家庭護(hù)理床的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 為了解決國(guó)內(nèi)手搖式家庭護(hù)理床操作不便，電動(dòng)式家庭護(hù)理床自動(dòng)化程度低和功能單一的問題，設(shè)計(jì)一種針對(duì)家庭護(hù)理床的智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于STM32構(gòu)建護(hù)理床姿態(tài)控制模塊，實(shí)現(xiàn)護(hù)理床姿態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)和控制。基于ITop?4412平臺(tái)構(gòu)建護(hù)理床監(jiān)控中心，可以監(jiān)控護(hù)理床姿態(tài)，同時(shí)監(jiān)測(cè)被護(hù)理人在床情況以及部分身體生理指標(biāo)，并提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；可以通過(guò)遠(yuǎn)程客戶端查看護(hù)理床狀態(tài)以及被護(hù)理人情況，控制護(hù)理床姿態(tài)改變。該系統(tǒng)操作方便，提高了家庭護(hù)理床的安全性，豐富了家庭護(hù)理床的功能，易于在現(xiàn)有家庭環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 家庭護(hù)理床； 智能監(jiān)控； 姿態(tài)控制； STM32； ITop?4412

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）14?0042?04

Design and implementation of intelligent monitoring system for home nursing bed

GAO Zhenbin， LI Tao， BAI Ming， TIAN Xiaoxu

（School of Electronics Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract： An intelligent monitoring system for home nursing bed was designed to overcome the disadvantages （inconvenient operation， low degree of automation and unitary function） of the hand?operated home nursing beds in China. An attitude control module based on STM32 was built to detect and control the attitude of the home nursing bed automatically. A monitoring center module based on the ITop?4412 platform was built to monitor the attitude of the home nursing bed and some physiological indexes of the person laying on the bed. In addition， the long?distance network supervision function is provided to look over the situation of caregivers and control the state of the nursing bed. This feature?rich system can enhance the security of the home nursing bed， is easy to operate， and can be easily implemented in the existing home environment.

Keywords： home nursing bed； intelligent monitoring； attitude control； STM32； ITop?4412

隨著行動(dòng)不便的病人和活動(dòng)能力減弱的老年人數(shù)量的增多，家庭護(hù)理床的需求越來(lái)越大[1]。目前國(guó)內(nèi)的家庭護(hù)理床主要有手動(dòng)護(hù)理床和電動(dòng)護(hù)理床兩種。手動(dòng)護(hù)理床需要依賴護(hù)理人員改變護(hù)理床姿態(tài)，操作復(fù)雜費(fèi)力十分不便[2]；電動(dòng)護(hù)理床雖然可以在控制下自動(dòng)起降，但是需要時(shí)刻注意護(hù)理床姿態(tài)，自動(dòng)化程度及安全性較低，而且功能相對(duì)單一。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)的家庭護(hù)理床智能監(jiān)控系統(tǒng)可以自動(dòng)測(cè)量和控制護(hù)理床姿態(tài)，提高了護(hù)理床的安全性；可以監(jiān)測(cè)被護(hù)理人身體生理指標(biāo)，豐富了護(hù)理床功能；提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，方便對(duì)被護(hù)理人的護(hù)理工作。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

家庭護(hù)理床智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由護(hù)理床姿態(tài)檢測(cè)及控制模塊、護(hù)理床監(jiān)控中心模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端構(gòu)成（見圖1）。其中，護(hù)理床姿態(tài)檢測(cè)及控制模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)護(hù)理床當(dāng)前姿態(tài)，周期地上傳姿態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)控制命令自動(dòng)改變護(hù)理床姿態(tài)。監(jiān)控中心模塊運(yùn)行監(jiān)控軟件，采集被護(hù)理人的監(jiān)控視頻圖像和血氧儀器件數(shù)據(jù)，匯總并顯示被護(hù)理人和護(hù)理床當(dāng)前狀態(tài)信息；通過(guò)無(wú)線路由器接入網(wǎng)絡(luò)，作為服務(wù)器端提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心模塊查詢護(hù)理床和被護(hù)理人狀態(tài)，發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 護(hù)理床姿態(tài)檢測(cè)及控制模塊設(shè)計(jì)

