基于STM32與機智云的智能蠟療機設(shè)計

郭中會，李松松，張宸宸，夏聞澤，李 敏

(大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

0 引言

近年來，理療康復(fù)在醫(yī)療過程中的重要性逐漸得到認可，傳統(tǒng)中醫(yī)中的針灸、蠟療、拔罐等理療方法逐漸被國內(nèi)醫(yī)院理療科廣泛采用。其中，早期的蠟療技術(shù)主要是將醫(yī)用石蠟放入80 ℃恒溫水箱，等袋內(nèi)石蠟全部融化后取出,放平散熱至石蠟成糊狀時用毛巾包裹敷病人患處起到熱療作用[1-2]。這種采用恒溫水箱進行融蠟的技術(shù)是現(xiàn)代全自動智能蠟療機的雛形，其判斷石蠟是否全部融化和凝固成糊狀的方法皆為人為查看，存在具受主觀因素影響大、操作繁瑣、工作效率低的缺點。經(jīng)過優(yōu)化，將融蠟和保溫組合在一起，設(shè)計了具有融蠟、蠟餅保溫功能的自動化一體機[3-5]。其不僅大大降低了主觀因素對制蠟過程的影響，而且在蠟餅成型的過程中使用了帶溫度傳感器的可調(diào)溫恒溫箱，可以準確設(shè)置蠟餅在使用時的溫度，提高了熱療效果。然而蠟餅成型過程所耗時間過長，嚴重降低蠟療機的工作效率和性價比，同時不支持遠程無線控制，也無法支持融入物聯(lián)網(wǎng)，以及為規(guī)模應(yīng)用與醫(yī)療大數(shù)據(jù)提供支撐[6]。因此，本設(shè)計在當前熱銷智能蠟療機的基礎(chǔ)上，通過智能化控制恒溫箱側(cè)門開閉，以減少液體蠟餅成型時間來降低功耗；增加了物聯(lián)網(wǎng)模塊，并使用機智云開發(fā)平臺開發(fā)了移動客戶端控制程序，以支持遠程控制、顯示與云端數(shù)據(jù)存儲與共享。

1 整體設(shè)計方案

本設(shè)計主要由融蠟箱、注蠟系統(tǒng)、恒溫箱、控制系統(tǒng)組成。融蠟箱是采用水融蠟原理將固體蠟融化為液體蠟的場所，其下部的加熱棒通過加熱融蠟箱下部的水，使與水接觸的蠟慢慢融化。水融蠟方式不僅可以增加醫(yī)用石蠟的使用壽命，而且可以防止因加熱棒直接加熱固體蠟導(dǎo)致局部高溫而造成石蠟燃燒等意外事故的發(fā)生[7]。注蠟系統(tǒng)主要由雜物過濾器、推桿電機、注蠟管和開關(guān)閥門組成。在注蠟階段，液體蠟通過雜物過濾器后進入注蠟管，并通過打開的注蠟閥門流入相應(yīng)的蠟盤內(nèi)。恒溫箱是醫(yī)用石蠟由液態(tài)凝固為略高于人體體溫且具有可塑固體石蠟的場所。在融蠟過程結(jié)束之后、注蠟之前，系統(tǒng)會將恒溫箱升至59 ℃左右，防止注蠟管中凝蠟和蠟在盤中凝蠟不均導(dǎo)致的溢出[8]。控制系統(tǒng)由傳感器、控制板、工業(yè)屏幕和控制輸出部分組成。微控制器通過接收溫度傳感器、水位報警傳感器、開/關(guān)門檢測傳感器的信號，判斷當前設(shè)備運行狀態(tài)并作出相應(yīng)的決策。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件電路設(shè)計

智能蠟療機的硬件電路部分主要由STM32最小系統(tǒng)、電壓變換電路、數(shù)據(jù)存儲電路、溫度傳感器、水位/開門/關(guān)門檢測器、輸出控制器電路和TTL-485信號轉(zhuǎn)換電路組成。

2.1 主控電路設(shè)計

主控電路由以STM32F103C8T6為核心的微控制器和外圍電路構(gòu)成。該控制器是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量為64 KB，工作電壓為2～3.6 V，可在-40～85 ℃溫度下工作[9-10]。其具有33個I/O接口和3個USART通信接口，可以滿足連傳感器、控制器和G510通信模塊的需求。

