基于物聯網的智能看護老人系統

徐曉駿，胡 意

（南京工業大學浦江學院 機電學院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

智能看護老人系統利用物聯網技術，通過人體紅外感應模塊、振動傳感器、壓力傳感器，運用多種數據處理技術，打破傳統思維，達到傳感器的數據融合，實現醫院看護人員和護士及時了解病床上老人的睡眠情況、是否隨意走動等情況[1]。同時伴隨著物聯網技術的快速發展，智能老人看護系統也向著多功能、高效率、方便性以及實時性的方向不斷發展[2]。與國內外各類高科技智能看護系統相比，本項目更適合于城市下屬的鄉鎮醫院。據調查，在鄉鎮醫院中使用國內外智能看護系統的占比不足1%[3]，而其中90%并不需要如此高級的系統。若換用本文所研究的老人看護系統則更高效，更加節約資金。

1 系統設計

系統工作流程：以壓力信號和人體紅外感應信號作為輸入信號，由帶A/D轉換的單片機用無線模塊傳輸至核心單片機STM32F103C8T6中；核心單片機收到輸入信號后，將信號在液晶顯示器上顯示并實現蜂鳴器工作報警；另有一復位按鈕解除蜂鳴器工作。

本設計以STM32F103C8T6單片機作為核心，外接無線模塊、液晶顯示屏、聲光提示模塊，并與STC12C2052AD單片機進行通信，獲取壓力傳感器、人體紅外感應電子模塊、A/D轉換模塊等的數據，如圖1所示。其中護士站部分主要負責接收數據以及報警提示；病床部分主要負責接收和讀取傳感器的數據。

圖1 系統設計結構

2 硬件設計與主控選取

2.1 硬件選取

（1）壓力傳感器：為了確保輸入信號的正確性和穩定性，本項目根據需要運用的場景選用柔性長條型薄膜壓力傳感器，同時薄膜狀的傳感器不會給人體帶來不適感，且靈敏度高。

（2）液晶顯示屏：使用Nokia5110液晶顯示屏，相比同價格的其他顯示屏，接口類型多、視窗范圍大、性價比高。

（3）無線模塊：選用的是NRF 2.4G無線模塊[4]，可以與護士站處的STM32單片機進行SPI通信，實現六發一收，并且抗干擾能力強，可以設置自動應答，保證數據傳輸的可靠性。

（4）人體紅外感應電子模塊：將此模塊和壓力傳感器結合確保輸入信號的準確。本項目選用HC-SR501作為設計的一部分，它采用LHI788探頭設計，靜態電流僅65 μA，滿足低功耗的需求。

（5）STC12C2052AD單片機：收到壓力傳感器和人體紅外感應信號并將其轉換為電平信號，根據低功效、超低價、高速以及強抗靜電和抗干擾方面的特點選取了此單片機作為區域轉換單片機[5]。

2.2 主芯片選取

護士站的主控芯片為STM32F103C8T6單片機，如圖2所示，它比傳統的STC89系列有更加優越的性能、更高的處理速度、更突出的抗干擾能力，而且有多個通信接口，使得處理效率大大提高[6]。

圖2 STM32最小系統板實物

2.3 電路設計

由于本系統分為護士站和病床兩個部分，因此在電路設計時，也相應分開單獨設計。圖3為處在中心位置的護士站電路；圖4為處在外圍各個病房處的傳感器數據讀取及處理電路。

圖3 護士站處電路

圖4 傳感器的數據讀取和處理電路

3 軟件設計

3.1 軟件流程設計

當打開電源開關時，程序就開始全自主運行[7]，其運行流程如圖5所示。

圖5 程序運行流程

3.2 程序設計思路

首先是設備進行初始化，接著檢查護士站單片機與病房里單片機通信是否正常，再檢測人體紅外感應電子模塊。如果人不在病床上，那么返回低電平，無線模塊發送數據0X01，蜂鳴器發出“滴答”聲；如果人在病床上，則用壓力傳感器測量老人躺在床上時的壓力，并轉化為電壓值輸出后與設定的閾值Th進行比較，如果高于閾值說明有異常情況，此時壓力傳感器返回高電平，無線模塊發送數據0X02，蜂鳴器發出急促的“滴滴”報警信號。系統的邏輯真值見表1所列。