2.1 姿態(tài)檢測(cè)及控制模塊硬件設(shè)計(jì)

姿態(tài)檢測(cè)及控制模塊硬件框圖如圖2所示。電路采用STM32微控制器實(shí)現(xiàn)姿態(tài)信息的采集以及姿態(tài)控制等功能。模塊電路主要分為供電電路、電機(jī)控制電路、姿態(tài)測(cè)量電路和姿態(tài)控制手柄電路。其中姿態(tài)測(cè)量電路主要包括A/D轉(zhuǎn)換電路模塊和串口MPU6050電路模塊。模塊主要電路如圖3所示。

微控制器：采用32位的ARM低功耗微處理器STM32F103RCT6，其具有256 KB FLASH，48 KB RAM，工作頻率為72 MHz，支持USART，SPI等通信接口[3]，性能完全滿足模塊數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)囊蟆?/p>

供電電路：護(hù)理床監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)模塊的電源均是取自此供電電路。首先220 V交流電經(jīng)過(guò)變壓后變?yōu)?4 V交流電。考慮到護(hù)理床使用的電機(jī)最大工作電流為5 A，但在同一時(shí)刻最多有兩個(gè)電機(jī)同時(shí)動(dòng)作，因此整流橋電路選用20SQ080整流二極管，其最大平均整流電流可達(dá)20 A，并且電機(jī)對(duì)電源精度要求不是很高，因此直接選用整流后電壓為電機(jī)供電。由于電機(jī)在工作時(shí)會(huì)造成整流橋輸出電壓發(fā)生變化，所以初級(jí)電壓變換采用輸入電壓范圍較廣的LM34910C電源芯片，其允許的輸入電壓范圍為8～36 V，將電壓變換為12 V，為監(jiān)控中心模塊供電；之后，使用電源芯片MP2303將電壓轉(zhuǎn)換為5 V，為A/D芯片、電機(jī)控制電路以及外圍的串口MPU6050模塊供電；最后采用ASM1117將電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，為STM32微控制器和其他低功耗芯片供電（如圖4（a）所示）。

電機(jī)控制電路：護(hù)理床選用的是4個(gè)直流推桿電機(jī)，模塊采用兩個(gè)繼電器調(diào)整每個(gè)電機(jī)正負(fù)極的電平以控制電機(jī)執(zhí)行推或拉動(dòng)作。電機(jī)工作電壓為24 V，最大工作電流為5 A，因此繼電器采用HK3FFDC5VSHG，其分?jǐn)嚯妷嚎蛇_(dá)30 V，耐受電流為10 A。為防止繼電器斷開時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電流對(duì)電路造成沖擊，采用了BAV70器件，它是由兩個(gè)并聯(lián)的低導(dǎo)通電壓的高速開關(guān)二極管組成[4]，反向接入在繼電器線圈兩端。電機(jī)控制如圖4（b）所示。

姿態(tài)測(cè)量電路：根據(jù)護(hù)理床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模塊采用兩個(gè)高精度電阻式角位移傳感器測(cè)量護(hù)理床背部和腿部折起角度。角位移傳感器輸出模擬電壓，范圍為0～2.5 V，表示角度0～90°。為提高測(cè)量精度，減小外部電路對(duì)STM32的影響，選用了AD7706芯片。 AD7706是應(yīng)用于低頻測(cè)量的2/3通道的模擬前端，該器件可以直接接收來(lái)自傳感器的低電平輸入信號(hào)[5]。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，選擇芯片供電電壓為5 V，采用AD780芯片生成2.5 V參考電壓，如此A/D芯片量程為0～2.5 V，滿足測(cè)量需要。模塊采用集成了MPU6050芯片的單獨(dú)電路模塊測(cè)量護(hù)理床整體傾斜角度，MPU6050芯片整合了3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)[6]，該電路模塊通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器。