2.2 供電電路設(shè)計

考慮到控制側(cè)門開關(guān)和注蠟閥門的推桿電機皆為24 V供電，因此系統(tǒng)采用24 V供電，并通過降壓得到12 V、5 V和3.3 V，以滿足觸摸屏和不同芯片對電壓的需求。其中，24 V轉(zhuǎn)12 V降壓芯片采用3 A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路LM2576-12 V。該芯片與電容、電感組成的降壓電路產(chǎn)生的12 V電壓可以滿足為工業(yè)觸摸屏供電的要求。12 V轉(zhuǎn)5 V降壓芯片采用輸出為1 A的集成穩(wěn)壓芯片LM4805。5 V轉(zhuǎn)3.3 V采用AMS1117-3.3 V正向低壓降穩(wěn)壓器。供電電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 供電電路設(shè)計圖

2.3 水位/開/關(guān)門檢測傳感器

智能蠟療機融蠟過程采用水溶蠟原理，當融蠟箱內(nèi)含水較少時，可能出現(xiàn)局部溫度達到蠟燃點導(dǎo)致火災(zāi)的嚴重后果，因此需要對融蠟箱設(shè)置最低水位報警。而開門/關(guān)門檢測傳感器能夠檢測在運行中側(cè)門的開關(guān)狀態(tài)并判斷部分運行故障。水位檢測傳感器信號接收電路如圖3所示。當水位低于最低報警刻度時，傳感器輸入信號線與輸出信號線導(dǎo)通，光電耦合器發(fā)射管工作使接收二極管導(dǎo)通，微控制器的PB5端口電位拉低，觸發(fā)相應(yīng)外部中斷提醒融蠟箱缺水并進行報警。開/關(guān)門檢測傳感器采用限位開關(guān)檢測側(cè)門的打開關(guān)閉狀態(tài)。當側(cè)門打開/關(guān)閉后，觸動相應(yīng)的限位開關(guān)并使其導(dǎo)通，其信號接收原理與水位信號接收原理一致。

圖3 水位檢測傳感器信號接收電路

2.4 數(shù)據(jù)存儲電路

本設(shè)計添加數(shù)據(jù)存儲電路，對融蠟溫度、注蠟盤數(shù)、注蠟時間等設(shè)置值進行保存，從而避免每次關(guān)機后設(shè)置內(nèi)容丟失。數(shù)據(jù)存儲芯片采用串行Flash存儲器W25Q128BV。該芯片具有引腳少、功耗低、存儲字節(jié)多、傳輸速度快和存儲靈活的優(yōu)點，可以實現(xiàn)蠟療機在使用過程中對各種數(shù)據(jù)的存儲記憶功能。

2.5 輸出控制電路設(shè)計

輸出控制電路由控制電路和被控制電路組成。工作時，微控制器相應(yīng)I/O口輸出低、高電平控制光電耦合器開、關(guān)，繼而控制繼電器接入電壓24 V、0 V，使輸出端銜鐵與鐵芯吸合、斷開，從而加熱棒、風扇電機或推桿電機兩端存在、失去電壓，進而開始、停止工作。

2.6 TTL-RS-485信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

RS-485串行總線標準采用平衡發(fā)送和差分接收的傳輸方式與工業(yè)觸摸屏進行數(shù)據(jù)交換。該通信協(xié)議可以顯著提高傳輸信號抑制共模干擾的能力。SP3485是一款低功耗半雙工收發(fā)器，具有數(shù)據(jù)傳輸速度高(10 Mbit/s)、驅(qū)動能力強、輸入靈敏度低(±200 mV)的優(yōu)點，可以完全滿足RS-485串行協(xié)議的要求。

2.7 G510無線傳輸接口電路設(shè)計

G510通信模塊組成的電路能夠被任何需要通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行語音通話或數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)或者產(chǎn)品集成。其GSM支持四頻 850/900/1 800/1 900 MHz，GPRS 支持Class 10[11]。本設(shè)計采用G510模塊進行無線通信，能夠?qū)χ悄芟灟煓C進行提升，使之從一個獨立的產(chǎn)品，成為接入智能物聯(lián)網(wǎng)進行云互聯(lián)的智能終端。

3 軟件開發(fā)設(shè)計

軟件開發(fā)分為設(shè)備端、手機客戶端開發(fā)兩部分。設(shè)備端程序又分為工業(yè)觸摸屏驅(qū)動控制與內(nèi)存保護單元控制兩部分。其中，工業(yè)觸摸屏和手機客戶端部分主要實現(xiàn)人機交互，STM32微控制器程序部分執(zhí)行命令并將各種運行參數(shù)傳輸?shù)焦I(yè)觸摸屏和手機客戶端。

3.1 手機客戶端程序開發(fā)

本文使用機智云APP作為客戶端調(diào)試工具。該工具是物聯(lián)網(wǎng)機智云平臺提供的全球首款物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things,IoT)設(shè)備通用調(diào)試工具[12]。本文通過例化初始化模塊、用戶模塊、配置模塊、設(shè)備列表模塊和控制模塊這五個模塊不僅實現(xiàn)了需要的功能，并且實現(xiàn)了智能蠟療機控制、運行數(shù)據(jù)云端保存的功能。

