便攜式智能臍療艾灸儀設計

邵海燕， 耿 超， 韓兆翠， 韓 青， 王 娜， 馬玉真

（濟南大學 機械工程學院， 山東 濟南 250022）

0 引言

艾灸屬于中醫(yī)范疇，在中國已有上千年的歷史，是一種外治方法，其治療效果已經(jīng)被無數(shù)臨床實踐所驗證[1-2]。臍通五臟六腑，與全身經(jīng)脈相連通，是人體的黃金分割點[3]。臍療[4]是將藥物做成適當劑型（糊、散劑/粉、藥丸、藥膏等）敷于臍部，或在臍部給以某些物理刺激（如艾灸、針刺、拔罐等）以治療疾病的方法。 臍療艾灸就是在臍部進行艾灸治療， 目前臨床上常見的方法是利用濕潤的面團作為支撐燃燒的艾柱的支架，同時起到隔熱效果。 山東中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院現(xiàn)在臨床使用醫(yī)療效果佳，但是也存在著一些不足，如：艾絨燃燒時，產(chǎn)生刺激性氣味較大的濃煙；溫度不可控易，患者易被燙傷；需要專門醫(yī)師照看；經(jīng)驗為主，難以量化等。電子艾灸儀就是在這種情況下出現(xiàn)的，它屬于溫灸器灸，即用專門制作的灸療器械進行艾灸。 現(xiàn)有的艾灸儀大致分為兩類：一種是體型較大、帶有溫熱探頭等的多功能艾灸儀[5]，一種是體型較小、便于隨身攜帶的艾灸盒。

本文設計了一款便攜式智能臍療艾灸儀， 總體包括五部分。 第一部分結構設計介紹了電子臍療艾灸儀的結構設計和組成。第二部分硬件電路設計，對傳感器和人機交互等進行了設計。第三部分程序設計，主要包括數(shù)據(jù)傳送和按鍵控制等，并完成了微信小程序開發(fā)。第四部分實驗，基于PID 控制算法實現(xiàn)對溫升和溫降曲線的控制。最后部分是結束語。

1 結構設計

1.1 整體結構

基于傳統(tǒng)的臍療艾灸方法，從功能化、智能化、便捷性和輕量化角度出發(fā)，設計了一種電子臍療艾灸儀，整體結構見圖1。 所提出的中醫(yī)臍療智能艾灸儀的結構[6-7]大致分為上蓋部分、加熱核心部分、底盤部分、外殼。上蓋部分主要包括上蓋、顯示屏版、按鍵墊、主電路板（包含按鍵、顯示屏、鋰電池）。 加熱核心部分主要包括隔熱架、風機、加熱膛、上下加熱片、上下隔熱罩、加熱盤、把手、風道蓋、把手架、強磁、導流罩。 底盤部分主要包括底盤、體溫傳感器、近皮膚溫度傳感器、硅膠墊、紅外線燈、廣角攝像頭。其中廣角攝像頭固定在導流罩頂部中間安裝梁上，便于對皮膚的狀況進行實時監(jiān)測。

圖1 臍療艾灸儀結構示意圖

1.2 加熱部分結構

根據(jù)文獻和實驗知，不斷升溫的過程中，艾餅中的藥性成分得到改變，低于150℃的溫度加熱就不會產(chǎn)生艾煙[8-9]。在此溫度范圍內加熱，藥粉的藥效也能發(fā)揮作用。設計中的加熱部分主要由發(fā)熱內膛、加熱片和藥盤組成，見圖1。發(fā)熱內膛采用純銅材質，熱導率大，減少熱量損失；藥盤采用鋁合金材質，升溫降溫快，在對要藥盤里的艾餅加熱時減少熱量傳遞時間。從一側抽出藥盤，將由艾草粉末和藥粉壓制而成的餅狀物放置其中，再將其推入后，手柄和軌道的一對強磁吸合，防止藥盤滑動，同時霍爾傳感器檢測藥盤的位置，意外滑出后立即停止加熱，保證安全可靠性。 加熱片采用圓形MCH高溫陶瓷加熱片， 表面積較小且加熱效率高、 機械強度高，絕緣性好，不易破損；內部采用高密度鎢漿印刷發(fā)熱材質，加熱迅速且更加均勻。

2 硬件電路設計

2.1 硬件整體構成

臍療艾灸儀的硬件整體原理框圖見圖2。 主控芯片采用STM32F103C8T6 芯片，電源模塊采用IP5328P 電源管理芯片，WIFI 模塊采用ESP8266-12F，傳感器包括溫度傳感器、 溫度傳感器和霍爾傳感器， 人機交互模塊包括LCD 液晶顯示屏、四個實體按鍵、蜂鳴器，其他外設包括加熱片、風機、紅外線燈。在整個硬件系統(tǒng)中，主控芯片用來存儲PID 算法和必要程序并控制其它模塊，WIFI 模塊通過WIFI 連接網(wǎng)絡與百度天工云雙向通信，以此來建立微信小程序和臍療艾灸儀的無線連接， 類似于人的感覺器官，用來感知外界信息。

