基于智能護理床的多功能床頭設計

李姝麗 郭炘延 李昌祺 李星月 張子怡 朱成龍 方長安

摘要：該多功能床頭主要采用STM32F407ZGT6主控板將集成式小型冰箱、加濕器、空氣凈化器、輸液架、床頭燈、床頭桌、拐杖凳、自動語音提醒系統集合于一體，在合理運用家用電器的同時既保證人們的生活質量又充分利用了空間。另外，供電與動力系統單元化、模塊化的設計使得多項功能協調運作，各項功能均通過觸摸控制器予以實現對床頭各項功能的智能控制。多功能床頭操作方便，提高了床頭的舒適度，豐富了床頭的功能，適宜于現有家庭生活環境。

關鍵詞：STM32F407ZGT6主控板;觸摸控制器;智能床頭

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0056-02

隨著社會的不斷發展，市場也在不斷變化，各種各樣的產品也隨著市場的發展不斷走向智能化，而床作為我們日常生活使用頻率最高的家具，對我們的健康和生活都起著至關重要的作用。尤其是用于老年人的護理床，床頭功能單一，難以達到精準護理的要求，很難提供較為舒適健康的環境，雖然其中也不缺乏智能化的產品，但也難以充分滿足人們的個性化需求，且市面上較多智能產品相對比較難操作。

為了改善這些問題，該設計研究智能化相關技術，設計了一款操作簡單，功能多樣的智能床頭，相較于普通床頭，該項目在設計上使產品更加貼近用戶的生活，創新性地把多項功能結合在一起 且均為觸屏，易于操作。在傳統中進行突破，實現了傳統設計的智能化升級，為人們帶去了便利。

1整體結構理念

2017年國務院發布了《深化審評審批制度改革鼓勵藥品醫療器械創新的意見》，旨在減小醫療器械產業上市產品質量和國際先進水平之間的差距。我們根據前期調查發現，隨著工作節奏加快，使得忙于工作的人們生活壓力不斷增大，免疫力低下，生病時缺少照顧，以及老年人群數量增加，尤其是老年人病中的護理時，一款功能強化的護理床尤其重要。我們設計了一款功能全而方便的智能床頭，設計中將硬件與軟件協調控制、相輔相成。

該智能床頭通過觸屏控制器可以實現各個系統的運行，為需要儲存和冷藏的藥物、美妝用品提供了示溫可控冰箱，采用DS18B20數字溫度傳感器來實時監測溫度，有DHT12數字溫濕度傳感器實時監測空氣溫濕度，以及具備可調節的空氣加濕凈化器，及時改善空氣質量，并有三檔亮度可調升降式床頭燈，適用于多種環境。設計中將控制系統集成化、供電系統模塊化，在打造簡約器械的同時，告別單一選擇，讓家具器械更加高效，便于人們的生活。

2機械模塊設計

機械模塊主要包括床頭桌及拐杖凳的設計，該設計運用榫卯結構，3D打印、鋁合金/亞克力板激光切割，沖壓彎折等技術。對零件不斷進行設計、試用總結、改進優化，從而得到了一大批工作性能良好的零件，從而保證了整個項目的精度及運行流暢度。同時，在該項目的設計過程中，我們用SolidWorks對關鍵的零部件進行了有限元分析，根據實際加工形式進行針對性優化。最后，基于理論基礎設計出了實物的展示模型，最終基于理論分析及客戶需求調查統計完成了實物設計。

2.1床頭桌

圖1為床頭桌。因使用頻繁，移動距離也相對較大，用傳統的電機設計很容易發生夾住雜物或人的危險，故其設計采用手動調節。床頭桌靜置時嵌入式位于床頭右側，采用旋轉移動式手動調節，去輔助使用者學習、看報和吃飯等日常所需，另外，桌周圍的擋板設計，使物體不易于滑落，更加的具有人性化。

2.2拐杖椅

在目前發生過的醫療事件中，摔倒很容易造成傷勢的加重，甚至造成不可逆轉的嚴重后果，因此我們設計的拐杖凳（圖2）。運用了三角原理，在一定程度上增加了拐杖凳的穩定性，降低危險事故發生概率，同時，握把的設計采用人體工學設計原理，手感舒適、質感細膩，讓使用者“穩如磐石”。

3 控制模塊設計

控制系統指的是通過控制溫度傳感器、濕度傳感器、空氣質量傳感器等各傳感器來采集周圍環境情況，將有效信息采集后經過控制中心處理，最后實現對集成式小冰箱、加濕器、空氣凈化器、輸液架、床頭燈及自動語言提醒系統的控制，讓智能床的使用更加便捷舒適，擺脫了傳統智能床頭的束縛，讓智能床頭變得更加多功能化。

