老人病房環境控制設計

苗家騉

(上海工程技術大學， 上海 201620)

0 引 言

在十九大上，已經總結出了中國進入改革開放新時代的結論。這意味著中國的發展已經取得了巨大的成就，其中包含了經濟結構、經濟總量、國防、人口年齡結構以及人口平均壽命等等方面。

一直以來，人口就是社會經濟發展的一個重要、也是基本因素，同樣經濟發展狀況也會反作用于人口結構本身。經濟結構的升級與優化直接提高了中國人民的生活質量，其帶來的間接效果便是人口平均壽命的延長，根據2018年的統計，中國人口平均壽命已經逼近78歲，與世界發達國家平均壽命旗鼓相當，其中上海和北京的人口平均壽命則已超過了80歲。近年來，老齡人口的占比也不斷擴大，在第六次人口普查中，65歲以上老齡人口就已經達到了8.87%。由此可知，中國的人口老齡化問題已成為全社會都在普遍關注的一個研究熱點。這不僅是出于中國傳統的尊老愛幼美德，還因為老齡人口關乎社會資源的有效配置。本文旨在運用嵌入式系統，整合現有的各種電氣設備為老人提供一種高度自動化的病房環境控制解決方案。

1 技術路線及架構

1.1 數據連接

考慮到老人在病房環境下的舒適性和活動便利性，常規醫療設備所帶來的數量繁多的數據線、電源線已經不適用于本文設計，因此采用了ZigBee、BlueTooth4.0兩種無線數據連接技術來傳輸相關傳感器數據，省去了傳統設備需要用到電線的麻煩。

1.2 主要算法

(1)路徑預判算法。在本設計中，自動照明模塊的功能之一是根據被測目標人物的已有路徑判定其未來的路徑。在理論研究中面對多岔道路時系統會同時開啟各個岔道口的第一個照明燈。(功能演示中，將其簡化為一維路徑進行演示)。具體方式是將多個紅外傳感器或小燈依次編號，系統采樣時會取用該編號的數字并將其賦值給算法中的變量。根據前后2個變量的差值變化來判定人體運動的方向，以此做出預判。例如有3個傳感器：

采樣L1=3, L2=2，if Δ=L1-L2=1 >0, 判斷為右向左方向，則 L2-Δ=1 開啟小燈1；

采樣L1=1, L2=2，if Δ=L1-L2=-1 <0, 判斷為左向右方向，則 L2-Δ=3開啟小燈3。

(2)模糊控制。由于氣溫的瞬時值并不具有代表性，這意味著精確的閾值條件并不適用于自動溫控模塊中季節條件的判定。因此本設計將對室外氣溫定時采樣取得均值的方法進行模糊化處理，在主控程序中預先設定好3個經典集的參數控制范圍代表3個季節：春秋、夏季、冬季。判定條件為：平均氣溫低于10 ℃為冬季、平均氣溫在10 ℃～22 ℃之間為春秋季節、平均氣溫大于22 ℃時判定為夏季。在進行條件判定后，主控程序再調用相應的集合范圍對氣溫參數進行控制。此時需用到如下數學公式：

(1)

其中，TempA為模糊化后的氣溫數據；Temp為實時采樣得到的數據；f為采樣頻率。

1.3 主控程序示意圖

主控程序的流程設計如圖1所示。在圖1中主控程序設計包含4個模塊，即：自動照明、自動呼救、空氣質量監測、自動溫控。其中，自動照明模塊、空氣質量監測模塊、自動溫控模塊的數據簡單，對延時響應要求具有相當的容錯，且需要多傳感器組建監控網絡，故采用ZigBee這一功耗較低的網絡技術。而自動呼救系統需要涵蓋多項人體生命體征的數據，且要求全天候實時監控，會產生大量數據需要及時上傳至服務端，因此采用高速的藍牙4.0技術將數據傳送至自動呼救模塊中。開發版功能實現設計如圖2所示。

圖1 主控程序示意圖

為了便于進行硬件的功能演示，這里對理論設計中的各種執行器以及工作狀態進行了簡化與修改，對此可做闡釋分述如下。

圖2 開發板功能實現示意圖

(1)自動照明模塊。模式1為光照條件較好的白天模式，模式2為光照不良的夜間模式(或有意關閉照明的休息時間)，兩者通過光敏電阻進行切換。RGBLED燈三顏色全部點亮時代表白燈(即為照明)。當檢測到故障時，系統會點亮黃色LED以及蜂鳴器。