圖2 硬件整體原理框圖

2.2 控溫防燙

設計采用精度為±0.1℃的TMP117 溫度傳感器測量皮膚溫度和近皮膚溫度， 該傳感器可通過I2C 與STM32進行通信。 選用分辨率為0.25℃的MAX6675 作為測量加熱核心的溫度傳感器， 測量范圍為0℃～1023.75℃， 通過SPI 與STM32 進行通信，防止因程序故障而導致對加熱片加熱控制失靈，同時也為后續(xù)的艾灸實驗提供溫度數(shù)據(jù)。

皮膚溫度和近皮膚溫度傳感器分布見圖3， 近皮膚溫度測量值作為PID 控溫的輸入。皮膚灸溫在44～48℃＜50℃溫度區(qū)間是艾灸取得療效的關鍵[10]，因此溫度應保證在此溫度區(qū)間變化，以此保證防止燙傷使用者和使艾灸效果最佳。

圖3 溫度傳感器分布圖

2.3 藥柄位置檢測

設計選用AH3144 霍爾傳感器， 檢測藥盤位置及是否拉出。在藥盤把手上裝有強磁，位置變化會改變霍爾傳感器附近的磁場。當磁鐵的S 極靠近傳感器時，霍爾傳感器的引腳就會輸出低電平的數(shù)字信號， 當遠離傳感器時輸出高電平數(shù)字信號。 根據(jù)磁場的變化就能判斷出藥盤的位置，防止在加熱時藥盤未推入，而導致加熱片空熱造成危險。

3 程序設計

3.1 整體程序結構

主控STM32 采用Keil uVision5 的開發(fā)環(huán)境[11]。 在調試和仿真程序時，采用STLINK 仿真器。 主程序流程圖見圖4。 WIFI 模塊采用ESP8266-12F，通過串口與STM32 進行通訊， 將采集到的溫度數(shù)據(jù)、工作狀況等通過TCP MQTT 發(fā)送到百度天工云服務器并接收微信小程序， 通過WebSocket MQTT 發(fā)送到百度天工云的指令并將其發(fā)送到主控，最終實現(xiàn)對溫度的監(jiān)測和指令下達的雙向通信。

圖4 主程序流程圖

3.2 微信小程序設計

用戶端微信小程序設計選用小程序調試模式， 簡單、高效，可以縮短設計周期。 設計的操作界面（圖5）包括顯示部分和操作部分。 顯示部分上方的是當前溫度和加熱定時時長，字體顏色為紅色，顯眼醒目，其下方的數(shù)值自左向右分別為設定溫度、當前電量，這些數(shù)據(jù)與艾灸臍療儀的顯示屏的顯示數(shù)據(jù)是同步的。操作部分有五個按鍵，左側上方為溫度增加鍵，其下方是是溫度減少鍵，右側上方是定時增加鍵， 其下方是定時減少鍵。中間是電源鍵，通過電源鍵可以一鍵關機，同時為防止誤觸，增加關機提醒。 五個控制按鍵的上方為訂閱主題按鍵， 實現(xiàn)百度天工云服務器到微信小程序的數(shù)據(jù)回調，下方是獲取位置按鍵，獲取手機的位置后將經(jīng)、 緯度發(fā)送到STM32 單片機進行真太陽時的計算。

圖5 微信小程序界面圖（手機截屏）

4 實驗及結果分析

4.1 控制算法及參數(shù)計算

控溫算法采用增量式PID 算法[12]。 在完成硬件連接、程序設計后對其進行PID 參數(shù)整定， 保證工作時可以快速、準確、穩(wěn)定地控溫。PID 參數(shù)整定方法有臨界比例度法、試湊法、遺傳算法[13-14]等，本設計選用試湊法。 經(jīng)多次實驗，計算得到：整定比例系數(shù)、整定積分時間常數(shù)和整定微分時間常數(shù)分別為。溫升和溫降的時間-溫度曲線見圖6。 設定加熱溫度為46℃，系統(tǒng)能在20s 左右升至設定溫度，最大超過設定值1℃左右；到達設定溫度后停止加熱，近皮膚溫度傳感器檢測到的溫度能在120s 左右降至室溫20℃，滿足系統(tǒng)設計要求。

4.2 結果分析

圖6 中，直線代表設定溫度，曲線代表實際溫度。 在設定加熱溫度為46℃時， 系統(tǒng)能在20s 左右達到設定溫度46℃。最大超過設定值1℃左右，滿足系統(tǒng)的要求。停止加熱， 近皮膚溫度傳感器檢測到的溫度能在20s 左右變?yōu)槭覝?0℃。

圖6 設定溫度為46℃的溫升和溫降曲線圖

5 結論與展望

在當前利用面團進行臍療的基礎上， 本文提出了一種電加熱、無煙、溫度可控可測、便攜和輕量化的智能臍療艾灸儀整體設計方案。 下一步的工作將從艾灸儀內部的結構優(yōu)化和共享數(shù)據(jù)方面展開。