新型基于云平臺的醫療平衡救護床系統

邢世波 李 盛 孫 唯 陶志豪 賈余晉 李嘉斌

（西京學院，陜西 西安710100）

1 總體設計

新型基于云平臺的醫療平衡救護床系統可以實現人體的血氧濃度、心率、溫度等相關生理數據采集，利用GPS 定位模塊獲取定位信息，并通過運用4G 網絡通信模塊，有效的把采集的信息與數據以云平臺的形式透傳送到遠程醫院從機上并進行顯示。此外，通過陀螺儀測量出救護床的傾斜情況，并迅速將數據傳給MCU 主控，最終通過程序算法給出舵機將要扭轉的角度，繼而實現醫療平衡救護床實時準確的自動平衡調節。

2 系統硬件設計

新型基于云平臺的醫療平衡救護床系統，硬件主要包括中央控制器ARM控制芯片控制著整個系統單元；底盤運行電機驅動電路部分控制整個平臺在地面的運行；平衡舵機控制電路是控制救護床的平衡；心率與血氧傳感器電路負責采集病人的脈搏和心跳，人體溫濕度傳感器電路負責采集人體溫度和溫濕度；其次4G 通信電路將采集的數據通過云平臺進行透傳到遠程監控從機，并可以通過從機和上位機進行串口通信進行上位機顯示。

2.1 系統電源

采用ASM1117 電壓調節芯片，運用該芯片能夠有效的調節基準電壓，從而利于控制系統誤差，在調節過程能夠有效的對電流進行限制，以更好地保障穩壓器和電路的正常運行。在MP2539 把電壓由12V 轉到5V 之后，由開關K2 決定要不要給系統上電，確保系統的安全性。之后再經過ASM1117 電壓轉換芯片，能夠將電壓轉換為3.3V，供傳感器模塊使用，C34 為極性電容起耦合和濾波作用。

2.2 脈搏血氧心率傳感器模塊

MAX30102 是一種集成了脈搏血氧儀和心率監測儀生物傳感器的模塊。它具有一個紅外光LED、光電檢測器，以及帶環境光抑制的低噪聲電子電路。

其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在病人的手指、手腕或耳垂上。光源一般采用對動脈血中氧合血紅蛋白(Hb02)和血紅蛋白(Hb)有選擇性的特定波長的發光。當光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導致這束光的透光率發生改變，此時由光電變換器接收經人體組織反射的光線，轉變為電信號并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。同時根據血氧飽和度的定義，其表示為：

SaO2=CHbO2CHbO2+CHb×100%

再通過標準的I2C 兼容的通信接口，可以將采集到的數值傳給單片機進行心率和血氧計算。

2.3 ATK-M750 無線傳輸模塊

ATK-M750 是一款高性能全網通4G DTU 產品。它以高速率、低延遲和無線透傳作為核心功能，可快速解決應用場景下的無線透傳方案，傳輸數據不受距離的限制。該產品支持多種工作模式：NET/HTTP/MQTT/RNDIS；支持接入云服務器平臺：原子云/阿里云/百度云/OneNET；支持自動重連、掉線監測、內置看門狗、確保穩定可靠。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括傳血氧濃度人體脈搏檢測程序、存儲程序、GPS 模塊定位程序、底盤運行驅動程序、救護床平衡程序以及4G 模塊通信程序，另一部分是通過遠程監控手段，有效的監控主機端的各項軟件以及數據。操作系統相關的軟件設計框架如圖1 所示：

圖1 系統軟件設計框圖

3.1 原子云平臺

原子云即原子云服務器，也是現流行的物聯網云服務平臺，目前它可以實現數據的監控、轉發和管理等功能。原子云域名為：cloud.alientek.com，端口號為：59666。用戶可以選擇啟用原子云功能，快速的實現用戶設備與原子云服務器的連接。可以通過以下條件來判斷DTU 是否注冊上原子云。

圖2 位置PID 控制原理圖

3.2 原子云配置步驟

想使用ATK-M750 連上原子云，首先我們需要對模塊進行AT 指令配置，配置GPRS DTU 工作在網絡透傳模式，地址為cloud.alientek.com，端口號為59666，在上位機配置好后，就可以開始配置原子云服務器了。配置步驟如下：

3.2.1 登陸原子云服務器：https://cloud.alientek.com，創建設備節點。在“新增設備- 選擇設備類型”中選擇“LTE-DTU”類型。然后輸入“設備名稱和密碼”，選擇“新增”就可以成功創建一個設備。

3.2.2 配置DTU 的設備編號與設備密碼參數。新增設備節點成功后，就能在設備節點列表中查看剛剛新增成功的設備節點，將上一步中新增的設備編號和設備密碼填入上位機中就可以實現DTU 與原子云之間的連接。

3.2.3 創建兩個分組。點擊“創建分組”開始創建分組。由于透傳是建立在組與組之間的，在創建分組后，還需要將設備節點分配到對應的分組中，一個分組下添加一個設備節點。在“設備管理”界面下，點擊“分組操作”。

3.2.4 創建透傳管理組。點擊“創建透傳組”開始創建透傳組。在A 設備組和B 設備組下，分別選擇需要透傳的兩個設備分組，然后在列表中選中需要透傳的設備節點。最后點擊“保存”，原子云就會在分組之間建立起數據透傳關系。最后用戶只需要將DTU 連接到原子云對應的設備節點上，就可以實現兩個DTU 之間的數據透傳。

3.3 位置PID 控制算法

這里我們引入了位置PID 算法，

Velocity1=Position_ PID1 (Positionl, Target1) ;

Position1+=velocity1;

TIM4->CCR1=Position1 ;

其中我們使用Velocity1 用于代表舵機的速度，這個值根據目標值和舵機的實際位置計算得到，然后以積累的方式，將賦值有效的作用到舵機，這樣可以提高對于舵機的調節能力，利于控制PID 參數，從而保障運行效率。此外，在接近目標位置時，能夠有效的實現減速，可以防止慣性因素造成的減速箱損耗問題發生。

根據位置式離散PID 公式

pwm=Kp*e(k)+∑e(k)+Kd[e(k)-e(k-1)]

int Position_PID (int Encoder,int Target)

{

static float Bias,Pwm,Integral_bias,Last_Bias;

Bias=Encoder-Target; //計算偏差

Integral_bias+=Bias; //求出偏差的積分

Pwm=Position_KP*Bias+Position_KI*Integral_bias+Position_KD*

(Bias-Last_Bias);

Last_Bias=Bias; //保存上一次偏差

return Pwm; //輸出

4 結論

本設計針對目前老齡化的現狀和醫療救護系統的迫切需求，設計一種新型基于云平臺的醫療平衡救護床。這種新型平衡救護床不僅能夠實現實時平衡，確保病人的運轉安全，而且能夠通過救護床上的血氧濃度人體脈搏傳感器等多種生理監測設備對病員的生理參數進行實時監測，并將數據經由無線模塊和云平臺實時傳輸到遠程計算機上并進行實時顯示，以方便醫生進行遠程監測和病情監控。本設計的開展能夠滿足醫院醫療救護的迫切需求，研發成果具有廣闊的市場應用和產業化前景。