姿態(tài)控制手柄電路：為節(jié)省STM32引腳，電路采用4×2矩陣按鍵，共有7個(gè)按鍵，其中前6個(gè)按鍵用于具體調(diào)整護(hù)理床姿態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到姿態(tài)異常時(shí)，可以使用最后一個(gè)按鍵恢復(fù)護(hù)理床整體水平狀態(tài)。

2.2 姿態(tài)檢測(cè)及控制模塊軟件設(shè)計(jì)

模塊程序主要功能：護(hù)理床姿態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)、接收并響應(yīng)監(jiān)控中心模塊和控制手柄發(fā)送的姿態(tài)控制命令。由于模塊執(zhí)行任務(wù)較多，為了保證實(shí)時(shí)性，采用定時(shí)器方式將任務(wù)劃分到不同時(shí)段，模擬多任務(wù)執(zhí)行環(huán)境。程序主流程如圖5所示。在控制護(hù)理床改變姿態(tài)時(shí)，為保證安全，模塊會(huì)根據(jù)護(hù)理床姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前姿態(tài)是否異常，當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到姿態(tài)異常時(shí)，會(huì)立即禁止護(hù)理床所有操作；當(dāng)再次檢測(cè)到異常時(shí)會(huì)使能異常恢復(fù)指令，人員可以通過(guò)控制手柄上的異常恢復(fù)按鍵或者通過(guò)監(jiān)控中心控制護(hù)理床回復(fù)初始水平狀態(tài)，之后會(huì)使能護(hù)理床所有功能；如果在一定時(shí)間內(nèi)異常沒有被處理則會(huì)發(fā)出警告。

3 護(hù)理床監(jiān)控中心模塊

3.1 監(jiān)控中心模塊硬件設(shè)計(jì)

護(hù)理床監(jiān)控中心模塊采用ITop?4412開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建，該平臺(tái)采用四核Cortex?A9架構(gòu)的Exynos4412作為核心處理器，集成1 GB內(nèi)存和4 GB 非易失存儲(chǔ)器[7]，支持USB，RS 232，RS 485等接口，支持安裝嵌入式Linux系統(tǒng)。模塊使用的監(jiān)控?cái)z像頭為USB攝像頭；模塊通過(guò)RS 232接口采集血氧儀數(shù)據(jù)，通過(guò)RS 485接口與姿態(tài)檢測(cè)及控制模塊通信，通過(guò)WiFi模塊與無(wú)線路由器相連，繼而接入網(wǎng)絡(luò)；模塊采用觸摸式液晶屏，操作方便。

3.2 監(jiān)控中心模塊軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心模塊軟件是基于Qt開發(fā)的運(yùn)行在嵌入式Linux平臺(tái)上的監(jiān)控軟件。根據(jù)設(shè)計(jì)，監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)的功能主要有：提供可視化的界面交互，監(jiān)測(cè)護(hù)理床狀態(tài)，監(jiān)測(cè)被護(hù)理人狀態(tài)，提供視頻監(jiān)控功能，作為服務(wù)器端提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。軟件需要完成功能較多，為保證實(shí)時(shí)性，采用多線程設(shè)計(jì)，整個(gè)軟件共分為5個(gè)線程，每個(gè)線程功能如圖6所示。

3.2.1 主線程

主線程維護(hù)軟件界面，主要負(fù)責(zé)護(hù)理床和被護(hù)理人狀態(tài)信息的顯示、視頻圖像的顯示、控制命令的收發(fā)以及提供可視化的操作按鈕。此外，主線程通過(guò)定時(shí)消息協(xié)調(diào)其他線程任務(wù)的執(zhí)行。

