基于物聯(lián)網(wǎng)的流食助推系統(tǒng)研究

張娜 張浩琨

山東理工大學(xué)/計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東 淄博 255000

引言

現(xiàn)如今對(duì)于有進(jìn)食困難的病人，通常采用流食助推器，其基本的工作流程是將流食添加到流食助推器中，監(jiān)護(hù)人通過操作流食器的控制臺(tái)來控制進(jìn)食的快慢。傳統(tǒng)的鼻飼管容易堵塞，因需監(jiān)護(hù)人操作導(dǎo)致喂食效率低下等問題逐漸顯露出來。基于以上問題，我們?cè)O(shè)計(jì)出了一款智能流食助推器，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來解決這一系列問題。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

作品是一款利用物聯(lián)技術(shù)，通過軟件“智能流食”去控制下位機(jī)流食助推器的一款物聯(lián)設(shè)備。下位機(jī)我們采用了STM32f103ZET6核心板作為主控制器，同時(shí)包含語音系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、流食監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。主要目的在于利用“智能流食”APP智能控制及監(jiān)測(cè)下位機(jī)，在APP中，監(jiān)護(hù)人可以查看流食助推器所在房間的環(huán)境溫濕度，流食存放器中流食的溫度、存儲(chǔ)量；同時(shí)監(jiān)護(hù)人可以開啟自動(dòng)流食功能，通過APP設(shè)置每一次進(jìn)食的時(shí)間、進(jìn)食的流速、進(jìn)食量和流食溫度。當(dāng)時(shí)間到達(dá)以后，首先流食助推器會(huì)通過語音模塊來告知用戶即將送食，一段時(shí)間后，通過點(diǎn)擊助推流食到用戶鼻中，在此過程可以控制流速。上位機(jī)的使用可以使設(shè)備脫離空間限制，即使在進(jìn)食者無人監(jiān)護(hù)的情況也能準(zhǔn)確地為進(jìn)食者設(shè)置進(jìn)食的時(shí)間、進(jìn)食量、進(jìn)食溫度，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)流食液位變化而檢測(cè)鼻飼管有無堵塞，防止進(jìn)食者因鼻飼管堵塞而意外嗆著，提高了進(jìn)食的安全性[1]。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)采用STM32作為主控制器，芯片的片內(nèi)外設(shè)資源非常豐富，含有本系統(tǒng)所需要的基本輸入輸出IO口、定時(shí)器、串口、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、SPI通信接口、中斷系統(tǒng)等。我們利用監(jiān)測(cè)傳感器來采集環(huán)境的溫濕度、流食的溫度、存儲(chǔ)量，將此信息通過模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)送給單片機(jī)，控制器接收到數(shù)據(jù)后解析數(shù)據(jù)，存入內(nèi)部flash中；同時(shí)單片機(jī)通過串口通信連接Wi-Fi模塊，通過AT指令與模塊進(jìn)行通信，通過Wi-Fi將采集的數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，以App界面的方式反饋給用戶，用戶可以通過操作App的旋鈕或者開關(guān)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，比如時(shí)間、流食速度，流食量的設(shè)置，App操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)查看便利。此系統(tǒng)改善了現(xiàn)有流食助推器的工作方式，方便了用戶的管理[2]。

2.2 通信電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用WiFi的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，原因在于現(xiàn)如今的Wi-Fi已經(jīng)普及到各家各戶、醫(yī)院、療養(yǎng)機(jī)構(gòu)，利用手機(jī)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的連接已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，連接過程較為簡(jiǎn)單；同時(shí)Wi-Fi連接方式憑借穩(wěn)定性高、費(fèi)用低、安全性強(qiáng)等使Wi-Fi在與物聯(lián)網(wǎng)的連接中處于優(yōu)勢(shì)地位。系統(tǒng)采用ATK-ESP8266作為Wi-Fi模塊，該芯片具有小尺寸、低功耗、高精度、低延遲的特點(diǎn)，保證上位機(jī)和下位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和高效性。

2.3 流食監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)