(2)自動溫控模塊。在溫度控制模塊中，省略了濕度相關執行器的工作狀態。主要展示溫度控制的工作狀態。不同顏色的LED燈代表空調的不同工作模式；藍色LED代表空調處于制冷模式，紅色LED代表空調處于制熱模式。檢測到故障時，系統會點亮黃色LED以及蜂鳴器。

(3)空氣質量控制模塊。由于空氣凈化器只有工作與不工作兩種狀態，故在本模塊的功能實現中，選用不同顏色的LED燈代表當前空氣質量狀況的情況；綠色LED表示空氣質量良好，紅色LED表示當前室內空氣質量差。檢測到故障時，系統會點亮黃色LED以及蜂鳴器。

(4)自動呼救模塊。實際測量心跳過程中，想要獲得不同的心跳狀態較為困難，所以將心跳數量寫入程序中定義為可手動控制的變量。當心跳正常時，生命狀態指示燈為綠色；當心跳異常時，生命狀態指示燈為紅色并點亮蜂鳴器(發出呼救信號)。檢測到故障時，系統會點亮黃色LED以及蜂鳴器。

2 模塊功能設計與實現

2.1 自動照明模塊

(1)方案選擇。考慮到老年人病房環境，其本身并不需要高精度的檢測，只需要檢測出人體信號即可。同時考慮到在進行大范圍推廣時，需要控制其安裝和使用成本。因此，成本較為低廉的被動式紅外探測器是本論文設計的最佳選擇。

(2)適用地點以及條件。本設計提出病房的適用范圍并不僅僅局限于醫院，目前可將其大致分為3類：醫院病房、家庭病房、養老機構病房。首先，家庭病房由于空間較小，可供預判算法參考的地點不多，若再兼顧到其他家庭成員的活動，家庭病房環境是否安裝該自動照明系統則是一個有待商榷的選項。接著，是醫院病房和養老機構病房兩種環境，其共有的特點有：空間寬大、通道多、夜間活動人員相對較少等等。與夜間自動照明的設計初衷較為吻合。因此醫院病房和養老機構病房是較為合適的安裝使用地點。

(3)功能實現。工作模式判斷流程如圖3所示。模式一開啟則模式二關閉，手動切換模式。對夜間模式來說，夜間模式照明控制流程如圖4所示。在開發板搭建中，本設計主要使用了3個 HC-SR501人體紅外傳感器模塊作為探測器，3個RGBLED燈為執行器。其中，單個RGBLED燈亮起時代表小燈，3個RGBLED燈同時開啟時代表大燈開啟。

圖3 工作模式判斷流程圖

圖4 夜間模式照明控制流程圖

當單個紅外傳感器探測到信號時會開啟相應的單個小燈。當有2個及以上的小燈以一定順序檢測到信號時，控制系統會判定有人在移動，遂根據預判算法，提前開啟下一個小燈。

當3個紅外探測器同時接受到信號，并且持續時間超過5 s時，控制系統判定為老人摔倒在地，自動開啟大燈，并且聯動自動呼救系統觸發警報，啟動蜂鳴器。

2.2 氣溫控制模塊

(1)方案選擇。由于該模塊方案牽涉到多個執行器，包括空調和加濕器，所以本設計要先分開而論。對此擬給出研究表述如下。

首先，是空調。目前市面上主流的空調可根據不同的標準來進行分類，比如按照安裝方式可以分為柜式機、掛壁機等，按照功率可分為一匹半、兩匹機、三匹機等。還有一種最新的分類方式，可分為：定頻空調和變頻空調。從環保的角度出發，本設計選擇使用變頻空調。因為相對于傳統的定頻空調，變頻空調可以自動地變換控制壓縮機的工作頻率。其核心就在于引入了變頻器，就使變頻空調得以精確地控制其制冷/制熱速度。當室溫接近設定溫度時，變頻空調能以10%的功率低速運轉，從而精確地控制溫度損耗，保持室溫恒定。變頻空調的優點主要有：功耗較低，不會導致過冷或者過熱，能保持恒定室溫等等。其唯一的不足就是成本較為高昂。

其次，是加濕器的選擇。由于空調的任何工作方式，無論是制冷、還是制熱，都會降低空氣中的濕度。因此為配合空調的工作，只需適當地補充空氣中的濕度即可。所以本設計對于加濕器的選擇和應用具有相當的容錯性。綜上所述，考慮到環保及節能減排的需要，本設計選擇采用變頻空調搭配加濕器的工作方式。