3.2.2 視頻處理線程

視頻處理線程主要是在主線程控制下，完成視頻圖像采集及視頻錄制功能。程序使用OpenCV視覺庫(kù)函數(shù)操作攝像頭，完成視頻圖像的采集和視頻錄制。調(diào)用函數(shù)cvCreateCameraCapture創(chuàng)建cvCapture結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含從攝像頭讀取視頻幀所需要的信息。調(diào)用cvCreateVideoWriter函數(shù)創(chuàng)建cvVideoWriter結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于視頻文件的錄制。之后調(diào)用函數(shù)cvQueryFrame從攝像頭捕獲的視頻中獲取并返回1幀圖像[8]。調(diào)用函數(shù)cvWriteFrame將圖像寫入到視頻文件中。

采集到視頻圖像為IplImage格式，這種格式圖像需要轉(zhuǎn)換成QImage格式的圖片才能在Qt界面中顯示。首先創(chuàng)建一幅同采集圖像同樣大小的QImage圖片，然后根據(jù)采集圖像中每個(gè)像素的RGB值設(shè)置QImage圖片對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的RGB值，完成轉(zhuǎn)換。

3.2.3 圖像處理線程

圖像處理線程主要負(fù)責(zé)對(duì)采集的視頻圖像進(jìn)行人臉檢測(cè)處理，以確定被護(hù)理人是否在圖像中，以此作為判斷被護(hù)理人是否在床的依據(jù)。此處使用的是基于Haar特征的AdaBoost算法[9]進(jìn)行人臉檢測(cè)。使用此算法需要提供已經(jīng)訓(xùn)練好的級(jí)聯(lián)分類器文件（從網(wǎng)絡(luò)獲取的前臉和側(cè)臉的分類器文件）。具體過(guò)程如下：首先創(chuàng)建CascadeClassifier類對(duì)象實(shí)例m_cascade，調(diào)用m_cascade.load載入級(jí)聯(lián)分類器，然后調(diào)用cv：：cvtColor函數(shù)將原圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，接著調(diào)用cv：：resize函數(shù)縮放圖像，之后調(diào)用cv：： equalizeHist函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，最后調(diào)用m_cascade. detectMultiScale函數(shù)檢測(cè)圖像中的人臉。為了提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先檢測(cè)圖像中人的前臉，如果沒有檢測(cè)到，則繼續(xù)載入側(cè)臉分類器檢測(cè)圖像中人的側(cè)臉；只要兩者中檢測(cè)到任意一種，則認(rèn)為被護(hù)理人在床上。

3.2.4 護(hù)理床和被護(hù)理人狀態(tài)監(jiān)測(cè)線程

監(jiān)控中心模塊通過(guò)RS 485接口與姿態(tài)檢測(cè)及控制模塊通信，通過(guò)RS 232接口與血氧儀通信，該線程通過(guò)查詢方式分別從兩者獲取護(hù)理床和被護(hù)理人狀態(tài)數(shù)據(jù)，并交由主線程顯示。

3.2.5 網(wǎng)絡(luò)線程

目前網(wǎng)絡(luò)通信中Socket的通信協(xié)議有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議兩種。TCP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，具有高可靠性，可以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，但傳輸效率較低[10]。考慮到本系統(tǒng)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較低、對(duì)可靠性要求較高的特點(diǎn)，選用基于TCP協(xié)議的Socket通信，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)使用的是Qt封裝的QTcpServer類和QTcpSocket類。首先在主線程中調(diào)用QTcpServer對(duì)象的listen方法開始網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽，當(dāng)有客戶端發(fā)起連接請(qǐng)求時(shí)，會(huì)調(diào)用回調(diào)函數(shù)QTcpServer：：incomingConnection，在這個(gè)函數(shù)中，系統(tǒng)給出了用于通信的QTcpSocket套接字描述符。接著，開啟網(wǎng)絡(luò)線程進(jìn)行通信。