產(chǎn)品采用防水型DS18B20溫度傳感器作為流食溫度監(jiān)測(cè)的傳感器，該模塊可以滿足系統(tǒng)所需要的溫度監(jiān)測(cè)范圍和精確度；采用非接觸式液位傳感器Y25-PNP作為流食存儲(chǔ)量的監(jiān)控模塊，該設(shè)計(jì)突破了容器壁的厚度限制，真正地實(shí)現(xiàn)了對(duì)封閉容器內(nèi)液位高度的真正非接觸檢測(cè)。控制器收集到傳感器的數(shù)據(jù)后通過單片機(jī)處理上傳到服務(wù)器，以方便用戶對(duì)設(shè)備的管理和操作。我們利用此模塊單元作為鼻飼管堵塞狀態(tài)的判斷依據(jù)，當(dāng)進(jìn)食過程中流食液位不發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)判斷鼻飼管堵塞，自動(dòng)停止本次自動(dòng)進(jìn)食并且語音引導(dǎo)進(jìn)食者正確的處理方法和自救方法，極大地提高了此設(shè)備的安全性。

2.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用帶電池的DS3231實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊作為此系統(tǒng)的時(shí)間傳輸模塊，模塊通過IIC接口與單片機(jī)相連，為系統(tǒng)提供時(shí)間參考以保證對(duì)時(shí)間信息精準(zhǔn)地處理，相比于單片機(jī)自帶的RTC時(shí)鐘，該模塊能夠保證在系統(tǒng)斷電后，時(shí)鐘仍然能夠正常運(yùn)行；同時(shí)為避免模塊出現(xiàn)錯(cuò)誤，服務(wù)器定時(shí)給下位機(jī)發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間的同步，保證定時(shí)進(jìn)食功能的正常進(jìn)行[3]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)服務(wù)器采用的是騰訊的云服務(wù)器，云服務(wù)器的使用可以最大程度上節(jié)省服務(wù)器的CPU資源，相較于物理服務(wù)器，具有投入費(fèi)用低、管理成本低、安全性高、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠等優(yōu)勢(shì)。App的開發(fā)采用c#進(jìn)行編寫，編寫的文件是aspx動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁文件，建立前端與服務(wù)器處理之間的聯(lián)系。服務(wù)器通過socket進(jìn)行端口監(jiān)聽，監(jiān)測(cè)下位機(jī)的連接狀態(tài)。下位機(jī)接入采用MQTT的通信協(xié)議，保證傳輸過程的低錯(cuò)誤率，方便長(zhǎng)時(shí)間的通信，服務(wù)器采用AJAX創(chuàng)建快速動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的技術(shù)來實(shí)時(shí)刷新網(wǎng)頁，保證用戶對(duì)軟件的體驗(yàn)感。用戶在軟件中可以實(shí)時(shí)查看用戶所在環(huán)境的溫濕度、流食的溫度和存儲(chǔ)量、流食的流速和流食量；同時(shí)可以設(shè)置進(jìn)食的時(shí)間等系列數(shù)據(jù)。App的使用減少了監(jiān)護(hù)人的工作流程，提高了進(jìn)食效率[4]。

為了方便開發(fā)，我們利用中移物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，以制作簡(jiǎn)易界面。開發(fā)界面如圖2、3所示：

圖2 數(shù)據(jù)展示界面

圖3 用戶設(shè)置界面

4 結(jié)束語

通過本次設(shè)計(jì)，系統(tǒng)完成了針對(duì)難以正常進(jìn)食人群的自動(dòng)化進(jìn)食，將傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合到智慧醫(yī)療行業(yè)中，讓現(xiàn)代化物聯(lián)設(shè)備代替監(jiān)護(hù)人的監(jiān)護(hù)成為可能。此系統(tǒng)的出現(xiàn)將會(huì)改善現(xiàn)有的喂食方式，對(duì)現(xiàn)代化的醫(yī)療服務(wù)起到很大程度上的促進(jìn)作用，是未來服用流食的一種方式。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推進(jìn)了該項(xiàng)目的普及，智能流食助推器實(shí)用性很強(qiáng)，發(fā)展前景十分廣闊。