圖5 氣溫模塊季節判定流程圖

(2)功能實現。在本模塊中，采用了模糊控制的原理。根據上文對比分析得出的老年人適用指標數據，將其劃分為3個對應的參數范圍，包括春秋季、冬季、夏季。首先主控程序會隔1 min采樣，收集室外溫度再計算得出當日平均值。當溫度在10 ℃～22 ℃時，系統采用春秋的溫度范圍進行控制。當溫度在22 ℃以上時，系統采用夏季的溫度范圍進行控制。當溫度在10 ℃以下時，系統采用冬季的溫度范圍進行控制。溫度控制流程見圖6。

圖6 溫度控制程序流程圖

2.3 空氣質量控制模塊

(1)方案選擇。空氣質量的控制，可以由空氣凈化器來完成，目前主流的空氣凈化器都能針對PM2.5進行凈化。由于需要配合系統的控制，本文需要采用帶有智能物聯網的機型。不僅如此，設計時考慮到空氣質量指標嚴重超過可控范圍，或者無法及時控制，本文將要采用強制換氣，這就需要電動機來驅動窗戶的開啟與關閉。以上執行器皆可以通過WiFi或者是紅外信號進行控制通信，各類參數則將通過各部分的傳感器以及ZigBee節點來傳輸。目前根據空氣顆粒物去除手段，可以將空氣凈化器大致分為5類：機械過濾型，高壓靜電除塵、靜電駐極式濾網、靜電除塵、靜電滅菌。綜合來看，靜電駐極式濾網的空氣凈化器能較好地保證凈化效率，也能兼顧環保的要求，降低臭氧的排放，耗材的廢棄也不會帶來環境污染，是本模塊設計較好的選擇方案。

(2)功能實現。本模塊設計中，傳感器模塊可直接輸出AQI指數給控制程序。因此基于AQI指數來設定閾值。空氣質量程序控制流程如圖7所示。當空氣質量指數超過500時，控制系統會點亮紅色LED指示燈，代表空氣凈化器正在工作。隨后繼續監測空氣質量指數，如果AQI低于500時，系統會點亮綠色LED代表空氣質量良好，空氣凈化器處于待機狀態。如果監測到的空氣質量指數持續10 min超過500，控制系統判定當前空氣質量不可控，會點亮紅色LED和蜂鳴器發出警報。

2.4 自動呼救模塊

(1)方案選擇。就市面上的主流血壓測量方式大致有：血壓計測量、穿戴式智能設備、植入式血壓計。穿戴式智能設備是伴隨著智能機誕生的周邊產品。由于設計之初就已經考慮到了大規模的應用，這使得其成本相當可觀。同時，智能穿戴設備還擁有心跳檢測功能。能較好地完成數據收集和監控任務。對于數據打包的無線連接方式，在前文3個模塊中均采用ZigBee的方式，但在研究中生命體征的數據要求較為嚴苛，包括傳輸速率要較高，數據更加復雜，采樣頻率高，故選擇了藍牙的無線連接方式，將老人的生命體征數據發送給控制系統。

圖7 空氣質量程序控制流程圖

圖8 呼救模塊程序控制流程圖

(2)功能實現。呼救模塊程序控制流程如圖8所示。在主控程序中，直接寫入可調的心跳，通過按鍵來調整心跳數。當心跳在50～130 bpm范圍內，主控系統點亮綠色的LED燈表示老人心跳正常。如果通過手動調試將心跳調整至130 bpm以上或者50 bpm以下時，系統會判定老人的生命體征出現危險，由此啟動警報。

3 結束語

經過一系列的設計和實驗測試，本文提出了一套關于老人病房環境控制的設計方案，能在控制成本的情況下，相對自動化地對老人病房環境進行各項參數控制，如光照條件、溫度與濕度、空氣質量等等。其中，溫度檢測范圍能達到-10 ℃～80 ℃，溫度控制精度能達到0.5分度。可為老人提供一個相對舒適安全可靠的病房環境，同時也能在一定程度上緩解醫療系統醫療資源緊缺的部分壓力。

同時由于成本和傳感器技術的限制，目前尚有一部分功能亟待完善，比如溫度的多地點參數獲取、空氣質量檢測項目的數量、生命體征檢測設備的成本與舒適感等等。