3.1觸摸顯示屏

圖3為觸摸顯示屏，通過圖形用戶交互設計將所有控制系統的功能集合于一體。液晶控制器（分辨率：480×800）顯示屏配合XTP2046觸控芯片和外部SRAM芯片，微控制器通過STM32內部外部的SRAM與液晶屏連接，就像是訪問內存一樣的訪問控制器的GRAM顯存，提高了顯示屏屏幕的刷新速度。使用USART、I2C通信方式獲取環境信息并顯示，同時具備使用它能夠顯示當前護理床和環境狀態以及控制所有功能開關，便于使用者學習操作，并提高了使用者的舒適度、安全性及護理者的便捷度，將人機交互充分展現。

3.2集成式小冰箱

由調查可知，像胰島素、抗生素等資源稀缺、造價昂貴的藥物大多均需儲存在低溫干燥的環境下，但目前市面上幾乎沒有一款智能床頭具有低溫儲存藥物的功能，因此一款可以儲存藥物并不造成二次藥品污染的設計就變得至關重要，而集成式小冰箱（如圖3）的設計其主要目的是為需要儲存和冷藏的藥物、美妝用品提供了示溫可控冰箱，該集成式小冰箱通過采用DS18B20溫度傳感器檢測顯示溫度，手動設定最佳溫度，可自動調節冰箱內部溫度，以便使藥物處于最合適的溫度，避免因家用冰箱而造成的藥物二次污染，既能節省資源，又能提高藥性。小身材大容量，靈巧設置，充分利用了空間。

3.3加濕器

調查發現，流行病多發期及死亡率高峰期均在干燥環境下。由此可見，預防流行病，一定要注意水分的供給，所以我們在床頭正上方左側添加了加濕器（圖4）。它采用DHT12溫濕度傳感器檢測空氣溫濕度，可自動檢測并改善空氣濕度，當空氣環境中的溫濕度低于某一設定值時，它就會自動控制霧化片以實現加濕空氣環境的功能，方便加水，瞬間加濕，驅趕干燥，補水滋潤，同時實現對房間溫度的監測，防止使用者中暑或感冒等，提高了使用者生活空間的空氣安全。

3.4 空氣凈化器

人體免疫機能相對薄弱時，空氣污染嚴重會引起人們氣管炎、肺炎等呼吸系統疾病，雖然開窗通風可以實現空氣的流通，但依舊十分不利于人們的生活，但空氣凈化器（如圖4）便可以很好地解決這一問題，我們將它嵌入式置于床頭正上方右側，通過YW-51G粉塵傳感器對空氣質量進行檢測，并用2097CN濾棉對空氣進行凈化，為使用者提供良好的空氣環境，促進代謝，與加濕器協調運作共同改善床頭周圍空氣質量，提升使用者的免疫機能。

3.5自動語言提醒系統

在科技發展的今天，手機一代一代更新，但是手機里的備忘錄卻一直被人們使用著。備忘錄便攜，但記錄內容越多越顯繁雜，且沒有實時提醒，基于人們對生活與學習的要求，該項目將自動語言提醒系統作為本次設計突出的亮點。

該系統由芯片控制，選擇了帶揚聲器驅動的WM8978作為編碼器芯片，加上SD存儲模塊以及LCD顯示模塊，構成了提醒器的硬件系統，結合用戶輸入的信息，實現用戶的全方位提醒。使用者可以設置鬧鐘時間，將提醒的語音提前錄制，到達指定時間后，智能床頭便會按時進行語音播報，提醒使用者。該系統具有較強的實用性與適用性，就好像身邊始終跟隨著一位不用支付薪水的秘書，令使用者使用起來游刃有余。

3.6輸液架及床頭燈

輸液架的設計能夠實現輸液操作。同時，床頭燈具有三檔亮度可調節，通過改變通過LED的電流來實現亮度的調節，以適應不同的使用需求，使得使用者在晚上無障礙起夜的同時，也可以不打擾到別人休息。除此之外，床頭燈還具有升降功能，運用步進電機與齒輪（圖5）的密切配合，使燈桿可以智能化上下運作，以達到提升空間價值的作用。

4 總結

智能城市，智能社會是社會發展的主旋律，該項目涉及多個領域，通過分析智能床頭的發展和現狀，結合功能化，人性化等的設計理念，將人機交互應用于多功能智能床頭，從而實現以人為本的全新智能床頭的體驗，是一個綜合性的應用項目，具備較強的實用性和市場化潛力。

參考文獻：

[1] 丁玉蘭.人機工程學[M].2版.北京：北京理工大學出版社，2000.

[2] 陳啟軍，余有靈，張偉.嵌入式系統及其應用：基于Cortex-M3內核和STM32F103系列微控制器的系統設計與開發[M].上海：同濟大學出版社，2011.

[3] 王玉昭.面向多功能護理床的機構設計與分析[D].上海：上海工程技術大學，2016.

【通聯編輯：光文玲】