在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使用QByteArray結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字節(jié)序列，計(jì)算出數(shù)據(jù)所占字節(jié)數(shù)，先發(fā)送數(shù)據(jù)量大小，接著發(fā)送具體數(shù)據(jù)。此外，在發(fā)送視頻圖像數(shù)據(jù)之前，調(diào)用QImage：：save函數(shù)，將QImage格式的圖片壓縮為JPG格式，減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量。當(dāng)有客戶端數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)會(huì)觸發(fā)QTcpSocket：： readyRead信號(hào)，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)首先讀取數(shù)據(jù)塊大小，然后調(diào)用QTcpSocket：：bytesAvailable函數(shù)得到目前緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)量，判斷數(shù)據(jù)是否完整，如若完整則讀取數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待下一個(gè)信號(hào)到來(lái)，直至數(shù)據(jù)完整后讀取。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端軟件同樣基于Qt構(gòu)建，利用Qt程序強(qiáng)大的可移植性，開發(fā)PC端和Android手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件采用類似監(jiān)控中心模塊軟件的設(shè)計(jì)，主要由主線程和網(wǎng)絡(luò)線程構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)線程主要負(fù)責(zé)連接服務(wù)器，發(fā)送命令數(shù)據(jù)和接收狀態(tài)信息以及監(jiān)控視頻圖像。主線程維護(hù)軟件界面，主要負(fù)責(zé)提供可視化的控制命令按鈕和將網(wǎng)絡(luò)線程接收的數(shù)據(jù)直觀顯示在軟件界面上。為了提供一致性的操作體驗(yàn)，簡(jiǎn)化開發(fā)工作，遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端的軟件界面和監(jiān)控中心的軟件界面保持一致，展示的信息與監(jiān)控中心模塊軟件相同。

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試時(shí)將姿態(tài)檢測(cè)及控制模塊放置在護(hù)理床下，兩個(gè)角位移傳感器分別安裝在護(hù)理床背部和腿部連軸處，串口MPU6050電路模塊則貼附在護(hù)理床上；使用信號(hào)線分別將姿態(tài)檢測(cè)及控制模塊、血氧儀器件、攝像頭與監(jiān)控中心模塊連接；在監(jiān)控中心軟件上設(shè)置網(wǎng)絡(luò)鏈接，接入無(wú)線路由器（需開啟DDNS服務(wù)）；在遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端軟件上設(shè)置網(wǎng)絡(luò)鏈接，接入護(hù)理床監(jiān)控中心。

在護(hù)理床監(jiān)控中心軟件和遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端軟件（見圖7）界面上可以看到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接的狀態(tài)、定時(shí)操作信息、護(hù)理床當(dāng)前的姿態(tài)信息、被護(hù)理人的身體狀況信息以及當(dāng)前正在執(zhí)行的操作。

按下界面上設(shè)置的虛擬按鈕或者控制手柄按鍵，護(hù)理床會(huì)立即根據(jù)命令改變姿態(tài)，同時(shí)可以看到界面上顯示的護(hù)理床姿態(tài)信息會(huì)實(shí)時(shí)更新。可以通過(guò)軟件設(shè)置定時(shí)操作，允許指定護(hù)理床各部分具體姿態(tài)，之后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)置自動(dòng)改變姿態(tài)。此外，在軟件上會(huì)實(shí)時(shí)顯示被護(hù)理人的心率、PI（灌注指數(shù)）以及血氧飽和度等身體生理指標(biāo)信息。

6 結(jié) 論

家庭護(hù)理床智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)護(hù)理床姿態(tài)，提供多種改變護(hù)理床姿態(tài)的方式，具有異常自動(dòng)處理機(jī)制，配有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)被護(hù)理人部分身體生理狀況。該系統(tǒng)易于在現(xiàn)有家庭環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，大大提高了護(hù)理床控制的自動(dòng)化程度以及安全性，豐富了護(hù)理床功能，方便了對(duì)被護(hù)理人的護(hù)理操作。

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