表1 系統的邏輯真值與發送數據對應

3.3 低功耗的處理

為了增強實用性，需對系統做低功耗處理[8]。在系統的硬件選取部分已做了相應考慮，但在軟件設計中為了滿足老人看護系統實時檢測的需求，可被優化的低功耗處理主要針對無線通信部分。

采用按需求喚醒無線模塊的策略，即在判斷老人正常睡眠的情況下，無線通信模塊處于休眠狀態，只有在老人下床或者異常情況下無線通信模塊才被喚醒，并發送數據[9]。

考慮到在實際應用場合，一個病房通常有2～3張床。如果異常情況同時出現在同一病房時，只需要喚醒一個無線通信模塊即可，這樣能最大限度地實現低功耗。

3.4 穩定性的保障

在追求低功耗、盡可能減少發射次數的同時，穩定性也不能忽視，所以采取在程序里做應答，如果發送后收不到接收方應答，就再重新發送[10]。

4 數據采集分析

4.1 壓力傳感器特性曲線的整定

先 選取標 準質量的砝碼 5 kg、10 kg、20 kg、25 kg、50 kg，測得的對應輸出端口電壓見表2所列，擬合出曲線如圖6所示。

表2 不同質量砝碼對應的輸出端口電壓

圖6 壓力傳感器的輸入輸出曲線

由圖6可以直觀看出輸出端口電壓值與傳感器上方質量基本呈線性關系（在不考慮重力加速度的情況下）。斜率小于零，并且隨著質量增大，斜率的絕對值略有減小。選取（5，3 004）和（50，609.5）這兩個點，計算平均斜率k=-53.211 1，則該特性曲線可以近似寫成一次函數：

在模擬真實情況進行驗證時，空載的情況下，端口電壓為3 300 mV。一位體重為54.55 kg的老人坐在上面，得到電壓值為382 mV；一位58.25 kg的老人坐在上面，得到電壓值為210.2 mV。與理論值相比的結果見表3所列。

表3 人員驗證結果

由表3結果可見，誤差僅有十幾毫伏且在測量儀器精度允許的范圍內，可以認為真實情況與擬合出的曲線吻合較好。

4.2 壓力傳感器的評估

在特性曲線擬合完成后，可以預測出壓力傳感器的有效量程。在式（1）中令y=0得x=62.017，所以有效量程在0～62 kg范圍內。由于人躺在床上時，壓在傳感器上的重量僅僅是體重的一部分，所以能夠保證傳感器工作在線性區域，保證其應有的靈敏度，能夠滿足絕大多數情況的檢測。

4.3 異常情況的檢測判斷

在模擬真實情況調試時，將STM32單片機配置成ADC采集模式，并將實時檢測到的電壓值通過串口發送給上位機，保存這些數據并繪制成曲線，如圖7和圖8所示。

圖8 人躺在床上掙扎時的電壓波動

觀察曲線圖，發現電壓值在200～600 mV范圍內波動，可以認定為正常睡眠。為了使該系統具有更好的適應性，可以將800 mV作為電壓的比較閾值Th。

5 綜合調試

為了驗證800 mV是否滿足準確度的要求，以及驗證無線通信模塊的可靠性，安排實驗人員進行模擬實驗，其統計結果見表4所列。

表4 動作行為驗證結果

由表4中的數據可知：下床動作識別率為100%；對于睡眠狀況的實驗，異常情況識別率為99%，漏報率為1%，誤報率為3%；對于無線通信模塊，通信成功率為99.5%，其中一次通信成功占比96.5%。

6 結 語

本文設計的智能看護系統包括人體紅外感應模塊，其輔助光敏傳感器能夠定性地檢測老人是否在床上，也可以處理壓力傳感器的電壓信號，定量地分析出老人的睡眠狀況，當遇到咳嗽、掙扎等異常情況時可以及時發出警告。除此之外，依靠無線通信模塊可以達到遠程動態感知信息的效果，成本低，效率高，還能夠實時統計并上傳數據，并且聲光警示具有及時性、便捷性，低功耗的程序處理模式使得該系統的續航能力強，具有較好的推廣價值。