電話號(hào)碼。

4 結(jié)語(yǔ)

①電動(dòng)智能床各項(xiàng)性能指標(biāo):保護(hù)等級(jí)Ⅱ級(jí),防護(hù)等級(jí)IP54、主接線電源24VDC開(kāi)關(guān)電源(100VAC-264VAC 47HZ-63Z)、最大輸出功率≤160W、待機(jī)消耗≤0.3W、效率≥88%、最大負(fù)載床頭100kg床尾100kg、行程:床頭330mm床尾81mm、床體內(nèi)裝熱隔斷保險(xiǎn)絲防止過(guò)載、電動(dòng)升降架能使人體的背部和腳部作上下60°的調(diào)節(jié)。

②電動(dòng)智能床符合UL1310(美國(guó)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn))、FCC(美國(guó)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn))、CE(歐盟電磁兼容和低壓指令標(biāo)準(zhǔn))、CEC(美國(guó)加州能耗標(biāo)準(zhǔn))、65指令(加州環(huán)保標(biāo)準(zhǔn))、PSE日本(菱形)標(biāo)志。

③健康監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的采集和傳輸,與醫(yī)療機(jī)構(gòu)的互聯(lián)互通限于部分城市的120報(bào)警還未開(kāi)通短信報(bào)警,此項(xiàng)技術(shù)還有待于進(jìn)一步交流溝通解決。

參考文獻(xiàn):

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.2010年第六次全國(guó)人口普查主要數(shù)據(jù)公報(bào)(第1號(hào)).

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基金項(xiàng)目:嘉興市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目:基于物聯(lián)網(wǎng)的居家養(yǎng)老電動(dòng)智能床及健康監(jiān)控系統(tǒng)的研制(2012AY1035)。

作者簡(jiǎn)介:

戈秀龍(1968-),男,浙江嘉善人,研究方向:動(dòng)力機(jī)械自動(dòng)控制及信息化。endprint

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