3.2 工業(yè)觸摸屏驅(qū)動程序與STM32微控制器程序

工業(yè)觸摸屏是進行人機交互的方式之一，主要用于顯示蠟療機工作運行狀態(tài)、更改各項運行參數(shù)和啟動相應(yīng)的工作模式。本文采用北京迪文科技有限公司研發(fā)的基于K600+內(nèi)核所設(shè)計的智能型、圖形界面、人機系統(tǒng)軟件DGUS的工業(yè)觸摸屏。該工業(yè)觸摸屏有56 KB變量空間、8通道曲線趨勢圖寄存器、156 B配置寄存器控件、256 MB的Flash存儲器、任意多的觸控控件，不僅可以實現(xiàn)變量顯示、運算和傳輸?shù)捻憫?yīng)速度，而且集成了DWIN OS平臺，方便使用豐富的指令進行二次開發(fā)。

微控制器流程圖如圖4所示。

圖4 微控制器流程圖

STM32微控制器是智能蠟療機系統(tǒng)運行的核心，其控制程序主要實現(xiàn)以下功能。

①將融蠟箱和恒溫箱溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接|摸屏和手機客戶端。

②通過檢測傳感器判斷系統(tǒng)運行狀態(tài),并判斷系統(tǒng)運行是否出現(xiàn)故障。

③根據(jù)觸摸屏或者手機客戶端命令執(zhí)行相應(yīng)的運行模式。

3.3 設(shè)備端整體軟件設(shè)計方案

本設(shè)計主要功能有自動運行模式、手動運行模式和設(shè)置模式。

①自動運行模式是智能蠟療機的主要運行模式。不僅可以采用觸摸屏或移動客戶端執(zhí)行自動運行功能，而且可以設(shè)置每天自動運行的時間，方便醫(yī)生和護士使用。

②手動運行模式是自動運行功能的輔助功能，可以豐富個性化醫(yī)療的實施。

③設(shè)置功能主要完成各項運行參數(shù)的設(shè)置，包括編輯自動模式、系統(tǒng)時間設(shè)置和時間段設(shè)置。編輯自動模式的各項參數(shù)包括水箱加熱溫度、恒溫箱注蠟溫度、恒溫箱保持溫度、蠟餅成型溫度、注蠟盤數(shù)、注蠟時間，主要用于設(shè)置手動運行模式和每天早上自動開機運行自動模式時所需要的各項參數(shù)。系統(tǒng)時間設(shè)置主要是設(shè)置當前日期和時間。時間段設(shè)置主要用于設(shè)置每天自動開機時間、自動關(guān)機時間和自動開機后是否運行自動模式(模式1為運行自動模式，模式0為開機水箱只加熱)。

自動運行模式流程圖如圖5所示。

圖5 自動運行模式流程圖

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用

本設(shè)計的智能蠟療機在盤錦市某醫(yī)院理療科進行了4個月的試運行。傳統(tǒng)蠟療機和智能蠟療機每天分別制蠟30盤、運行12 h、待機12 h。記錄其平均制蠟時間、石蠟壽命和功耗，如表1所示。

表1 智能蠟療機運行數(shù)據(jù)

由表1可以看出，蠟療機的平均制蠟時間由原來的4 h縮減到2 h。其主要原因是在蠟餅成型階段，液體蠟進入恒溫箱后引起恒溫箱溫度上升，封閉的恒溫箱使得溫度下降緩慢。傳統(tǒng)制蠟技術(shù)忽略這一特性使得蠟餅成型過程較長，而智能蠟療機通過控制側(cè)門的不斷開閉使恒溫箱溫度快速降低，從而減少蠟餅成型時間。醫(yī)用石蠟的使用壽命由原來的兩個月增加到三個月，蠟療機功耗降低了40%。其主要原因是智能蠟療機在非制蠟狀態(tài)下，水箱采用間歇性加熱技術(shù)，使石蠟溫度始終略高于最低熔點溫度，不僅降低了設(shè)備功耗，而且延長了石蠟使用壽命。

4 結(jié)束語

通過在醫(yī)院的實際推廣應(yīng)用，本文設(shè)計的智能蠟療機得到了較好的效果。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，蠟療機的平均制蠟時間由原來的4 h縮減到2 h，縮短了50%；醫(yī)用石蠟的使用壽命由原來的兩個月增加到三個月，石蠟壽命延長了1.5倍，且功耗降低了40%。智能蠟療機減少了患者的等待時間和醫(yī)療成本，節(jié)省了醫(yī)護人員的操作時間及操作難度。因此，此蠟療機具有很好的應(yīng)用前景。